Slide bài giảng PHỔ CỘNG HƯỞNG từ hạt NHÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN HÓA
Giáo viên hướng dẫn:
Huỳnh Kim Liên
Sinh viên thực hiện:
Võ Thị Sơn Ân
Nguyễn Thị Minh Khoa
Nguyễn Thị Kiều Trang
Trần Thị Diễm Trang
A. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
B. PHỔ
1
H- NMR
C. PHỔ
13
C- NMR

I. SPIN HẠT NHÂN VÀ CỘNG
HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN
1. Spin hạt nhân
Hạt nhân nguyên tử tự quay mình nó sinh ra
một dòng điện vòng, dòng điện này tạo một
từ trường có moment từ
Khi hạt nhân quay cũng sinh ra moment
quay được gọi là moment spin hạt nhân
→
P
→→
= P

γµ
→
µ
Hạt nhân của mỗi đồng vị được đặc trưng bởi số lượng tử spin I
π
2
)1(
h
IIP +=
γ
π
µ
2
)1(
h
II +=
I=0 đối với các hạt nhân chứa số proton chẵn
và số nơtron cũng chẵn.
VD
I= số nguyên (1, 2, 3…) đối với các hạt nhân
chứa số proton lẻ và số nơtron cũng lẻ.
Giá trị của I tùy thuộc vào số proton và số nơtron của hạt nhân nguyên tử
Một số quy tắc phỏng đoán giá trị của I
OC
16
8
12
6
,
Ví dụ: I=1 ( )

I= (1/2, 3/2, 5/2…) đối với các hạt nhân có số
proton chẵn, số nơtron lẻ hoặc ngược lại
HN
2
1
14
7
,
),(2/1
13
6
1
1
CHI =
Những hạt nhân “không có spin” (I=0) thì không
gây ra moment từ ( =0) tức là không có từ tính.
Hạt nhân đó không hoạt động từ và không có
cộng hưởng từ hạt nhân.
Những hạt nhân có I ≠0 gây ra một moment từ ≠0.Hạt nhân loại đó hoạt
động từ và có cộng hưởng từ hạt nhân
µ
µ
Khi đặt hạt nhân có I ≠0 (tức ≠0) vào trong
một từ trường B
0
thì vectơ moment từ hạt nhân
được định hướng trong trường B
0.
Sự định
hướng này không phải bất kỳ mà chỉ có một số

vị trí nhất định trong không gian, gọi là sự
lượng tử hóa và được đặc trưng bằng số lượng
tử từ m.
µ
Lúc đó m sẽ có (2I+1) giá trị
Đó là các số -I, -I+1…,0…, I-1, I
Ví dụ:khi I=1/2 thì m có 2 giá trị là +1/2 và -1/2,
0
BE
Z
µ
−=
→
µ
B
0
+1/2
-1/2
γ
π
µ
22
1 h
z
−=
γ
π
µ
22
1 h

z
+=
→
µ
N
1
E
m
I
= -1/2
(β)
m
I
=+1/2
N
2
Vắng
từ
trường
Có từ
trường
(α)
E
1
E
2
∆E =
0
2
B

h
γ
π
Hiệu số giữa 2 mức năng lượng hạt nhân
:tỉ số từ hồi chuyển
B
0
:cường độ từ trường;
h:hằng số Plank
Tỉ lệ giữa hạt nhân chiếm mức năng lượng cao và mức
Năng lượng thấp tuân theo sự phân bố Bolzmann
γ
kTE
e
N
N
/
2
1
∆−
=
Tần số cộng hưởng từ
0
2
1
B
γ
π
ν
=

ν
hE =∆
2/Điều kiện cộng hưởng từ hạt nhân
Khi các hạt nhân đã định hướng, được kích thích với một bức xạ điên từ có
tần số thích hợp sẽ có sự hấp thụ năng lượng xảy ra. Năng lượng bức xạ
điện từ cần thiết cho sự cộng hưởng phụ thuộc vào từ trường ngoài và đặc
tính hạt nhân được khảo sát và năng lượng này đúng bằng
E∆
II.ĐỘ DỊCH CHUYỂN HÓA HỌC
Độ chuyển dịch hóa học ( ) được tính theo biểu
thức sau:

là tần số cộng hưởng của các proton ở TMS.
là tần số cộng hưởng của proton ở cấu
tạo đang xét.
là tần số làm việc của máy phổ

1.Định nghĩa
δ
)(10.10.
6
0
6
0
ppm
XTMS
ν
ν
ν
νν

δ
∆
=
−
=
TMS
ν
X
ν
0
ν
1.Thang độ dịch chuyển hóa học
11

10
8
7
6 5
4
2
3
1
0
9
R-COOH R-CHO
H
-OH -NH
CH
2
O

CH
2
I
CH
2
F
CH
2
Cl
CH
2
Br
CH
2
NH
2
CH
2
Ar
CH
2
C CH
CH
2
C
O
C CH
C
C
C CH

2
C
C CH
3
Proton nào cộng hưởng ở trường yếu hơn
sẽ có độ chuyển dịch hóa học lớn hơn.
Ngoài thang về độ chuyển dịch hóa học
được dùng phổ biến hiện nay có trường hợp
người ta dùng thang cho độ chuyển dịch
hóa học
δ
τ
)(10 ppm
δτ
−=
Đối với các hạt nhân khác độ chuyển dịch
hóa học được định nghĩa một cách tổng
quát như sau:
)(10.
6
0
ppm
Xchuân
ν
νν
δ
−
=
2. Các yếu tố nội phân tử ảnh hưởng
đến độ chuyển dịch hóa học

a) Sự chắn tại chỗ
Xét trường hợp proton.Trong phân tử proton ít
nhiều được bao quanh bởi electron. Dưới tác dụng
của từ trường B
0
, electron sẽ chuyển động thành
một dòng điện vòng quanh proton.Dòng điện vòng
này làm phát sinh một từ trường cảm ứng.Ở vùng
gần hạt nhân, từ trường cảm ứng này ngược chiều
với từ trường B
0
, nó chống lại từ trường sinh ra nó
và làm cho từ trường hiệu dụng quanh proton giảm
đi so với B
0
Như thế, electron đã che chắn cho proton.Người ta
gọi đó là sự chắn màn electron tại chỗ hay sự chắn
tại chỗ.Vì sự chắn tại chỗ làm giảm cường độ từ
trường tác động tới hạt nhân, do đó nếu hạt nhân
được chắn màn nhiều thì để cho nó đi vào cộng
hưởng cần phải tăng cường độ từ trường.Hạt nhân
được chắn màn càng nhiều thì tín hiệu của nó càng
dịch chuyển về phía trường mạnh.
Sự chắn tại chỗ phụ thuộc trước hết vào mật
độ electron xung quanh hạt nhân đang xét, do đó
liên quan trực tiếp đến độ âm điện của các nguyên
tử hoặc nhóm nguyên tử đính với hạt nhân đó Các
nhóm hút electron mạnh sẽ làm giảm sự chắn màn
electron và do đó làm tăng độ chuyển dịch hóa học.
Sự chắn màn electron còn phụ thuộc vào hình

dạng và kích thước của các đám mây electron
b)Sự chắn từ xa
Đó chính là ảnh hưởng của các electron ở các
nguyên tử bên cạnh.
Những nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ở bên
cạnh proton , đặc biệt là những nhóm không no,
vòng thơm, hoặc các nguyên tử có chứa cặp electron
không liên kết có thể là nguồn gốc của những dòng
điện vòng mạnh hơn và tạo ra xung quanh proton
các từ trường có hiệu suất lớn hơn từ trường của các
electron hóa trị của chính proton đó. Chính vì thế
những nhóm nguyên tử bên cạnh proton cũng có tác
dụng che chắn đối với proton. Đó là sự chắn từ xa.
3.Các yếu tố ngoại phân tử ảnh hưởng
đến độ chuyển dịch hóa học
a) Liên kết hidro
Liên kết hidro gây ra sự biến đổi đáng kể độ
chuyển dịch hóa học của proton ở các nhóm OH,
NH và đôi khi cả nhóm SH
- Liên kết hidro càng mạnh thì tín hiệu của
proton càng chuyển về phía trường yếu.
- Liên kết hidro phụ thuộc nhiều vào bản chất của
dung môi, nồng độ và nhiệt độ.
Độ chuyển dịch hóa học của các “proton axit”:
Hợp chất ppm Hợp chất ppm
R-OH
Ar-OH
RNH
2
,R

2
NH
ArNH
2
,ArN
HR
RCOOH
0,5-4,5
4,5-10
1-5
3-6
9-13
R-SH
Ar-SH
C=N-OH
RCONH
2
,RCONHR
C-OH…O=C
1-2
3-4
9-12
5-12
7-16
b)Sự trao đổi proton
Proton liên kết với các dị tố như O, N … không
những có khả năng tạo liên kết hidro mà còn có khả
năng trao đổi với proton của các tiểu phân xung
quanh. Sự trao đổi proton cũng thể hiện rõ trên phổ
NMR.Ví dụ khi đo phổ của CH

3
COOH trong H
2
O
người ta không nhận được tín hiệu của proton nhóm
COOH và proton của nước một cách riêng rẽ mà
nhận được một tín hiệu chung cho chúng.Đó là do
tốc độ ion hóa nhanh đến mức mà sự trao đổi xảy ra
khi proton ở vào trạng thái cộng hưởng:
CH
3
COOH + H
2
O  CH
3
COO
-
+H
3
O
+
c)Ảnh hưởng của dung môi
Khi thay dung môi CCl
4
bằng CDCl
3
, độ
chuyển dịch hóa học của proton liên kết với
cacbon chỉ thay đổi không đáng kể (±0,1
ppm).Còn khi chuyển sang các dung môi phân

cực hơn như CD
3
OD,CD
3
COCD
3
…thì độ
chuyển dịch hóa học thay đổi khoảng ±0,3 ppm.
Ngoài ra, vết nước trong dung môi cũng có thể
gây ra tín hiệu trên phổ
1
H NMR