Phương pháp phân tích phổ NMRDA

Cơ sở lý thuyết của phương pháp phổ NMRHạt nhân mang điện tích dương quay quanh trục quay làm xuất hiên một từ trường hư một nam châm vĩnh cửu Pr 3... Tính chất của hạt nhân có tính từ t

Mở đầu

 1938: lần đầu tiên được mô tả và đo trong chùm phân tử do Isodor Rabi (Nobel 1944)

 1946: Edward Mills Purcell (Harvard) và

Felix Bloch (Stanford) mở rộng đo cho

chất rắn và chất lỏng (Nobel 1952)

 K Wüthrich (Nobel 2002): xác định cấu

trúc 3 chiều của đại phân tử

 P.C Lauterbur và P Mansfield (Nobel 2003): Khám phá liên quan đến hình ảnh cộng hưởng từ (NMRI) nhờ đó mà có hình ảnh các bộ phân bên trong cơ thể sống

1

 NMR (nuclear magnetic resonance) là kỹ thuật có giá trị nhất để xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ Phương pháp NMR có hạn chế là chỉ áp dụng cho các hạt nhân Nguyên tử với số hiệu nguyên tử (số thứ tự Z) lẻ hoặc số khối (A) lẻ có spin hạt nhân mới có tính chất từ như 1H, 2D, 13C, 15N, 19F, 31P…

Các hạt nhân không có tính từ như 12C, 16O, 32S… không thể hiện trên phổ NMR

 Để xác định cấu trúc của HCHC, phương pháp phổ thông dụng nhất là 1H và 13C sau đó tùy theo loại hợp chất mà có thể sử dụng thêm phổ 15N, 19F, 31P…

3.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phổ NMR

Hạt nhân mang điện tích dương quay quanh trục quay làm xuất hiên một từ trường

hư một nam châm vĩnh cửu

Pr

3

Tính từ của hạt nhân nguyên tử được biểu thị định lượng qua momen lưỡng cực từ µr

P

µ γr= r

-momen từ có giá trị tuyệt đối là µ

-momen động lượng (momen spin) hay spin hạt nhân có giá trị tuyệt đối là p

γ -hằng số tỷ lệ gyromagnetic (hằng số tỷ lệ từ hồi chuyển)

Pr

µr

3.1.2 Tính chất của hạt nhân có tính từ trong từ trường ngoài

Ho

Hạt nhân từ khi không có từ trường ngoài

Hạt nhân từ trong từ trường ngoài Ho: khuynh hướng sắp xếp momen từ của hạt

nhân cùng hướng đường sức với từ trường ngoài

5

Một hạt nhân từ có momen từ định hướng dưới một góc θ so với hướng từ trường ngoài không đổi Từ trường này làm cho nam

châm chuyển động tuế sai (chuyển động vòng)

quanh trục từ trường ngoài

với ν tần số góc – số vòng quay trong thời gian một giây

Không phụ thuộc vào góc nghiêng θ và tỷ lệ thuận với

cường độ từ trường ngoài H0 :

Xét ảnh hưởng của từ trường ngoài có giá trị không lớn H1

vuông góc với H0 H1 có khuynh hướng làm lệch nam châm

vào mặt phẳng xy nhưng tác động này có hiệu lực rất nhỏ

khi H1 quay quanh trục H0 với tốc độ góc (hay tần số góc)

khác với tần số góc của chuyển động tuế sai của nam châm

quanh trục từ trường ngoài H0 Nếu thay đổi rất chậm sự

quay của H1 qua giá trị tần số góc chuyển động tuế sai của

nam châm quanh trục H0 thì khi đạt được giá trị tần số này,

góc θ sẽ thay đổi rất mạnh tương ứng với sự trao đổi năng

lượng giữa hạt nhân từ chuyển động tuế sai quanh trục từ

trương H0 với từ trường quay H1

Hiện tượng này không khác gì dạng cộng hưởng, do đó có khái niệm cộng hưởng từ hạt

Sự trao đổi năng lượng trên tương ứng với sự hấp thụ hoặc phát ra bức xạ và có thể ghi nhận bằng thiết bị thực nghiệm để ghi đo các tín hiệu NMR gọi là phương pháp NMR:

Hạt nhân từ cần được đặt trong từ trường không đổi H 0 , sau đó tác động lên hạt nhân bức xạ điện từ H 1 (sóng rađio) sao cho từ trường H 1 của bức xạ này quay quanh trục H 0

với tần số góc có giá trị cần thiết gây nên sự cộng hưởng.

Khi hạt nhân quay quanh trục có momen động lượng hạt nhân (momen spin)

Hình chiếu của các momen động lượng và momen từ lên trục Z nhận những giá trị

π

2 2

h P

2 2

z

h P

Thế năng E của hạt nhân từ định hướng dưới góc θ so với đường sức của từ trường ngoài

H0 được xác định theo phương trình

0 cos

0

E H= r rµ

Do đó nếu đặt hạt nhân từ I = 1/2 vào từ

trường H0 thì năng lượng của nó sẽ hoặc

tăng hoặc giảm một đại lượng

phụ thuộc vào sự định hướng được phép của spin hay hạt nhân từ

0

13

H

µ

0

12

Với 1H: Ho = 9.4 T, ∆E = 2,65 10-25 J, T = 300K thì:

Định luật phân bố Boltzmann: k = 1,38.10-23 J.K-1

π

γν

2

)( H H0

π

γν

2

)( C H0

Nguyên lý hoạt động của máy NMR

13

3.1.4 Quá trình hồi phục spin

a) Véctơ từ tính M0

Véctơ từ tính Mo được định nghĩa bằng tổng các

véctơ từ của các hạt nhân trong một đơn vị thể tích

Do số hạt nhân ở trạng thái α lớn hơn TT β nên vectơ

M0 cùng hướng với từ trường ngoài H0

15

b) Quá trình hồi phục spin

Cân bằng nhiệt được xác định thì các hật nhân từ nằm cân bằng với nhau ở hai trạng thái α và β theo phân bố Boltzmann

Khi áp một sóng ngang radio (RF) thì cân bằng bị phá vỡ để chuyển đên một trạng thái

CB mới Sự quay trở lại TT CB nhiệt ban đầu gọi là quá trình hồi phục spin

Phân biệt: hồi phục spin dọc (T1) và hồi phục spin ngang (T2)

•Hồi phục dọc: Sự quay trở lại giá trị từ tính cân bằng M 0theo trục z Thời gian

tương ứng gọi là T1 và được gọi là hồi phục spin mạng lưới Sự hồi phục này liên quan tới sự trao đổi năng lượng (entanpi trao đổi)

Thời gian T1 xác định tỷ lệ xung lặp lại được mô tả bằng phương trình dưới đây Đối với proton, giá trị T1 vào khoảng từ 0,5 đến vài giây

17

• Hồi phục ngang: Sau khi mất trạng thái CB, các thành phần từ theo phương ngang sẽ giảm và sau đó triệt tiêu tương ứng với khoảng thời gian T2 Điều này là do tương tác giữa các spin hạt nhân nó dẫn đến mất sự gắn kết giữa các momen từ do có sự thay đổi tác động từ trường ngoài Hiện tượng này còn gọi là hồi phục spin-spin Quá trình này không làm thay đổi NL, hồi phục spin-spin đơn thuần chỉ là quá trình entropi

T2<T1: T2 xác định độ rộng (độ phân giải) của tín hiệu, T2 càng nhỏ thì tín hiệu có độ phân giải càng kém

Uncorrelated

Correlated

19

Phương trình Lorentz

Độ rộng nửa pic

Tại ν = ν1/2 có f(v) = K/2 nên

ν = 1/πT2 Vậy

3.2 Độ chuyển dịch hóa học

3.2.1 Hằng số chắn và từ trường hiệu dụng

Khi đặt một hạt nhân nguyên tử vào một từ

trường ngoài H0 thì lớp vỏ electron quay

quanh hạt nhân sẽ sinh ra một lưỡng cực từ có

từ trường ngược hướng với từ trường bên

ngoài và cường độ của từ trường đó tỷ lệ với

cường độ từ trường ngoài

Điều này có nghĩa là electron đã che chắn một phần hạt nhân khỏi từ trường ngoài

Từ trường tác dụng lên hạt nhân chỉ còn là:

Độ lớn của σ có thể tính theo công thức Lamb

2 2

4

( ) 3

e

r p r dr mc

π

m-khối lượng electronc- vận tốc ánh sáng P(r)- mật độ electron bao quanh hạt nhân r- khoảng cách từ tâm hạt nhân đến electron

Nguyên nhân xuất hiện hằng số chắn

a) Hiệu ứng nghịch từ (diamagnetic)

H 0

H

Khi đặt một hạt nhân từ vào trong một từ

trường đồng nhất H0, lớp vỏ electron quanh hạt

nhân cũng quay sinh ra một momen từ H ngược

hướng với từ trường H0 và làm từ trường này yếu

đi Hiệu ứng chắn này gọi là hiệu ứng nghịch từ

Hằng số chắn σ phụ thuộc vào đám mây bao

quanh hạt nhân Nếu lớp e càng dày thì hằng số

chắn càng lớn và ngược lại

Do đó, nếu nguyên tử hoặc nhóm thế bên cạnh hút e thì làm giảm mật độ e bao quanh hạt nhân khi đó hằng số chắn nhỏ, độ chuyển dịch lớn và ngược lại

23

b) Hiệu ứng thuận từ (anisotrop)

Khi đặt phân tử chứa hạt nhân từ vào từ

trường đồng nhất mạnh, từ trường này sẽ gây ra

dòng điện cảm ứng kín trong phân tử, cường độ

của dòng này phụ thuộc vào độ linh động của các

điện tử xung quanh phân tử Dòng điện kín này

sẽ gây ra một từ trường phụ

Từ trường phụ này sẽ chia không gian thành

hai phần cho tín hiệu khác nhau

Phần ở phía trong, từ trường phụ ngược hướng với từ trường ngoài nên từ trường hiệu dụng He < H0 Ở phía bên ngoài, từ trường phụ cùng hướng với H0 nên He > H0 Do đó các proton nằm ở khoảng không gian bên ngoài sẽ có hằng số chắn nhỏ hơn Hiện tượng này gọi là hiệu ứng thuận từ

H 0

H

H H

H

25

Hiệu ứng anisotrop thể hiện mạnh ở benzen và các hợp chất thơm khác Proton trong nhóm chứ andehit cũng hoàn toàn tương tự Trong các trường hợp này, hằng số chắn nhỏ nên có độ chuyển dịch hóa học lớn.

δH của nhân thơm: 7-8 ppm

H H

H H

H

Annulen

Hiệu ứng anisotrop cũng thể hiện rất rõ đối với

hệ vòng lớn có tính thơm như 18-annulen Hệ vòng

này cho hai tín hiệu khác nhau của proton: các

proton ngoài vòng có δH = 9,17 ppm, còn các

proton trong vòng có δH = - 2,96 ppm

27

3.2.2 Độ chuyển dịch hóa học

Trong thực tế không thể tìm được môi trường mà hạt nhân không có electron, do đó người

ta sử dụng một chất chuẩn để xác định sự cộng hưởng của các proton khác nhau Tetramethylsilan (TMS) được lựa chọn vì một số tính chất đặc trưng sau đây:

+ Tất cả các proton trong hợp chất là tương đương nhau

+ Các proton này bị chắn rất mạnh vì độ âm điện của Si nhỏ hơn nhiều so với C do đó các proton trong hầu hết các HCHC có hằng số chắn nhỏ hơn: σ(TMS) > σ(R)

+ TMS là chất dễ bay hơi nên dễ dàng loại bỏ ra khỏi hỗn hợp HCHC (Ts = 26oC)

29

Độ dich chuyển hóa học (tần số) của các proton so với chất chuẩn TMS là:

Trong kỹ thuật đo người ta không thể xác định được giá trị tuyệt đối của hằng số chắn σ và ν nhưng có thể xác định giá trị tương đối so với chất chuẩn TMS

Thực nghiệm cho thấy proton của hầu hết các hợp chất hữu cơ có độ chuyển dịch hóa học rất nhỏ từ 0 đến 10.10-6 hay từ 0 đến 10ppm Độ chuyển dịch hóa học δ không có thứ nguyên, biểu diễn vào phần triệu – ppm (parts per million)

Độ chuyển dịch hóa học ngoài thang δ hay dùng, người ta còn dùng thang τ với chất chuẩn TMS có độ chuyển dịch hóa học quy ước τ = 10 ppm τ = −10 δ ppm

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dịch chuyển hóa học

Lớp vỏ electron càng lớn thì hằng số chắn càng lớn và ngược lại Khi lớp vỏ electron tăng thì điện từ trường hiệu dụng giảm do đó độ chuyển dịch hóa học càng nhỏ như minh họa theo hình sau:

31

Độ chuyển dich hóa học sẽ tăng khi độ âm điện của nguyên tố liên kết với proton tăngVD:

Ngoài ra, độ dịch chuyển hóa học còn phụ thuộc vào tính bất đẳng hướng của sự nhạy từ của phân tử do electron trong vòng như:

• Proton liên kết trực tiếp với nhân thơm (không bị chắn)

• Proton trong nhóm andehyt (không bị chắn)

• Proton trong nhóm axyle (bị chắn)

Độ chuyển dịch hóa học của proton trong phổ 1 H-NMR

33

35

3.3 Đường cong tích phân

Một thiết bị cho phép đo diện tích của các pic Diện tích này tỷ lệ thuận với số proton tương ứng trong các pic Tuy nhiên việc tính toán diện tích thường khó khăn do xuất hiện đa vạch trên mỗi pic Để khắc phục người ta sử dụng kỹ thuật tích phân tín hiệu để vẽ một đường cong bậc thang trên phổ gọi là đường cong tích phân Chiều cao của các bậc không cho biết chính xác số proton nhưng cho biết tỷ lệ số proton của các nhóm tương ứng

Đường cong tích phân (integration) có ý nghĩa quan trọng trong phân tích NMR

 Xác định tỷ lệ số proton trong mỗi pic trên phổ

 Phân tích định lượng các hợp chất trong hỗn hợp vì chiều cao của bậc thang tỷ lệ với nồng độ các chất trong hỗn hợp: tỷ lệ nồng độ, hiệu suất phản ứng, độ chuyển hóa…

37

Trong phổ NMR, mỗi tín hiệu có thể bao gồm nhiều pic nhỏ Hiện tượng này là do tương tác giữa các hạt nhân gọi là tương tác vô hướng (couplage scalaire)

Phân biệt hai loại tương tác:

 Giữa hai loại hạt nhân khác nhau (hétéronucléaire):

VD như giữa 1H và 13C, được ký hiệu là 1J:

 Giữa hai hạt nhân cùng loại (homonucléaire): vd như

tương tác giữa các proton, được ký hiệu là nJ với n>1

Tương tác Số liên kết Tên gọi

3.4.1 Tương tác giữa hai proton

Xét tương tác giữa hai proton A-X Trong sự cộng hưởng từ của proton A, do ảnh

hưởng của tương tác từ hạt nhân từ X tùy thời điểm mà có thể làm tăng hoặc làm giảm

từ trường hiệu dụng đối với từ trường bên ngoài do đó tín hiệu của proton A bị tách

thành 2 pic Khoảng cách giữa hai pic gọi là hằng số tương tác (constante de couplage)

được biểu thị bằng Hz (Hertz)

Tương tác giữa hai hạt nhân được đặc trưng bằng hằng số tương tác J nó chỉ phụ thuộc

vào bản chất của các hạt nhân mà không phụ thuộc vào độ mạnh, yếu của từ trường bên ngoài Ho

Quá trình cũng xảy ra hoàn toàn tương tự đối với proton X

JAX = JXA

39

3.4.1.1 Phổ bậc 1

 Nếu hai hạt nhân A và X có tương tác spin với nhau và ν A -ν X > 6 J AX thì phổ NMR

gọi là phổ bậc 1 Khi đó người ta biểu diễn hệ hạt nhân bằng các chữ cái cách xa nhau

 Mỗi proton cho một tín hiệu trên phổ, tuy nhiên các hạt nhân tương đương nhau xuất hiện cùng một vị trí vì chúng có cùng độ dịch chuyển hóa học.

VD

 Tín hiệu phổ của các hạt nhân từ không những phụ thuộc vào vị trí, bản chất của các hạt nhân mà còn phụ thuộc vào dung môi, nhiệt độ…

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Hai phổ dưới đây là của CH3OH ở hai nhiệt độ khác nhau là -65oC và 40oC Hiện tượng này xảy ra là do quá trình trao đổi proton linh động trong các nhóm chức trong rượu, amin, axit cacboxylic… Ở nhiệt độ thấp quá trình trao đổi xảy ra chậm hơn so với tần số quét của máy nên chúng ta vẫn quan sat được hiện tượng tương tác spin Ở nhiệt độ cao quá trình trao đổi xảy ra nhanh nên không còn tương tác spin-spin

47

b) Dạng AX 2

Hai proton tương đương tương tác với proton A với cùng hằng số tương tác

49

Proton A tương tác với 3 proton tương đương X

Tương tự đối với dạng AXn, tín hiệu phổ của A gồm các pic mà chiều cao của nó tuân theo quy tắc tam giác Pascal

1

1 1

Chú ý

Các proton bên cạnh trung tâm bất đối không tương đương nhau (protons diastereotopics)

Do ở bên cạnh trung tâm bất đối nên ở bất cứ cấu dạng nào hai proton Ha và Hb đều không

tương đương nhau

53

a) Tương tác geminal

Đó là tương tác giữa hai proton không tương đương liên kết với cùng 1 nguyên tử các bon Hằng số tương tác là âm còn độ lớn của nó chịu ảnh hưởng mạnh bởi góc liên kết α giữa chúng

55

Ví dụ: Do nhóm tBu có thể tích lớn nên phân tử không thể tạo cân bằng giữa các cấu dạng ghế hoặc thuyền, còn trường hợp thứ 2 dạng bicyclo phân tử cứng nhắc

Dạng tương tác géminal cũng thường gặp trong trường hợp trong phân tử có nhóm

-CH2- bên cạnh một trung tâm bất đối

b) Tương tác vicinal

Đó là tương tác giữa hai proton qua 3 liên kết, hằng số tương tác được ký hiệu là 3J

57

59

Đường cong Karplus

Hằng số tương tác 3JHH giữa hai proton vicinal phụ thuộc vào góc nhị diện giữa các liên kết C-H

3 J HH = −0,3 − 0,5cos Φ + 9,2cos 2 Φ

c) Tương tác ở khoảng cách xa

Tương tác giữa hai proton ở cách xa từ 4 liên kết trở lên Dạng này thường quan sát được

với cấu trúc hình M hoặc W như hình vẽ

Trong một số trường hợp, có thể quan sát được 9J ở các phân tử dạng polien