LÝ THUYẾT cơ bản về PHỔ CỘNG HƯỞNG từ hạt NHÂN PHỔ 1h NMR

LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT
NHÂN PHỔ 1H-NMR
PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN:
Có nhiều loại hạt nhân hoạt động bằng cách tự xoay chung
quanh trục của nó. Do các hạt nhân mang điện tích dương nên
khi chúng xoay chuyển như thế sẽ giống như những thanh nam
châm nhỏ và vì vậy chúng sẽ tương tác với từ trường ở bên
ngoài (gọi là từ trường Ho). Không phải tất cả các hạt nhân mà
chỉ có một vài hạt nhân có đặc trưng này, trong đó có hạt nhân
proton 1H và hạt nhân 13C.
[Hình 1/12]
Nếu không có sự tác động của từ trường bên ngoài thì các spin
hạt nhân của những hạt nhân có từ tính sẽ định hướng theo vô số
phương. Khi mẫu chất khảo sát có chứa những hạt nhân này
được đặt vào giữa hai cực của một nam châm mạnh, các hạt
nhân sẽ bị định hướng theo hướng của nam châm: hạt nhân
proton 1H hoặc hạt nhân 13C định hướng hoặc song song cùng
chiều hoặc song song ngược chiều với từ trường của nam châm.
Hai định hướng này không có cùng mức năng lượng và vì thế
chúng sẽ khác nhau: định hướng song song cùng chiều có mức
năng lượng thấp hơn định hướng song song ngược chiều.
Nếu hạt nhân này (đã có định hướng) được chiếu bởi một bức xạ
điện từ có tần số thích hợp, sẽ có sự hấp thu năng lượng sẽ xảy
ra và lúc đó spin trạng thái năng lượng thấp sẽ nhảy chuyển lên
spin trạng thái năng lượng cao hơn. Khi có hiện tượng nhảy
chuyển spin như thế, người ta nói là hạt nhân đã cộng hưởng với
bức xạ chiếu vào, từ đó có tên gọi là cộng hưởng từ hạt nhân.
Khả năng đáp ứng với sự cộng hưởng từ hạt nhân của hai loại
hạt nhân 1H và 13C không giống nhau. Tất cả các hạt nhân có
số proton lẻ, thí dụ như: 1H; 2H; 14N; 19F; 31P cũng như các hạt
nhân có số nơtron lẻ, thí dụ như 13C, đều có từ tính nên sẽ có

hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân. Các hạt nhân có số proton


và nơtron chẵn, thí dụ như 12C; 16O, sẽ không có hiện tượng cộng
hưởng từ hạt nhân.
SƠ ĐỒ MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN:
Một mẫu hợp chất hữu cơ (khoảng 5 mg) được hòa tan trong
một dung môi phù hợp (thí dụ CDCl3, khoảng 0.5 mL), dung
dịch này được đặt trong một ống thủy tinh có đường kính 5mm,
dài khoảng 20cm. Ống này được đặt thẳng đứng trong máy
NMR, ở khoảng giữa hai cực nam châm, sao cho từ trường đi
ngang qua ống. Để tăng tính đồng nhất của từ trường, ống thủy
tinh đựng mẫu được cho xoay quanh trục thẳng đứng với vận tốc
khoảng 30 vòng/ giây bởi một tuabin khí.
Từ trường của nam châm của máy NMR sẽ khiến cho các hạt
nhân 1H hoặc 13C định hướng song song cùng chiều hoặc song
song ngược chiều với hướng từ trường của nam châm, tiếp đó
mẫu chất này được chiếu xạ bởi năng lượng của sóng radio. Nếu
tần số của bức xạ sóng radio được giữ không thay đổi, còn lực
của từ trường áp dụng được thay đổi, thì mỗi hạt nhân sẽ có sự
cộng hưởng tại một lực từ trường khác nhau (một ít). Một máy
rất nhạy ghi nhận sự hấp thu năng lượng sóng radio của mẫu
chất khảo sát và chuyển thành đồ thị (phổ NMR).
Phổ NMR là đồ thị cho thấy lực từ trường (áp dụng lên mẫu chất
khảo sát) tăng dần từ trái sang phải: phần bên trái của đồ thị là
vùng từ trường thấp (low-field, downfield); phần bên phải của
đồ thị là vùng từ trường cao (high-field, upfield). Để xác định vị
trí của một hấp thu thì đồ thị NMR được chia thành thang độ và
sử dụng một chất chuẩn. Trên thực tế, người ta cho thêm vào
mẫu chất khảo sát một lượng nhỏ chất tetrametilsilan (CH3)4Si

(viết tắt là TMS) để khi ghi phổ, trên phổ đồ xuất hiện vạch hấp
thu của chất chuẩn. TMS được sử dụng làm chất chuẩn cho cả
hai loại phổ 1H và phổ 13C.
ĐỘ DỊCH CHUYỂN HÓA HỌC
Trên phổ đồ, tại vị trí mà một hạt nhân hấp thu năng lượng để có
hiện tượng cộng hưởng được gọi là độ dịch chuyển hóa học.
Theo quy ước, độ dịch chuyển hóa học của TMS được chỉnh tại


mức 0 trên phổ đồ và những hấp thu khác sẽ xuất hiện tại vùng
từ trường thấp hơn.
Phổ đồ NMR được chia độ theo thang delta (δ). Một đơn vị
delta bằng 1 phần một triệu (ppm: part per million) của tần số
hoạt động của máy NMR. Thí dụ phổ 1H-NMR của hợp chất
được đo bằng máy hoạt động ở tần số 60 MHz, như vậy, 1 δ sẽ
bằng 1 ppm của 60.000.000 Hz, tức là 60 Hz; tương tự với một
phổ đồ đo bằng máy 300 MHz thì 1 δ = 300 Hz.
Như thế, độ dịch chuyển hóa học của một hấp thu NMR sẽ là
hằng số, không phụ thuộc vào lực từ trường và tần số hoạt động
của máy. Một hạt nhân 1H hấp thu tại δ = 2 trên máy 60 MHz
(2.0 ppm x 60 MHz = 120 Hz trong vùng từ trường thấp so với
TMS) thì hạt nhân này cũng hấp thu tại δ = 2 trên máy 300 MHz
(2.0 ppm x 300 MHz = 600 Hz trong vùng từ trường thấp so với
TMS).
Lợi ích của việc đo phổ bằng máy có tần số lớn là các hấp thu
được trải ra trong một khoảng từ trường lớn, vì thế nếu có các
tín hiệu ở gần nhau sẽ dễ dàng phân biệt được chúng, trong khi
nếu đo bằng máy có tần số thấp thì các tín hiệu gần nhau có thể
trùng lắp lên nhau, khó khảo sát.
Đa số các proton của các hợp chất hữu cơ đều có hấp thu trong

khoảng 0-10 δ trong vùng từ trường thấp so với TMS và đa số
các 13C của hợp chất hữu cơ đều có hấp thu trong khoảng 1 –
220 δ trong vùng từ trường thấp so với TMS.
SỰ CHẮN TẠI CHỖ:
Các proton trong hợp chất hữu cơ không trơ trụi một mình mà
chúng được bao xung quanh bởi các điện tử, các điện tử này đã
che chắn một phần ảnh hưởng của từ trường bên ngoài lên trên
proton. Người ta nói rằng hạt nhân đã bị chắn bởi các điện tử
bao chung quanh nó. Do mỗi loại hạt nhân trong phân tử hữu cơ
khảo sát được bao quanh bởi những đám mây điện tử khác nhau,
nên mỗi loại hạt nhân bị chắn khác nhau, từ đó từ trường hiệu
dụng áp đặt lên hạt nhân đó cũng khác nhau. Máy NMR đủ nhạy


để nhận biết được từng sự khác biệt nhỏ này, ghi thành những
tín hiệu NMR.
a. ẢNH HƯỞNG BỞI HIỆU ỨNG CẢM ÂM CỦA CÁC
NHÓM KỀ BÊN:
Các loại hạt nhân khác nhau trong một phân tử có độ dịch
chuyển hóa học khác nhau là do mỗi loại hạt nhân được che
chắn khác nhau bởi các đám mây điện tử chung quanh. Hạt nhân
nào được các điện tử che chắn càng nhiều thì càng cần từ trường
mạnh hơn để có thể có sự cộng hưởng, hệ quả là các hạt nhân
này hấp thu ở vùng từ trường cao (vùng bên phải của phổ đồ).
Hạt nhân nào được các điện tử che chắn ít thì chỉ cần tác dụng
bởi một từ trường yếu là có thể có sự cộng hưởng, hệ quả là các
hạt nhân này hấp thu ở vùng từ trường thấp (vùng bên trái của
phổ đồ).
Khi proton gắn vào carbon nối với nguyên tử có độ âm điện
mạnh (O; N; halogen), các nguyên tử này sẽ rút đôi điện tử nối

hóa trị về phía nó, làm giảm sự chắn của từ trường bên ngoài áp
đặt lên proton khảo sát; vì thế -CH-X với X là nguyên tử có độ
âm điện mạnh (cũng như càng có nhiều nguyên tử loại này) thì
proton –CH-X càng được giảm chắn, nên có độ dịch chuyển hóa
học ở vùng từ trường thấp. Tuy vậy, sự che chắn giảm dần theo
khoảng cách, sau 4 nối hóa trị, sự giảm chắn hết tác dụng (bảng
2).
Bảng 1 và 2 cho thấy các proton –CH-X có độ dịch chuyển hóa
học khác nhau khi carbon này gắn vào các nguyên tử có độ âm
điện khác nhau. Độ dịch chuyển hóa học của proton càng ở vùng
từ trường thấp khi CH gắn vào nguyên tử có độ âm điện càng
mạnh, cũng như khi CH gắn với nhiều nguyên tử có độ âm điện
mạnh.
Phần lớn độ dịch chuyển hóa học của các loại proton của các
hợp chất hữu cơ ở trong khoảng 0 - 12 δ với vùng đặc trưng như
trình bày trong hình 5 và bảng 3.


Bảng 1: Sự thay đổi độ dịch chuyển hóa học của hợp chất CH3X
tùy theo độ âm điện của nguyên tử X.
CH3X
CH3F CH3OH CH3Cl CH3Br CH3I CH4
Nguyên tử X
F
O
Cl
Br
I
H
Độ âm điện của X 4.0

3.5
3.1
2.8
2.5 2.1
Độ dịch chuyển
4.26 3.40
3.05
2.68
2.16 0.23
hóa học (δ)
[Hình 5/21]
Bảng 2: Sự thay đổi độ dịch chuyển hóa học của hợp chất CH3X
tùy theo X.
CHCl3 CH2Cl2 CH3Cl -CH2-CH2- -CH2-CH2CH2Br Br
CH2-Br
7.27
5.30
3.05
3.30
1.69
1.25
[Bảng 3/21]
b. ẢNH HƯỞNG BỞI SỰ LAI HÓA VÀ SỰ CHẮN
KHÔNG ĐẲNG HƯỚNG
Bảng 3 cho thấy thứ tự về độ dịch chuyển hóa học của các
proton không phải luôn luôn tương ứng với độ âm điện, thí dụ
proton của benzene có mũi cộng hưởng ở vùng từ trường thấp
hơn proton của ethylene và acetylene mặc dù độ âm điện của
Csp2 nhỏ hơn Csp. Sự kiện này được giải thích là do ảnh hưởng
của một hiệu ứng gọi là tính không đẳng hướng. Sự chắn không

đẳng hướng thường xảy ra trên hợp chất thơm; trên các liên kết
đôi, liên kết ba như: C≡C, C=C, C=O, C=N…
Lấy thí dụ của benzene, khi benzene được đặt vào vùng từ
trường áp đặt Ho, các điện tử π của nhân thơm sẽ bị tác dụng
của từ trường nên di chuyển chung quanh vòng, sư di chuyển
này tạo thành một dòng điện dòng. Các điện tử di chuyển này sẽ
tạo nên một từ trường, từ trường này bao phủ một không gian đủ
lớn để che chắn các hydrogen của benzene. Các proton của
benzene được nói là đã được giảm chắn bởi sự không đẳng
hướng của vòng benzene.


c. ẢNH HƯỞNG BỞI TÍNH ACID VÀ TÍNH LINH ĐỘNG
CỦA PROTON, BỞI NỐI HYDROGEN:
Hydrogen có tính acid: các proton gắn vào acid carboxylic là
proton được giảm chắn mạnh nhất, chúng có mũi cộng hưởng tại
vùng δ 10 – 12 ppm, điều này là do hiệu ứng cộng hưởng làm
rút điện tử của proton acid.
[Hình]
Nối hydrogen và hydrogen linh động (trao đổi được): các proton
có khả năng tạo nối hydrogen, thí dụ như: alcol-OH, thiol-SH,
amin-NH-, phenol Ph-OH, amid, enol… sẽ có vị trí cộng hưởng
thay đổi trong một khoảng rất rộng (bảng 3).
Nối hydrogen tùy thuộc vào nồng độ dung dịch đo và nhiệt độ.
Dung dịch càng đậm đặc, phân tử càng dễ tiếp xúc với các phân
tử khác và tạo nối hydrogen. Trong dung dịch rất loãng (không
có nối hydrogen) các proton –OH có mũi cộng hưởng tại 0.5 - 1
ppm nhưng trong dung dịch đậm đặc thì proton –OH có mũi
cộng hưởng tại 4.0 - 5.0 ppm.
CÁC PROTON TƯƠNG ĐƯƠNG VỀ ĐỘ DỊCH CHUYỂN

HÓA HỌC
a. CÁC PROTON TƯƠNG ĐƯƠNG
Do độ dịch chuyển hóa học của mỗi hạt nhân phụ thuộc vào cấu
tạo hóa học và vào vị trí không gian của nó trong phân tử nên
mỗi hạt nhân có hiệu ứng chắn khác nhau. Muốn biết một hợp
chất có thể cho bao nhiêu tín hiệu trong phổ proton - NMR, cần
phải biết trong phân tử đó có bao nhiêu loại proton giống nhau
về cấu tạo hóa học và về vị trí không gian. Các proton giống
nhau này được gọi là proton tương đương về độ dịch chuyển
hóa học, chúng chỉ cho 1 tín hiệu trên phổ 1H-NMR. Còn các
hạt nhân có độ dịch chuyển khác nhau, được gọi là proton
không tương đương về độ dịch chuyển hóa học, chúng cho các
tín hiệu khác nhau trên phổ 1H-NMR.


Số lượng các hấp thu khác nhau sẽ cho biết có bao nhiêu loại
proton trong phân tử.
Lượng chắn của các hấp thu nói trên sẽ cho biết cấu trúc điện tử
của từng loại proton (proton đó gắn vào nguyên tử nào: C; O; N;
Cl…)
Cường độ của các tín hiệu cho biết mỗi kiểu loại proton sẽ gồm
bao nhiêu proton.
Sự tách mũi của các tín hiệu cho biết có bao nhiêu proton hiện
diện ở kề bên proton đang khảo sát.
b. CÁC PROTON KHÔNG TƯƠNG ĐƯƠNG:
Các proton khác biệt nhau do hóa lập thể sẽ có độ dịch chuyển
hóa học khác nhau.

Có cách thử để biết xem hai proton không tương đương nhau:
thay thế 1 H của phân tử bằng một nhóm Z để xét xem sản phẩm

tạo thành. Thí dụ sau cho thấy hai sản phẩm tạo thành là 2 xuyên
lập thể phân nên hai proton Ha và Hb không tương đương nhau,
nên chúng có độ dịch chuyển hóa học khác nhau.


CƯỜNG ĐỘ TÍCH PHÂN CỦA MŨI CỘNG HƯỞNG
TRONG PHỔ 1H-NMR:
Phổ đồ 1H-NMR cho biết có bao nhiêu loại proton trong phân tử
và cũng cho biết mỗi loại proton đó có bao nhiêu H. Trong phổ
1
H-NMR, phần diện tích vẽ ra bởi mũi cộng hưởng tỉ lệ thuận
với số lượng proton gây ra tín hiệu cộng hưởng của mũi đó và
được gọi là cường độ tích phân của mũi cộng hưởng.
Các giá trị tích phân chỉ là con số tương đối, có thể có sai số
khoảng 10% và cần phải tính toán lại.
TƯƠNG TÁC SPIN – SPIN TRONG PHỔ 1H-NMR
a. LÝ THUYẾT VỀ SỰ TÁCH SPIN – SPIN:
Trong những phổ 1H-NMR trong những phần trên, mỗi một loại
proton trong phân tử cho một mũi cộng hưởng (phổ cho thấy
một mũi đơn). Tuy nhiên có rất nhiều trường hợp, mũi cộng
hưởng của proton không xuất hiện là một mũi đơn, mà bị chẻ
tách ra thành nhiều mũi. Sự kiện này được gọi là sự tách spin spin hoặc sự ghép; đây là hiện tượng có nhiều mũi hấp thu khác
nhau, do các proton ở kề bên đã tương tác lên trên proton đang
khảo sát.
Bất cứ một proton đang khảo sát đều bị chịu một từ trường lớn
của máy NMR áp đặt lên nó; nó còn bị ảnh hưởng bởi từ trường
tại chỗ gây ra do sự che chắn của các điện tử bao chung quanh;
ngoài ra nếu có những proton khác ở kề bên, từ trường nhỏ của
các proton kề bên này cũng gây một ảnh hưởng nhỏ lên proton
khảo sát; hệ quả là proton khảo sát sẽ cho mũi cộng hưởng

nhưng không phải là mũi đơn mà là nhiều mũi khác nhau tùy
vào số lượng các proton hiện diện ở kề bên nó; số lượng mũi
theo quy luật n+1.
[HÌNH 11/33]
Hiện tượng ghép spin – spin được giải thích bằng cách giả sử
rằng máy NMR đang quét tín hiệu tại δ 4.1 cho proton Hb của
hợp chất 1,1,2-tribromoethane. Những proton này đang chịu ảnh
hưởng của một từ trường nhỏ gây ra bởi proton Ha ở kề bên. Từ
trường tạo ra bởi Ha thì không đồng nhất cho mỗi phân tử khảo
sát. Trong một số phân tử, Ha có spin song song cùng chiều với


từ trường bên ngoài và trong một số phân tử khác, Ha có spin
song song ngược chiều với từ trường bên ngoài.
Khi proton Ha song song cùng chiều với từ trường bên ngoài,
proton Hb có tổng từ trường hơi mạnh một chút: proton sẽ được
giảm chắn một ít và hệ quả là nó sẽ hấp thu tại vùng từ trường
thấp. Khi proton Ha song song ngược chiều với từ trường bên
ngoài thì proton Hb bị che chắn và hệ quả là nó sẽ hấp thu tại
vùng từ trường cao hơn một ít.
Vậy proton Hb có tất cả 2 loại hấp thu: khoảng 50% các phân tử
có Ha song song cùng chiều với từ trường bên ngoài và khoảng
50% các phân tử có Ha song song ngược chiều với từ trường bên
ngoài , vì thế 2 hấp thu này có diện tích tích phân gần bằng
nhau.
Sự tách spin - spin có tính chất hỗ tương (tác động qua lại): nếu
1 proton này tách proton kia thì proton kia cũng sẽ chẻ tách lại
proton này. Proton Ha xuất hiện là một mũi ba tại δ 5.7 bởi vì có
4 sự hoán vị của các spin của hai proton Hb mà 2 trong số này có
cùng từ trường. Khi cả hai spin Hb song song cùng chiều với từ

trường bên ngoài thì proton Ha bị giảm chắn; khi cả hai spin Hb
song song ngược chiều với từ trường bên ngoài thì proton Ha bị
chắn; khi hai spin Hb ngược chiều nhau (có hai khả năng kết
hợp), chúng triệt tiêu lẫn nhau. Hệ quả là có 3 tín hiệu mà tín
hiệu ở giữa to gấp đôi hai tín hiệu ở hai bên. Tín hiệu to vì tương
ứng với 2 kiểu kết hợp spin.
[HÌNH 13/35]
QUY TẮC n+1:
Quy tắc n+1: nếu một proton khảo sát có n số proton tương
đương kề bên nó thì proton khảo sát này sẽ cộng hưởng cho tín
hiệu là n+1 mũi trên phổ 1H-NMR. Các mũi này có diện tích
tương đối theo tỉ lệ của tam giác Pascal như trong bảng 4.
Bảng 4: Cường độ tương đối của các mũi đa do sự tách mũi bởi
các proton kề bên.
Số các Số mũi
proton
đa

Diện tích tương đối giữa các mũi đa
(Tam giác Pascal)


tương
đương
gây
nên sự
tách
0
1 (mũi
đơn)

1
2 (mũi
đôi)
2
3 (mũi
1
ba)
3
4 (mũi
1
bốn)
4
5 (mũi
1
4
năm)
5
6 (mũi
1
5
sáu)
6
7 (mũi
1
6
15
bảy)
7
8 (mũi 1
7

21
tám)

1
1

1
2

3

1
3

6
10

4
10

20
35

1
1
5
15

35

1
6

21

1
7

Sự tách spin - spin có thể tóm tắt trong các quy tắc sau:
* Các proton tương đương về mặt hóa học không tách spin spin với nhau. Các proton tương đương có thể ở trên cùng một
carbon hoặc trên hai carbon khác nhau, nhưng các tín hiệu của
chúng không tách spin - spin với nhau.

Ba proton C-H tương đượng về Bốn proton C-H tươn đượng về
mặt hóa học, không có sự tách mặt hóa học, không có sự tách
spin - spin
spin - spin
* Tuy nhiên, proton gắn trên cùng một carbon cũng có thể ghép
từ với điều kiện 2 proton này không tương đương nhau.

1


Proton gắn trên cùng 1 carbon, có tách spin - spin
nếu hai proton không tương đương nhau
* Các proton cách nhau hơn 2 carbon sẽ không tách spin - spin
nhau (tuy nhiên nếu chúng cách nhau bởi nối π, sẽ có sự ghép
yếu, J rất bé, khó quan sát).

Proton gắn vào hai carbon liền

kề, cách nhau 3 nối hóa trị: có
sự tách spin - spin

Proton cách nhau 4 nối hoặc
nhiều hơn: không có sự tách
spin - spin

HẰNG SỐ GHÉP:
Giả sử có n số proton tương đương Ha ở kề bên m số proton
tương đương Hb thì hai proton này ghép từ với nhau và trên phổ
1
H-NMR thấy proton Ha cho tín hiệu là mũi đa, có tất cả m+1
mũi, proton Hb cho tín hiệu là mũi đa, có tất cả n+1 mũi (theo
quy tắc n+1).
Do hai proton này ghép từ với nhau (còn gọi là tách spin - spin)
nên khoảng cách giữa các mũi đa trong các tín hiệu của hai loại
proton này sẽ bằng nhau. Khoảng cách này được gọi là hằng số
ghép, ký hiệu là J, đơn vị đo tính bằng Hertz (Hz). Cách viết để
biểu diễn 2 proton Ha và Hb ghép từ với nhau là Jab.
Ảnh hưởng từ của 1 proton lên trên 1 proton khác tùy thuộc vào
bản chất của nối hóa trị nối liền hai proton, mà không lệ thuộc
vào lực của từ trường của máy NMR, vì thế, hằng số ghép
không thay đổi theo từ trường của máy NMR (máy NMR hoạt
động ở tần số 200 MHz cho mũi đa với hằng số ghép giống như
khi sử dụng máy hoạt động ở tần số 600 MHz).
Các hằng số ghép thường có giá trị trong khoảng từ 0 - 18 Hz.
Giá trị chính xác của hằng số ghép giữa hai proton kề nhau tùy
thuộc vào vị trí lập thể của 2 proton đó trong phân tử, tuy nhiên
thường thì các hợp chất alkane mạch thẳng có hằng số ghép
khoảng J= 6-8 Hz.