TỔNG QUAN VỀ KHỐI PHỔ

MỞ ĐẦU Phương pháp khối phổ hay phổ khối lượng viết tắt là MS Mass Spectrometry, là một phương pháp phân tích công cụ quan trọng để phân tích thành phần và cấu trúc của các hợp chất v

MỞ ĐẦU



Phương pháp khối phổ hay phổ khối lượng viết tắt là MS (Mass Spectrometry), là một phương pháp phân tích công cụ quan trọng để phân tích thành phần và cấu trúc của các hợp chất vô cơ và hữu cơ Lịch sử phát triển của phương pháp được bắt đầu từ thế kỷ

XX Thompson là người sử dụng máy phổ khối lượng trong phân tích hóa học, xác định khối lượng nguyên tử và phân tử Conrad (1930) đã đưa thông báo đầu tiên về nghiên cứu phổ khối lượng của các hợp chất hữu cơ Tiếp theo là sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực này

Năm 1940, phổ khối được sử dụng vào việc phát hiện dầu mỏ và những năm 1950 được sử dụng phân tích các mẫu hoocmon va stesoit Sự kết hợp sắc ký khối phổ (GC/MS) được thực hiện vào những năm 1960, còn sự kết hợp với sắc ký lỏng khối phổ (LC/MS) được tiến hành vào những năm 1970 Đồng thời phát triển nhanh chóng trong nhiều kỹ thuật mới của phương pháp phổ khối lượng như phương pháp bỏ bom nguyên

tử (FAB), phương pháp phun nhiệt (TS), khồi phổ kế tứ cực, khối phổ kế thời gian bay (TOF),… Phạm vi ứng dụng của phương pháp phổ khối lượng rất rộng lớn, đặc biệt có ý nghĩa quan trọng đối với ngành hóa học hữu cơ, hóa sinh và ngành hóa học vô cơ, nguyên tố đồng vị Vì vậy, các sách và tài liệu về phương pháp phổ khối lượng thường được phân thành hai loại: “Phổ khối lượng các hợp chất vô cơ và hóa sinh” và “Phổ khối lượng của các nguyên tố và hợp chất vô cơ”

Người ta có thể dùng phương pháp khối phổ để nghiên cứu tất cả các nguyên tố hay hợp chất có thể biến thành dạng khí hay hơi.

 Đối với các hợp chất vô cơ, phương pháp phân tích khối phổ thường dùng

để nghiên cứu thành phần đồng vị hoặc để xác định vết các chất nghiên cứu

 Đối với các hợp chất hữu cơ, phương pháp phân tích khối phổ thường được dùng trong quá trình đồng nhất chất hoặc phân tích cấu trúc

Ở đây bài báo cáo chỉ giới hạn trong phạm vi ứng dụng khối phổ để phân tích cấu trúc, từ đó xác định công thức phân tử của các hợp chất hữu cơ

2 Quá trình ion hóa và quá trình phân mảnh

2.1 Quá trình ion hóa

Là quá trình bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ trung hòa thành các ion phân tử mang điện tích dương bằng các phần tử mang năng lượng cao:

Ion phân tử

Sự bắn phá này sẽ làm tách một điện tử ra khỏi phân tử khỏa sát làm cho phân tử

biến thành ion dương, được gọi là ion phân tử Ion phân tử là ion dương và cũng là gốc

tự do vì nó chứa số lẻ điện tử, nên ion phân tử còn gọi là cation gốc hay ion gốc.

Quá trình ion hóa có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau:

• Phương pháp ion hóa bằng va chạm điện tử: Đây là phương pháp ion hóa phổ biến nhất Trong buồng ion hóa, các điện tử phát ra từ cathode làm bằng vonfram hoặc reni,

sẽ bay về anode với vận tốc lớn Các phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái hơi sẽ va chạm với điện tử trong buồng ion hóa, có thể nhận năng lượng điện tử và bị ion hóa

• Phương pháp ion hóa bằng trường điện từ: Đây cùng là một phương pháp ion hóa được dùng khá phổ biến Tại buồng ion hóa, người ta đặt các bộ phận phát ra từ trường,

đó là các “mũi nhọn” đặc biệt dưới dạng dây dẫn mảnh (2.5 µm) hay các lưỡi mảnh Người ta đặt điện cực vào các “mũi nhọn” Ở tại các “mũi nhọn” sẽ cho một trường điện

từ có gradien từ 107 - 1010 V/cm Dưới ảnh hưởng của trường điện từ mạnh này, các điện

tử bứt khỏi phân tử chất nghiên cứu do hiệu ứng đường hầm và ở đây không gây ra sự kích thích Vậy trong phương pháp ion hóa này, các ion phân tử được tạo thành vẫn giữ

nguyên ở trạng thái cơ bản, do đó các vạch phổ sẽ rất mảnh.

Ngoài hai phương pháp ion hóa kể trên, người ta còn dùng các phương pháp khác như: ion hóa hóa học, chiếu xạ bằng các photon, bắn phá nguyên tử nhanh… Tuy nhiên, các phương pháp ion hóa này ít phổ biến hơn so với hai phương pháp vừa mô tả trên đây

2.2 Quá trình phân mảnh

Với năng lượng bắn phá rất cao thì ion phân tử vừa tạo thành có thể biến thành các mảnh ion dương nhỏ hơn, hoặc các ion gốc, hoặc các gốc tự do, hoặc các phân tử trung hòa nhỏ hơn Quá trình này gọi là quá trình phân mảnh

nó Các mảnh ion mang điện tích dương sẽ được bộ phận ghi nhận tín hiệu của máy khối phổ chuyển thành những mũi phổ tùy theo tỷ lệ m/e này

Ngoài ra trong quá trình phân mảnh còn có sự tạo thành các ion mà thời gian tồn tại của nó rất nhỏ (< 10-5 giây) gọi là ion giả bền, ký hiệu m* Khi đó máy không thể ghi lại sự xuất hiện của nó đầy đủ được Tuy nhiên, người ta có thể đánh dấu sự xuất hiện của nó trên phổ và ghi nhận được các ion ban đầu cúng như các ion cuối

m* = m2/m0

Với: m0 là khối lượng của ion ban đầu

m là khối lượng của ion cuối

3 Một số cơ chế phân mảnh điển hình

Sự phân hóa các hợp chất hữu cơ qua sự va chạm với electron thường xảy ra theo những quy luật nhất định, dựa vào những quy luật đó người ta có thể giải thích được cấu tạo của các hợp chất hữu cơ Các quy luật này được gọi là cơ chế phân mảnh phân tử Dưới đây xin giới thiệu một số cơ chế phân mảnh điển hình:

3.1 Cơ chế tách ankyl (F 1 )

Những ankan và những hợp chất chứa nhóm ankyl bị phá vỡ dưới sự hình thành của một ion ankyl và một gốc:

C H H H

C C H

H H

H H

C C H

H H

H H C H H H

Những ankyl gắn với các nhóm chức X= OH, SH, OR… thì sẽ tách nhóm chức X cho một ion dương và một gốc:

C C H

H H

H H

H H

H H

X

3.2 Cơ chế tách olefin (F 2 )

Những ion ankyl mạch dài có thể tách loại phân tử olefin như sau:

C C H

H H

H H C H H

C H H H

C C H H

(1) (2)

3.4 Cơ chế tách ion tropyli (F 4 )

Các hợp chất benzen có nhóm thế CH2X (X= H, ankyl, OH, SH, -COR,…) gắn với vòng benzen, thường tách gốc X cho ion tropyli theo cơ chế sau:

CH2

CH2

CH2C

O H

OR

CH2

CH2

OH C OR

CH2

3.8 Chuyển vị gốc (H 2 )

Ion (I) xuất hiện qua sự tách oni F5 của một xicloankyl có chứa trung tâm tích điện dương và một gốc Qua sự chuyển vị của nguyên tử H trong phân tử dẫn đến sự tách ra thành ion dương và một gốc riêng:

X

H

C

H H

X

H X

H

H

HC H X

C XH C (CH2)nC

H

C XH C (CH2)nCH

(X= OH, NR2)

3.10 Cộng hợp Retro (H 4 )

HX H

X

Sự tách phân tử HX tương tự sự cộng hợp 1,4 hình thành một ion dien liên hợp và một phân tử bền Ví dụ: sự tách phân tử metanol từ metyl este của axit salixilic như sau:

C O

O

CH3OH

O CH3OH

b X CH (CnH2n+1) X CH2 CnH2n

Do chuyển vị H từ gốc CnH2n+1 để tách ra phân tử anken CnH2n Ion mới được tạo

ra có công thức tổng và số khối m/e = 31 tương tự như tách oni (F5), ví dụ:

C

HY

Phan ung tiep theo

Cơ chế này, chuyển vị H dựa trên sự tương tác nội phân tử của ion nhóm +XH và nhóm Y, ví dụ:

D CH

O (CH2)nC

OCH3OD

CH O

(CH2)nC O CH

OD

(CH2)nC

OCH3O

CH

2

CH3Các xeton vòng cắt nhóm C=O và phá vỡ vòng cho các ion mảnh như sơ đồ sau:

II KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

 Nguyên tắc máy đo khối phổ

Nếu như trong các phương pháp phổ hồng ngoại, phổ tử ngoại, phổ cộng hưởng từ hạt nhân người ta giữ nguyên phân tử để nghiên cứu thì ở phương pháp phổ khối lượng người ta lại “phá hủy” phân tử để nghiên cứu chúng Như vậy, nói một cách đơn giản, máy phổ khối lượng được chế tạo để thực hiện 3 nhiệm vụ cơ bản là: chuyển chất nghiên cứu thành thể khí (làm bay hơi mẫu nghiên cứu ở áp suất thấp và ở nhiệt độ thích hợp); tạo ra các ion từ các phân tử khí đó; phân tách các ion đó rồi ghi lại tín hiệu theo tỉ số khối lượng/điện tích (m/ze) của chúng Bởi vì xác xuất tạo thành các ion có z >1 là rất nhỏ và vì e = const (e là điện tích của một electron) do đó thông thường m/ze chính là khối lượng của ion Như thế máy phổ khối lượng là một thiết bị “sản xuất” ra các ion và xác định khối lượng của chúng (phân tích các ion)

Về mặt nguyên lí hoạt động, có thể sơ đồ hóa một máy phổ khối lượng thành 4 khối:

Tất nhiên là máy phổ khối lượng phải được nối với máy tính để tự động hóa, để tăng hiệu quả sử dụng và khai thác các kết quả thu được

Ở khối làm bay hơi, mẫu có thể được đốt nóng tới 200 – 3000C ở áp suất thấp, do

đó có thể làm bay hơi cả những chất có khối lượng phân tử lớn tới 1000 nếu nó không chứa các nhóm phân cực, hoặc có khối lượng phân tử tới 300 nếu là những phân tử phân cực vừa phải Khối lượng mẫu chỉ cần vài microgram

Khối tạo ra các ion được gọi là buồng ion hóa Mẫu sau khi hóa hơi được phóng

vào buồng ion hóa qua khe a và bị bắn phá bởi chùm electron b (hình 2.1.1) Do kết quả

va đập phân tử chất nghiên cứu với các electron có năng lượng cao (~ 70 eV) sẽ tạo ra các ion dương chuyển động hướng về các bản gia tốc c và d Nhứng ion âm thì bị hút về phía thành sau của buồng ion hóa (vì ở đó tích điện dương so với phía trước của buồng ion hóa) Những ion dương đi qua các bản c và d được gia tốc dưới tác dụng của hiệu điện thế V (khoảng 8 kV) rồi rời khỏi buồng ion hóa từ khe g (hình 2.1.1) Trong trường hợp đặc biệt, mẫu có thể được đưa thẳng vào buồng ion hóa không qua khối làm bay hơi Khi đó chỉ cần vài ng thậm chí pg (10-9 – 10-12g)

Khối tạo ra các ion

Khối phân tách các ion

Khối thu nhận tín hiệu

các ion, khuếch đại rồi

ghi thành phổ

Khối làm bay hơi mẫu

Hình 2.1.1 – Sơ đồ buồng ion hóa

Việc phân tích các ion được thực hiện ở hai khối: khối phân tách ion, khối ghi nhận tín hiệu và ghi phổ

Khối phân tách ion có nhiệm vụ phân tách chùm ion (gồm ion phân tử và rất nhiều

các ion mảnh khác nhau) sao cho ở bộ phận tiếp theo có thể thu nhận được tín hiệu của từng loại ion để ghi lại thành phổ Để đảm bảo chuyển động tự do cho các ion, ở buồng ion hóa cũng như ở khối phân tách người ta phải hút chân không tới ~ 10-7 mmHg (thông thường tới 10-6 mmHg) Có nhiều cách phân tách chùm ion dựa vào các định luật vật lí khác nhau, dưới đây sẽ giới thiệu cách phân tách bằng từ

tách bằng từ,

2.1.2) chịu tác dụng của một

ảnh hưởng của từ trường các ion chuyển động theo một quỹ đạo tròn Bán kính r của quỹ đạo tròn đó phụ thuộc vào các tham số sau: 1) hiệu điện thế V giữa hai bản gia tốc c và d (hình 2.1.1); 2) khối lượng m của ion; 3) điện tích z của ion; 4) cường độ của từ trường H

Mối liên hệ giữa các đại lượng được biểu hiện bởi công thức:

(2.1.3)

Đối với một ion tỉ số m/z là cố định, do đó bằng cách thay đổi cường độ từ trường H ta sẽ thay đổi được bán kính r của quỹ đạo chuyển động của nó Nói một cách khác ta có thể làm cho các ion có m/z khác nhau lần lượt đi qua khe h để

V

r H z

m

2

2 2

=

H

2r

i hg

Hình 2.1.2 – Sơ đồ phân tách ion bằng từ trường

g- khe thông với buồng ion hóa; h- khe thu nhận; i- bản thu nhận

tới bản thu nhận I (hình 2.1.2) Với cách phân tách này người ta dễ dàng phân biệt được các ion với khối lượng khác nhau 1 đơn vị C Nói một cách khác, trên phổ đồ khối lượng của các ion đều được làm tròn.

Khối thu nhận tín hiệu và ghi phổ: để thu nhận và khuếch đại tín hiệu của các ion

người ta dùng những thiết bị khác nhau phù hợp với các cách phân tách ion đã sử dụng ở

bộ phận phân tách Các thông tin được đưa vào máy tính Ở bộ nhớ của máy tính có chứa sẵn phổ của hàng loạt hợp chất hữu cơ có chọn lọc Khi phổ của một hợp chất nghiên cứu vừa được ghi xong, máy tính tự động so sánh với các phổ trong bộ nhớ để nhận biết hợp chất nghiên cứu Phổ phân giải thấp đã được số hóa có thể được lưu trữ trong máy tính lại có thể được khôi phục dưới dạng biểu đồ và được in ra một cách tự động

Ở phương pháp phổ khối lượng phân giải cao, các thông tin được xử lý ở một máy tính

đã được chương trình hóa với khối lượng chính xác của C, H, O, N Từ khối lượng chính xác của các ion, máy tính sẽ cho biết thành phần của chúng Thành phần của các ion được tự động ghi ra theo chiều tăng giá trị m/z và được sắp xếp theo từng loại (ví dụ loại ion chứa C, H, loại ion chứa C, H, O ) Người ta gọi đó là bản đồ nguyên tố Ngày nay người ta đang tiếp tục cải tiến máy phổ và sử dụng máy tính để trợ giúp cho việc giải phổ

III PHỔ KHỐI LƯỢNG CỦA MỘT SỐ CHÂT

3.1 Phổ khối của Hidrocacbon

3.1.1 Hidrocacbon bão hòa

Ion phân tử của hidrocacbon bão hòa luôn xuất hiện nhưng yếu với các hidrocacbon mạch dài Để đánh giá độ bền ion phân tử người ta đưa ra độ bền ion phân

tử WM được tính như sau:

% 100

Độ bền ion phân tử phụ thuộc vào cấu tạo phân tử:

Ion phân tử của hidrocacbon vòng bão hòa bền hơn mạch thẳng bão hòa

Ion phân tử của hidrocacbon thơm bền hơn của hidrocacbon bão hòa và chưa bão hòa

HexanHexen-1XiclohexanXiclohexadien-1,3Đivinylaxetilen

2,84,615,516,523,2

Benzen 33,2

Độ bền ion phân tử của hidrocacbon

Các ankan mạch nhánh có khuynh hướng cắt các nhóm thế ở mạch nhánh trước tiên như phổ khối sau:

Trên phổ cho thấy C3H7+ với m/e = 57 có cường độ lớn nhất do cắt mạch nhánh của phân

tử hidrocacbon

Hợp chất vòng bão hòa nói chung bền vững hơn các ankan mạch thẳng qua va chạm electron Ion phân tử xuất hiện có cường độ lớn hơn 3 lần so với các pic tương ứng

Hình 3.1.1 Phổ khối của hexan

Hình 3.1.2.1 Phổ khối của trans hex-3-en

Hình 3.1.2.2 Phổ khối của trans hex-2-en

Sự phá vỡ phân tử của trans hex-2-en theo sơ đồ sau:

CH2CH2CH3H

Đối với các olefin có số cacbon C6 đến C9 xảy ra quá trình ion hóa theo qui luật sau:

 Các anken có nối đôi đầu mạch (R= H) thường ion hóa theo cơ chế F1 cho ion có

số khối m/e 42, 56, 70

 Chỉ có nhóm metyl tách theo cơ chế F3, tạo ra sự đồng phân hóa

 Các anken có số khối trung bình thường cho ion m/e 55 với cường độ mạnh

 Các ion m/e 43, 57 có cường độ mạnh với các mạch nhánh ở vị trí 4

3.1.3 Ankin

Ankin cho ion phân tử từ rất yếu đến vắng mặt, các ion thường xuất hiện có số khối m/e 39, 53, 67, Ankylaxetilen trong phổ khối bị phá vỡ phân tử ở liên kết β-C-C=C như sau:

Cơ chế chuyển vị Mclafferty cũng thường xảy ra trong quá trình ion hóa phân tử cho m/e = 40:

Hình 3.1.3 Phổ khối của pent-1-in

m/e 91 (ion tropyli)

Cơ chế chuyển vị Mclafferty cũng thường xuất hiện trong quá trình ion hóa phân

tử ankylbenzen có gốc ankyl mạch dài:

R H

m/e = 92

Hình 3.1.4 Phổ khối của toluen

3.1.5 Hệ vòng thơm ngưng tụ

Phổ khối của các vòng thơm ngưng tụ như naphtalen, phenantren, tetraxen, pyren cho ion phân tử M và (M – 1) còn rất ít xảy ra sự phá vỡ phân tử khác như phổ khối của naphtalen cho ion phân tử M 128 (100%) còn các ion khác có cường độ ion nhỏ hơn 10%

CH CH +

m/e 75

C4H3

+

+ +

H2C OH

Hình 3.1.5 Phổ khối của naphtalen

3.2 Phổ khối của ancol

Ancol cho ion phân tử yếu hoặc vắng mặt và các ion mảnh m/e 31, 45, 59, (M – 18)

(M - 17)

F1

Theo cơ chế F5 phân tử ancol bậc 1 luôn tách (m/e 31), theo cơ chế tách ankyl F1 tách ra ion dương R+ và gốc OH và theo cơ chế chuyển vị cho một phân tử trung hòa và H2O

Hình 3.2.1 Phổ khối của pentan-3-ol

3.2.2 Ancol bậc 2

Ancol bậc 2 cũng cho các quá trình ion hóa cắt phân tử theo cơ chế tách oxoni

F5, cắt ankyl F1 và chuyển vị tách loại H2O cho phân tử trung hòa theo sơ đồ sau:

3-Pentanol (C5H12O) MW = 88.15

R'

(M - 18) +

F5 F1

(M - 17)

H3_ H2ONói chung ancol bậc 2 cũng cho ion 31, 45, 59 như ancol bậc 1

Hình 3.2.2 Phổ khối của propan-2-ol

H3C CH CH2

OH OH

45 3161

Hình 3.2.3 Phổ khối của 2-metylbutan-2-ol

Phổ khối của ancol thơm đều cho ion phân tử và ion (M-OH)+, riêng ancol metyl benzylic cho ion (M-H2O)+ với cường độ mạnh.

o-Hình 3.2.5 Phổ khối của benzylancol

3.3 Phổ khối của ete

Hình 3.3.1 Phổ khối của etyl metyl ete

3.3.2 Ete thơm

Ete thơm cho ion phân tử mạnh và ưu tiên phá vỡ liên kết C-O cho ion aryl

Hình 3.3.2 Phổ khối của metyl phenyl ete

3.4 Phổ khối của andehid và xeton