Bài giảng Khảo sát cấu trúc các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp phổ NMR

1. Trình bày được các nguyên lý cơ bản về phổ NMR.
2. Khai thác được các thông tin cấu trúc từ các dữ liệu
phổ học, chủ yếu là từ các kỹ thuật phổ NMR.
3. Trình bày được các dữ liệu NMR trong một văn bản
khoa học để xác nhận cấu trúc của chất nghiên cứu.
4. So sánh được cấu trúc của 1 hợp chất với các cấu trúc
đã được công bố trong các TLTK.
5. Xác định được cấu trúc vài hợp chất đơn giản nhờ các
kỹ thuật phổ NMR khác nhau.
2

• Nhiều thơng tin, chính xác, tin cậy, phân biệt được.
• Bắt buộc phải có khi cơng bố về cấu trúc hóa học.
• Là một nội dung chính khi viết & đọc TLTK.
• Có thể tiếp cận được.
• Sẽ phát triển mạnh ở nước ta.

3

4


HO

O

7

4

2

HO

H

O

7

2'

4

3
4'

O

H

HO
4'

3

5

OH

Daidzein (4’-OH)

O

OH

4'

3'

O

7

OH

5'

Formononetin (4’-OMe)

OH

4'

2'
3

O

OMe

5'

2

HO

Rhamnosyl

O

7

OH

afzelin (4’-OH)

OH
3

5

O

3'

O

Rhamnosyl

O

quercitrin (3’,4’-di-OH)

5

afzelin (4’-OH)

6

quercitrin (3’,4’-di-OH)

RF
125 MHz

kênh

OH

4'

HO

3'

O

7

3

5

OH

O

O

Rhamnosyl

OH

4'

HO

OH

O

13C-CPD

OH
3

5

O

13C

13C-NMR

3'

O

7

RF
500 MHz

Rhamnosyl

7

INADEQUATE
………

kênh

13C

& 1H

DEPT*
HMBC
HMQC
HSQC

kênh 1H

1H-NMR

COSY*
NOESY
ROESY

8


Phổ

13C-NMR

(DMSO-d6, 125 MHz) của afzelin vs quercitrin

Phổ

3'

3'

B

4'

afzelin = kaempferol-3-O-αL-rha

OH

2'

DMSO

Me –eO

7

♦

♣

♠

♥
B

♥

♦

♣

♠

OH
4'

10

O
4

2

3

7

8

5

6

9

10

O
4

3

afzelin = kaempferol-3-O-α-L-rha

OH

(DMSO-d6, 125 MHz) của rhamnocitrin vs dihydro-rct

13C-NMR

MeO

7

8

5

9

10

O
4

2

3

1'

OH

3'

OH

quercitrin = quercetin-3-O-α-L-rha

MeO

7
6

9

O

2
1'

5

OH

rhamnocitrin (M = 300)

5'
6'

2'
8

OH

4'

O

OH
4'

kaempferol (M = 286)

5'
6'

3'

OH

OH

4'

O

OH

B

1'

2'

6

3'

OH

2

3'
4'

rhamnocitrin (M = 300)

5'

O

OH

Phổ

OH

4'

6'

3'

DMSO

B

1'

2'

quercitrin = quercetin-3-O-αL-rha

Phổ 1H-NMR (DMSO-d6, 500 MHz) của afzelin vs quercitrin

9

OH

H–O
OH

8

5

6

3'

(DMSO-d6, 125 MHz) của rhamnocitrin vs kaempferol

13C-NMR

10

4

O

3

OH

4'

5'
6'

OH

dihydro
rhamnocitrin (M = 302)


Phổ HSQC của phần βD-glucopyranosyl trong…

Cùng là glucose, nhưng “bộ” tín hiệu phần glucosyl của:
một C-glycosid

một O-glycosid

• aglycon là eu-flavonoid thì khác với iso-flavonoid.

C ppm
-CH2OH

• O -glucosyl

-CH2OH

thì khác với C -glucosyl.

• 8-C -glc (vitexin) thì khác với 6-C -glc (isovitexin).

60

70
5 x -CH-O

4 x -CH-O

Bộ tín hiệu (của phần glucosyl…) sẽ khác nhau tùy theo:

80

- kiểu khung aglycon,
90

- loại glycosid,
- vị trí gắn đường…

100

Đây chính là 1 điểm thú vị của phổ NMR!

-O-CH-O-

110

14

• Phổ NMR có rất nhiều (hàng trăm) kỹ thuật (phức tạp hơn
hẳn UV, IR, MS), mỗi kỹ thuật cung cấp một loại thơng tin.
• Phổ NMR cung cấp rất nhiều thông tin về cấu trúc
(chi tiết & cụ thể hơn hẳn UV, IR, MS).
• Ứng dụng trong y khoa, sinh học: NMR >> (UV, IR)
• Máy đo phổ NMR đắt gấp hàng trăm lần máy UV, IR.

15


1. Dùng một bức xạ điện từ (có năng lượng E) tác động vào
một hệ thống vật chất đang ở mức E0, năng lượng thấp.
2. Dưới tác động của BXĐT này, hệ thống từ mức E0 (E thấp)
sẽ chuyển lên mức kích thích E* (E cao, kém bền).
3. Hệ thống ở mức E* có khuynh hướng trở về lại mức E0.
4. Khi về lại mức E0, hệ thống sẽ giải phóng (trả lại) năng lượng
∆E dưới dạng bức xạ có tần số ν thỏa: ∆E = (E*– E0) = hν.
5. Bức xạ có tần số ν này được phát hiện, khuếch đại, ghi lại →
Tín hiệu trên phổ hấp thụ f(ν).
(hằng số Planck h = 6,63 . 10−34 J.s)

E lớn

tia γ

E giảm dần

tia X

IR

EUV

EIR

108

106

điện tử
(p, π…)

nhóm chức
(-OH, C=O…)

E rất thấp

MW

sóng radio (RF)

ENMR
không thể

1

X

UV

18

cộng hưởng

hạt nhân
(1H, 13C...)

vis

Lưu ý: Năng lượng của vùng này không thể
400 nm

500

600

700

750 nm

19

cộng hưởng với dao động thuộc vùng khác.

20


Là 1 phương pháp quang phổ hấp thụ
• áp dụng trên các hạt nhân AXZ có từ tính (I ≠ 0)
• các hạt nhân này được:
- ổn định (ở mức cơ bản) bằng 1 từ trường B0 rất mạnh.
- kích thích bằng các xung RF cộng hưởng được với B0
• Khi ngắt xung kích thích RF, các hạt nhân trở lại mức cơ bản,
trả lại năng lượng kích thích ∆E = hν.
• Ghi nhận tín hiệu của ∆E = hν (nhờ các thiết bị phù hợp với
tần số ν, tùy loại hạt nhân): đây chính là tín hiệu phổ NMR.
21

22

A

Phải hội đủ đồng thời 4 điều kiện phù hợp
• Một nguyên tử X gồm có
- phần vỏ = các orbital chứa electron (è) xoay bên ngoài,
A. Hạt nhân AXZ phù hợp (có từ tính).

- phần lõi = hạt nhân, ở bên trong.
• Phần hạt nhân chứa các proton (p) và các neutron (n).

B. Ngoại từ trường B0 phù hợp (mạnh, ổn định, đồng nhất).

• Tổng số (p + n) là số khối của hạt nhân.
• Một ngun tử X có thể có vài đồng vị.

C. Xung RF phù hợp (với

AX ,
Z

với B0).

(isotope = cùng vị trí trên bảng phân hạng tuần hồn).
• Các đồng vị này khác nhau về số neutron trong nhân (n).

D. Kênh (channel) phát hiện phù hợp với

AX .
Z

• Trong tự nhiên, các đồng vị này chiếm tỉ lệ % khác nhau.
23

24


Ab% nói lên xác suất gặp hạt nhân này trong điều kiện tự nhiên.
1 electron

1 electron

Giá trị này càng lớn thì xác suất này càng tiến về 1 (100%)

1 electron

2H

1H

99,98%

0,02%
1H

3H

2H

13C

12C

1,11%

98,9%

#10–2

#1

a

1 proton
0 neutron

1 proton
1 neutron

1 proton
2 neutron

1H
1

2H
1

3H
1

(99,98%)

(0,016%)

(rất nhỏ)

b

c

Điều này có nghĩa là, trong một phân tử như CH3 – CH2 – CHO
ta # luôn luôn gặp 3 loại proton (a, b, c) đồng thời ở dạng 1H.
nhưng chỉ có 10–6 cơ hội gặp 3C (a, b, c) đồng thời ở dạng
Đó chính là 1 lý do làm phổ

13C-NMR

13C.

kém nhạy hơn phổ 1H-NMR

25

26

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

Ab%

I

12C

98,89

0

13C

~1,11

1/2

1H

99,98

1/2

2H

~0,016

1

14N

99,63

1

15N

0,37

1/2

19F

100,00

1/2

31P

100,00

1/2

• I có giá trị = k.(1/2) = {0, 1/2, 1, 3/2…}
• Khi I = 0: ta nói hạt nhân khơng có từ tính.
Ví dụ:

12C

6,

16O , 32S
8
16

(Z và A cùng chẵn)

• Khi I ≠ 0: ta nói hạt nhân có từ tính.
Ví dụ: 1H1, 2H1,

13C

6,

14N

7,

15N

7,

17O

8,

31P
15

(Z và A ko cùng chẵn)

• 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)
27

28


số hướng quay = (2.I + 1)

Hạt
nhân

số proton
lẻ cặp (p*)

số neutron
lẻ cặp (n*)

(p*+n*)

số spin (I)

13C

0

1

(1)

1/2

1H

1

0

(1)

1/2

19F

1

0

(1)

1/2

31P

1

0

(1)

1/2

2H

1

1

(2)

1

14N

1

1

(2)

1

23Na

1

2

(3)

3/2

m = +1/2

m = +1/2

B0
m=0

m = ̶ 1/2

m = ̶ 1/2

hạt nhân có I = (1/2):

có 2 hướng quay

hạt nhân có I = (1):
có 3 hướng quay

nghịch chiều B0

thuận chiều B0
29

γ

γ

Tỉ số từ hồi chuyển (γ, gyromagnetic ratio) của 1 hạt nhân là

Ghi chú

độ biến thiên của tần số cộng hưởng (∆ν0, tính bằng MHz)

Ngồi đơn vị là (MHz/T) thơng dụng hơn, cũng có khi γ được

khi ngoại từ trường B0 thay đổi 1 Tesla
Ví dụ: ν0 của 2 hạt nhân 1H và
ở B0 =

13C

hạt nhân

ghi bằng đơn vị 106.rad/s.T = 2π.(MHz/T) = 6,2832.(MHz/T)

trong ngoại từ trường B0

1H

hạt nhân

11,75 Tesla

500,133 MHz

125,771 MHz

10,75 Tesla

457,557 MHz

115,066 MHz

γX (MHz/T)

γH = 42,576

hạt nhân 1H

13C

γC = 10,705

Ta nói khi B0 thay đổi, hạt nhân 1H nhạy gấp ~ 4 lần

hạt nhân

13C

γ = 42,576 (MHz/T)

γ = 10,705 (MHz/T)

γ = 267,51 (106.rad/s.T)

γ = 67,26 (106.rad/s.T)

Lưu ý: 1 Hz = 2π rad/s.
và γH ~ 4.γC

13C.
31

32


Sự đáp ứng với từ trường của 1H vs

13C

1

2

là thời gian
hoàn thành
1 chu kỳ này

4

3

Vectơ M từ trục z “rớt” xuống trục y, xoay quanh mp (xy).
33

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

34

Là thời gian cần thiết để hoàn thành 1 lần scan (đo) mẫu.
(xem sơ đồ ở slide kế).
Với một thời gian đo mẫu cố định, một hạt nhân có
• thời gian hồi phục ngắn (như 1H):
sẽ được quan sát (scan) nhiều lần (tín hiệu rõ hơn).
• thời gian hồi phục dài (như

13C):

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

Thời gian hồi phục càng nhỏ → càng mau lặp lại giao động
→ được scan càng nhiều lần → tín hiệu càng rõ (S/N tăng)
35

→ thời gian đo phổ càng ngắn (phổ 1H-NMR: vài giây)

36


1

Thời gian thực hiện 1 lần quét:

(TT1) = (d1 + p1 + aq)

Với phổ 1H-NMR. Thông thường, NS = 16 là q đủ.

Vì d1 (vài µsec) << < d1 & aq (vài sec), nên

• Thời gian scan 01 lần: TT1 # 4,3 sec.

• thời gian quét 1 lần: TT1 ~ (d1 + aq), sec

• Thời gian scan 16 lần: TT16 # 70 sec. (~ 1 phút)

• thời gian quét NS lần: TTNS ~ NS × (d1 + aq), sec

13

Với

13C-NMR,

số lần scan NS lớn (ví dụ NS = 1024 = 1K).

• Thời gian scan 01 lần # 3,1 sec.
• Thời gian scan 1K lần # 3200 sec (> 50 phút).

Quan sát sơ đồ đo phổ 1H-NMR (và phổ

13C-NMR

cũng tương tự):

Thời gian cho 1 scan của phổ 1H # 4,3 sec (và
• Phổ 1H: NS 16
• Phổ

13C:

cần # (4,3 x 16)

#

13C

# 3,1 sec).

70 sec (# 1 phút).

NS 1024 cần # (3,1 x 1024) # 3200 sec (# 1 giờ)!

Khi đo phổ của các chất có MW < 2-3 KDa (máy 500 MHz) thì:

1 NS cần

thường, NS =

đo 1 mẫu mất

Note

1H-NMR

4,28 sec

16

# 70 sec

H: # 1 phút

13C-NMR

3,05 sec

1024

# 52 phút

C: NS/20 phút


Dù cùng loại hạt nhân (ví dụ

13C),

So sánh độ nhạy tương đối của hạt nhân

nhưng nếu:

khác mơi trường hóa học → khác thời gian hồi phục.

Giả sử đã có sẵn 1 hạt nhân

(dù cùng thời gian đo, cường độ tín hiệu cũng sẽ khác nhau).
8.7

6.6

CH3

CH2 CH2 CH2 CH2 2

14

CH2

5.7

CH3

và 1 hạt nhân 1H (I = 1/2).

RX = IX.(IX + 1).γX3

4.8 sec

• Độ nhạy tương đối của

13C

(so với 1H) được định nghĩa:

RH = (RC/RH) = (γC / γH)3 [do IC = IH = 1/2)

CH3

NO2

38

9

với 1H

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

16 sec

7

36

5.0

13C

13C

= (10.705 / 42,576)3 ~ (1/4)3 ~ (1/64) ~ 0,0159 ~ 1,59%

56

13

20

6.9

13

21

6.9

15

Ta nói: Hạt nhân 1H nhạy gấp 64 lần hạt nhân

13C

có sẵn.

4.9
41

• TSCH ν0 với hạt nhân X là vùng tần số phù hợp của xung RF (MHz),

• Nhưng trên thực tế, xác suất gặp hạt nhân 1H = 99,9%

sao cho giải tần số này

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

- kích thích được hạt nhân X (→ ν0 thay đổi theo X)

• Và xác suất để phát hiện hạt nhân 1H sẽ cao gấp
(64 x 90) = 5760 lần xác suất phát hiện hạt nhân

42

- và cộng hưởng được với B0 (→ ν0 thay đổi theo B0)

13C.

Ta nói:
Hạt nhân 1H dễ phát hiện hơn hạt nhân

13C

# 5760 lần

• ν0 cũng là vùng tần số của tín hiệu phổ của X

• ν0 thì tỉ lệ với ngoại từ trường B0 (Tesla) và γX (MHz/Tesla)
43

theo phương trình Larmor: ν0 = γX.B0

44


1

1

13

Từ phương trình Larmor: ν0 = γX . B0

Lưu ý quan trọng về TSCH:

với γH = 42,576 và γC = 10,705 (MHz/T)
Tần số cộng hưởng của 1H (νH) và
B0 (Tesla)
νH (MHz)
νC (MHz)

13C

(νC) sẽ thay đổi theo B0:

• TSCH của hạt nhân X là 1 giải tần số xung quanh “tần số chủ” F0.

2,35 T

4,70

7,05

9,40

11,75

14,10

Khi kích thích hạt nhân X bằng 1 xung RF có tần số F0 cụ thể

100,05

200,10

300,15

400,21

500,27

600,32

trong một thời gian rất ngắn (t = vài µ.sec) sẽ tạo được một

100

200

300

400

500

600

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

25

50

75

100

125

150

25,16

50,31

75,47

100,63

125,78

150,94

Như vậy, bề rộng của giải tần số này là PW= 2/t.
• Vì t rất nhỏ (vài µs) nên PW khá lớn, chứa nhiều xung có tần số

Nghĩa là, khi dùng máy có từ trường 11,75 Tesla, thì các hạt nhân

khác nhau, đủ để kích thích mọi hạt nhân đồng loại trong mẫu đo.

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

13C

13

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

1

(hoặc 1H, hoặc

13C…)

45

46

1

13

Ví dụ, với máy NMR có B0 = 11,75 Tesla (# máy 500 MHz):
• Khi đo phổ 1H, xung RF (F0 = 500,1335 MHz) được phát trong

13

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.

thời gian chớp nhống (t # 10 µs) sẽ tạo 1 giải tần số trong vùng
(500.133.500 ± 100.000 Hz). Giải tần số này rộng 200.000 Hz
thì q đủ để kích thích mọi hạt nhân 1H trong mẫu đo.
(Phổ 1H-NMR chỉ rộng khoảng 20 ppm x 500 MHz = 10.000 Hz)
• Khi đo phổ

13C,

xung RF (F0 = 125,7715 MHz) được phát trong

thời gian chớp nhống (t # 5 µs) sẽ tạo 1 giải tần số trong vùng
(125.771.500 ± 200.000 Hz). Giải tần số này rộng 400.000 Hz
thì q đủ để kích thích mọi hạt nhân
(Phổ

13C-NMR

13C

trong mẫu đo.

chỉ rộng khoảng 240 ppm x 125 MHz = 30.000 Hz)

Ở máy 11,75 T

1H

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

13C

sẽ cho các tín hiệu thuộc vùng [125 ± ε’] MHz

48


1

Các thơng số đặc trưng

13

1H

13C

1/2

1/2

• số hướng quay (= 2I + 1)

2

2

• tỉ lệ đồng vị tự nhiên (%)

99,988

• tỉ số từ hồi chuyển (γ, MHz/T)
• tỉ số từ hồi chuyển (γ, 106 rad/s.Tesla)

Nucl.

% Anat

I

γ
(106 rad /T.s)

γ
(MHz/T)

Độ nhạy

tương đối

TSCH
(MHz/11,75 T)

12C

98,890

0

–

–

–

–

1,108

13C

0,108

1/2

67,283

10,705

1,59.10-2

125,72

42,576

10,705

1H

99,985

1/2

267,519

42,576

1,000

500,00

267,513

67,262

2H

0,015

1

41,066

6,535

9,65.10-3

76,75

• thời gian hồi phục tương đối

ngắn

dài

14N

99,635

1

19,338

3,076

1,01.10-3

36,12

• độ nhạy tương đối (so với 1H)

1,00

1/64

15N

0,365

1/2

-27,126

4,315

1,04.10-3

50,66

• độ nhạy phát hiện (so với 1H)

1,00

1/5760

19F

100,000

1/2

251,815

40,076

0,834

470,38

500 MHz

125 MHz

31P

100,000

1/2

108,394

17,250

6,64.10-2

202,40

• số spin I

• tần số cộng hưởng (với B0 = 11,75 Tesla)

49

1

tiêu chí quan sát
tần số cộng hưởng với B0 = 11,75 T
lượng mẫu cần để đo phổ NMR
thời gian đo phổ NMR (và số scan)
cường độ tín hiệu tỉ lệ với số hạt nhân
khả năng có tương tác (X – X)

hạt nhân 1H

50

13

hạt nhân

13C

500 MHz (4 x)

125 MHz (x)

mg

chục mg

n. giây (ít)

10n. phút (nhiều)

có tỉ lệ

khơng tỉ lệ

# 100%

# 0,01% (10–4)

B1. Ngoại từ trường (B0)
B2. Nội từ trường (TT cảm ứng, TT chắn; Bi)
B3. Từ trường hiệu dụng (Beff)

51

52


Quan sát các hạt nhân có từ tính (vd. I = 1/2) đang hỗn độn,

Ngoại từ trường (B0) là tác nhân làm cho các hạt nhân này

và quay ngẫu nhiên trong khơng gian chưa có từ trường.

quay có định hướng* trong không gian.

Lúc này, theo quy luật số lớn, tổng moment từ M = zero.

Lúc này, theo định luật Boltzmann, tổng moment từ M > 0
B0

(M = 0)

(M > 0)

Hệ thống [hạt nhân / B0] lúc này đã sẵn sàng để nhận xung RF
53

1

54

Sự tương quan giữa ngoại từ trường và năng lượng

2

(Eβ – Eα) = ∆E = γ.ħ.B0 (với ħ = h/2π)
Theo phương trình phân bố dân số Boltzmann thì:
Nβ
Nα

=e

–

(Eβ– Eα)
kT

≈1–

∆E
kT

=1–

γ.ħ.B0
kT

Các hệ quả thu được:
Nβ
Nα
(Nα– Nβ)
Nα

=e

=

–

(Eβ– Eα)

∆N
Nα

kT

≈

∆E
≈1–
kT

(Nα– Nβ)

γ.ħ.B0
=1–
kT

γ.ħ.B0

∆N

kT

N

≈

Nα

γ.ħ.B0

(Nα– Nβ)

2kT

(Nα+ Nβ)

→ ∆N thì tỉ lệ với cường độ ngoại từ trường B0

55

=

=

∆N
Nα
∆N
N

≈

≈

γ.ħ.B0
kT
γ.ħ.B0
2kT

→ ∆E, ∆N thì tỉ lệ với cường độ ngoại từ trường B0

56

Sự tương quan giữa ngoại từ trường và năng lượng

0

Đọc thêm
Cội nguồn của tín hiệu phổ NMR (1)

E

E (cao)
m = –1/2
∆E1

0

• Trong từ trường B0 một dân số N hạt nhân (có I = 1/2) sẽ có 2 hướng spin

∆E2

* Nα hạt nhân sẽ spin thuận chiều B0, có năng lượng thấp (Eα).
* Nβ hạt nhân sẽ spin nghịch chiều B0, có năng lượng cao (Eβ).

m = +1/2
E (thấp)
B1

B2

• Ở nhiệt độ phòng, dân số Nα > Nβ (với ∆N rất nhỏ, # vài phần triệu).

B0

Định luật phân bố Boltzmann đã cho thấy: (Nβ / Nα) = e-∆E/kT, với
* ∆E là sự chênh lệch năng lượng giữa 2 trạng thái Eβ và Eα.

(Eβ – Eα) = ∆E = γ.ħ.B0 (với ħ = h/2π)
(Nα– Nβ)
(Nα+ Nβ)

=

∆N
N

≈

• Khi nhiệt độ giảm, tỉ số (Nβ / Nα) sẽ giảm.

γ.ħ.B0

Khi nhiệt độ tăng, tỉ số (Nβ / Nα) sẽ tăng và tiệm cận giá trị 1.

2kT

B0 càng lớn thì ∆N, ∆E càng lớn → tần số tín hiệu càng lớn

Đọc thêm

* k = hằng số Boltzmann (1.3805 x 10-23 J/K); và T = nhiệt độ Kelvin.

• B0 càng lớn thì ∆N sẽ càng lớn → ∆E sẽ càng lớn, càng dễ phân biệt, phát hiện.
57

58

Cội nguồn của tín hiệu phổ NMR (2)

• Trong từ trường B0, khi hấp thụ một năng lượng ∆E từ xung RF thì một phần

• Ngoại từ trường B0 của các máy CW-NMR (đã hết sử dụng)

(trong ∆N) các hạt nhân sẽ dịch chuyển từ mức Eα thấp → lên mức Eβ cao.

được cung cấp bởi 1 hệ thống nam châm điện xoay chiều.

• Khi về lại trạng thái Eα, hệ thống sẽ giải phóng lại ∆E dưới dạng các tín hiệu
FID có tần số v0 khác nhau thỏa hệ thức ∆E = hv0

• Ngoại từ trường B0 của các máy FT-NMR (hiện nay sử dụng)

• Từ trường B0 càng lớn → ∆N càng lớn → ∆E càng lớn → v0 càng lớn.

được cung cấp bởi 1 hệ thống nam châm điện siêu dẫn.

• Kỹ thuật NMR có thể phát hiện sự chênh lệch ∆N (tức ∆E) rất nhỏ.

• B0 / FT-NMR rất mạnh (~ 7 – 23 Tesla, # vài trăm ngàn lần

• Tất nhiên, ta sẽ khơng có tín hiệu phổ NMR khi

từ trường địa cầu) và cực kỳ ổn định (nhờ điều kiện siêu dẫn)

- khơng có từ trường, hoặc
- khi ∆N = 0 (do hạt nhân khơng có từ tính).
• Nhờ sự cộng hưởng giữa năng lượng E (tức là xung RF có tần số đặc biệt)
với từ trường B0, các hạt nhân ở các trạng thái khác nhau sẽ cho các
tín hiệu có tần số khác nhau → Phổ cộng hưởng từ của hạt nhân khảo sát.
59

từ trường
địa cầu

nam châm thường
(gia dụng)

nam châm điện
(máy CW-NMR)

n. châm siêu dẫn
(máy FT-NMR)

~ (50) µТ

~ (50) mТesla

~ (1 – 2) Tesla

~ (7 – 23) Tesla

Còn được gọi là từ trường cảm ứng (induced), ký hiệu là Bi.
• Nguồn gốc
Bi là từ trường do các electron (trên các orbital
bao quanh hạt nhân) chuyển động và tạo thành.
• Tính chất cơ bản
• Ngoại từ trường (B0, rất mạnh, hàng chục Tesla) do máy cung cấp.

- Bi thì ngược chiều với B0 (làm giảm tác động của B0).

• Nội từ trường

- Bi thì tỉ lệ với B0 và tỷ lệ với mật độ electron quanh hạt nhân.

(Bi = từ trường cảm ứng, ngược chiều với B0)

do lớp electron quanh hạt nhân xoay và tạo thành.

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

Bi rất yếu: các hạt nhân 1H có ∆Bi # vài (chục) phần tỉ (10-9) so với B0

có hệ số chắn σ càng lớn → cường độ Bi sẽ càng lớn.

100 tấn và (100 tấn + 1 gam)!
61

62

• Biểu thức cơ bản của nội từ trường
Bi = σ.B0

ngoại từ trường B0

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

từ trường hiệu dụng Beff

từ trường cảm ứng Bi

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

Beff = (B0 – Bi) = B0 (1 – σ)

sẽ chỉ thực nhận một từ trường hiệu dụng Beff nhỏ hơn B0, với
Beff = (B0 – Bi) = B0 (1 – σ)

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

(chú ý: vì σ ≥ 0 nên Beff ≤ B0)
• Ý nghĩa

(ở mơi trường hóa học ≠)
→ (nhận một Beff khác nhau)

Khi σ thay đổi → Beff thay đổi và → tần số cộng hưởng ν0 (Hz)
cũng thay đổi → cho các tín hiệu cộng hưởng ở vị trí khác nhau.
(khi σ tăng → Beff sẽ giảm và → ν0 cũng giảm).

→ (có hằng số chắn σ khác nhau)

→ (tạo tín hiệu có tần số khác nhau).

Beff là từ trường quyết định tần số của tín hiệu cộng hưởng!
63

64


Do khác nhau về vị trí (mơi trường hóa học) → khác σ, nên:
• 6 C của D-glucose cho 6 tín hiệu ≠ trên phổ

13C-NMR

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

65

66

Thường chỉ ghi nhận năng lượng của xung trung tâm SFO1.
(power level of the central pulse, PLW1; tính bằng Watt).

1. Năng lượng của xung RF

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

2. Tần số của xung RF
• Phổ 1H có PLW1 ~ 22 Watt

3. Thời lượng phát xung RF (P1)

• Phổ

13C

có PLW1 ~ 88 Watt

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
7. Kênh phát hiện tín hiệu RF

Các kỹ thuật viên đo phổ sẽ chú ý cài đặt thông số này.
67

Thông số PLW1 không được khai thác khi giải phổ NMR.

68


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

Tổng quát, 1 xung RF muốn cộng hưởng được với 1 loại hạt nhân

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

có tỉ số từ hồi chuyển (γ; MHz/T) ở trong ngoại từ trường B0 (Tesla),

Phát 1 loạt xung có tần số RF = (SFO1 ± ε) MHz vào hệ thống này.

thì xung RF này phải có tần số ν0 (MHz) thỏa phương trình Larmor:
ν0 = γ.B0

• Nếu SFO1 # 500 MHz, chỉ có các hạt nhân 1H trong hệ thống này
cộng hưởng được với xung RF; và mới có thể cho tín hiệu phổ NMR.

Tần số cộng hưởng của xung RF với 1H &

Nhờ 1 bộ phát hiện phù hợp, ta sẽ thu được phổ 1H-NMR của X.
• Nếu SFO1 # 125 MHz, chỉ có các hạt nhân

13C

B0 = →

trong hệ thống này

cộng hưởng được với xung RF; và mới có thể cho tín hiệu phổ NMR.
Nhờ 1 bộ phát hiện phù hợp, ta sẽ thu được phổ

13C-NMR

của X.

13C

ớ các B0 khác nhau:

4,70 T

7,05 T

9,40 T

11,75 T

TSCH với 1H →
(γH = 42,576 MHz/T)

200 MHz

300 MHz

400 MHz

500 MHz

TSCH với 13C →
(γC = 10,705 MHz/T)

50 MHz

75 MHz

100 MHz

125 MHz

69

Là tần số trung tâm (tần số chủ) ở trục chính giữa của giải xung.

• Khi đo phổ 13C, SFO1 thường # 125,7715* MHz.

Với máy Bruker Avance 500 (11,75 Tesla; Viện Hóa – Hà Nội):

Với t = 5 µs = 5.10–6 sec, SFO1 sẽ tạo 1 giải xung trong vùng

• Khi đo phổ 1H, SFO1 thường # 500,1335* MHz.

(SFO1 ± 1/t) = (SFO1 ± 106/5) Hz = (125.771.500 ± 2.105) Hz

Với t = 10 µs = 10–5 sec, SFO1 này sẽ tạo 1 giải xung trong vùng
(SFO1 ± 1/t) = (500.133.500 ±

1/10–5)

= (500.133.500 ±

105)

Bề rộng lý thuyết của giải xung này = PW, với

Hz

PW = 2/t = 4.105 Hz = 400 KHz

Bề rộng của giải xung này = PW, với

Bề rộng hữu hiệu của giải xung này thường

PW = 2/t = 2.105 = 200 KHz

# 1/10 PW = 40 KHz

Bề rộng hữu hiệu của giải xung này

Lưu ý: SWH của

# PW/10 = 20 KHz

13C

cũng chỉ # 30 KHz (= 240 ppm x 125 MHz)

(Bề rộng phổ, Spectral Width in Hertz)

Lưu ý: SWH của 1H cũng chỉ # 10 KHz (= 20 ppm x 500 MHz)
(Bề rộng phổ, Spectral Width in Hertz)

70

71

72


1

1

(Máy 11,75 T; SFO1 # 500,133 MHz; P1 = 10 µsec)

(SW = SWH = 20 ppm × 500 MHz = 10 KHz)

10 KHz
10 KHz

có thể chọn vùng
0.0 → 20.0 ppm
-0.5 → 19.5 ppm
-1.0 → 19.0 ppm…

1. Để ý rằng SFO1 chỉ đi ngay qua trục giữa của phổ thứ 2 mà thôi.

1. Cần chọn SWH sao cho SF (= tần số của chuẩn, TMS…)

(SFO1 khơng nằm ngay chính giữa phổ 1 & 3)

nằm ở cực bên phải của phổ đồ (δ 0,000 ppm).

2. Cả 3 phổ 1, 2, 3 đều chứa tín hiệu SF (của TMS) ở cực phải của phổ.

2. SFO1 khơng phải lúc nào cũng ở ngay chính giữa phổ đồ.

Một xung RF được xác định bởi ít nhất 3 thơng số:
Phổ 1H-NMR
(P1 # 10 µs)
SF

cường độ xung, tần số xung và thời lượng phát xung. Ví dụ:
Đo phổ 1H-NMR ở máy Bruker 11,75 Tesla (# máy 500 MHz) với
Xung RF có:

* Cường độ

PLW1 ~ 22 Watt (ít quan trọng)

* Tần số

SFO1 ~ 500.133.500* Hz

* Thời lượng phát P1 ~ 10* µsec
P1 được tính tốn sao cho:
a. Giải tần số (tạo từ xung RF này) phải có bề rộng PW >> SWH
Phổ 13C-NMR
(P1 # 5 µs)
SF

(SWH = bề rộng phổ tính bằng Hz = 20 ppm × 500 MHz = 10 KHz)
b. Hạt nhân 1H phát ra tín hiệu cực đại. Đây còn gọi là xung (π/2)x.
(làm cho vectơ từ xoay quanh trục x một góc đúng bằng 90o).

75

76


Trong phổ NMR, xung RF quan trọng nhất là xung làm cho vectơ
moment từ (M) xoay 900 (từ trục z xoay quanh trục x, xuống trục y).

Xung RF phát trong P1 (= t1 µsec) sẽ tạo một giải tần số từ

Lúc này, các hạt nhân hấp thu 1 năng lượng E cực đại.

SFO1 – (1/t) đến SFO1 + (1/t) Hz *

Detector đặt trên mặt phẳng (xy) sẽ ghi nhận được hình chiếu của M

Như vậy, giải tần số này có bề rộng PW = 2.(1/t) Hz

Cường độ của M [hình chiếu trên (xy)] là một hàm dạng sin.

Với hạt nhân 1H, đo trên máy 11,75 Tesla (# máy 500 MHz):
nếu chn t1 < 10 àsec = 105 sec, thỡ:
ã Trc hết, PW > 2.105 Hz = 200 KHz.

xung 90x

Giá trị PW này đã >> SWH (10 KHz), thỏa yêu cầu (a.)
• Kế đến, để có tín hiệu cực đại (thỏa yêu cầu b.),
cần phải xác định t1 này một cách chính xác.

77

78

Lưu ý: Do detector được đặt trên mặt phẳng (xy)
t = 1/4 thời gian tín hiệu đi qua mức zero lần thứ nhì (âm → dương)

nên chỉ phát hiện được hình chiếu của vectơ M trên (xy)

t
4t

max 1

min 1

max 2

min 2

80