GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH HÓA HỮU CƠ

Bức xạ hồng ngoại thì không có đủ năng lượng hiệu quả để gây nên kích thích electron, nhưng nó là nguyên nhân làm cho những nguyên tử, nhóm nguyên tử trong những hợp chất hữu cơ dao động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH

HÓA HỮU CƠ

Thành phố Hồ Chí Minh, 26.08 2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

BÀI 1: KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG PTN HÓA HỮU CƠ VÀ CÁC PHUƠNG PHÁP QUANG PHỔ XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC HỢP CHẤT HỮU CƠ 3

BÀI 2: CÁC PHẢN ỨNG ĐIỀU CHẾ LƯỢNG NHỎ VÀ PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH HYDROCARBON, ALCOL, PHENOL, ALDEHYDE VÀ ACID 89

BÀI 3: PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH AMIN, GLUCID, ACID AMIN VÀ PROTID 108

BÀI 4: PHẢN ỨNG ESTE HÓA 120

BÀI 5: ĐIỀU CHẾ AXÍT SULFANILIC 145

BÀI 6: ĐIỀU CHẾ PHẨM MÀU METYL DA CAM 155

VÀ  -NAPTOL DA CAM 155

BÀI 7: ĐIỀU CHẾ BENZALAXETON 175

BÀI 8 : ĐIỀU CHẾ 2- NAPHTYL AXETAT 185

BÀI 9: ĐIỀU CHẾ 2 – NAPHTYL METYL ETE 194

BÀI 10: TRÍCH LY TINH DẦU 203

BÀI 11 : ĐIỀU CHẾ ACETALNILIT 220

BÀI 12 : ĐIỀU CHẾ AXÍT BENZOIC 228

BÁO CÁO KẾT QUẢ 241

THỰC HÀNH 241

BÀI 1: KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HÓA HỮU CƠ 242

BÀI 2: HYĐROCACBON VÀ DẪN XUẤT HALOGEN 263

BÀI 3: PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH RƯỢU, PHENOL 271

BÀI 4: PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH ALĐEHYT, XETON VÀ AXÍT CACBOXYLIC 281

BÀI 5: PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH AMIN, AMINO AXÍT, PROTEIN 294

BÀI 6: TỔNG HỢP ESTE METYL SALICILAT , AXETYL SALICIAT VÀ N- BUTYL AXETAT 302

BÀI 7: TỔNG HỢP AXÍT SULFANILIT 328

BÀI 8: TỔNG HỢP PHẨM MÀU METYL ORANGE VÀ  -NAPHTOL DA CAM 335

BÀI 9: TỔNG HỢP BENZALAXETON 356

BÀI 10: TỔNG HỢP 2- NAPHTYL AXETAT 363

BÀI 11: TỔNG HỢP 2- NAPHTYL METYL ETE 370

BÀI 12: LY TRÍCH TINH DẦU 379

BÀI 13: TỔNG HỢP ACETALNILID 383

BÀI 14: TỔNG HỢP AXÍT BENZOIC 389

PHỤ LỤC 397

BÀI 1: KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG PTN HÓA HỮU CƠ VÀ CÁC PHUƠNG PHÁP QUANG PHỔ XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC

cơ để tổng hợp và làm sạch chất và cách viết báo cáo về thí nghiệm tổng hợp hữu cơ và các thí nghiệm đơn giản

- Khi làm thí nghiệm phải giữ trật tự,cẩn thận, phải tuân thủ theo nội quy, quy tắc làm việc, quy tắc an toàn trong phòng thí nghiệm Chổ làm việc phải gọn gàng, sạch sẽ và ngăn nắp Phải thận trọng khi làm việc với chất dễ cháy, dễ nổ, dễ bỏng Phải mặc áo bảo hộ khi làm thí nghiệm

- Không được ăn uống, hút thuốc và tiếp khách trong phòng thí nghiệm

- Không được vứt rác, đổ hóa chất bừa bãi mà phải đổ dúng nơi quy định Không được hướng miệng ống nghiệm đang đun về phía có người

- Khi làm xong thí nghiệm phải kiểm tra điện, nước, vệ sinh chổ làm việc và báo cáo kết quả Nếu không có kết quả thì phải làm lại thí nghiệm Dọn dẹp, rửa dụng cụ trả phòng thí nghiệm, nộp tường trình cho giáo viên rồi mới được ra về

- Mỗi sinh viên làm thí nghiệm phải biết chổ để bình cứu hỏa CO2, cát,

tủ cứu thương và biết cách sử dụng chúng

1.2.1.2 Chuẩn bị thí nghiệm, làm đề cương và tường trình thí nghiệm

Trước khi làm thí nghiệm, sinh viên phải chuẩn bị trước đề cương thí nghiệm, đọc các vấn đề lý thuyết có liên quan đến thí nghiệm như : tìm hiểu tính chất của chất ban đầu, sản phẩm để hiểu rõ cách làm việc, chuẩn bị tường trình theo mẫu quy định, rồi bổ sung thêm các quan sát thực tế, những

kỹ năng cơ bản

1.2.1.3 Cách sơ cứu cấp cứu

Khi làm thí nghiệm, có thể bị thương hoặc bị bỏng Tùy theo từng vết thương mà sinh viên cần phải biết một số sơ cứu ban đầu, nhưng rất quan trọng

1.2.3.3.1 Bỏng

- Khi bị bỏng do axit đặc H2SO4, HCl , brôm, phenol phải rửa nước nhiều lần cho sạch, sau đó bằng dung dịch NaHCO3 2%, rửa lại bằng nước rồi bôi thuốc sát trùng như cồn, thuốc đỏ, vazơlin

- Khi bị bỏng do xút, natri kim loại cần phải rửa nhiều lần bằng nước, sau đó bằng axit axetic 1% rồi bằng nước và bôi thuốc sát trùng

- Khi bị bỏng do lửa hoặc điện gây ra cần bôi thuốc mỡ vazơlin hoặc dung dịch axit picric 1%

1.2.3.3.2 Ngộ độc

Khi bị ngộ độc do clo hoặc brom thì cho ngửi amoniac loãng hay dung dịch axit loãng, hô hấp nhân tạo, đưa ra chổ thoáng ; nếu nặng phải đưa đi cấp cứu ngay

1.2.3.3.3 Chấn thương

Chảy máu do thủy tinh gây ra phải gắp lấy hết mảnh thủy tinh ra, rửa sạch máu, cầm máu bằng dung dịch FeCl3 0,5%, bôi thuốc sát trùng rồi băng

bó vết thương bằng bông băng

1.2.3.3.4 Khi quần áo bị cháy

- Không chạy mà phải dội nước vào chổ cháy hoặc nằm lăn ra sàn nhà,

áp chổ cháy vào sàn nhà hoặc phủ chăn vào chổ cháy Nếu cháy áo choàng cần phải cởi ngay áo choàng

- Nếu cháy chất lỏng cần phải tắt hết bếp điện, đèn ga, dùng cát hay bình CO2 mà dập tắt Nếu có cháy lớn thì gọi điện cho ban phòng cháy chữa cháy ngay Trong mọi trường hợp nếu bị nặng, cần phải đưa nạn nhân đi bệnh viện cấp cứu ngay

1.2.1.4 Quy tắc làm việc với chất độc, chất dễ cháy, dễ nổ

Phần lớn các chất hữu cơ đều là chất độc Vì vậy khi làm việc với chúng cần phải biết rõ tính chất của chúng như tính độc, tính dễ cháy, dễ nổ

1.2.1.4.1 Các chất độc

Khi làm việc với các chất độc như KCN, NaCN, axit xianhidric (HCN), dimetylsunfat (CH3O)2SO2, COCl2, SOCl2, amin, clo, brom, các clorua axit của các axit đơn giản…hay khi tiến hành phản ứng có tách khí độc cần phải làm thí nghiệm trong tủ hốt, phải đeo mặt nạ phòng độc, găng tay, đeo kính bảo hiểm và phải làm thí nghiệm có sự giám sát , hướng dẫn của giáo viên

1.2.1.4.2 Các chất dễ cháy, dễ bắt lửa

- Không được đun trên ngọn lửa đèn trần, trên lưới hoặc gần ngọn lửa các chất dễ cháy sau đây: ete, ete dầu hỏa, xăng, các hidrocacbon như n-hexan, benzen, toluen…disunfua cacbon, axeton và các chất dễ cháy khác Khi tiến hành thí nghiệm với các chất dễ cháy, dễ bay hơi cần phải tắt hết lửa, hoặc các nguồn nhiệt có thể phát sinh lửa Các chất này cần phải bảo quản nghiêm ngặt Ví dụ ete etylic được giữ trong bình nút chặt có ống mao quản hay ống chứa CaCl2

Khi làm việc với các chất dễ cháy, dễ nổ bao giờ cũng phải dùng bếp điện bọc, bếp cách cát, bếp cách thủy

Trước khi cất lại dung môi như ete etylic, tetrahidrofuran, đioxan phải loại bỏ hết peoxit, phải cất cách thủy các chất này

Khi kết tinh lại có sử dụng các dung môi dễ cháy cần phải có sinh hàn ngược Không được đổ dung môi dễ cháy, dễ bắt lửa vào máng nước hoặc cống rãnh

1.2.1.4.3 Các chất dễ nổ

Khi làm việc với chất dễ nổ như Na, K, kiềm đặc, axit đặc các chất nổ hữu cơ, cất ở áp suất thấp, tiến hành thí nghiệm ở áp suất cao…cần phải đeo kính bảo hộ để bảo vệ mắt và phải sử dụng các dụng cụ thủy tinh hữu cơ chuyên dụng Thông thường các chất dễ nổ trong phòng thí nghiệm là natri kim loại, kali kim loại, axit sunfuric đặc, oleum Một số quy tắc làm việc với các chất dễ nổ:

- Chỉ làm việc với Na, K, khi đã đeo kính bảo vệ mắt

- Không được để chúng tiếp xúc với nước sẽ gây ra cháy nổ Chúng phải được bảo quản trong bình có nút bấc, không đậy chúng bằng nút nhám

- Không được dùng tay để lấy Na, K mà phải dùng cặp gắp để lên giấy lọc, thấm khô dầu bằng giấy lọc, rồi mới cắt Khi làm việc với nó phải cách xa người và nước

- Không được dùng Na, K để sấy khô các ankylhalogenua béo

- Không được tiến hành các thí nghiệm có Na, K kim loại trên bếp cách thủy đang sôi

- Sau khi làm thí nghiệm, các mẫu Na, K dư không được vứt bừa bãi, hay đổ vào máng nước mà phải hủy chúng bằng một lượng dư rượu etylic trước khi rửa dụng cụ bằng nước

- Khi làm việc với axit sunfuric đặc, oleum….phải rót cẩn thận qua phểu

và làm việc trong tủ hốt

- Khi cần pha loãng axit sunfuric đặc cần phải dùng các bình chịu nhiệt, vừa rót từng phần nhỏ axit vào nước, vừa rót vừa khuấy

- Khi cất chân không phải có sự giám sát của giáo viên hướng dẫn

1.2.2 Một số kỹ năng đơn giản trong phòng thí nghiệm

1.2.2.1 Rửa và làm khô dụng cụ

Dụng cụ trước khi làm thí nghiệm phải sạch và khô Vì vậy sau khi làm thí nghiệm xong phải rửa sạch ngay dụng cụ Có thể rửa sạch dụng cụ bằng phương pháp cơ học, vật lý, hóa học tùy thuộc vào chất bẩn ở trong dụng cụ Thông thường đơn giản là dùng chổi lông để rửa ống nghiệm, bình cầu,

cọ rửa bằng nước ở nhiệt độ thường hoặc đun sôi Nếu chất bẩn là mỡ thì rửa bằng xà phòng, Na3PO4, các chất tẩy rửa khác Cần dùng chổi lông cọ rửa nhẹ nhàng, đưa lên xoắn xuống ; không dùng cát để cọ rửa dụng cụ

Nếu chất bẩn là các hợp chất hữu cơ khó tan trong nước hoặc xà phòng thì dùng dung môi hữu cơ (như ete, axeton, rượu…) Chú ý dung môi rửa xong phải gom lại, không đổ bừa bãi vào máng nước

Chất bẩn khó rửa có thể dùng hỗn hợp rửa axit axetic và axit sunfuric 5% ; hoặc kiềm đặc, hỗn hợp rửa KMnO4 5%, axit cromic (hay gọi hỗn hợp rửa sunfocromic- K2Cr2O7 5% trong H2SO4 đặc) ; HCl-H2O2

Nếu nhiệt độ thường không rửa được thì phải đun nóng ở nhiệt độ

40-500C , 600C hoặc ở nhiệt độ sôi

Sau khi rửa bằng hỗn hợp rửa, cần tráng lại nhiều lần bằng nước, cuối cùng bằng nước cất, làm khô dụng cụ trong tủ sấy hoặc làm khô bằng dung môi dễ bay hơi như ete, axeton

1.2.2.2 Đun nóng

Các thiết bị để đun nóng trong phòng thí nghiệm thường dùng là đèn cồn, đèn dầu, hơi nước nóng, bếp điện, bếp cách cát, bếp cách dầu, máy điều nhiệt…Tùy thuộc vào việc đun nóng và chất được đun nóng mà sử dụng các cách khác nhau

Khi muốn giữ nhiệt độ phản ứng không đổi thường phải dùng các bếp cách chất lỏng như:

- Ở nhiệt độ thấp hơn 1000C thì dùng bếp cách thủy

- Ở nhiệt độ cao hơn, dùng bếp cách cát hay cách dầu

- Ở nhiệt độ 2000C dùng bếp cách parafin hay glixerin

- Ở nhiệt độ 2200C dùng bếp cách dầu

- Ở nhiệt độ 250  3000C dùng bếp cách H2SO4 đặc Trường hợp này dùng để xác định nhiệt độ nóng chảy của chất

- Ở nhiệt độ 320  3250C dùng hỗn hợp chất rắn K2SO4 và H2SO4 đặc với tỉ lệ 2 :3

- Ở nhiệt độ 400  500C dùng bếp hỗn hợp muối khan NaNO3 và KNO3 với tỉ lệ 48,7% : 51,3%

Nếu phải sử dụng bếp ở nhiệt độ đến 6000

C thì dùng bếp hợp kim Vut (

là hỗn hợp nóng chảy của 50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn và 12,5% Cd)

Ngoài ra còn có thể sử dụng các bếp điều nhiệt (các thermostat)…

1.2.2.3 Làm lạnh

Mục đích của làm lạnh là để giải nhiệt, hoặc giữ nhiệt độ phản ứng ở nhiệt độ không đổi

Phương pháp làm lạnh đơn giản, rẻ tiền là dùng nước làm lạnh ở nhiệt

độ 5  300C Cách làm đơn giản là nhúng bình phản ứng vào chậu nước lạnh hoặc cho nước lạnh chảy tưới ngoài thành bình nếu hỗn hợp phản ứng không nóng quá Thông thường phải làm lạnh từ từ bằng cách pha dần nước lạnh hoặc từng mẫu nước đá vào, vừa làm vừa khuấy đều hỗn hợp phản ứng Trong trường hợp làm lạnh sâu hơn cần dùng hỗn hợp nước đá với muối vô cơ như: NaCl 33% (so với nước đá) có thể làm lạnh đến -21,50

C ; hoặc muối KCl 30% (so với nước đá) có thể làm lạnh đến -110C hoặc một số muối vô cơ khác như NH4Cl, NH4NO3

Nếu cần phải làm lạnh ở nhiệt độ thấp hơn nữa có thể dùng hỗn hợp nước đá khô (CO2 rắn) với rượu etilic có thể làm lạnh đến -750C, với axeton

có thể làm lạnh đến -860C …Ngoài ra có thể dùng nitơ lỏng để làm lạnh

1.2.2.4 Đo và điều hòa nhiệt độ

Nhiệt độ của phản ứng được đo bằng nhiệt kế Nhiệt kế dãn nở dựa trên sự thay đổi thể tích của chất lỏng với sự thay đổi nhiệt độ Các chất lỏng thường dùng là thủy ngân, rượu etilic , ngoài ra có thể dùng toluen, pentan…Nếu dùng rượu etilic , toluen…thường phải pha thêm chất màu xanh hay đỏ Các nhiệt kế thường dùng có thang 0 1000C, 1500C, 2000C, 2500C,

3000C…để đo nhiệt độ phản ứng bình thường

Nếu cần đo sự thay đổi phản ứng trong giới hạn nhỏ ( khoảng 2  50C) thường phải dùng nhiệt kế Beckman với thang chia chính xác 0,0020

C

Khi đo nhiệt độ chất lỏng, cần nhúng nhiệt kế vào chất lỏng, sao cho bầu thủy ngân ngập trong chất lỏng mà không chạm vào thành bình phản ứng, giữ yên nhiệt kế trong chất lỏng cho đến khi không thay đổi chiều cao của cột thủy ngân Sau khi đọc xong , để cho nhiệt kế nguội dần, lau sạch nhiệt kế rồi mới cất vào hộp Có nhiều loại nhiệt kế và các loại nhiệt kế cổ nhám khác nhau

1.2.2.5 Khuấy, trộn, lắc

Khuấy, trộn hóa chất để làm cho hỗn hợp đồng nhất làm tăng khả năng phản ứng của chất, tăng diện tiếp xúc của các chất Đối với chất rắn, người ta thường nghiền nhỏ rồi trộn với nhau Đối với chất lỏng người ta thường dùng phương pháp khuấy đảo hoặc lắc

- Nếu phản ứng cần đun nóng có thể dùng con từ để khuấy từ (dùng bếp khuấy từ)

- Nếu phản ứng không cần đun nóng hay làm lạnh hoặc không cần thêm chất hoặc không cần tách chất ra khỏi hỗn hợp trong quá trình phản ứng thì người ta thường hay lắc Đơn giản nhất là lắc bằng tay, lắc đều Nếu lắc trên giá thí nghiệm thì đặt bộ dụng cụ lên giá , lắc qua lắc lại tạo thành lắc xoáy tròn chất

- Khi tiến hành phản ứng với hệ dị thể, đồng thể với thời gian lâu, để tăng sự tiếp xúc giữa các pha, tăng sự khuyếch tán, điều hòa nhiệt độ phản ứng, người ta thường dùng phương pháp khuấy với sự giúp đở của máy khuấy từ hoặc máy khuấy cơ học

Máy khuấy có thể điều chỉnh tốc độ tùy thuộc vào yêu cầu của thí nghiêm Trong trường hợp đơn giản có thể khuấy bằng đũa thủy tinh đã bọc đầu bằng cao su hay nhựa teflon

Khi khuấy bằng máy khuấy thì phải lắp đũa khuấy cân đối, ở vị trí thẳng đứng Nối với môtơ bằng ống nối cao su hoặc các cổ nối có bôi trơn bằng glixerin

1.2.2.6.1 Làm khô chất rắn

Là quá trình làm khô dựa vào sự bay hơi nước hay dung môi ở nhiệt độ thường hay đun nóng hoặc trong chân không ở nhiệt độ thấp (nếu chất bị phân hủy ở nhiệt độ thường) Nguyên tắc của việc làm khô là dựa vào:

- Sự tạo thành hydrat của các chất dễ háo nước như các muối vô cơ khan (ví dụ CuSO4 khan tạo thành CuSO4.5H2O…)

- Phản ứng hóa học của chất làm khô với nước (ví dụ các oxit kim loại CaO, oxit phi kim P2O5…hoặc kim loại)

- Khả năng hấp thụ vật lý: khi dùng các chất làm khô như nhôm oxit, silicagel…là ta dựa vào hiện tượng chất làm khô liên kết với nước bằng các lực hấp thụ vật lý thông thường Các chất làm khô này vừa rẻ tiền, vừa dễ tái sinh Ví dụ silicagel hấp thụ nước được 2030% (tương tự như axit sunfuric đặc) biến thành màu xanh Muốn sử dụng lại ta sấy khô, hơi nước bay đi còn lại silicagel khô có màu trắng

Các loại oxit nhôm có hoạt tính làm khô tốt Có 4 loại cấu trúc A, X, Y, M zeolit- nhôm silicat kết tinh xốp có thể làm khô đến lúc hàm lượng nước còn lại

từ 1 0,01% Lượng zeolit để làm khô nước có thể dùng là 100g zeolit cho 5 g nước Người ta có thể cho các chất này vào bình làm khô để hút nước trong các chất rắn, hoặc cho zeolit chất làm khô vào cột, để chất làm khô chảy xuống (nếu chất cần làm khô là chất lỏng) với vận tốc 2-3 giọt /giây

Khi làm khô ở nhiệt độ thường, người ta rãi chất rắn trên giấy lọc hoặc trên các đĩa petri Nếu chất bền với nhiệt, không bay hơi ở nhiệt độ thường có thể làm khô trong tủ sấy Chú ý điều chỉnh nhiệt độ của tủ sấy sao cho thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của chất cần làm khô ít nhất là 150

C

Với những chất háo nước, dễ rữa ra trong không khí thường được làm khô trong bình làm khô hay chuông làm khô có chứa các chất làm khô mạnh như silicagel, CaCl2, CaO, NaOH, H2SO4 đặc, CaSO4 có hút chân không Đối với những chất định phân tích nhất thiết phải làm khô trong chân không đến khối lượng không đổi

Bảng 1.1: Một số chất làm khô và khả năng làm khô của chúng

1 CaCl2 khan, Na2SO4, MgSO4, Na,

P2O5

Parafin, xicloparafin, etylen, etylen, ete, hidrocacbon thơm

2 CaCl2, Na2SO4, P2O5 Dẫn xuất halogen béo và thơm

3 K2CO3,Na2SO4, MgSO4, CaO, CuSO4 Các rượu

4 KOH, NaOH, CaO, BaO, K2CO3 Các amin

1.2.2.6.2 Làm khô chất lỏng

Cách làm khan đơn giản là cho chất lỏng vào erlen khô, cho chất làm khô vào (cần phải tính toán trước chất làm khô so với chất lỏng), rót chất lỏng định làm khô vào, lắc mạnh, để yên và tốt nhất là để qua đêm Chất đã khô thường là dung dịch trong suốt Rót hay gạn dung dịch đã làm khô vào dụng

cụ khô, bỏ chất làm khô đi

Nếu thấy chất chưa khô (thêm chất làm khô vào bị rữa ra), lại làm khô lại Ngoài ra có thể để chất làm khô vào vào máy hút khô chân không để làm khô tuyệt đối Có thể làm khô bằng bức xạ hồng ngoại ở bước sóng 1.104 đến 3.104A

1.2.2.6.3 Làm khô chất khí (rửa khí khô)

Các chất khí (H2, O2 , N2, CO, CO2, SO2, SO3 ) có thể làm khô bằng cách cho khí đi qua cột hấp thụ chứa chất làm khô đã trộn với bông thủy tinh hay sợi amiăng Các chất khí có tính axit được qua bình rửa khí có đựng

H2SO4 đặc; hoặc qua bình đông lạnh đã được làm lạnh bằng CO2 rắn với axeton hay bình làm lạnh bằng N2 lỏng

1.2.2.7 Lọc, gạn, ép , li tâm

Lọc là để tách chất rắn ra khỏi chất lỏng Thường phải dùng phễu lọc có giấy lọc trong thực tế người ta có thể dùng các loại phễu lọc khác nhau ( phễu lọc thủy tinh, phễu lọc sứ, phễu lọc nóng)

1.2.2.7.1 Lọc dưới áp suất thường

Trước khi lọc phải chọn giấy lọc có kích thước hợp lý so với kích thước của kết tủa

Lấy giấy lọc gấp tư rồi tách ra thành hình nón sao cho khít với phễu thủy tinh Tẩm giấy lọc bằng dung môi, rót chất lỏng theo đũa khuấy thủy tinh cách mép giấy lọc khoảng 3-5 mm Khi chảy hết mới đổ tiếp

Khi lọc một lượng chất lỏng có ít kết tủa mà không cần thu kết tủa thì dùng giấy lọc xếp nếp

Khi lọc lấy tinh thể thì dùng phễu Bucsne

- Khi lọc các axit , kiềm, anhidrit, các chất oxi hóa và các chất phân hủy giấy lọc cần phải dùng phễu lọc xốp có các kích cở lỗ khác nhau

- Khi lọc các dung dịch nóng hay dung dịch có độ nhớt cao cần phải dùng phễu lọc nóng hay phễu lọc điện, cần phải lọc nhanh để tránh kết tinh trên phễu lọc Cách đơn giản nhất là làm nóng dung môi bằng dung môi nóng hoặc đun nóng dung môi

Khi lọc, hệ thống lọc phải kín Phải cắt giấy lọc cho vừa khít với lòng phễu lọc Tẩm giấy lọc cho ướt bằng đều bằng dung môi lọc, mở bơm hút chân không cho giấy lọc bị hút chặt vào phễu rồi từ từ đổ dung dịch lọc vào phễu sao cho chất rắn phủ kín giấy lọc Không nên đổ quá dày hoặc trên bề mặt của nó có vết nứt nẻ Nếu có nứt nẻ, dùng nút thủy tinh ép lại trên bề mặt Khi lọc có thể rửa bằng dung môi Khi lọc xong, muốn tháo máy, cần phải mở khóa bình bảo hiểm để áp suất trong hệ bơm cân bằng với bên ngoài mới tắt bơm chân không

Trong trường hợp lọc rồi mà đục, nghĩa là chất bẩn vẫn qua được giấy lọc thì người ta phải dùng máy li tâm siêu tốc để tách chất bẩn ra khỏi dung dịch Khi làm việc phải cho lượng các chất vào các ống khác nhau, đậy nắp ống cẩn thận rồi mới cho máy chạy Khi lấy sản phẩm phải để máy ngừng hẳn mới lấy các ống ra

1.2.2.8 Dung môi và tinh chế dung môi

Khi tiến hành thí nghiệm, các dung môi phải tinh khiết tức là có nhiệt độ sôi phải chính xác, vì vậy dung môi cần phải tinh chế lạị Thông thường phải cất lại hay làm khô lại Các dung môi thường dùng là :

- Rượu etylic : C2H5OH sôi ở 78,330C, rất háo nước, tan tốt trong nước

và trong các dung môi hữu cơ, dễ cháy và dễ tạo thành hỗn hợp nổ với không khí Rượu etylic tạo hỗn hợp đẳng phí với nước (96% rượu + 4% nước) có nhiệt độ sôi là 78,180

C

Khi cần cồn tuyệt đối người ta thường đun với CaO (vôi sống ) khoảng

250 g CaO với 1 lít cồn hoặc với BaO khoảng 6 giờ trên bếp cách thủy sau đó cất được rượu etylic 99,5% Muốn có cồn tuyệt đối (99,95% trở lên), người ta cho 75 mL cồn 99,5% trộn với 0,5 g Mg và 0,5g I2 vào bình cầu có lắp sinh hàn hồi lưu đã nối với ống CaCl2 khan trên cùng, đun sôi cho phản ứng xảy ra hoàn toàn

- Axeton: CH3COCH3 sôi ở 56,2C, dễ cháy, tan trong nước, kích thích đường hô hấp Trong axeton thường có lẫn axetalđehyt nên người ta thường cho thêm KMnO4 (5g cho 1 lít axeton) đun khoảng 2 giờ với CaCl2( hay KOH,

P2O5) rồi cất lấy axeton

- Ete etylic: C2H5OC2H5 sôi ở 34,60C, dễ cháy, dễ nổ, thường tạo thành hỗn hợp đẳng phí với 1,26% nước, sôi ở 34,150C, có chứa chất phụ là axetalđehyt, nước (2,4-4%) Để lâu trong không khí sẽ xuất hiện peoxit (nguy hiểm, dễ nổ), có thể phát hiện bằng cách lắc với dung dịch KI 2% đã axit hóa bằng HCl loãng Nếu có peoxit, lớp ete có màu nâu sẽ hóa xanh khi thêm hồ tinh bột Ete là chất gây mê, kích thích đường hô hấp

- Benzen:C6H6 sôi ở 800C, dễ cháy, rất độc với hệ thần kinh, máu và niêm mạc, dễ tạo hốn hợp nổ với không khí Benzen công nghiệp chứa một lượng thiofen Để loại thiofen bằng cách rửa với H2SO4 đặc hay với Hg(CH3COO)2, rửa, làm khô bằng CaCl2, lọc rồi cất với Na ở nhiệt độ sôi 79,5-

800C

- Toluen: C6H5CH3 sôi ở 110,60C có tính độc tương tự benzen và được tinh chế tương tự benzen

1.2.2.9 Phương pháp làm bay hơi dung môi

Đây là quá trình làm tăng nồng độ của các chất hoặc tách các chất bằng cách loại dung môi Phương pháp này chỉ thực hiện được khi tính bay hơi của dung môi khác với tính bay hơi của chất tan

Cách tiến hành:

- Cách đơn giản nếu dung môi là nước thường thì làm bay hơi trong bát

sứ, bát tráng men, trong bese hay trong bình erlen Chú ý khi cô thì dung dịch trong bình chiếm 2/3 thể tích hoặc cách mép trên bình khoảng 3-5 cm Đun cho bay hơi nước gần cạn Vừa khuấy vừa đun sẽ nhanh

- Nếu dung môi dễ cháy, độc hay cần lấy lại dung môi thì dùng phương pháp cất đuổi dung môi ở áp suất thường hoặc cất đuổi dung môi ở áp suất giảm bằng máy cất quay

- Nếu không cần lấy dung môi có thể dùng erlen, cho thêm đá bọt, đun trên bếp cách thủy hay đun trực tiếp tùy thuộc vào dung môi Để tăng sự bay hơi, người ta cho một luồng không khí hay khí nitơ lên trên bề mặt dung dịch, hoặc chụp trên phểu trên bằng phểu có nối bơm hút hoặc có thể vừa đun nóng vừa hút khí bằng bơm hút qua bình bảo hiểm Nếu làm bay hơi lượng rất nhỏ dung dịch có thể dùng ống nghiệm nhánh

1.3 Các phương pháp phổ nghiệm để xác định cấu trúc

1.3.1 Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy)

Nhiều hợp chất hữu cơ hấp thụ bức xạ trong vùng nhìn thấy được và

UV của phổ điện từ Khi một hợp chất hấp thu bức xạ của vùng nhìn thấy được và và vùng UV, điện tử bị nhảy từ orbital phân tử có mức năng lượng thấp đến mức năng lượng cao hơn

Những hợp chất hữu cơ cũng hấp thu năng lượng điện từ trong vùng hồng ngoại (IR) Bức xạ hồng ngoại thì không có đủ năng lượng hiệu quả để gây nên kích thích electron, nhưng nó là nguyên nhân làm cho những nguyên

tử, nhóm nguyên tử trong những hợp chất hữu cơ dao động nhanh hơn của các liên kết cộng hóa trị liên kết với nhau Những dao động này thì được định lượng và chúng xuất hiện, những hợp chất hấp thu năng lượng IR trong những vùng riêng biệt của phổ Vùng phố hồng ngoại có thể chia làm 3 vùng trong bảng 1.2 như sau:

Trong những liên kết cộng hóa trị dao động của chúng là những giao động đàn hồi nhẹ liên kết với các nguyên tử Khi những nguyên tử rung chúng

có thể xảy ra chỉ ở các tần số xác định nếu các liên kết đã giao động Bởi vì điều này những nguyên tử liên kết cộng hóa trị có mức năng lượng giao động riêng biệt Sự kích thích một phân tử từ một mức năng lượng dao động đến mức khác chỉ xuất hiện khi hợp chất hấp thu bức xạ IR của một mức năng lượng riêng biệt, có nghĩa là độ dài sóng riêng biệt hoặc tấn số (∆E=hν)

Phân tử có thể dao động trong một loạt cách Hai nguyên tử liên kết với nhau bằng một liên kết cộng hóa trị có thể dao động giãn ở đó các nguyên tử

di chuyển ngược chiều nhau và nối nhau bằng một dao động lò xo

Hình 1.1: Minh họa một dao động dãn

Ba nguyên tử có thể cũng có một loạt dao động dãn (stretching vibration) và biến dạng uốn cong (bending vibrations)

Hình 1.2: Minh họa các dao động dãn đối xứng và không đối xứng

Hình 1.3: Minh họa các dao động biến dạng trong và ngoài mặt phẳng

1.3.1.1 Những hệ số xác định cường độ và mức năng lượng của hấp thu trong phổ IR

Tần số của một giao động giãn và vị trí của nó trong phổ IR liên quan đến 2 hệ số Khối lượng của những nguyên tử liên kết là các nguyên tử nhẹ sẽ dao động ở tần số cao hơn so với một nguyên tử nặng hơn và liên quan đến

sự cứng nhắc của liên kết Liên kết ba thì cứng hơn và dao động ở tần số cao hơn những liên kết đôi và liên liên kết đôi thì cứng hơn liên kết đơn (dao động

ở tần số cao hơn) Chúng ta có thể thấy những ảnh hướng này trong bảng 1.6 Lưu ý rằng tần số giao động giãn của nhóm liên quan đến hyđro (nguyên tử nhẹ) như C-H, N-H, O-H luôn luôn xuất hiện ở tần số cao

1.3.1.1.1 Cường độ của hấp thu

Cường độ mà một liên kết hấo thấp thu bức xạ thì phụ thuộc vào momen lưỡng cực của liên kết Do đó trình tự về cường độ hấp thu của liên kết C-X là: C-O > C-Cl > C-N > C-C-OH > C-C-H Tuơng tự như vậy: OH > NH> CH

- Trình tự của cường độ mũi hấp thu là: C=C-C=O >C=C-C=C> C=C-C-

1.3.1.1.2 Mức năng lượng của hấp thu

Phương trình để xác định mức năng lượng dao động của một liên kết

là: , trong đó k là hằng số lực liên quan đến độ bền liên kết Liên kết đôi thì mạnh hơn liên kết đơn do đó hấp thu ở mức năng lượng cao

hơn, µ là tỷ số các khối lượng của các nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hóa trị

m1 và m2 là khối lượng của các nguyên tử liên quan đến liên kết Theo ghi nhận liên quan đến µ, liên kết có năng lượng cao nhất sẽ là X-OH (OH,NH,CH) Trình tự mức hấp thu năng lượng của một số liên kết thông thường nó ngược lại với µ và cường độ liên kết

O-H > N-H > C-H>-nitrin > C C> C=O > C=C > O > C > F >

Bảng 1.6: Đặc tính hấp thu hồng ngoại của một số nhóm chức

và 1365

Trung bình Mạnh

Rượu và phenol (dung

Rượu và phenol (liên kết

Axít cacboxylic (liên kết

6 Anđêhit, xeton, este

Không phải tất cả các dao động của phân tử kết quả hấp thu năng

lượng Để cho một dao động xảy ra sự hấp thu năng lượng IR, momen lưỡng cực của phân tử phải thay đổi do có sự dao động xuất hiện Do đó

khi 4 nguyên tử H của metan dao động giãn đối xứng, metan không hấp thu năng lượng IR Những dao động dãn đối xứng của liên kết đôi và liên kết ba

trong etylen và etyn không có kết quả trong sự hấp thu năng lượng bức xạ IR Những hấp thu dao động có thể xuất hiện ngoài vùng đo do một máy đo phổ

IR đặc biệt và những hấp thu dao động có thể xuất hiện gần với nhau do đó các peak (mũi hấp thu) ở phía trên đỉnh của các mũi hấp thu Những nguyên nhân mà không có mũi hấp thu là do sự dao động không làm thay đổi momen lưỡng cực, do đó hầu hết các phổ IR có chứa chỉ một vài mũi ít hơn công thức (3n-6) được dự báo

Dù thế nào đi chăng nữa những nguyên nhân khác mang lại thậm chí nhiều mũi hấp thu hơn Họa tầng (overtone) hay dao động điều hòa (harmonics) của các dãi hấp thu cơ bản có thể được thấy trong phổ IR thậm chí những họa tầng xuất hiện làm giảm mật độ lớn Dãi tầng đuợc gọi là những băng kết hợp và những băng khác nhau cung xuất hiện trong phổ IR

Bởi vì phổ IR có chứa quá nhiều mũi, khả năng mà hai hợp chất sẽ có phổ giống nhau là quá nhỏ (không đáng kể) Bởi vì một phổ IR có vùng dấu vân tay (fingerprint) của phân tử Do đó mà với những hợp chất hữu cơ, nếu 2 hai mẫu là tinh khiết đưa ra phổ IR khác nhau, chắc chắn rằng hai họp chất đó

là khác nhau Nếu hai hợp chất đưa ra phố IR như nhau, chúng là một hợp chất

Hình 1.4: Phổ IR của octan (ghi chú trong phổ IR mũi hấp thu từ trên xuống) Trong phổ IR có chứa rất nhiều thông tin về những cấu trúc của các hợp chất Chúng ta sẽ thấy một số thông tin có thể thu thập từ phổ của octan

và toluen trong hình 1.4 và 1.5 Chúng ta phải phát triển kỹ năng mà hoàn thành việc giải thích phổ, nhưng có thể nghiên cứu làm thế nào để ghi nhận sự

có mặt của những mũi (peak) hấp thu trong phổ IR có được từ những dao động của những nhóm chức đặc trưng trong hợp chất bằng việc làm này chúng ta có thế sử dụng những thông tin thu thập từ phổ IR một cách hữu ích

Hình 1.5: Phổ IR của toluen

1.3.1.1.3 Nhận danh một số mữi hấp thu IR của một số hợp chất

Ví dụ 1: Nhận danh các mũi hấp thu IR của hợp chất paraxetamol được đo trong đĩa KBr

Hình 1.6: Phổ IR của paracetamol trong đĩa KBr

Bảng 1.7: Nhận danh các mũi hấp thu IR của hợp chất paraxetamol

B 3000-3350 Dãn OH phenol Băng rộng vì liên kết hyđro và

nó che khuất các mũi khác

Ký tự Số sóng (cm ) Mũi hấp thu Ghi chú

Dãn C=C vòng thơm Băng này manh hơn khi vòng thơm có nhóm thế phân cực

làm gia tăng momen lưỡng cực liên kết C=C trong vòng

Biến dạng N-H amit

Băng hấp thu mạnh trong trường hợp này nhưng nó không phải luôn luôn như thế

Biến dạng =C-H Phù hợp với biến dạng C-H

vòng thơm nhưng vùng dấu vân tay cũng phức tạp

Ví dụ 2: Nhận danh các mũi hấp thu IR của hợp chất aspirin được đo trong đĩa KBr

Hình 1.7: Phổ IR của aspirin trong đĩa KBr

Bảng 1.8: Nhận danh các mũi hấp thu IR của hợp chất aspirin

Ký tự Số sóng (cm-1

Rất rộng và phức tạp vì liên liên kết hyđro,băng rộng phủ lên những băng khác trong vùng

dưới hấp thu O-H

C 1757 Dãn C=O este Vì nhóm exetyl không liên hợp với este mạch thẳng

D 1690 hợp với vòng thơm Dãn C=O axít liên Dãn C=O axít liên hợp với vòng thơm

Ví dụ 2: Nhận danh các mũi hấp thu IR của hợp chất dexamethason (một

corticosteroit) được đo trong đĩa KBr

Hình 1.8: Phổ IR của dexametaso (một corticosteroit) trong đĩa KBr

Bảng 1.9: Nhận danh các mũi hấp thu IR của hợp chất dexametason

Ký tự Số sóng (cm-1

A 3140-3600 Dãn O-H rượu Băng rộng vì liên kết hyđro,

hydrocacbon của steroit lớn

Dãn xeton không liên hợp C=O Dãn C=O ở vị trí thứ 20, thường thấp hơn giãn C=O

Dãn C=C liên hợp Giãn do liên hợp với nhóm

C=O Hai nhóm thế C=C hấp thu thấp hơn ba nhóm thế

Ví dụ 3: Nhận danh các mũi hấp thu IR của hợp chất phenoximetyl pennicilin potatsium được đo trong đĩa KBr

Hình 1.9: Phổ IR của phenoximetyl pennicilin potatsium được đo trong đĩa KBr Bảng 1.10: Nhận danh các mũi hấp thu IR của hợp chất phenoximetyl

pennicilin potatsium

Ký tự Số sóng (cm-1

Dãn N-H amit Hai băng được chỉ ra chống

lại sư quay của liên kết C=O

thẳng Dãn O-H không có khi axít cacboxilic ở dạng muối

khả năng che phủ lên mũi biến dạng N-H amit

Ví dụ 4: Sinh viên tự nhận danh các mũi hấp thu IR từ A-E của hợp chất hydrocortison được đo trong đĩa KBr

Hình 1.10: Phổ IR của hydrocortison được đo trong đĩa KBr

1.3.2 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân

1.3.2.1 Mục tiêu bài học: Sau khi học xong bài học sinh viên có thể nhận

danh một hợp chất bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân: 1

H và 13C

1.3.2.1 Các vấn đề chính:

Nguyên tắc: Bức xạ trong vùng sóng radio được sử dụng để kích thích các nguyên tử, thường là proton 1H hoặc 13C để cho spin của các hạt nhân này chuyên tử trạng thái sắp xếp cùng chiều hoặc ngược chiều với trường điện từ

áp dụng vào Phạm vi của tần số yêu cầu cho sự kích hoạt và kiểu mẫu sự chẻ mũi do cộng hươngt từ tạo ra rất đặc trưng cho cấu trúc của phân tử hóa chất

Các ứng dụng chủ yếu trong phân tích là một kỹ thuật mạnh trong việc xác định cấu trúc của vật liệu thô và sản phẩm hoàn thành Có thể xác định không tinh khiết, sự không tinh khiết của một cặp đồng phân quang học (enatiomeric), được sử dụng cho phân tích định lượng thuốc trong những công thức thuốc mà không cần phải tách tích khiết Chứng minh nhiều thông tin hơn

về cấu trúc phân tử hơn các kỹ thuật khác Sự giới hạn của phương pháp là

độ nhạy của kỹ thuật cộng hưởng từ yêu cầu lượng mẫu lớn hơn 5 mg đối với

1

H NMR và lớn hơn20 mg đối với 13

C NMR

1.3.2.2 Giới thiệu về phổ cổng hưởng tử hạt nhân

Hạt nhân của những nguyên tử nào đó và những đồng vị chúng quay (spin) về một trục Những hạt nhân của hyđro thông thường (1

H) và những hạt nhân 13C có đặc tính này Khi đặt một hợp chất có chứa 1

H và 13C trong một

trường điện từ mạnh và bức xạ đồng thời nó với một năng lượng điện từ, những hạt nhân của hợp chất có thể bị hấp thu năng lượng ngang qua một xử

lý gọi là cộng hưởng từ Hấp thu này của năng lượng là xác định Sự hấp thu của năng lượng không xuất hiện nếu cường độ của trường điện từ và tần số của bức xạ điện từ có một giá trị đặc biệt

Những thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance: NMR) cho phép nhá hóa học đo hấp thu năng lượng do hạt nhận 1H hoặc 13

C

và của các hạt nhân khác Những thiết bị này sử dụng nam châm rất mạnh và bức xà mẫu với bức xạ điện từ trong vùng sóng radio (radio frequency: rf) Hai kiểu của máy đo phổ cộng hưởng từ dựa trên thiết kế khác nhau đến nay được các nhà hóa học hữu cơ sử dụng

Những máy phổ cộng hưởng từ hạt nhân có thể được thiết kế sao cho chúng bức xạ hợp chất với năng lượng điện từ có một tầng số không đổi trong khi đó cường độ trường từ tính nam châm thay đổi hình 1.11 Khi trường từ tính đạt đến giá trị cường độ chính xác, những hạt nhân hấp thu năng lượng

và sự cộng hưởng xuất hiện Điều hấp thụ này là nguyên nhân có một dòng điện tử nhỏ được đưa đến cuộn dây quấn quanh mẫu Dụng cụ này khuếch đại dòng điện này và trình bày nó như một tính hiệu (mũi hấp thu): hoặc một loạt mũi hấp thu trong đơn vị tăng số (Hz) trên máy tính hoặc trên một loại giấy biểu đồ có xác định hoặc computer

Hình 1.11:Những thành phần cơ bản của một máy đo phổ cộng hưởng từ hạt

nhân (NMR)

Mẫu được hòa tan trong

dung môi và đặt vào

trong từ trường

Ống

mẫu

Từ trường siêu dẫn

Phổ NMR

Hình 1.12: Một máy đo phổ NMR mẫu được hòa tan trong dung môi thường là CDCl 3 và đặt vào trong một bộ khởi tạo tần số radio sau đó bức xạ mẫu với một xung ngắn của sóng radio mà nguyên nhân gây ra cộng hưởng Khi trạng thái năng lượng thấp, đầu dò đo năng lượng giải phóng ra và phổ được ghi nhận Từ trường siêu dẫn trong các kiếu máy phổ NMR có các cuộn dây được

làm lạnh trong dung dịch heli

Hiện nay các máy đo phổ NMR sử sụng những nam châm siêu dẫn có thể có cường độ từ trường cao hơn các máy thế hệ trước đây, điều này chỉ ra các máy này có độ phân giải tăng và độ nhạy cao Sự thay thế của từ tường quét (sweeping) trong đó bức xạ mẫu với năng lượng điện từ trong vùng tần

số radio (rf), máy sẽ bức xạ mẫu bằng một xung ngắn của bức xạ sóng radio (rf) khoảng 10-5 giây Xung sóng radio này sẽ kích hoạt các hạt nhân cùng một lúc, ngược lại với phương pháp xung ngắn mỗi hạt nhân sẽ bị kích hoạt riêng biệt bằng phương pháp quét từ trường Dữ liệu thu được từ phương pháp xung ngắn do sự kích hoạt rất khó khăn thu nhận tín hiệu so

với phương pháp quét Một sự khác biệt là phương pháp quét mất từ 2-5 phút đưa cho ra một phổ hoàn chỉnh trong khi đó phương pháp xung ngắn cho ra một phổ trong phạm vi ít hơn 5 giây Một sự khác biệt là phuơng pháp quét từ trường cho chúng ta phổ trực tiếp là một hàm của tần số (Hz) Với phương pháp xung ngắn, dữ liệu thu được là hàm của thời gian Sau khi xung, tín hiệu được sản xuất trong một đầu dò và tín hiệu chứa thông tin về tất cả các mũi xảy ra trong cùng một lúc Tin hiệu phải được chuyển dạng thành một hàm của tần số trước khi các mũi riêng biệt có thể được nhận diện

Sự chuyển dạng tín hiệu từ miền thời gian (time domain) thành miền tần

số (frequency domain), một máy tính phải tiến hành những công việc gì mà được gọi là một chuyển dạng Fourie (Fourier transformation) hay gọi là FT Toán học của xử lý này không quan tâm đối với chúng ta, chỉ quan trọng là trong đó dữ liệu của mẫu được lưu trữ là điểm cần quan tâm, điều đó có nghĩa

là dữ liệu được số hóa Tín hiệu từ một thực nghiệm NMR xung ngắn được xử

lý trong cách này: sau khi kích hoạt bằng một xung rf, tín hiệu được phát ra như là một điện thế trong đầu dò NMR Sau đó tín hiệu được khếch đại và chuyển đổi thành một số và lưu trữ trong bộ nhớ máy tính Một lúc nào đó những điểm dữ liệu đã đầy đủ thì được yêu cầu đưa đến một sự phân giải số hóa hiệu quả, dữ liệu yêu cầu có thể được chuyển dạng bằng phương pháp Fourier (Fourier menthod) cho ra phổ tầng số

Miền thời gian (Time domain)

Miền tần số (Frequency domain)

(b)

Hình 1.13: (a): Tính hiệu 13 C FID (Free Induction Decay) của cyclohexan; (b):

Chuyển dạng Fourier của (a)

Chúng ta bắt đầu nghiên cứu phổ NMR trong phần này bằng một ví dụ điển hình các tổng quan chính đưa ra từ các hạt nhân hyđro Những phổ này thường được gọi là phổ cộng hưởng hạt nhân proton (proton magnetic resonance- PMR) hoặc phổ NMR 1H Sau khi vấn đề tổng quan được xem xét chúng ta sẽ kiểm tra chi tiết hơn những vấn đề khác của phổ NMR

Nếu những hạt nhân hyđro thì đượ cô lập từ các điện tử của chúng và được cô lập từ những hạt nhân khác, tất cả các hạt nhân nguyên tử hyđro (proton) sẽ được hấp thu năng lượng ở cường độ từ trường như nhau với một tần số của bức xạ điện từ được đưa ra Nếu điều đó xảy ra các máy đo phổ NMR sẽ rất đắt tiền trong phân tích hyđro

Điều may mắn, các hạt nhân của các nguyên tử hyđro của các hợp chất quan tâm đối với các nhà hóa học hữu cơ là nó không cô lập với các điện tử của nó và chúng cũng không bị cô lập với các hạt nhân khác Một số hạt nhân hyđro thì ở trong vùng có mật độ điện tử lớn hơn các hạt nhân khác Bởi vì điều này, những proton của những hợp chất này hấp thu năng lượng ở cường

độ trường điện từ khác nhau nhỏ Cường độ trường thực tế mà ở đó sự hấp thu xảy ra lại phụ thuộc vào môi trường từ trường của mỗi proton Môi trường này lại phụ thuộc vào hai hệ số: những từ trường tạo ra do những điện tử tuần hoàn xung quanh và những trường từ trường mà kết qua đem lại từ những proton kế bên khác (những hạt nhân từ trường khác)

Cường độ từ trường tăng dần từ trái sang phải

Hình 1.14: Phổ NMR 1 H của p-xylen (Spectrum courtesy of Varian Associates, palo Alto, CA.)

Trong hình 1.14 cho thấy phổ NMR 1

H của p-xylen Phổ này có đường màu nhạt Đường màu đậm hơn là đường cong tích phân (integral curve)

Cường độ từ trường được đo dọc theo trục của phổ có đơn vị δ (ppm): parts

per million và đường dọc trên đỉnh là hertz (số chu kỳ trong một giây, cycles per second, cps) Chúng ta cần chỉ ra rằng cường độ từ trường ngoài đặt vào gia tăng từ trái sang phải Một tín hiệu mà xuất hiện ở δ = 7 ppm xuất hiện ở cường độ từ trường ngoài thấp hơn một tín hiệu xuất hiện ở 2 ppm Những tín hiệu xuất hiện bên trái của phổ đồ được coi là xuất hiện ở trường thấp

(downfield) và những tín hiệu xuất hiện bên phải được nói là xuất hiện ở trường cao (upfield)

Phổ trong hình 1.14 cho thấy một mũi tín hiệu nhỏ xuất hiện ở δ =0 ppm Điều này là do một hợp chất có sự thêm vào mẫu cho phép cân bằng của dụng cụ đo Tổng quan đầu tiên chúng ta muốn nhận xét là liên quan giữa

số tín hiệu trong phổ và số kiểu khác nhau của các nguyên tử hyđro trong hợp chất p-xylen có 2 kiểu khác nhau của nguên tử hyđro, và cho ra hai kiểu tín hiệu in phổ của nó

Hai kiểu khác nhau của các nguyên tử hyđro trong p-xylen là những nguyên tử hyđro của nhóm metyl và những nguyên tử hyđro của vòng benzen Sáu nguyên tử hyđro metyl đưa ra sự gia tăng tín hiệu xuất hiện ở δ=2.3 ppm Bốn nguyên tử hyđro của vòng benzen thì cũng tương đương nhau (equivalent); Chúng xuất hiện ở δ=7.05 ppm

Kế tiếp, chúng ta sẽ kiểm tra độ lớn tương đối của các mũi tín hiệu (peak) Điều đó thì rất có ích trong các mũi được ấn định đối với các nhóm riêng biệt của các nguyên tử hyđro Điều quan trọng ở đây là không cần thiết phải là chiều cao của mũi hấp thu mà là vùng bên dưới mũi hấp thu Những vùng này khi đó được đo chính xác (máy đo phổ tự động làm điều này) là tỷ

số như nhau của số nguyên tử hyđro mà gây ra do mỗi tín hiệu Chúng ta thấy rằng không cần đo, vùng bên dưới của tín hiệu của các nguyên tử hyđro của nhóm metyl trong p-xylen (6H) thì lớn hơn vùng bên dưới của tín hiệu của hyđro phenyl (4H) Khi đó các vùng đó được đo chính xác chúng là tỷ số của 1.5:1 hoặc 3:2 hoặc 6:4

Những đường đậm đặt lên trên các mũi hấp thu trong phổ của p-xylen cho thấy một cách mà các máy đo phổ từ trường hạt nhân trình bày một vùng tuơng quan bên dưới mỗi mũi hấp thu Đường này gọi là đường cong tích

phân (integral curve), đưa ra một số lượng tỷ lệ với vùng bên dưới mỗi mũi

hấp thu Hình 1.14 cho thấy những chiều cao đó được đo như thế nào Trong trường hợp này tỷ số của các chiều cao trên đường cong tích phân là: 1.5:1 hoặc 3:2 hoặc 6:4 Tổng thể thứ ba của một phổ NMR 1H là cung cấp cho chúng ta thông tin về cấu trúc của một hợp chất được minh họa nếu chúng ta xem xét phổ của hợp chất 1,1,2-tricloroetan, hình 1.15

Hình 1.15: Phổ NMR 1H của hợp chất 1,1,2-tricloroetan (Spectrum courtesy of

Varian Associates, palo Alto, CA.)

Trong hình 1.15 chúng ta sẽ kiểm tra sự chẻ mũi tín hiệu (signal splitting) là một hiện tượng tự nhiên có được từ những sự ảnh hưởng của từ trường do các nguyên tử hyđro trên các nguyên tử kế bên Mũi hấp thu (b) từ

2 hyđro tuơng đương của nhóm –CH2Cl thì bị chẻ đến 2 mũi ( một mũi đôi – doublet) do ảnh hưởng từ trường của hyđro trong nhóm –CHCl2 Mũi (a) từ hyđro của nhóm nhóm –CHCl2 được chẻ thành thành mũi ba (triplet) do những ảnh hưởng từ trường do 2 nguyên tử hyđro tuơng đương của nhóm –CH2Cl

Về quan điểm này chúng ta không cần thiết phải giai thích phức tạp ở đây Chúng ta sẽ có được kỹ năng trong việc giải thích phổ NMR 1

H bởi vì tính hiệu chẽ mũi hấp thu sẽ xuất hiện một cách dự báo, nó thường cung cấp những thông tin quan trọng về cấu trúc của hợp chất

1.3.2.3 Spin hạt nhân

Hạt nhân của các đồng vị cũng có spin và những hạt nhân đó có những

số lượng tử spin là I Hạt nhân của nguyên tử hyđro, 1H ( một proton) thì giống như điện tử; Số lượng tử spin của nó là I = 1/2 và hàm ý rằng nó có thể 2 trạng thái spin là: =1/2 hoặc -1/2 Hai trạng thái tương ứng với những momen từ cho phép là I= +1/2, m = + 1/2 hoặc I = -1/2, m = -1/2 Những hạt nhân khác với số lượng tử spin I = 1/2 là 13

C, 19F và 31P Một số hạt nhân như 12

C, 16º và

S không có spin (I=0) và nhữn g hạt nhân này không đưa ra một phổ NMR Những hạt nhân khác có số lượng tử spin lớn hơn ½ Trong xử lý của chúng

ta ở đây chúng ta chỉ quan tâm chủ yếu với phổ proton từ 1

H và 13C, cả hai có I

= ½

Proton được coi như có tính chất điện, proton quay khởi tạo một momen từ nhỏ mà nó trùng với trục của spin (hình 1.16) Momen từ khá nhỏ này mang lại trên proton quay những đặc tính của một thanh nam châm nhỏ Nếu không có từ trường ngoài (hình 1.16.a), momen từ của các proton của một mẫu đưa ra là phân bố theo hướng ngẫu nhiên Khi một hợp chất mà có chứa hyđro (đó là các proton) được đặt trong từ trường ngoài áp dụng vào do

đó mà những proton này có thể phân bố theo một trong hai hướng phù hợp theo trình tự tuơng ứng với từ trường ngoài Monem từ của proton có thể định hướng với từ trường ngoài hoặc ngược hướng với từ trường ngoài (hình 1.17.b) Hai sự xếp hàng này tương ứng với 2 trạng thái spin đã được nói đến

ở phần trên

(b) (a)

Hình 1.16: (a) Trường điện từ kết hợp với một proton quay, (b) proton quay

như một nam châm từ nhỏ

Hình 1.17: (a): Không có từ trường momen từ của proton định hướng ngẫu nhiên, (b): Khi có từ trường ngoài (B 0 ) được đặt vào các proton có định hướng Một số có hướng song song với từ trường ngoài (trạng thái spin α) và mộ số

định hướng ngược trở lại từ trường ngoài (trạng thái spin β)

Năng lượng được cung cấp để đẩy proton từ trạng thái có năng lượng thấp (trạng thái α spin) đến trạng thái có năng lượng cao (trạng thái β spin) Trong một phổ NMR, năng lượng này thì được cung cấp do bức xạ điện từ trong vùng sóng radio (rf) Khi sự hấp thu năng lượng này xuất hiện, các hạt nhân được nói là trong cộng hưởng với bức xạ điện từ Năng lượng được yêu cầu tỷ lệ với cường độ của từ trường, hình 1.18 Một phép tính toán đơn giản cho thấy trong một từ trường xấp xỉ 14,100 G, bức xạ điện từ 60x106

cps (60 MHz) sẽ cung cấp số lượng năng lượng đúng cho các proton Phổ nghiệm đưa

ra trong phần này là phổ 60 MHz Mối quan hệ giữa tần số của bức xạ ( ) và

cường độ từ trường (B0) là Trong đó là tỷ số hồi chuyển,một proton

Trạng thái spin

Trạng thái spin

Trạng thái spin

Hình 1.18: Sự khác nhau giữa hai trạng thái của proton phụ thuộc vào cường độ của từ trường ngoài, B 0 đặt vào:

(a): không có từ trường ngoài đặt vào (B 0 = 0), không có sự khác nhau

về năng lượng giữa hai trạng thái

(b): Nếu B 0 = 14,100 G,sự khác nhau về năng lượng tuơng ứng với bức

xạ điện từ 60x10 6

Hz (60 MHz)

(c): Trong từ trường 23,500 G, sự khác nhau về năng lượng tương ứng với bức xạ điện từ là 100x10 6 Hz (100 Mz) Những thiết bị hiện tại điều khiển ở những tần số như trên hoặc thậm chí ở tần số cao hơn (500 MHz)

1.3.2.4 Sự chắn và giảm chắn của proton

Tất cả proton không hấp thu năng lượng ở cường độ từ trường như nhau (2 phổ mà chúng ta xem xét đã minh họa cho vấn đề này) Vị trí khởi đầu của một tín hiệu trong một phổ NMR, điều đó có nghĩa là cường độ của từ trường yêu cầu để mang lại sự hấp thu năng lượng mà nó liên quan đến mật

độ điện tử và sự tuần hoàn của điện tử trong những hợp chất Bên dưới sự ảnh hưởng của từ trường ngoài những điện tử di chuyển theo những lộ trình được ưu tiên hơn Bởi vì điện tử là hạt mang điện, chúng khởi tạo những từ

trường nhỏ Chúng ta có thể thấy điều này xảy ra như thế nào nếu chúng ta suy luận những điện tử vòng quanh proton trong một liên kết sigma của một nhóm C-H Trong sự việc như thế chúng ta sẽ đơn giản hóa tình huấn bằng việc xem những điện tử sigma (σ) di chuyển theo những chu trình gần đúng là hình tròn Từ trường tạo ra do những điện tử σ được minh họa trong hình 1.19

Proton Những điện tử

liên kết 

Từ trường ngoài

B 0

Hình 1.19: Sự tuần hoàn của điện tử trong liên kết C-H bên dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài Điện tử tuần hoàn tạo ra một từ trường nhỏ ( một trường khử) mà nó chắn proton từ trường ngoài

Từ trường nhỏ được tạo ra do các điện tử gọi là một trường khử Ở

proton, trường khử ngược lại với từ trường ngoài Điều này có ý nghĩa là

trường điện từ thực tế nhạy với proton thì ít nhạy hơn với trường ngoài Điện

tử thì được xem như chắn proton

Một proton bị chắn do các điện tử sẽ không hấp thu ở cường độ từ trường như nhau như là một proton không có các điện tử Proton bị chắn sẽ hấp thu ở cường độ từ trường cao hơn; Trường ngoài phải được làm lớn hơn các máy đo phổ trong trình tự cạnh tranh để trả lại cho trường khử nhỏ (hình 1.20)

Chắn bới các điện tử Tuần hoàn độ dòi của tính hiệu lên trường cao ở đây

Cường độ từ trường ngoài (B 0 )

Hình 1.20: Chắn bởi các điện tử σ nguyên nhân hấp thu NMR 1

H chuyển dời đến cường độ từ trường ngoài cao hơn

Gia tăng khả năng một proton bị chắn do sự tuần hoàn của những điện

tử σ thì phụ thuộc tương đối vào mật độ điện tử xung quanh proton Mật độ điện tử phụ thuộc lớn vào sự có mặt hoặc vắng mặt của các nhóm chức âm điện Những nhóm chức âm điện rút mật độ điện tử từ liên kết C-H, đặc biệt nếu những nhóm chức âm điện này gắn đến cùng 1 nguyên tử cacbon Chúng

ta có thể thấy một ví dụ của sự ảnh hưởng này trong phổ của tricloroetan (hình 1.15) Proton của C-1 hấp thu ở cường độ từ trường thấp

1,1,2-(δ=5.77 ppm) hơn proton của cacbon C-2 (δ=3.95 ppm) Cacbon số 1 mang hai nhóm clo có độ âm điện cao, trong khi đó cacbon số 2 chỉ mang một nhóm thế Những proton của C-2 thường chắn hiệu quả hơn vi mật độ electron xung quanh những proton này lớn hơn

Sự tuần hoàn của những điện tử π không định vị tạo ra một từ trường mà có thể chắn hoặc giảm chắn các proton gần bên Hoặc chắn hoặc giảm chắn phụ thuộc vào vị trí của proton trong trường khử Các proton thơm của các dẫn xuất benzen,(hình 1.21) thì được giảm chắn bởi vì vị trí của các proton này như thể là từ trường khử làm mạnh hơn từ trường áp dụng vào

Hình 1.21: Trường khử của những điện tử π trong phân tử benzen giảm chắn proton của vòng benzen Sự giảm chắn xuất hiện bởi vì ở vị trí của những

proton trường khử có hướng giống như từ trường áp vào.

Bởi vì của điều này ảnh hưởng giảm chắn sự hấp thu năng lượng của những proton phenyl xuất hiện ở trường thấp (downfield) ở độ bền của từ trường thấp Những proton thơm của p-xylen (hình 1.14) hấp thu ở δ=7.05 ppm

Sự giảm chắn của proton thơm bên ngoài mà kết quả từ sự tuần hoàn của những điện tử π là một trong những thông tinh tốt nhất của bằng chứng vật lý mà chúng ta có trong hệ thống điện tử π không định vị trong những vòng thơm Trong sự kiện hấp thu proton từ trướng thấp thì thường được sử dụng như là một tiêu chuẩn cho khả năng thơm hóa trong những hợp chất vòng liên hợp đã được tổng hợp gần đây

Không phải tất cả các hợp chất proton thơm hấp thu ở cường độ từ trường thấp Những hợp chất vòng thơm lớn đã được tổng hợp có những hydroden trong tâm của vòng (trong dung tích điện tử pi) Những proton của những nguyên tử hyđro bên trong đó hấp thu ở cường độ từ trường cao khác thường vì những proton này là bị chắn cao do trường khử ngược lại trong tâm của vòng (hình 1.22) Những proton bên trong này thường hấp thu ở cường độ

từ trường lớn hơn mà sử dụng ví trị tham khảo là δ = 0 ppm Những proton bên của hợp chất [18]annulen (hình 1.22) hấp thu ở δ= 3.0 ppm

H H

H H H H

[18]Annulen

ppm

3 9





ppm

0 3

(Cường độ trường thấp) sp < sp2

< sp 3 (cường độ trường cao) Trong sự kiện, những proton của acetylen hấp thu ở giữa các giá trị δ=2.0 ppm và δ=3.0 ppm và trật tự sẽ là:

(Cường độ trường thấp) sp2

< sp< sp3 (cường độ trường cao) Chuyển dời trường cao của sự hấp thu trong các proton axetylen là kết quả của sự chắn được sinh ra do sự tuần hoàn của các điện tử pi của liên kết

ba Sự chắn này được minh họa trong hình 1.23

Hình 1.23: Sự chắn của các proton acetylen do sự tuần hoàn của các điện tử

π Sự chắn làm cho các proton của acetylen hấp thu ở trường cao (upfield)

hơn các proton vynyl

1.3.2.5 Độ dời hóa học

Chúng ta thấy rằng các ảnh hưởng chắn và giảm chắn nguyên nhân gây ra sự hấp thu của proton chuyển dời từ một ví trí mà ở vị trí đó một proton không được che chắn sẽ hấp thu (một proton cô lập khỏi điện tử của nó) Từ

đó những độ dời hóa học kết quả từ sự tuần hoàn của điện tử trong liên kết

hóa học, sự tuần hoàn của điện tử đó được gọi là độ dời hóa học (chemical

shifts)

Độ dời hóa học được đo với sự tham chiếu đến sự hấp thu của những proton trong hợp chất tham chiếu Một tham chiếu được sử dụng bởi vì nó không thực tế đo giá trị thực tế của từ trường mà ở từ trường đó những sự hấp thu xuất hiện Hợp chất tham chiếu thường sử dụng là tetrametylsilan (TMS), Si(CH3)4 Một số lượng nhỏ của tetrametylsilan được sử dụng thêm vào mẫu của phổ đang được đo và tín hiệu của 12 proton tương đương (equivalent protons) trong hợp chất TMS được thiết lập là điểm 0 trên thang

đo

Tetrametylsilan được chọn làm chất tham chiếu do một vài nguyên nhân

Nó có 12 nguyên tử hydrogen, do đó một số lượng rất nhỏ của TMS cho ra một tín hiệu tương đối lớn Bởi vì các nguyên tử hyđro là tương đương, chúng đưa ra một tín hiệu đơn Vi silicon thì ít âm điện hơn cacbon, các proton của TMS thì ở trong vùng có mật độ điện tử cao Các proton này hấp thu ở trường cao, và tín hiệu từ TMS xuất hiện trong vùn của phổ ở đó chỉ có một vài nguyên tử hy đro các hấp thu Tetrametylsilan, giống như alkan tuơng đối trơ Cuối cùng nó thì bay hơi, điểm sôi của nó là 270C Sau khi phổ đã hoàn thành, TMS dễ dàng được tách bằng sự bốc hơi

Bảng 1.11: Độ dời hóa học của proton (giá trị gần đúng)

Kiểu proton Độ dời hóa học (δ, ppm)

độ dời hóa học luôn luôn nhỏ (tiêu biểu < 500 Hz) so sánh với tổng số cường

độ của trường ( tương đuơng thông thường của 30, 60 hoặc 100 triệu Hz), độ dời hóa học có đơn vị là parts per million (ppm) Đây là nguồn gốc của thang

đo δ để diễn tả độ dời hóa học liên quan đến TMS

1.3.2.6 Proton tương đuơng về độ dời hóa học và không tương đuơng

Hai hoặc nhiều proton trong những môi trường như nhau có độ dời hóa học như nhau và do đó chỉ đưa ra duy nhất 1 tín hiệu Làm thế nào để biết khi nào các proton trong môi trường như nhau ? Đối với hầu hết nhiều hợp chất, những proton mà trong môi trường như nhau thì cũng tương đương trong những phản ứng Điều đó có ý nghĩa tương đương về phương diện hóa

Brôm hóa benzylic sản phẩm sản phẩm brôm hóa như nhau mà không cần quan tâm đến 6 nguyên tử hyđro được thay thế bằng nhóm thế nào

Br

HH

Chúng ta cũng suy nghĩ một phản ứng minh họa tương đương của 4 proton trong p-xylen, sự brôm hóa vòng Chúng ta nhận được những sản phẩm tuơng đương mà không cần quan tâm đến 4 nguyên tử hyđro được thay thế bằng nhóm thế nào

- Các nguyên tử hyđro đối phân và không đối phân

Nếu thay mỗi một nguyên tử hydro bằng các nhóm giống nhau hiệu suất sản phẩm là những đồng phân quang học (enatiomer), hai nguyên tử hyđro

được gọi là đối ảnh (enatiotopic) Những nguyên tử hyđro đối ảnh có độ

H

Thay thế mỗi H bằng Z

2 nguyên tử hyđro của nhóm –CH2Br trong hợp chất etyl bromua là đối ảnh Etyl bromua cho 2 tín hiệu trong phổ NMR của nó 3 proton tương đương của nhóm metyl cho ra một mũi tín hiệu; Hai proton đối ảnh cho ra một tín hiệu khác Phổ NMR của etyl bromua sẽ có 7 mũi hấp thu Điều này là kết quả của

sự chẻ mũi hấp thu sẽ được giải thích trong phần 1.3.2.7

Nếu sự thay thế của hai nguyên tử hyđro bằng nhóm thế Z cho ra những hợp chất không phải là một cặp đồng phân quang học (diastereotopic)

Các proton không đối phân không tương đuơng độ dời hóa học

Cl

H H

H

Cl

H Z

H

Cl

H H

Z +

Thay thế bằng Z

Không là cặp Đồng phân quang học (diastereomers)

Hai proton metylen trong sec-butyl ancol là không phải một cặp đối ảnh (diasterotopic) Chúng ta có thể minh họa điều này bằng một đối phân của sec-butyl ancol trong cách sau:

Hai proton này sẽ có độ dời hóa học khác nhau và cho ra hai tín hiệu trong phổ NMR 1

H Hai tín hiệu này có thể gần nhau phủ lấp lên nhau

1.3.2.7 Sự chẻ mũi tín hiệu (ghép cặp spin)

Sự chẻ mũi tín hiệu do từ trường của các proton trên các nguyên tử kế cận Chúng ta đã xem xét một ví dụ về sự chẻ mũi tín hiệu trong phổ của hợp chất 1,1,2-tricloroetan Tín hiệu từ 2 proton tương đương của nhóm –CH2Cl trong hợp chất thì bị chẻ thành 2 mũi do một proton trong nhóm –CHCl2 Tín hiệu từ proton của nhóm –CHCl2 thì bị chẻ thành 3 mũi do 2 proton của nhóm –CH2Cl