Phân tích cấu trúc của các dẫn xuất n vinylpiperidinoazacrown ethers bằng các phương pháp phổ hiện đại

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐẶNG THỊ THỦY PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA CÁC DẪN XUẤT N-VINYLPIPERIDINOAZACROWN ETHERS BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ HIỆN ĐẠI LUÂ ̣N VĂN THẠC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐẶNG THỊ THỦY

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA CÁC DẪN XUẤT N-VINYLPIPERIDINOAZACROWN ETHERS BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ HIỆN ĐẠI

LUÂ ̣N VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN – 2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐẶNG THỊ THỦY

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA CÁC DẪN XUẤT N-VINYLPIPERIDINOAZACROWN ETHERS BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ HIỆN ĐẠI

Chuyên nga ̀nh: Hoá Phân tích

Ma ̃ số: 8440118

LUÂ ̣N VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG HỒNG HIẾU

THÁI NGUYÊN - 2018

Em xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo cùng các thầy giáo, cô giáo, cán bộ, kĩ thuật viên phòng thí nghiệm Hóa Hữu Cơ thuộc khoa Hóa Học trường Đại học khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình chỉ dạy và hướng dẫn em trong quá trình học tập, thực nghiệm và thực hiện đề tài

Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn tới gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn thiếu sót

Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cám ơn!

Tác giả luận văn

Đặng Thị Thủy

b

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN a DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT d DANH MỤC CÁC BẢNG e DANH MỤC CÁC HÌNH f DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ g

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về các phương pháp chính phân tích và xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ (các phương pháp phân tích hóa lí hiện đại) 3

1.1.1 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 2,3,4 3

1.1.2 Phương pháp nhiễu xạ đơn tinh thể (Single_crystal X-ray Diffraction) 9

1.1.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 13

1.1.4 Phương pháp sắc ký lỏng kết hợp khối phổ (LC-MS) 15

1.2 Sơ lược về azacrown ether và ứng dụng của chúng 21

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 23

2.1 Phương pháp nghiên cứu và trang thiết bị 23

2.1.1 Các phương pháp chuẩn bị mẫu chất phân tích 23

2.1.2 Dụng cụ và hóa chất 23

2.1.3 Định tính phản ứng và kiểm tra độ tinh khiết của dẫn xuất bằng sắc kí lớp mỏng 24

2.1.4 Các phương pháp phân tích cấu trúc 25

2.2 Chuẩn bị tiền chất azacrown ether (3) 25

2.3 Chuẩn bị mẫu chất nghiên cứu N-vinylpiperidinoazacrown ether (4) 26

2.4 Phân tích dữ liệu phổ hồng ngoại, phổ khối lượng, phổ cộng hưởng từ hạt nhân của các chất (3) và (4): 26

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Chuẩn bị dẫn xuất 1,5-bis(2-formylphenoxy)-3-oxapentane 29

c

3.2 Chuẩn bị hợp chất mẫu piperidonoazacrown-4 ether (3) và

N-vinylpiperidinoazacrown ether (4) 33 3.3 Phân tích và xác định cấu trúc hợp chất (3), (4) bằng các phương pháp hóa lý hiện đại 34 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

d

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

NMR Nuclear Magnetic Resonance (Phổ cộng hưởng từ hạt nhân)

1H-NMR 1H Nuclear Magnetic Resonance (Phổ cộng hưởng từ hạt

nhân proton)

13C-NMR 13C Nuclear Magnetic Resonance (Phổ cộng hưởng từ hạt

nhân 13C) 2D- NMR Two Dimensional Nuclear Magnetic Resonance (Phổ cộng

hưởng từ hạt nhân hai chiều) COSY Homonuclear Correlation Spectroscopy

HSQC Heteronuclear Single-Quantum Correlation Spectroscopy HMBC Heteronuclear Multiple-Bond Correlation Spectroscopy TMS Tetramethylsilane

IR Infrared Spectroscopy (Phổ hồng ngoại)

LC – MS Sắc ký lỏng kết nối khối phổ

MS Mass Spectrometry (Phổ khối lượng)

API Atmospheric Pressure Ionization (Phương pháp ion hóa tại

áp suất khí quyển) ESI Electrospray Ionization (Phương pháp ion hóa phun điện tử) APCI Atmospheric Pressure Chemical Ionization (phương pháp ion

hóa hóa học tại áp suất khí quyển) APPI Atmospheric Pressure Photoionization (phương pháp quang

hóa học tại áp suất khí quyển) WCOT Wall-coated capillary open tubular

SCOT Support-coated open tubular

SKLM Sắc kí lớp mỏng

DMAD Dimethyl acetylenedicarboxylate

DMF Dimethylformamide

f

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của ethanal 6

Hình 1.2 Tương tác spin - spin của dẫn xuất tetrahydropyran 7

Hình 1.3 Ví dụ về phổ HSQC 8

Hình 1.4 Ví dụ về phổ HMBC 9

Hình 1.5 Cặp tín hiệu Fiedel 10

Hình 1.6 Sơ đồ tóm tắt quá trình phân tích cấu trúc bằng phương pháp X-Ray 11

Hình 1.7 Cấu tạo phân tử được xây dựng trên cơ sở dữ liệu nhiễu xạ đơn tinh thể X-ray 13

Hình 1.8 Phổ hồng ngoại của axit bezoic ( C6H5COOH ) 14

Hình 1.9 Kỹ thuật ion hóa ESI 18

Hình 3.1 Phổ IR của hợp chất (1) với đặc trưng của nhóm carbonyl (C=O) 30 Hình 3.2 Cấu tạo nhóm polyether và phenyl của hợp chất (1) 31

Hình 3.3 Phổ 1H-NMR của hợp chất (1) 31

Hình 3.4 Phổ khối lượng EI-MS của hợp chất (1) 32

Hình 3.5 Phổ khối lượng ESI-MS của hợp chất (1) 33

Hình 3.6 Chuyển hóa cấu dạng của vòng piperidone 35

Hình 3.7 Phổ 1H-NMR của hợp chất (3) 36

Hình 3.8 Phổ 1H-NMR của hợp chất (4) 37

Hình 3.9 Cấu tạo phân tử của hợp chất (4) theo dữ liệu X-ray 39

g

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của phương pháp khối phổ 15

Sơ đồ 3.1 Phương pháp tổng hợp tiền chất (1) 29

Sơ đồ 3.2 Phương pháp điều chế chất mẫu (4) 34

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, các ngành khoa học cơ bản đã có mối quan hệ chặt chẽ và hỗ trợ lẫn nhau, hình thành nhiều hướng nghiên cứu đa ngành, liên ngành, ví dụ như trong ngành phân tích hóa học hiện đại không thể thiếu được vai trò của các phương pháp phân tích được phát triển trên ứng dụng của vật lý Các phương pháp phân tích hóa

lý đã ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hóa học: trong phân tích hóa môi trường, trong phân tích kiểm nghiệm độ tinh khiết của thuốc hóa dược, trong phân tích xác định cấu tạo và cấu trúc lập thể của các hoạt chất hữu cơ, vô cơ hay phức chất, Các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại có vị trí quan trọng chính là nhờ độ chính xác cao, khả năng xác định độ tinh khiết, xác định cấu tạo và các đặc trưng cấu trúc phân tử, dựa trên lượng tối thiểu mẫu chất, từ vài microgram (μg) Dữ liệu phân tích với độ chính xác cao, có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng, góp phần thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của ngành hóa học vật liệu mới; ngành tổng hợp hóa dược và phát triển thuốc; ngành phân tích độc chất môi trường; Các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại này có ứng dụng thực tiễn trong mọi ngành nghề sản xuất: hóa chất bảo vệ nông nghiệp, thuốc thú y, công nghiệp vật liệu mới, hóa chất tẩy rửa, vật liệu sơn phủ bề mặt, hóa nhuộm, hóa chất bảo vệ môi trường, vật liệu y sinh, Đặc biệt, trong lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp các hoạt chất mới, các phương pháp phân tích hiện đại dựa trên kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân hiện đại (1HNMR, 13CNMR, HMBC, HSQC, COSY - NOESY, .) đã trở thành công cụ không thể thiếu được trong việc phân tích xác định cấu tạo của hoạt chất và độ tinh khiết của sản phẩm Ngoài ra, với các kỹ thuật sắc ký (lỏng, khí) kết hợp khối phổ; kỹ thuật phân tích nhiễu xạ đơn tinh thể, cũng góp phần hoàn thiện dữ liệu phân tích các đặc điểm cấu trúc lập thể và độ tinh khiết của sản phẩm thu được 1-5

Chính vì vậy, việc nghiên cứu và phân tích rõ ràng đặc điểm cấu trúc của hợp

chất N-vinylpiperidinoazacrown ethers, nghiên cứu sự tương thích về cấu

trúc với các hợp chất azacrown ether đã biết có thể góp phần định hướng phát triển các hoạt chất hữu ích mới, ứng dụng trong hóa dược, hoặc nghiên cứu khả năng tạo phức với các ion kim loại, ứng dụng trong hóa học phức chất, …

Từ nghiên cứu tài liệu tổng quan ý nghĩa và tầm quan trọng của các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại, chúng tôi đã thực hiện nghiên cứu giới thiệu tổng quan lý thuyết và ứng dụng một số phương pháp phân tích hóa lý hiện đại (NMR, LCMS, IR, X-ray, ) phân tích cấu trúc và xác định độ tinh

khiết của một số hợp chất được tổng hợp với đề tài luận văn ‘‘phân tích cấu trúc của các dẫn xuất N-vinylpiperidinoazacrown ethers bằng các phương pháp phổ hiện đại”, trong đó chất mẫu N-vinylpiperidinoazacrown ether (4)

được điều chế bằng phương pháp alkyl hóa hợp chất azacrown ether

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về các phương pháp chính phân tích và xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ (các phương pháp phân tích hóa lí hiện đại)

1.1.1 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 2,3,4

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance – NMR) là một phương pháp phổ quan trọng đối với hóa học hữu cơ Phương pháp phổ NMR nghiên cứu cấu trúc phân tử bằng tương tác của bức xạ điện từ tần số radio với tập hợp hạt nhân được đặt trong từ trường mạnh Các hạt nhân này

là một phần của nguyên tử, và các nguyên tử lại tập hợp thành phân tử Do vậy phổ NMR có thể cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc phân tử mà khó có thể nhận được bằng bất kì phương pháp nào khác Phương pháp phổ biến được sử dụng là phổ 1H-NMR và 13C-NMR Hạt nhân của nguyên tử 1H và

13C có momen từ Nếu đặt proton trong từ trường không đổi thì moment từ của nó có thể định hướng cùng chiều hay ngược chiều với từ trường Đó là spin hạt nhân có tính chất lượng tử với các số lượng tử +1/2 và -1/2

Độ chuyển dịch hóa học : Do hiệu ứng chắn từ khác nhau nên các hạt

nhân 1H và 13C trong phân tử có tần số cộng hưởng khác nhau Đặc trưng cho các hạt nhân 1H và 13C trong phân tử có độ chuyển dịch hóa học δ; đối với hạt nhân 1H thì:

106(ppm)

o

x TMS







 = −

Trong đó: νTMS, νx là tần số cộng hưởng của chất chuẩn TMS và của

hạt nhân mẫu đo, νo là tần số cộng hưởng của máy phổ

Đối với các hạt nhân khác thì độ chuyển dịch hóa học được định nghĩa một các tổng quát như sau:

106(ppm)

o

x chuan







 = −

Dựa vào độ chuyển dịch hóa học  ta biết được loại proton nào có mặt trong chất được khảo sát Giá trị độ chuyển dịch hóa học không có thứ nguyên

mà được tính bằng phần triệu (ppm) Đối với 1H-NMR thì δ có giá trị từ 0-12 ppm, đối với 13C-NMR thì δ có giá trị từ 0-230 ppm

Bảng 1.1 Độ dịch chuyển hóa học của phổ CHTHN 1H của một số nhóm thế

6

Hình 1.1 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của ethanal 31

Trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân của ethanal ( hình 1.1) ta thấy đối với 13NMR thì δ có giá trị 31ppm là C (CH3), δ có giá trị 200 ppm là C (CHO)

C-Hằng số tương tác spin-spin J: Trên phổ NMR, mỗi nhóm hạt nhân

không tương đương sẽ thể hiện bởi một cụm tín hiệu gọi và vân phổ, mỗi vân phổ có thể bao gồm một hoặc nhiều hợp phần Nguyên nhân gây nên sự tách tín hiệu cộng hưởng thành nhiều hợp phần là do tương tác của các hạt nhân có

từ tính ở cạnh nhau Tương tác đó thể hiện qua các electron liên kết Giá trị J

phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân tương tác, số liên kết và bản chất các liên kết ngăn giữa các tương tác

Hằng số tương tác spin-spin J được xác định bằng khoảng cách giữa các

hợp phần của một vân phổ Dựa vào hằng số tương tác spin-spin J ta có thể rút ra

kết luận về vị trí trương đối của các hạt nhân có tương tác với nhau

7

Hình 1.2 Tương tác spin - spin của dẫn xuất tetrahydropyran

Sơ lược về một số kỹ thuật phổ cộng hưởng từ hạt nhân hai chiều (2D- NMR)

- COSY - Correlated Spectroscopy - Kỹ thuật này cho biết tương tác

của các proton trên hai nguyên tử C cạnh nhau Trên phổ sẽ thể hiện khi có hai nhóm proton tương tác với nhau thì chúng sẽ tạo thành hình vuông với hai đỉnh nằm trên đường chéo và hai đình còn lại nằm đối xứng qua đường chéo

- HSQC - Heteronuclear Single Quantum Correlation - Kỹ thuật này

cho biết tương tác của các proton với hạt nhân nguyên tử C Các tín hiệu thể hiện trên phổ HSQC cho biết tương tác giữa proton và nguyên tử C mà nó gắn trực tiếp, hai hạt nhân cách nhau qua 1 liên kết Hiểu một cách đơn giản trên phổ HSQC - là từ tín hiệu của nguyên tử H ở trục hoành và từ tín hiệu của nguyên tử C ở trục tung, lần lượt kẻ các đường song song với trục tung và trục hoành, nếu các đường này giao nhau thì điều đó có nghĩa là các proton và

C nói trên có liên kết, nguyên tử H được gắn trực tiếp với nguyên tử C đó

8

Hình 1.3 Ví dụ về phổ HSQC 9

- HMBC - Heteronuclear Multiple Bond Coherence - Kỹ thuật này cho

biết tương tác của các proton với nguyên tử C cách đó 2 hoặc 3 liên kết, đặc biệt trên phổ không thể hiện các tương tác ngang qua 1 nối hóa trị

9

Hình 1.4 Ví dụ về phổ HMBC 9

1.1.2 Phương pháp nhiễu xạ đơn tinh thể (Single_crystal X-ray Diffraction)

11,14,24,27,28

a Giới thiệu chung

Phương pháp X-ray phân tử là phương pháp hiện đại nhất để xác định cấu trúc phân tử của một hợp chất hữu cơ Từ phương trình Bragg, người ta tính toán độ dài của các cạnh tế bào cơ sở (a,b,c), chỉ số Miler (h,k,l), góc giữa các trục tinh thể (,,), thể tích tế bào cơ sở (V) và số lượng phân tử (n) xây dựng nên tế bào cơ sở

Phương trình Bragg: 2d.sin()=n (d: bản chất thông số mang; : góc quét; : bước sóng tia X; n là số nguyên, thường n = 1)

10

Thể tích tế bào cơ sở: V = abc(1-cos2α-cos2β-cos2γ+2cosαcosβcosγ)1/2

Số lượng phân tử trong tế bào cơ sở n = V.d.6,023.1023 (d: tỷ tro ̣ng g/cm3)

Mặt khác, khi chiếu bức xa ̣ tia X vào phân tử, ở mỗi trung tâm liên kết

sẽ phát ra một cặp tín hiệu Friedel phản xa ̣ theo hai hướng (h,k,l) và hướng ngươ ̣c la ̣i (-h,-k,-l) Cường độ của tín hiệu Friedel (Fhkl, F-h,-k-l) được tính toán nhờ cường độ của tín hiệu nhiễu xa ̣ (Ihkl) (|Fhkl| = (Ihkl)1/2) Mật độ electron tại một điểm trong tế bào cơ bản sẽ được tính toán bằng công thức:

ρ(x,y,z) = [ ΣhklFhklexp{-2p(hx + ky + lz)}]/V

Hình 1.5 Cặp tín hiệu Fiedel 32

Bằ ng cách đo cường độ của tất cả các tín hiệu nhiễu xa ̣ Ihkltheo mặt h,k,l khi đã biết được các thông số cơ bản của tế bào cơ sở theo phương trình Bragg ở trên, người ta sẽ tính toán được mật độ electron ta ̣i mo ̣i điểm trong không gian củ a tế bào cơ sở, từ đó có thể xây dựng được bản đồ mật độ điện tích của phân tử Từ dữ liệu bản đồ mật độ electron, chương trình máy tính sẽ dựng được cấu trúc không gian ba chiều của phân tử Quá trình xác đi ̣nh cấu trúc của

hợp chất hữu cơ bằng phương pháp X-ray phân tử có thể được tóm tắt như sau:

11

Hình 1.6 Sơ đồ tóm tắt quá trình phân tích cấu trúc bằng phương pháp

X-ray 33

b Xác đi ̣nh cấu hình tuyệt đối

Phương pháp X-ray tinh thể có khả năng xác đi ̣nh chính xác cấu hình tuyệt đố i củ a một phân tử, nếu trong phân tử có nguyên tử có tán xa ̣ tia X bất thường Để xác đi ̣nh cấu hình tuyệt đố i của phân tử bằng phương pháp X-ray tinh thể người ta sử du ̣ng phương pháp của Bijvoet và phương pháp

so sánh chỉ số R

Phương pháp Bijvoet: Do mỗi trung tâm bất đối khi được chiếu bức xa ̣ tia X sẽ phát ra một cặp tín hiệu bất thường Friedel, lợi du ̣ng nguyên tắc này Bijvoet đã so sánh tín hiệu tán xa ̣ của một nguyên tử đánh dấu với tín hiệu của cặp bứ c xa ̣ Friedel ở trung tâm bất đố i phản xa ̣ theo hướng (h,k,l) và hướng ngươ ̣c la ̣i (-h,-k,-l), để xác đi ̣nh cấu hình tuyệt đối

Phương pháp so sánh chỉ số R: Chỉ số R được xây dựng trên cơ sở hàm thố ng kê Hamilton từ toàn bộ dữ liệu của các cặp đồng phân đố i quang và được so sánh với các tính toán Bijvoet để xác đi ̣nh kiểu đồng phân đối quang Nếu giá trị của chỉ số R có sự sai khác, dù rất nhỏ (±0,1%) thì phải đánh giá

lại các giá tri ̣ này bằng phương pháp thống kê

Như vậy, cả hai phương pháp này chỉ dựa vào tia phản xạ đặc biệt có cường độ cao do ảnh hưởng của cấu trúc ở những trung tâm bất đối của phân

12

tử mà chưa so sánh được những tia tán xạ yếu Những yếu tố tán xạ chủ yếu

chỉ được sử dụng khi dữ liệu X-ray có số lượng lớn Phương pháp X-ray tinh

thể có thể sử dụng hữu hiệu nhất đối với các hợp chất không chứa nguyên tử

nặng hơn oxi

Với những chất quang hoạt không tồn tại ở dạng đơn tinh thể, người ta

có thể xác định cấu hình tuyệt đối của chúng bằng cách cho chúng phản ứng với một chất khác có chứa một hay nhiều trung tâm bất đối đã biết cấu hình tuyệt đối Các hợp chất có cấu hình tuyệt đối đã biết được chọn để nghiên cứu trong phương pháp này là những chất có khả năng dễ kết tinh để nhận được dạng đơn tinh thể Việc xác định cấu hình tuyệt đối của các hợp chất quang hoạt bằng phân tích X-ray được thực hiện dựa vào phần cấu hình tuyệt đối của chất gắn kết với chất nghiên cứu Ngoài ra, việc đưa nhóm nguyên tử nặng như halogen (Cl, Br, I) vào phân tử hợp chất quang hoạt cũng cho phép xác định cấu hình tuyệt đối của chất đó nhờ phương pháp Bijvoet ở trên

Ví dụ hidroxy lacton chưa biết cấu hình tuyệt đối được chuyển thành

este với axit Mosher để tạo thành đồng phân dia Trong trường hợp chất tạo

thành thu được dưới dạng đơn tinh thể, cấu hình tuyệt đối của hydroxy lacton được xác định thông qua cấu hình tuyệt đối đã biết của phần tác nhân Mosher thông qua phân tích phổ X-ray

13

Hình 1.7 Cấu tạo phân tử được xây dựng trên cơ sở dữ liệu nhiễu xạ đơn tinh

thể X-ray 9,21

1.1.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 2-4

Trong số các phương pháp phân tích cấu trúc, phổ hồng ngoại cho nhiều thông tin quan trọng về cấu trúc của hợp chất

Bức xạ hồng ngoại bao gồm một phần của phổ điện từ, đó là vùng bước sóng khoảng 10-4 đến 10-6 m Nó nằm giữa vi sóng và ánh sáng khả kiến Phần của vùng hồng ngoại được sử dụng nhiều nhất để xác định cấu trúc nằm trong giữa 2,5x10-4 m và 16x10-6 m Đại lượng được sử dụng nhiều trong phổ hồng ngoại là số sóng (cm-1), ưu điểm của việc dùng số sóng là chúng tỷ lệ

thuận với năng lượng

Khi chiếu các bức xạ hồng ngoại vào phân tử các hợp chất, bức xạ hồng ngoại sẽ kích thích phân tử từ trạng thái dao động cơ bản lên trạng thái dao động cao hơn Có 2 loại dao động khi phân tử bị kích thích là dao động hóa trị

và dao động biến dạng, dao động hóa trị (ν) là dao động làm thay đổi độ dài liên kết, dao động biến dạng (δ) là dao động làm thay đổi góc liên kết

14

Đường cong biểu diễn cường độ hấp thụ với số sóng của bức xạ hồng ngoại được gọi là phổ hồng ngoại, trên phổ biểu diễn các cực đại hấp thụ ứng với những dao động đặc trưng của nhóm nguyên tử hay liên kết nhất định (Hình 1.8)

Hình 1.8 Phổ hồng ngoại của axit benzoic (C 6 H 5 COOH) 4

Căn cứ vào phổ hồng ngoại đo được đối chiếu với các dao động đặc trưng của các liên kết, ta có thể nhận ra sự có mặt của các liên kết trong phân

tử Một phân tử có thể có nhiều dao động khác nhau và phổ hồng ngoại của các phân tử khác nhau thì khác nhau, tương tự như sự khác nhau của các vân ngón tay Sự chồng khít lên nhau của phổ hồng ngoại thường được làm dẫn chứng cho hai hợp chất giống nhau

Khi sử dụng phổ hồng ngoại để xác định cấu trúc, thông tin thu được chủ yếu là xác định các nhóm chức hữu cơ và những liên kết đặc trưng Các pic nằm trong vùng từ 4000 – 1600 cm-1 thường được quan tâm đặc biệt, vì vùng này chứa các dải hấp thụ của các nhóm chức, như OH, NH, C=O, C≡N… nên được gọi là vùng nhóm chức Vùng phổ từ 1300 – 626 cm-1 phức tạp hơn và thường được dùng để nhận dạng toàn phân tử hơn là để xác định nhóm chức Chính ở đây các dạng pic thay đổi nhiều nhất từ hợp chất này đến hợp chất khác, vì thế vùng phổ từ 1500 cm-1 được gọi là vùng vân ngón tay

15

Trong phổ hồng ngoại của axit benzoic ( hình 1.8) ta thấy các pic nằm trong vùng 3400 – 2300 cm-1 là OH ( đime) , 3540 cm-1 là OH monome , 1744cm-1 là CO ( monome ), 1695cm-1 là CO ( đime )

1.1.4 Phương pháp sắc ký lỏng kết hợp khối phổ (LC-MS) 2-4

Phương pháp khối phổ (Mass Spectrometry-MS) là phương pháp nghiên cứu cấu tạo các chất bằng cách phân tích dữ liệu và xác định chính xác khối lượng phân tử của chất đó dựa trên sự phân mảnh, tốc độ chuyển động, thời gian bay của các ion nguyên tử hay ion phân tử hay ion phân mảnh trong một điện trường hoặc từ trường nhất định Tỉ số giữa khối lượng và điện tích ion phân

mảnh/nguyên tử/phân tử (m/z) có ảnh hưởng rất lớn đối với chuyển động này của

ion Nếu biết được điện tích của ion thì ta dễ dàng xác định được khối lượng của ion đó

Sơ đồ 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của phương pháp khối phổ

Như vậy, trong nghiên cứu khối phổ của bất kỳ chất nào, trước tiên chất

đó phải được chuyển sang trạng thái bay hơi, sau đó được ion hoá bằng các phương pháp thích hợp Các ion tạo thành được đưa vào nghiên cứu trong bộ phân tích khối lượng của máy khối phổ Tùy theo loại điện tích của ion nghiên cứu mà người ta chọn kiểu quét ion dương (+) hoặc âm (-) Kiểu quét ion dương thường cho nhiều thông tin hơn về ion nghiên cứu nên được dùng phổ biến hơn Tuy nhiên, sự phát triển của kỹ thuật hiện nay cũng đã cho phép tích hợp hai kiểu quét này thành một nhằm tạo điều kiện thuận lợi nhất

từ cột sắc ký cũng như khi phải tiến hành phân tích đồng thời hỗn hợp tất cả chúng

Chính vì vậy thiết bị LC-MS là một hệ thống tích hợp khả năng phân tách chất xuất sắc của sắc ký lỏng (LC) và khả năng định lượng xuất sắc của phương pháp khối phổ (MS)

Tuy nhiên, trong rất nhiều năm, các nhà nghiên cứu kỹ thuâ ̣t sắc ký

lỏng ghép khối phổ phải đối mă ̣t với rất nhiều khó khăn trong viê ̣c tìm cách giải quyết đươ ̣c sự tương thích giữa hê ̣ thống sắc ký lỏng và đầu dò khối phổ Nguyên nhân là do quá trình phân tích với đầu dò MS đòi hỏi mức đô ̣ chân không cao, nhiệt đô ̣ cao, các chất khảo sát phải ở tra ̣ng thái khí, vâ ̣n tốc dòng chảy nhỏ; trong khi hê ̣ thống LC la ̣i hoa ̣t đô ̣ng ở áp suất cao với mô ̣t lượng dung môi tương đố i lớn, nhiê ̣t đô ̣ tương đối thấp, các chất phân tích ở thể

lỏng

Để khắc phu ̣c những khó khăn trên, đã phát triển rất nhiều kỹ thuật xử

lý trong đó phải kể đến, kỹ thuâ ̣t ion hóa ta ̣i áp suất khí quyển (Atmospheric

Pressure Ionization - API) Ưu điểm nổi bật của API là khả năng hình thành

ion tại áp suất khí quyển ngay trong buồng ion hóa Điều này khác biệt với

17

các kiểu ion hóa sử dụng trước đó cho LC/MS như bắn phá nguyên tử được

gia tốc với dòng liên tục (continuous flow- fast atom bombardment CF-FAB) hay như tia nhiệt (thermospray - TS) đều đòi hỏi áp suất thấp Một thuận lợi nữa của API là sự ion hóa mềm (soft ionization), không phá vỡ cấu trúc của

hợp chất cần phân tích nhờ đó thu được khối phổ của ion phân tử Ngoài ra, với kỹ thuật này, người ta có thể điều khiển được quá trình phá vỡ ion phân tử

để tạo ra những ion con tùy theo yêu cầu phân tích

Có ba kiểu hình thành ion ứng dụng cho nguồn API trong LC/MS:

Ion hoá phun mù điện tử (Electrospray Ionization - ESI) là một kỹ thuật

ion hóa được ứng dụng cho những hợp chất không bền nhiệt, phân cực, có khối lượng phân tử lớn ESI có khả năng tạo thành những ion đa điện tích (dương hoặc âm, tùy thuô ̣c vào áp cực điê ̣n thế), được xem là kỹ thuâ ̣t ion hóa êm di ̣u hơn APCI, thích hợp cho phân tích các hợp chất sinh học như protein, peptide, nucleotide… hoặc các polyme công nghiệp như polyethylen glycol Được bắt nguồn từ hê ̣ thống sắc ký lỏng, ta ̣i đầu ống dẫn mao quản, dưới ảnh hưởng của điê ̣n thế cao và sự hỗ trợ của khí mang, mẫu được phun thành những hạt sương nhỏ mang tích điện tại bề mặt Khí ở xung quanh các gio ̣t này ta ̣o nhiê ̣t năng làm bay hơi dung môi ra khỏi gio ̣t sương, khi đó, mật độ điện tích tại bề mặt hạt sương gia tăng Mật độ điện tích này tăng đến một điểm giới hạn (giới hạn

ổn định Rayleigh) để từ đó hạt sương phân chia thành những hạt nhỏ hơn vì lực đẩy lúc này lớn hơn sức căng bề mặt Quá trình này được lặp lại nhiều lần để hình thành những hạt rất nhỏ Từ những hạt rất nhỏ mang điện tích cao này, các ion phân tích được chuyển thành thể khí bởi lực đẩy tĩnh điện rồi sau đó đi vào

bộ phân tích khối Trong kỹ thuâ ̣t ESI, phân tử nhất thiết phải được biến thành chất điện ly, tan trong dung di ̣ch dùng để phun sương Điều này phu ̣ thuô ̣c vào: dung môi sử du ̣ng, pKa của chất điê ̣n ly và pH của dung di ̣ch Các dung môi phù hợp để phun sương là: methanol, acetonitrile, ethanol…

18

Hình 1.9 Kỹ thuật ion hóa ESI

So sánh giữa hai phương pháp phổ khối lượng ESI và EI: Về cơ bản, đây là hai phương pháp ion hóa phân tử được sử dụng phổ biến trong phương pháp phân tích phổ khối lượng Phương pháp ESI – nghĩa là phương pháp ion hóa phân tử bằng cách phun mù điện tử (electron) kết hợp/tương tác với các phân tử chất cần phân tích Năng lượng của điện tử được cho là không cao, vì vậy phân tử tương đối bền và trong phổ khối lượng thu được thường nhận thấy tín hiệu của pic ion phân tử hoặc các ion giả phân tử như [M+H]+, [M+Na]+, … Phương pháp EI – là phương pháp ion hóa phân tử dựa trên sự bắn phá phân tử chất cần phân tích bằng dòng electron/điện tử có năng lượng cao (thường là 70eV) chính vì vậy, phân tử thường bị phân mảnh – thành các mảnh ion phân tử có khối lượng nhỏ hơn, căn cứ trên các mảnh ion phân mảnh có thể ghép lại thành phân tử cần phân tích Trong một số trường hợp phân tử có độ bền cao, chúng ta có thể thu được mảnh ion phân tử [M]+ hoặc ion giả phân tử [M+H]+

* Ion hóa hóa học tại áp suất khí quyển (Atmospheric Pressure

Chemical Ionization - APCI) là kỹ thuâ ̣t ion hóa thường được sử dụng để phân tích những hợp chất có độ phân cực trung bình, có phân tử lượng nhỏ,

dễ bay hơi Trong APCI, ion đươc hình thành như sau: mẫu hợp chất cần phân tích, hòa tan trong pha động, sau khi ra khỏi cô ̣t sắc ký, được cho đi ngang qua ố ng mao quản đố t nóng Khi ra khỏi ố ng, nhờ khí N2, dung di ̣ch đươ ̣c

19

phun thành dạng sương từ đầu ra của nguồn APCI Các gio ̣t sương nhỏ được

một dòng khí dẫn đến mô ̣t ố ng tha ̣ch anh đun nóng, go ̣i là buồ ng dung môi hóa khí Hợp chất đi theo luồng khí nóng ra khỏi ống để đến mô ̣t vùng có áp suất khí quyển, nơi đây sẽ xảy ra sự ion hóa hóa ho ̣c nhờ vào que phóng điê ̣n corona, tại đây có sự trao đổi proton để biến thành ion dương (M+H)+ và trao đổi electron hoă ̣c proton để biến thành ion âm (M-H)- Sau đó, các ion sẽ đươ ̣c đưa vào bô ̣ phân tích khối

* Ion hóa bằng photon tại áp suất khí quyển (Atmospheric Pressure Photoionization - APPI) Thông thườ ng, hơ ̣p chất phân tích thường ion hóa bằng nguồ n ESI hoặc APCI, tuy nhiên, có mô ̣t số chất không đươ ̣c ion hóa tốt bằng hai kỹ thuâ ̣t này, ví du ̣ như polyaromatic hydrocarbons (PAHs), người ta

sẽ sử du ̣ng nguồn APPI Kết hơ ̣p ưu điểm của giữa dòng khí phun thẳng góc

vớ i dòng ion, đèn krypton trong nguồn sẽ phát ra các photon có năng lươ ̣ng cao đủ để ion hóa nhiều hợp chất hóa ho ̣c khác nhau

Ngoài ba nguồ n ion hóa trên, còn có nguồ n ion hóa đa phương thứ c (MMI, Multimode ionization) có thể vận hành, thao tác ở hai chế đô ̣ ion hóa ESI và APCI

Trong các kỹ thuật trên, kỹ thuật APCI và ESI, đặc biệt là ESI được sử dụng nhiều hơn cả

Hiện nay, có các kiểu đầu dò khối phổ chính như sau

- Đầu dò khối phổ bẫy ion (Ion Trap - IT)

- Đầu dò khố i phổ cộng hưởng cyclotron sử du ̣ng phép biến đổi Fourier (Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry, FTICR hay FT-MS)

- Đầu dò khối phổ thời gian bay (Time of Flight - TOF)

- Đầu dò khối phổ tứ cực (Quadrupole)

Chúng rất khác nhau về thiết kế và thao tác, vớ i những ưu và nhươ ̣c điểm riêng

20

Đối với loại bẫy ion, các ion trước hết được bắt hoặc “bẫy” trong một khoảng thời gian nhất định rồi được phân tích bằng MS hoặc MS/MS Loại máy này được sử dụng khá rộng rãi (xét theo những công bố khoa học) Tuy nhiên, chúng có độ chính xác không cao do chỉ có một số lượng khá hạn chế các ion có thể tích lũy vào tâm điểm trước khi được tích điện trong không gian, do vậy có thể phản ánh sai lệch sự phân bố và phép đo Người ta cũng

đã tiến hành cải tiến kỹ thuật trên bằng sự phát triển các bẫy ion “tuyến tính” hoặc “hai chiều” khi những ion được tập hợp trong một thể tích hình ống lớn hơn bẫy ion ba chiều truyền thống, cho phép làm tăng độ nhạy, độ phân giải

và độ chính xác

Đầu dò FT-MS bản chất cũng là một loại khối phổ bẫy ion, cho phép bắt những ion dưới độ chân không sâu trong một từ trường cao Do được cải tiến và kết hợp cả hai loại máy nên FT-MS có độ nhạy, độ chính xác và phân giải cao Tuy nhiên, do vận hành phức tạp và giá thành quá cao nên chúng ít được sử dụng trong phân tích dư lượng

Đối với đầu dò khối phổ thời gian bay, tất cả các ion đơn điê ̣n tích nào chịu mô ̣t sai biê ̣t về thế năng V sẽ đa ̣t mô ̣t năng lượng chuyển hóa eV (electron volt) như nhau Vì vâ ̣y, những ion có khối lượng lớn hơn sẽ có vâ ̣n tốc nhỏ hơn nên mất nhiều thờ i gian hơn để bay qua cùng mô ̣t quãng đường dài trong mô ̣t ống không có từ trường (field-free flight tube) Các ion, sau khi được tăng tốc, bay ngang qua vù ng không trường, nơi đây chúng sẽ được tách riêng nhau ra

tù y theo giá tri ̣ m/z của chúng, và được tâ ̣p trung ta ̣i bô ̣ phâ ̣n thu nhâ ̣n tín hiê ̣u

Do thờ i gian đến đích của các ion chỉ cách nhau rất ngắn, 10-7 giây, nên máy cần có hê ̣ thống điê ̣n tử cực nha ̣y để có thể phân biê ̣t được các ion

Đầu dò tứ cực (mô ̣t hoă ̣c ba tứ cực) có đô ̣ nha ̣y cao trong phân tích

đi ̣nh lươ ̣ng mô ̣t chất đã biết, ta ̣o được nhiều phân mảnh trong chế đô ̣ MS/MS,

có thể làm đươ ̣c kiểu đo mất phân tử trung hòa (neutral loss), thích hợp cho

các kỹ thuâ ̣t với nhau

1.2 Sơ lược về azacrown ether và ứng dụng của chúng 6-10,21-23,25,30

Các crown ether là hợp chất tổng hợp đầu tiên có đóng góp mở rộng lĩnh vực nghiên cứu của Hoá học Phức chất và hóa học đại phân tử Do khả năng đặc biệt dễ tạo phức của chúng đối với các ion kim loại kiềm (Li, Na, K,

Rb, Cs, Fr) và kim loại kiềm thổ (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) mà chúng có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tổng hợp hữu cơ, hóa phân tích và hoá lý Mặc dù crown ether đã có sự phát triển mạnh mẽ và phong phú về các thành phần cấu trúc , tuy nhiên các dẫn xuất crown ether đơn giản vẫn thu hút được sự quan tâm đặc biệt, một phần là do tính tan tốt của chúng trong các dung môi khác nhau; mặt khác, quan trọng hơn là khả năng dễ dàng tạo phức với các ion kim loại khác nhau Theo phương pháp Williamson biến đổi, việc hình thành các vòng crown ether lớn có thể xuất phát từ các polyether “mạch thẳng, không vòng” nhờ sử dụng hiệu ứng “template-directed” với các ion kim loại để đóng góp phần tổng hợp các hệ ether mới phổ biến và hiệu suất cao

Có nhiều báo cáo đã công bố, cho thấy trong trường hợp ngưng tụ giữa các dẫn xuất thơm chứa hai nhóm hydroxy và các polyethylene glycol - có thể tạo ra được các vòng crown ether với kích thước khác nhau trên cơ sở hiệu ứng template

Một số dị vòng chứa pyridine (như dimethyl-2,6-pyridine dicarbocylate) và nhóm polyamide đã thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong hơn một thập kỷ qua Trong thực tế, sự có mặt của nhân pyridine ảnh hưởng