Giáo trinh : Phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ part 4 ppt

Lo¹i dao
®éng
Dao ®éng
kh«ng ®èi
xøng
IR-Bande
(cm
-1
)
Dao ®éng
®èi xøng
Raman -
Bande
(cm
-1
)


Tron
g
IR
B¶ng 12: So s¸nh phæ IR vμ phæ Raman cña (E) - dicloetylen

21
3. Phổ kế Raman
ánh sáng đơn sắc từ nguồn sáng mạnh có giữa vùng IR v UV, vì vùng ny ít bị
nhiễu do hấp thụ.

Gơn
g

Gơng
Mạn
g
Gơng
Detectơ
Hình 18: Sơ đồ cấu tạo một thiết bị phổ Raman kinh điển


Thế hệ máy mới dùng nguồn laser Nd-YAG có = 1064 nm v kỹ thuật FT (biến
đổi Fourier).
4. ứng dụng
Đặc biệt phù hợp để nghiên cứu những liên kết không hoặc ít phân cực. Ví dụ :
C
C, C=C, N=N, CC, OO, SS v các hệ vòng. Xác định các hệ khung phân tử.
Ngợc lại những đỉnh IR mạnh của nhóm phân cực nh C=O, O
H chỉ xuất hiện yếu
trong phổ Raman.
Lợi : có thể ghi trong nớc vì dùng cuvett thuỷ tinh v nớc l dung môi cho rất ít
vạch v vạch yếu trong phổ Raman.
ứng dụng lớn nhất của phổ Raman không phải để xác định cấu trúc, m để gán các
dao động trong phổ IR v phổ Raman.



22
Chơng III
Phổ khối lợng
1. Đặt vấn đề
Mặc dù phơng pháp khối khổ đã tơng đối cũ (1910 Thomson đã tách đợc đồng
vị Neon 20 v 22). Song, bớc ngoặt để phơng pháp khối phổ trở thnh phơng pháp

phân tích quan trọng trong Hoá hữu cơ chỉ từ năm 1960.
Hai thế mạnh đã đóng góp vo sự phát triển của phơng pháp khối phổ l :
Với lợng mẫu nhỏ nhất có thể xác định đợc khối lợng tơng đối của phân tử v
thậm chí thnh phần các nguyên tố của một hợp chất.
Qua việc phân mảnh trong khối phổ có thể suy ra cấu trúc hoặc thông tin về phân
tử.
Đối với các phân tử phân cực, khó bay hơi, để tránh phân huỷ đã có những phơng
pháp ion hoá nh : EI (va chạm điện tử), hoá học (CI), từ trờng (field ionisation), FAB
(bắn phá bằng nguyên tử tốc độ cao), phổ khối ion thứ cấp (sekunder ion
MS), ESI (mây
điện tử).
Có thể xác định khối lợng tơng đối đến 1200 v cao hơn nữa.
2. Thiết bị, ghi phổ : Hữu cơ : MS, vô cơ : ICP-MS
2.1. Nguyên lý của một khối phổ kế:


2
3
Có 4 vùng chức năng : Đa mẫu vo
Tạo ra ion
Tách khối lợng
Chứng minh ion
Trong chân không
cao để tránh va
chạm giữa các ion
*) Đa mẫu vo :
Vấn đề l đa mẫu từ áp suất thờng vo buồng chân không cao m không cần ngắt
chân không.
Có 2 phơng pháp : Đa dạng khí
Đa trực tiếp

Đa dạng khí : dùng cho mẫu lỏng hoặc khí, bơm qua xylanh các chất dễ bay hơi
có thể qua hệ sắc ký khí (SKK) hoặc sắc ký lỏng (GC/MS, HPLC/MS, LC/MS).
Đa trực tiếp : dùng cho mẫu dạng tinh thể, sơn hoặc keo. Mẫu để trong một cối
bằng nhôm hoặc vng, = 1mm, gắn trên một thanh đốt đợc đa vo buồng chân không.
Sau khi hút chân không, cối đựng mẫu đợc lm nguội v đa vo buồng ion hoá. ở đây
nó đợc đốt nóng từ từ đến khi bay hơi.
Lợng mẫu cần :
Đa dạng khí : 0,1 1 mg ; qua SKK : 10

9
10

15
g.
Đa trực tiếp : 0,001 0,1mg.
*) Tạo ion : Từ bộ phận đa mẫu, một dòng phân tử nhỏ, cố định đợc bắn vo
buồng ion hoá. Dòng phân tử ny va chạm vuông góc với một dòng điện tử (nằm giữa
catốt nóng đỏ v anốt). Điện thế giữa catốt v anốt thay đổi giữa 0 v 300V, có nghĩa :
năng lợng của điện tử l : 0 300 eV.
ở các phổ khối điện thế thấp : 12 15 eV.
e
M
.


+
M ion radical
Phổ khối lợng bình thờng : 60 100 eV
Phần lớn ghi ở 70 eV.
Qua va chạm giữa điện tử v phân tử tạo thnh ion phân tử M + e M

+.
+ 2e


(molecular ion)
hoặc M + e

M
2+
+ 3e



2
4
Những phần không bị ion hoá sẽ bị hút ra khỏi buồng ion qua bơm chân không. Các
ion phân tử tạo thnh sẽ đợc tăng tốc độ v thu gọn.
Việc tăng tốc đợc thực hiện bởi một điện thế (2 10 kV), khi ra khỏi buồng ion
hoá tốc độ đạt cao nhất.
Việc thu gọn thnh chùm ion đợc thực hiện bởi một điện trờng phụ để khi vo
phần phân tích khối l một dòng ion tập trung, đồng nhất.
Tốc độ của ion đợc tính theo công thức :
(1)
2
m.v
z.U
2
=
(2)
2.z.U

v
m
=
z = điện tích ion (= n.e)
m = khối lợng ion
v = tốc độ ion
U = điện thế gia tốc
*) Tách khối :
Đợc thực hiện thông qua từ trờng 1 Tesla.
Những ion có cùng điện tích : ion nhẹ hơn bị lệch nhiều hơn.
Bán kính lệch theo công thức.
(3)
Bz
m
r
m
.
.

=
B = cờng độ từ trờng
Từ phơng trình (1) v (3) ta có phơng trình cơ bản của khối phổ l :
(4)
22
m
mr.B
z2.U
=
Tỉ lệ khối lợng/điện tích phụ thuộc vo cờng độ từ trờng, bán kính lệch v điện
thế gia tốc, tức l phụ thuộc vo cấu hình của thiết bị.

Thiết bị dùng sector từ (magnetic sector)

2
5

Bộ phân tích
tĩnh điện (E)
Bộ phân tích
từ (B)
Khe vo
Khe ra
Nguồn ion
Thu
g
om
Sơ đồ thiết bị khối phổ hội tụ kép (double focussed): (xem hình trên)
Muốn phân biệt ion có cùng số khối nhng thnh phần khác nhau nh: CO, C
2
H
4
,
N
2
phải dùng khối phổ phân giải cao. Thiết bị phân giải cao có thêm một điện
trờng tĩnh đặt trớc từ trờng (nh trên)
Đây l thiết bị hội tụ kép (double focussed), có thể xác định khối lợng ion tới độ
chính xác l ppm, v nh thế xác định đợc thnh phần nguyên tử của ion phân tử.
Thiết bị phân giải cao đòi hỏi khe ion phải hẹp, do đó lm giảm độ nhạy.
12
C

1
H
16
O
14
N CO C
2
H
4
N
2
12,000 1,00782 15,9949 14,0031 27,9949 28,0313 28,0061
Khi một hỗn hợp có nhiều chất (M
1
+
; M
2
+
; M
3
+
; ) trong buồng ion hoá ta lựa chọn
1 ion phân tử no đó (v.d. M
1
+
) cho qua khe, tạo sự va chạm để ion ny phân mảnh
tiếp (fragmentation) v ghi phổ của ion ny. Đó l kỹ thuật MS/MS.
*) Chứng minh ion :
Khi cho điện thế gia tốc v cờng độ từ trờng không đổi ta sẽ có phơng trình (5) :
(5)

m
z
= hằng số.
2
m
r
Khi cho điện thế gia tốc v bán kính lệch không đổi ta có :
m
z
= hằng số. B
2
Tức l : Để xác định
m
z
(trớc đây l
m
e
) ở một bán kính lệch cho trớc thì chỉ cần
thay đổi (quét, scan) cờng độ từ trờng. Trong trờng hợp ny ta để một dụng cụ thu ion
ở đầu ra của bộ phận phân tích khối. Để tăng dòng điện ion ta dùng thiết bị nhân điện tử
(electron multiplier).

2
6
3. Sự phân mảnh của các hợp chất hữu cơ
Pic mạnh nhất cho cờng độ tơng đối l 100% gọi l pic cơ sở (base peak). rel.%
l ký hiệu cờng độ tơng đối.
*) Ion phân tử (molecular ion).
Trừ một số ngoại lệ, còn lại pic có khối lợng cao nhất thờng l pic của ion phân
tử.

Các trờng hợp ngoại lệ : pic [M+1]
+
hoặc [M+H]
+
do 1 H gắn vo phân tử (hay
gặp đặc biệt ở lớp chất amin, ancol).
Thỉnh thoảng pic M
+.
không ghi đợc, thay vo đó l pic [M R]
+
.
Đồng vị (isotop) : Trong các hợp chất hữu cơ có 3 loại sau :
Nguyên tố tinh khiết :
19
F,
31
P,
127
I.
Nguyên tố với 1 đồng vị chính (> 98%) : H (
1
H), C (
12
C), N (
14
N), O (O
16
).
Nguyên tố có 2 đồng vị chính : S (
32

S,
34
S), Cl (
35
Cl,
37
Cl), Br (
79
Br,
81
Br).
Ví dụ : Vùng pic ion phân tử của hợp chất C
7
H
6
ClNO (M = 155) :

rel.Int.(%)
100%
50
160 m/z
150
156
157
158
155
m/z = 155 : + (1)
1351416
12
76 1 1 1

C H Cl N O
m/z = 156 : + (2)
13 1 35 14 16
12
616 11
C C H Cl N O
1
1
1
1
1
1
+ (3)
1 2 35 14 16
12
751 1 1 1
C H H Cl N O
+ (4)
1351516
12
76 1 1
C H Cl N O
+ (5)
1351417
12
76 1 1 1
C H Cl N O
m/z = 157 : (6)
13 1 35 14 16
12

526 11
C C H Cl N O
+ (7)
1 2 35 14 16
12
74 2 1 1
C H H Cl N O
+ (8)
1371416
12
76 1 1 1
C H Cl N O
+ (9)
1351418
12
76 1 1
C H Cl N O
+ (10)
13 1 2 35 14 16
12
6151 11
C C H H Cl N O





2
7
m/z = 158 : (11)

13 1 37 14 16
12
616 11
C C H Cl N O
1




Pic có khối lợng cao nhất về lý thuyết l m/z = 173 . Do xác
suất một số đồng vị l rất nhỏ nên chỉ có (1), (2), (8) v (11) l có đóng góp chính cho
cờng độ pic (xem hình bên).
237
13 15 18
76
(CH ClNO)
Quy tắc nitơ : Ion phân tử có khối lợng chẵn thì sẽ có số chẵn nguyên tử nitơ (N
0
,
N
2
, N
4
, ), khối lợng lẻ số lẻ nguyên tử nitơ (N
1
, N
3
, N
5
, ).

Năng lợng ion hoá một chất hữu cơ để thu ion phân tử thờng l từ 7 14 eV (1
eV = 23,04 kcal mol

1
= 96,3 kJ.mol

1
).
Ví dụ : n-hexan 10,17 eV ax-acetic 10,35
cyclohexan 9,88 eV metyl amin 8,97
etanol 10,48 eV triflormetan 13,84
Xác định chính xác công thức cộng của ion phân tử : cần dùng phổ khối phân giải
cao. Độ phân giải A của một khối phổ kế đợc tính nh sau:
m
A
m
=


Hai pic kề nhau đợc cho l đã phân giải nếu chúng không trùng lên nhau quá
10%.
Để tách vạch có m/z = 950 khỏi vạch m/z = 951 thì máy cần có độ phân giải l :
950
1
950
=
Khối phổ kế có độ phân giải thấp thờng có A = 1000
2000.
Về độ phân giải cao :
Trong các công thức (2) (5) ở trang trớc ta có khối lợng nh sau :

156,017147 (2)
156,020069 (3)
156,010827 (4)
156,018008 (5)


2
8
Để tách đợc các vạch ny cần có độ phân giải nh sau :
A(2)/(3) =
156
53388
0,002922
=
A(2)/(4) =
156
24684
0,006320
=
A(2)/(5) =
156
180765
0,000863
=


Phân giải

Không phân giải
Muốn ghi đợc cả 4 pic thì thiết bị khối phổ cần độ phân giải 181.000. Thiết bị

khối phổ phân giải cao cần thêm một điện trờng trớc từ trờng, nh vậy các ion đợc
thu gom (focusse) 2 lần (double focussed - hội tụ kép) .
Phơng pháp ghi phổ
*) Chiếu sáng các kính ảnh :
Trong một phổ khối phân giải cao chất cần nghiên cứu v một chất so sánh thờng l
perfluokerosen cùng đợc bay hơi trong một từ trờng v điện thế gia tốc không đổi. Phổ
đợc ghi trên một tấm kính ảnh. Đo độ sáng
tối (cờng độ) của vệt đen (vạch) v so
sánh với phổ chất chuẩn, ta thu đợc số khối lợng phân giải cao.Tiện lợi của phơng
pháp ny l cùng một lúc có thể ghi đợc tất cả các pic với lợng mẫu rất nhỏ (khi nghiên
cứu trao đổi chất, vật liệu sinh học). Bất tiện l phải có thêm thiết bị đo độ sáng tối v
khoảng cách các vệt đen.
*) Ghi theo quét dòng (quét từ trờng):
ở đây phổ đợc ghi bằng cách: 3 đại lợng l dòng ion, dòng ion tổng, biến thiên từ
trờng đợc xử lý theo thời gian v biểu diễn thông qua máy tính.
Ngy nay : Các tín hiệu điện đợc tích trong một máy tính trong quá trình ghi, sau
đó sẽ tính toán v in ra phổ. Phổ ny sẽ cho thông tin về khối lợng v cờng độ pic ( m/z
v rel.%).

2
9
4. Những phản ứng cắt mảnh chính của các phân tử hữu cơ
4.1. Phân cắt ở vị trí


Những liên kết ở vị trí đối với dị nguyên tố (N, O, S ) dễ bị phân cắt, vì điện tích
sinh ra khi phân cắt đợc các dị nguyên tố lm bền vững.

Phổ khối của 2-Butanon

Sơ đồ phân mảnh rút gọn của 2-
Butanon

Sơ đồ phân mảnh của 2-Butanon



Phổ khối của 5- Androstan-3-on-etylen-acetal

3
0