NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN

Cách ghi nhận phổ NMR... Detector phù hợp ghi được tần số cộng hưởng... Hạt nhân đang ổn địnhtrong ngoại từ trường B0... Vị trí tương đối dc, ppm của các loại Carbo

Phần một: Lý thuyết

• Bài 1: Đại cương về phổ NMR

Cách ghi nhận phổ NMR.

• Bài 2: Các thông tin chính từ phổ NMR.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu phổ.

• Bài 3: Các kỹ thuật phổ NMR thông dụng.

• Bài 4: Xác định cấu trúc hóa học bằng phổ NMR.

Phần hai: Các bài tập thực hành

Xác định cấu trúc một số hợp chất tự nhiên.

Là 1 dạng quang phổ hấp thụ của hạt nhân, phổ NMR hình thành theo nguyên lý sau:

• Ổn định các hạt nhân X phù hợp trong 1 từ trường B0 phù hợp

• Dùng các xung RF phù hợp, có năng lượng E “cộng hưởng được” với hệ thống [hạt nhân / B0], để đưa các hạt nhân này lên

trạng thái kích thích (quá trình hấp thụ năng lượng)

• Khi ngắt xung RF, các hạt nhân vừa bị kích thích sẽ trở về lại

trạng thái ổn định và trả lại năng lượng E dưới dạng 1 bức xạ

có tần số  (giải phóng năng lượng  tần số cộng hưởng)

• Ghi nhận các tần số cộng hưởng  này bằng 1 detector phù hợp,

A Hạt nhân AXZ phù hợp (có từ tính)

B Từ trường B0 phù hợp (mạnh & ổn định)

C Xung RF phù hợp (cộng hưởng với hệ [AXZ/B0])

D Detector phù hợp (ghi được tần số cộng hưởng)

• Một nguyên tử X gồm có phần vỏ và phần lõi.

- phần vỏ = các orbital chứa electron (è) xoay bên ngoài

- phần lõi = hạt nhân chứa (Z = p) proton và (n) neutron

• Tổng số (p + n) = A là số khối của hạt nhân AXZ

• Một nguyên tử X có thể có vài đồng vị, chúng khác nhau

về số neutron trong nhân (khác n - và dĩ nhiên - khác cả A)

• Trong tự nhiên, các đồng vị này chiếm tỉ lệ Ab% khác nhau

• các hạt nhân không từ tính (I = 0) như 12C6, 16O8, 32S16…

Là các đồng vị AXZ có từ tính (có đáp ứng với từ trường B0) Điều kiện hợp lệ của AXZ: cả A và Z không cùng chẵn

Các hạt nhân hợp lệ (= đồng vị có từ tính) sẽ có I ≠ 0.

• các hạt nhân hợp lệ (I ≠ 0) có thể cho tín hiệu phổ NMR ví dụ: (I = 1) như 2H1, 14N7 … (ít quan trọng)

(I = 1/2) như 1H1, 13C6… (quan trọng nhất, chú ý!)

Các thông số đặc trưng 1 H 13 C

• số hướng quay (k = 2I + 1) 2 (  và  ) 2 (  và  )

• tỉ lệ đồng vị tự nhiên (Ab%) 99,988 1,108

• tỉ số từ hồi chuyển (  , MHz/T) 42,576 (1) 10,705 (1/4)

• tỉ số từ hồi chuyển (  , 10 6 rad/s.T) 267,513 (1) 67,262 (1/4)

• thời gian hồi phục tương đối ngắn dài

• độ nhạy tương đối (so với 1 H) 1,00 1/64

• độ nhạy phát hiện (so với 1 H) 1,00 1/5760

• tần số cộng hưởng (với B0 = 11,75 T) 500 MHz 125 MHz

tiêu chí quan sát hạt nhân 1 H hạt nhân 13 C

tần số cộng hưởng với B0 = 11,75 T 500 MHz (4 x) 125 MHz (x)

lượng mẫu cần để đo phổ NMR vài mg chục mg

thời gian đo phổ NMR (và số scan) 10n giây (ít) 10n phút (nhiều)

c độ tín hiệu tỉ lệ với số hạt nhân có tỉ lệ không tỉ lệ

khả năng có tương tác (X – X) # 100% # 0,01% (10 –4 )

Hạt nhân đang ổn định

trong ngoại từ trường B0

2 H 1 H 13 C 12 C 14 N 15 N

Cơ hội gặp cả 3 proton (a, b, c) đồng thời ở dạng 1H: # 100%

Cơ hội gặp cả 3 carbon (a, b, c) đồng thời ở dạng 13C: # 10–6

Đó là 1 lý do khiến phổ 13C-NMR kém nhạy hơn phổ 1H-NMR

• Là giá trị thực nghiệm*, nói lên từ tính của 1 hạt nhân.

• I có giá trị = k.(1/2) = {0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2…}

• Khi I = 0: ta nói hạt nhân không có từ tính

Ví dụ: 12C6, 16O8, 32S16 (Z và A cùng chẵn)

• Khi I ≠ 0: ta nói hạt nhân có từ tính

Ví dụ: 1H1, 2H1, 13C6, 14N7, 15N7, 17O8, 31P15 (Z và A ko cùng chẵn)

Rất chú ý: 1 H 1 ( 1 H) và 13 C 6 ( 13 C) đều có I = 1/2

• Các hạt nhân có I ≠ 0 mới có thể “cộng hưởng với từ trường”

và do đó mới cho tín hiệu phổ NMR (hạt nhân hợp lệ)

• I cho biết số hướng quay (k) của một hạt nhân có từ tính

k = (2.I + 1)

hạt nhân có I = (1/2)

s có 2 hư ng quay

hạt nhân có I = (1)

s có 3 hư ng quay

nghịch chiều B thuận chiều B0

Khi được đặt vào từ trường B0, vì 1H và 13C đều có I = (1/2),

nên 1H (và 13C) chỉ có thể quay theo k = (2I+1) = 2 hướng

(hoặc cùng chiều, hoặc ngược chiều với B0)

Tỉ số từ hồi chuyển (, gyromagnetic ratio) của một hạt nhân

là độ biến thiên của tần số cộng hưởng (Δ0, tính bằng MHz)

khi ngoại từ trường B0 (tác dụng lên nó) thay đổi 1 Tesla

Ví dụ: TSCH 0 của 1H và 13C trong từ trường B0

ở B0 = TSCH 0 của 1 H TSCH 0 của 13 C

X (MHz/T) H = 42,576 MHz/T C = 10,705 MHz/T

• đơn vị = [MHz/Tesla] = [MHz/T] (thông dụng)

• đơn vị = [106.rad/s.T] = 2.[MHz/T] = 6,2832.(MHz/T)

H = 267,51 c = 67,262 106.rad/s.T

Ghi chú:  có thể được mô tả dưới 2 dạng đơn vị:

Note: 1 Hz = 2 rad/s; hàng dưới = (hàng trên x 6,2832)

Là thời gian cần thiết để hoàn thành 1 lần scan (đo) mẫu.

Trong cùng một thời gian đo mẫu, một hạt nhân có

• th gian hồi phục ngắn (mau hồi phục; 1H ≈ 1 sec*):

sẽ được quan sát (scan) nhiều lần (tín hiệu rõ hơn)

• th gian hồi phục dài (chậm hồi phục; 13C ≈ 2 sec*):

sẽ được quan sát (scan) ít lần hơn (tín hiệu kém hơn)

sec

Hz Hz

usec usec

Vectơ M từ trục z “rớt” xuống trục y, xoay quanh mp (xy).

Vừa xoay, vectơ M vừa “nhấc đầu” lên, rồi lại trở về trục z.

x y z

x y z

x y z

x y

là thời gian hoàn thành chu kỳ này

B0

Thời gian hồi phục càng nhỏ  càng mau lặp lại giao động

 được scan càng nhiều lần  tín hiệu càng rõ (S/N tăng)

hồi phục nhanh

hồi phục chậm

Σ ~ 4.3 s / lần scan

Loại phổ d1 = thời gianhồi phục aq = thời gian thu tín hiệu p1 = thời lượngphát xung 1 lần scanthời gian

Dù cho cùng loại hạt nhân (ví dụ cùng là 13C), nhưng nếu:

khác môi trường hóa học  sẽ khác thời gian hồi phục

(dù cùng thời gian đo, cường độ tín hiệu cũng khác nhau)

Hạt nhân có thời gian hồi phục càng lớn (= chậm hồi phục;

20 21

6.9 6.9

So sánh độ nhạy tương đối của hạt nhân 13C với 1H

Giả sử đã có sẵn 1 hạt nhân 13C và 1 hạt nhân 1H (I = 1/2)

• Độ nhạy tuyệt đối của hạt nhân X được định nghĩa:

• Nhưng trên thực tế, xác suất gặp hạt nhân 1H = 99,98%

cao gấp ~ 90 lần xác suất gặp hạt nhân 13C (chỉ 1,11%)

• Và xác suất để phát hiện hạt nhân 1H sẽ cao gấp

(64 x 90) = 5760 lần xác suất phát hiện hạt nhân 13C

Ta nói:

Hạt nhân 1 H dễ phát hiện hơn hạt nhân 13 C # 5760 lần

• TSCH 0 với hạt nhân X là vùng tần số phù hợp của xung RF (MHz), sao cho giải tần số này

- kích thích được hạt nhân X (  0 thay đổi theo X)

- và cộng hưởng được với B0 (  0 thay đổi theo B0)

• 0 cũng là vùng tần số tín hiệu phổ của hạt nhân X

• 0 thì tỉ lệ với ngoại từ trường B0 (Tesla) và X (MHz/Tesla)***

theo phương trình Larmor:

0 = X B0

Nghĩa là, khi dùng máy có B0 = 11,75 Tesla, thì các hạt nhân

- 1 H sẽ cộng hưởng với giải xung RF có tần số (500 ± ε) MHz

- 13 C sẽ cộng hưởng với giải xung RF có tần số (125 ± ε) MHz

Dù đo cùng 1 máy (cùng B0), các hạt nhân khác loại sẽ cho ra

các tín hiệu cộng hưởng ở những vùng (kênh) khác hẳn nhau.

1 H sẽ cho các tín hiệu thuộc vùng [500 ± ε] MHz

Lưu ý quan trọng về TSCH:

• TSCH của hạt nhân X là 1 giải tần số xung quanh “tần số chủ” F0 Khi kích thích hạt nhân X bằng 1 xung RF có tần số F0 cụ thể

trong một thời gian rất ngắn (t ~ 10–5 sec) sẽ tạo được một

“giải tần số kích thích” trải rộng từ (F0 – 1/t) đến (F0 + 1/t)

Bề rộng của giải tần số này là PW ~ 2/t = 2.105 Hz = 200 KHz

• Giải tần số 200 KHz quá đủ để kích thích mọi hạt nhân trong mẫu (hạt nhân 1H chỉ < 10 KHz, và hạt nhân 13C chỉ < 30 KHz…)

• Khi đo phổ 1H, xung RF (F0 = SFO1 = 500,1335 MHz)

được phát trong thời gian chớp nhoáng (t # 10 s)

sẽ tạo 1 giải tần số trong vùng (500.133.500 ± 100.000 Hz) Giải tần số này rộng 200.000 Hz thì quá đủ để kích thích

mọi hạt nhân 1H trong mẫu đo

(Phổ 1 H-NMR chỉ rộng ~ 20 ppm x 500 MHz = 10.000 Hz)

Ví dụ, với máy NMR có B0 = 11,75 Tesla (# máy 500 MHz):

Máy 11,75 Tesla: trên phổ 1H-NMR; 1 ppm # 500 Hz

Ví dụ, với máy NMR có B0 = 11,75 Tesla (# máy 500 MHz):

• Khi đo phổ 13C, xung RF (F0 = SFO1 = 125,7715 MHz)

được phát trong thời gian chớp nhoáng (t # 5 s)

sẽ tạo 1 giải tần số trong vùng (125.771.500 ± 200.000 Hz)

Giải tần số này rộng 400.000 Hz thì quá đủ để kích thích

mọi hạt nhân 13C trong mẫu đo

(Phổ 13 C-NMR chỉ rộng ~240 ppm x 125 MHz = 30.000 Hz)

Máy NMR 11,75 Tesla (thường gọi là máy 500 MHz)

Phổ 1 H-NMR có SWH # 20 ppm (10.000 Hz); 1 ppm = 500 Hz

Phổ 13 C-CPD có SWH # 240 ppm (30.000 Hz); 1 ppm = 125 Hz

SWH = Spectral Width (in Hertz)

B0 là từ trường đồng dạng, rất mạnh* và cực kỳ ổn định.

Khi B0 tăng thì sự chênh lệch dân số (ΔN = N – N)

giữa mức cơ bản (N) và mức kích thích (N) cũng tăng,

dẫn đến ΔE cũng tăng; kết quả là tín hiệu sẽ càng mạnh

Vậy, ΔN và ΔE đồng biến với B0

mà (ΔE) = (ɦγ/2 ).B0 = k’.B0 (nghĩa là ΔE tỉ lệ với B0)

 2(ΔN/N) ≈ (eΔE/kT – 1), nghĩa là ΔN và ΔE đồng biến

Từ hệ thức phân bố Boltzmann: (Nβ / N) = e–(DE/kT)

Từ 2000s, các máy NMR đã có B0 = 11,75 Tesla (máy 500 MHz)

được tạo bởi các hệ nam châm siêu dẫn (now: 1,2 GHz)

Từ trường này cực kỳ ổn định, 1 sự thay đổi ΔB dù rất nhỏ cũng sẽ gây nên 1 sự thay đổi rất lớn về tần số cộng hưởng Δ (Hertz)

0 = .B0 = k.B0  Δ/0 = ΔB/B0

Trên phổ 1H-NMR, đo ở 11,75 T (máy 500 MHz = 0,5 109 Hz),

nếu (ΔB/B0) ~ 10–9  (Δ/0) ~ 10–9)  (Δ = 0 10–9 ) ~ 0,5 Hz!

 (ΔB/B0) không được quá 1 phần tỉ (10–9) # mg / tấn !

Máy 1 GHz có B0 = 23,5 T ~ 470 K lần từ trường trái đất (5.10–5 T)

Để ngoại từ trường B 0 ổn định & đồng dạng; cần:

1 Dùng lệnh SPIN để quay ống mẫu (ν ~ 20-30 Hz).

2 Dùng lệnh LOCKING để “xén” từ trường B0 cho đều nhau

(B0 không thay đổi trong suốt thời gian đo mẫu).

3 Dùng lệnh SHIMMING để “nắn” từ trường B0 cho đồng dạng

(B0 ko thay đổi theo vị trí trên, dưới của mẫu / ống đo).

• Locking: Stabilization of B0 (time to time)

• Shimming: Homogenation of B0 (through the sample space)

Còn được gọi là từ trường cảm ứng (induced), ký hiệu là Bi.

• Nguồn gốc

Bi là từ trường do các è (trên các orbital bao quanh hạt nhân)chuyển động và tạo thành

• Tính chất cơ bản

- Bi << B0 và ngược chiều B0 (làm giảm rất ít tác động của B0)

- Bi thì tỉ lệ với B0 và tỷ lệ với mật độ è chắn quanh hạt nhân

- khi mật độ electron quanh hạt nhân càng lớn, ta nói rằng

hạt nhân có hệ số chắn σ càng lớn  từ trường Bi càng lớn

• Ngoại từ trường (B0, rất mạnh, hàng chục Tesla) do máy cung cấp.

• Nội từ trường (Bi rất yếu, kém B0 hàng tỉ lần; ngược chiều với B0)

Nội từ trường chắn bớt tác dụng của ngoại từ trường B0 lên hạt nhân

(nên còn được gọi là từ trường chắn)

Bi = σ.B0

• Hệ quả

Khi đặt trong ngoại từ trường B0 thì một hạt nhân (có σ > 0)

sẽ chỉ thực nhận một từ trường hiệu dụng Beff nhỏ hơn B0, với

Beff = (B0 – Bi) = (B0 – σ.B0) = B0 (1 – σ)

(chú ý: khi σ > 0 thì Beff < B0)

• Ý nghĩa

Khi σ thay đổi  Beff thay đổi và  tần số cộng hưởng 0 (Hz)

cũng thay đổi  cho các tín hiệu cộng hưởng ở vị trí khác nhau.

• Biểu thức cơ bản của nội từ trường

(với σ = hằng số chắn; thay đổi tùy từng hạt nhân ở từng vị trí)

ngoại từ trường B0

từ trường hiệu dụng Beff

từ trường cảm ứng Bi

Beff là từ trường quyết định tần số của tín hiệu cộng hưởng!

Beff = (B0 – Bi) = B0 (1 – σ)

Trong cùng từ trường B0, các hạt nhân cho dù cùng loại , nhưng nếu

(ở môi trường hóa học ≠)  (có các hằng số chắn σ khác nhau)

 (nhận một Beff khác nhau)  (tạo tín hiệu có tần số khác nhau).

CH CH2 CH3

O

ngoại từ trường (B 0 ) như nhau từ trường chắn (B i ) khác nhau

từ trường hiệu dụng (B eff ) khác nhau

tần số cộng hưởng ( 0) khác nhau

B eff1 > B eff2 > B eff3

( 1) > (  2 ) > (  3 )

( d1) > ( d2) > ( d3) độ dời hóa học ( dC, dH) khác nhau

O N C H

-O- C H3 >N- C H3 >C- C H3 H- C H3

Vị trí tương đối (dc, ppm) của các loại X-CH3 thông dụng

Vị trí tương đối (dc, ppm) của các loại Carbon thông dụng

Polyphenol

ester, lacton coumarin

vòng thơm, olefin

O-glycosid

–O–CH2–O–

Đừng máy móc nhớ thuộc lòng, nhưng cũng cần phải nhớ

một số giá trị dc căn bản Ví dụ: ceton có dc ~ 220 ppm

Giá trị dc này sẽ thay đổi tùy thuộc các hiệu ứng chắn

(làm thay đổi mật độ điện tử tại chỗ) do môi trường lân cận

Giá trị dc của C-4 (ceton) giảm dần từ trái qua phải

Nhóm ω-CH2OR của đường (ví dụ như βD-glucopyranose)

• nếu còn là 6-CH2OH: ~ 62 ppm (6-OH còn tự do)

• Nếu thành 6-CH2OR: ~ 68 ppm (do nối thêm ose khác )

• 6 C của βD-glucose cho 6 tín hiệu ≠ trên phổ 13C-CPD

• 12 H của βD-glucose cho 12 tín hiệu ≠ trên phổ 1H-NMR

Do khác nhau về vị trí (môi trường hóa học)  khác σ, nên:

Phổ 13C-CPD (DMSO-d6, 125 MHz) của trihydroxy chromon

Phổ 13 C-CPD (DMSO-d6, 125 MHz) của trihydroxy chromon

1

Phổ 13 C-CPD (DMSO-d6, 125 MHz) của trihydroxy chromon 1

ghi theo tần số (Hz)

Phổ 1 H-NMR (DMSO-d6, 500 MHz) của trihydroxy chromon 2

Phổ 1 H-NMR (DMSO-d6, 500 MHz) của trihydroxy chromon

ghi theo

d (ppm)

2

5-OH 7-OH 3-OH H-2 H-8 H-6

H-8 H-6

2

1 Năng lượng của xung RF (Watt)

2 Tần số của xung RF (MHz)

3 Thời lượng phát xung RF (P1, micro sec)

4 Cách phát xung [rời + liên tiếp] / [loạt xung]

5 Trình tự xung (chuỗi xung, pulse sequence)

6 Vai trò, ảnh hưởng của tần số xung RF

Năng lượng E kích thích hạt nhân AXZ được cung cấp bởi các

xung bức xạ điện từ vùng Radio Frequency (gọi là xung RF)

Mỗi loại hạt nhân AXZ (trong từ trường B0) chỉ có thể cộng hưởngđược với một số xung RF có năng lượng E, tức là có 1 giải tần số cộng hưởng (ν0  ) nhất định; tùy theo B0 và theo loại hạt nhân

Tần số cộng hưởng ν0 này (tần số Larmor) thỏa hệ thức Larmor:

ν0 = B0 × γX (MHz)

γC = 10,705 (MHz/T) và γH = 42,576 (MHz/T) # 4.γC

B0 = từ trường của máy (Tesla)

với:

Thường chỉ ghi nhận năng lượng của xung trung tâm SFO1.

(power level of the central pulse, PLW1; tính bằng Watt)

Ví dụ, khi đo trên máy Bruker Avance 500 (MHz) thì:

• Phổ 13 C có PLW1 ~ 88 Watt

• Phổ 1 H có PLW1 ~ 22 Watt





Các kỹ thuật viên đo phổ sẽ chú ý cài đặt thông số này

Quan sát 1 d dịch chứa rất nhiều phân tử X đang ở trong từ trường

B0 = 11,75 Tesla X gồm hàng chục C và vài chục H khác nhau

Phát cực nhanh 1 xung RF có tần số = SFO1 (MHz) vào hệ thống này.

• Nếu SFO1 # 500 MHz, chỉ có các hạt nhân 1 H trong hệ thống này

cộng hưởng được với xung RF; và mới có thể cho tín hiệu phổ NMR.

Nhờ 1 detector phù hợp, ta thu được phổ 1 H-NMR (ở 500 MHz) của X.

• Nếu SFO1 # 125 MHz, chỉ có các hạt nhân 13 C trong hệ thống này

cộng hưởng được với xung RF; và mới có thể cho tín hiệu phổ NMR.

Nhờ 1 detector phù hợp, ta thu được phổ 13 C-NMR (ở 125 MHz) của X.