#4. Phổ 1H: Mở đầu

Trong số hơn một trăm nguyên tố hóa học, Hydro (ký hiệu H) có rất nhiều tính chất đặc biệt: Hydro là nguyên tố đứng đầu bảng tuần hoàn các nguyên tố (vị trí #1), có cấu tạo đơn giản nhất (chỉ có 01 proton) và là nguyên tố nhẹ nhất. Trong vũ trụ, Hydro chiếm khoảng 74%, sau đó là Heli, khoảng 24%, chỉ còn khoảng 2% dành cho tất cả các loại khí khác. Với trái đất của chúng ta, Hydro dạng nguyên tố không nhiều nhưng Hydro dưới dạng hợp chất có mặt ở mọi nơi, bao gồm nước và hầu hết các hợp chất hữu cơ tự nhiên (cả động vật và thực vật).

Nguyên tố Hydro có 3 đồng vị. Hạt nhân của 3 đồng vị đều có 01 proton, chỉ khác nhau số notron. Động vị nhẹ nhất là 1H, chỉ có duy nhất 01 proton, không có notron, vì vậy thường gọi là proton. Hai đồng vị còn lại là 2H (có 01 notron) và 3H (đồng vị nhân tạo, có 02 notron).
 
1H hay còn gọi là proton có vai trò đặc biệt trong  NMR. Theo lý thuyết NMR thì trong tất cả các đồng vị của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn, hạt nhân 1H là hạt nhân thỏa mãn tốt nhất các điều kiện để ghi nhận được phổ NMR. Cụ thể: 1H có spin hạt nhân I=1/2 là điều kiện tốt nhất về mặt spin để đo NMR, tỷ số từ hồi quy (Gamma) của 1H là lớn nhất so với các hạt nhân tự nhiên khác, thời gian hồi phục từ của 1H tương đối ngắn, tỷ lệ phân bố tự nhiên của 1H rất cao, chiếm khoảng 99,985% so với đồng vị tự nhiên còn lại (2H). Chính vì vậy, phổ 1H là phổ NMR được ghi nhận sớm nhất, ngay từ năm 1945 và trong suốt một giai đoạn dài người ta xem phổ NMR có nghĩa là phổ 1H, phổ proton.

Ngày nay, khi sử dụng công cụ NMR để nghiên cứu cấu trúc, người ta luôn bắt đầu từ phổ 1H NMR và không ít trường hợp cũng chỉ cần duy nhất phổ 1H NMR. Hầu hết các nghiên cứu NMR thống kê cũng dựa trên phổ 1H NMR. Chính vì vậy, mặc dù có tới hàng trăm dạng phổ NMR khác nhau, từ đơn giản tới phức tạp, nhưng chương về phổ 1H là chương không thể thiếu trong mọi giáo trình NMR. 

Theo điều kiện NMR, tần số cộng hưởng của 1H (proton) có giá trị cao nhất so với các hạt nhân tự nhiên (chỉ sau đồng vị nhân tạo 3H). Vì thế, giả sử phổ NMR là sự phụ thuộc tần số cộng hưởng của các hạt nhân theo tần số thì 1H sẽ ở vị trí từ trường cao nhất, tận cùng phía tần số cao của thang phổ. Trong ví dụ giả định phổ NMR của CHCl3 minh họa cho dưới đây, nếu tín hiệu 1H nằm ở tần số 500MHz, thì tần số cộng hưởng của 13C và 35Cl tương ứng chỉ là 125MHz và 49 MHz, các hạt nhân khác, nếu có, sẽ nằm trong khoảng ..... đến 500MHz.

Phổ NMR giải định của Chloroform (CHCl3) trong từ trường khoảng 11,7T, 

Nếu phổ NMR chỉ đơn giản như phổ NMR giả định mẫu CHCl3 cho ở hình trên thì phổ NMR sẽ rất nghèo thông tin, chỉ là công cụ cho phép nhận biết sự có mặt các loại hạt nhân khác nhau trong phân tử, điều mà nhiều phương pháp phân tích hóa học đơn giản và cổ điển khác cũng có thể làm được. May mắn thay, đầu những năm 50 của thế kỷ trước, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng phổ NMR của mỗi hạt nhân không đơn giản là một vạch cộng hưởng tại một giá trị tần số đặc trưng cho mỗi hạt nhân. Cùng một hạt nhân, ví dụ 1H, nhưng tùy thuộc vị trí của hạt nhân trong phân tử mà tần số cộng hưởng sẽ khác nhau, dù sự khác nhau là rất nhỏ, chỉ cỡ vài phần triệu (ppm). Do đó, nếu trong phân tử có nhiều hạt nhân 1H ở các vị trí khác nhau trong cấu trúc phân tử, chúng sẽ cho nhiều vạch cộng hưởng với giá trị tần số khác nhau. Điều này sẽ được trình bày chi tiết trong #5 và #6. Hơn thế nữa, các hạt nhân 1H ở những vị trí khác nhau trong phân tử còn có thể tương tác lẫn nhau hay tương tác với các hạt nhân khác trong phân tử, làm cho các vạch cộng hưởng tách thành các vạch bội. Nhờ vậy, phân tích bức tranh tách vạch cộng hưởng thành các vạch bội sẽ cho ta thêm thông tin về cấu trúc phân tử. Điều này sẽ được trình bày chi tiết trong #7.