Phân tích cấu trúc của một số hợp chất indenoisoquinolin có mạch nhánh propyl bằng các phương pháp phổ hiện đại

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG THỊ THU HƯƠNG

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT
INDENOISOQUINOLIN CÓ MẠCH NHÁNH PROPYL
BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ HIỆN ĐẠI
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60 44 01 18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM THỊ THẮM

Thái Nguyên - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG THỊ THU HƯƠNG

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT
INDENOISOQUINOLIN CÓ MẠCH NHÁNH PROPYL
BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ HIỆN ĐẠI
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60 44 01 18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM THỊ THẮM

Thái Nguyên - 2017


LỜI CẢM ƠN
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Phạm
Thị Thắm - Nguyên giảng viên trường Đại học Khoa Học - Đại học Thái Nguyên
nay là giảng viên Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tin tưởng giao đề tài, định hướng
nghiên cứu, tận tình hướng dẫn và tạo những điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành
luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin gửi lời trân trọng cảm ơn tới TS Dương Nghĩa Bang, TS Phạm Thế Chính
cùng các thầy cô khoa Hóa học trường Đại học Khoa Học - Đại học Thái Nguyên đã tạo
điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai nghiên cứu, thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo cùng các cán bộ, kĩ thuật viên
phòng Hóa Dược thuộc viện Hóa học, Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt
Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai nghiên cứu và thực hiện
đề tài.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình tôi, bạn bè và đồng
nghiệp của tôi - những người đã luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi trong suốt
thời gian học tập và thực hiện luận văn này.

Hà nội, ngày 20 tháng 6 năm 2017
Học viên

Hoàng Thị Thu Hương

a

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... a
MỤC LỤC .................................................................................................................... b
CÁC CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN VĂN ..................................................... d
DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................. e
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ ............................................................................................ f
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... g
MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 2

1.1. Tổng quan về các phương pháp xác đinh
̣ cấ u trúc ............................................... 2
1.1.1. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) ........................................... 2
1.1.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) .................................................................... 5
1.1.3. Phương pháp phổ khối lượng (MS) .................................................................. 7
1.2. Phân tích các đồng phân đối quang ...................................................................... 9
1.2.1. Tách đồng phân đối quang bằng các phương pháp hóa lý hiện đại .................. 9
1.2.2. Phương pháp tách các đồng phân đối quang bằng enzym ................................ 9
1.2.3. Tách các đồng phân đối quang nhờ tác nhân bất đối bổ trợ ........................... 10
1.2.4. Phân tích các đối quang nhờ phương pháp NMR ........................................... 11
1.2.5. X-ray tinh thể .................................................................................................. 15
Chương 2: THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 19

2.1. Hóa chất và thiết bị ............................................................................................ 19
2.1.1. Hóa chất và dung môi ..................................................................................... 19
2.1.2. Thiết bị xác định và phân tích cấu trúc ........................................................... 19
2.1.3. Phân tích xác định cấu trúc, định tính phản ứng và kiểm tra độ tinh khiết
của các sản phẩm tổng hợp được ................................................................. 20
2.2. Chuẩn bị mẫu và phân tích cấu trúc các dẫn xuất indenosiquinolin .................. 20
2.2.1 Chuẩn bị mẫu và phân tích cấu trúc hợp chất 6-allyl-5H-indeno[1,2c]isoquinolin-5,11(6H)-đion (41) ................................................................ 20

2.2.2. Chuẩn bị mẫu và phân tích cấu trúc hợp chất 6-(3’-bromo-2’hydroxypropyl)-5H-indeno[1,2-c]isoquinolin-5,11(6H)-đion(42) .............. 21
b


2.2.3. Chuẩn bị mẫu và phân tích cấu trúc hợp chất 6-(2’,3’-đibromopropyl)5H-indeno[1,2-c]isoquinolin-5,11(6H)-đion (43)........................................ 24
Chương 3: KẾT QUẢ THẢO LUẬN ......................................................................... 28

3.1 Sơ đồ chuẩn bị các mẫu phân tích ....................................................................... 28
3.2. Phân tích cấu trúc hợp chất 41 ........................................................................... 28
3.2.1. Chuẩn bị mẫu 41 ............................................................................................. 28
3.2.2. Phân tích cấu trúc hợp chất 41 ........................................................................ 29
3.3 Phân tích cấu trúc của hợp chất 42 và 43 ............................................................ 31
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 37
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................... 38
PHỤ LỤC ......................................................................................................................

c


CÁC CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN VĂN
13
1

C- NMR:

H-NMR:

Nuclear Magnetic Resonance Spectroocopy
Proton Nuclear Magenetic Resonance Spectroocopy

CC(Column
Chromatography)

Sắc ký cột (SKC)

d

doublet

dd

Double doublet

DEPT

Ditortionless Enhancement by Polarisation Transfer

EI-MS(Electronic
Impact Mass
Spectrocopy)

Phổ khối lượng

HMBC

Heterronuclear Multiple Bond Correlation

HMQC

Heterronuclear Multiple Quantum Corehence

Hz

Hertz

IR(Infrared
Spectrocoppy)

Phổ hồng ngoại

m

multiplet

MIC

Minimum inhibitory concentrasion(nồng độ ức chế tối thiểu)

ppm

Par per milion

q

queartet

s

singlet

t

Triplet

TLC(Thin Layer
Chromatography)

Sắc ký lớp mỏng(SKLM)

tt

Triplet triplet

d


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Phổ 1H NMR của 1-xiclopentylbut-1-en-3-on ........................................... 5
Hình 1.2: Phổ hấp thụ hồng ngoai của but-2 en-1 ol .................................................. 6
Hình 1.3. Phổ khối lượng của benzetothiazol ............................................................. 8
Hình 1.4. Phổ 1H-NMR của hỗn hợp este Mosher (S)-1-phenylbutan-1-ol và
(R)-1-phenylbutan-1-ol ............................................................................ 12
Hình 1.5. Phổ 1H-NMR của este Mosher (R)-1-phenylbutan-1-ol và (S)-1phenylbutan-1-ol ...................................................................................... 12
Hình 1.6. Phổ 1H-NMR của (-)-enriched và hỗn hợp (-)-enriched với CSA ............ 14
Hình 1.7. Tín hiệu 1H-NMR của CH3 trong một số trường hợp ............................... 15
Hình 1.8. Cặp tín hiệu Fiedel .................................................................................... 16
Hình 1.9. Sơ đồ tóm tắt quá trình phân tích cấu trúc ................................................ 16
Hình 2.1. Cấu trúc X-ray đơn tinh thể của hợp chất 42 ............................................ 23
Hình 2.2. Cấu trúc X-ray đơn tinh thể của hợp chất 43 ............................................ 26
Hình 3.1: Phổ IR của hợp chất 41 ............................................................................. 29

Hình 3.2. Phổ 1H-NMR của hơ ̣p chấ t 41................................................................... 30
Hình 3.3: Phổ 13C-NMR của hợp chất 41 ................................................................ 31
Hình 3.4. Phổ 1H-NMR của hơ ̣p chấ t 43................................................................... 32
Hình 3.5. Phổ 1H-NMR giãn rộng của hơ ̣p chấ t 43 .................................................. 33
Hình 3.6. Phổ

13

C-NMR của hơ ̣p chấ t 43 ................................................................. 33

Hình 3.7. Mô hình cấu trúc X-ray đơn tinh thể của hợp chất 43 .............................. 34
Hình 3.8. Phổ 1H-NMR của hơ ̣p chấ t 42 .................................................................. 35
Hình 3.9. Phổ 1H-NMR giãn rộng của hơ ̣p chấ t 42 .................................................. 35
Hình 3.10. Mô hình cấu trúc X-ray đơn tinh thể của hợp chất 42 ............................ 36

e


DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 1.1. ....................................................................................................................9
Sơ đồ 1.2. ..................................................................................................................10
Sơ đồ 1.3....................................................................................................................11
Sơ đồ 1.4....................................................................................................................12
Sơ đồ 1.5....................................................................................................................18
Sơ đồ 3.1. ..................................................................................................................28

f


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Độ dài các liên kết trong hợp chất 42 ......................................................23
Bảng 2.2. Các góc liên kết trong hợp chất 42 ...........................................................24
Bảng 2.3. Độ dài các liên kết trong hợp chất 43 .......................................................26
Bảng 2.4. Các góc liên kết trong hợp chất 43 ...........................................................27

g


MỞ ĐẦU

Hợp chất indenoisoquinolin (1) có hoạt tính chống ung thư nhờ ức chế
enzym topoisomerase I (Top 1) ngăn cản quá trình tháo xoắn của DNA. Hợp
chất 2 (indotecan) và 3 (indimitecan) đang được thử nghiệm lâm sàng ở giai
đoạn II. Những nghiên cứu về lớp chất indenoisoquinolin cũng đã chỉ ra rằng
nhóm thế ở vòng B tại vị trí nguyên tử nitơ (N-6) là các nhóm aminopropyl,
morpholinopropyl, imdazolopropyl cho khả năng gây độc tế bào rất tốt, trong
đó có 2 thuốc đang được thử nghiệm lâm sàng giai đoạn II là Indotecan (5) và
Indimitecan (6). Bên cạnh đó các chất chứa hợp phần của aminopropanol
cũng được biết đến là các lớp chất cho nhiều hoạt tính sinh học lí thú như hoạt
tính chống ung thư, chống sốt rét, kháng khuẩn, kháng nấm.

Phân tích xác định cấu trúc của các hợp chất này là một nhiệm vụ quan
trọng để có thể tìm được cơ chế lý giải những hoạt tính sinh học của chúng.
Vì vậy, đề tài này tập trung nghiên cứu phân tích cấu trúc của một số hợp chất
indenoisoquinolin có chứa mạch nhánh propyl bằng các phương pháp hóa lý
hiện đại như phổ hồng ngoại (IR), cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và phổ
khối lượng (MS). Kết quả của luận văn sẽ là cơ sở khoa học giá trị cho việc
nghiên cứu định tính và định lượng các dẫn xuất indenoisoquinolin chứa
mạch nhánh propyl.

1


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về các phương pháp xác đinh
̣ cấ u trúc
1.1.1. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (phổ CHTHN) viết tắt của tiếng Anh là NMR
(nuclear Magnetic Resonance) là một phương pháp vật lý hiện đại nghiên cứu cấu
tạo của các hợp chất hữu cơ, nó có ý nghĩa quan trọng để xác định cấu tạo các phân
tử phức tạp như các hợp chất thiên nhiên. Phương pháp phổ biến được sử dụng là
CHTHN- 1H và phổ CHTHN- 13C. 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 [2].
Độ chuyển dịch hoá học
. Hằng số chắn và từ trường hiệu dụng:
Hằng số chắn xuất hiện do hai nguyên nhân:
- Hiệu ứng nghịch từ: các điện tử bao quanh nguyên tử sinh ra một từ trường
riêng, ngược chiều với từ trường ngoài nên làm giảm tác dụng của nó lên hạt nhân
nguyên tử. Lớp vỏ điện tử càng dày đặc thì từ trường riêng ngược chiều với từ
trường ngoài càng lớn tức hằng số chắn càng lớn.
- Hiệu ứng thuận từ: bao quanh phân tử là lớp vỏ điện tử, các điện tử này
chuyển động sinh ra một dòng điện vòng, do đó xuất diện một từ trường riêng có
hướng thay đổi ngược hướng hoặc cùng hướng với từ trường ngoài. Tập hợp tất cả
các điểm trên các đường sức mà tại đó tiếp tuyến vuông góc với từ trường ngoài sẽ
tạo nên một mặt parabol. Phía trong mặt parabol, từ trường tổng hợp nhỏ hơn B0 vì
từ trường riêng ngược hướng với từ trường ngoài, còn phía ngoài parabol thì từ
trường tổng hợp lớn hơn B0 vì từ trường riêng cùng hướng với từ trường ngoài. Do

đó hằng số chắn phía ngoài parabol nhỏ còn phía trong thì có hằng số chắn lớn
nghĩa là độ chuyển dịch học cùng các proton nằm phía ngoài parabol sẽ lớn còn
phía trong sẽ nhỏ
Độ chuyển dịch hóa học : Đối với các hạt nhân trong phân tử càng phức tạp
trong nguyên tử do ảnh hưỏng của các đám mây electron của các nguyên tử bên

2


cạnh.Độ chuyển dịch hóa học của

13

C trong các hợp chất hữu cơ biến đổi trong

khoảng từ 0-230ppm (so với TMS) tức là lớn gấp 20 lần so với sự biến đổi độ
chuyển dịch hóa học của 1H.
TMS là chất có hằng số chắn lớn nhất nên dùng nó làm chất chuẩn để đo độ
chuyển dịch hoá học.Đối với hạt nhân 1H thì: 0 H TMS TMS H         
Ở đây, σ TMS là hằng số chắn của chất chuẩn TMS (tetrametylsilan), σH là hằng số
chắn của hạt nhân mẫu đo, ν TMS ν H là tần số cộng hưởng của chất chuẩn và của
hạt nhân mẫu đo. Hằng số chắn σ xuất hiện do ảnh hưởng của đám mây electron
bao quanh hạt nhân nguyên tử, do đó tuỳ thuộc vào vị trí của hạt nhân 1H và 13C
trong phân tử khác nhau mà mật độ electron bao quanh nó khác nhau dẫn đến chúng
có giá trị hằng số chắn σ khác nhau và do đó độ chuyển dịch hoá học của mỗi hạt
nhân khác nhau. Tổng quát: δ = σTMS - σX σX: hằng số chắn của chất cần đo. δ
không có thứ nguyên mà được tính bằng phần triệu (ppm). Đối với phổ CHTHN 1H
thì δ có giá trị từ 1 đến 12 ppm còn phổ 13C thì δ có giá trị từ 0 đến 220ppm. Vậy
độ chuyển dịch hoá học δ là đại lượng đặc trưng cho những hạt nhân cùng loại của
một đồng vị bị che chắn tương đương nhau trong một hợp chất. Nó không phụ

thuộc vào thiết bị bên ngoài (cường độ từ trường hay tần số sóng) không có thứ
nguyên và được tính bằng ppm
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:



 TMS  x 6
.10 ( ppm)
o

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:



 chuan  x 6
.10 ( ppm)
o

Trong đó: νchuan, νx là tần số cộng hưởng của chất chuẩn và của hạt nhân mẫu
đo, νo là tần số cộng hưởng của máy phổ.

3


Hằng số chắn σ xuất hiện do ảnh hưởng của đám mây electron bao quanh hạt

nhân nguyên tử, do đó tùy thuộc vào vị trí của hạt nhân 1H và

13

C trong phân tử

khác nhau mà mật độ electron bao quanh nó khác nhau dẫn đến chúng có giá trị
hằng số chắn σ khác nhau và do đó độ chuyển dịch hóa học của mỗi hạt nhân khác
nhau. Theo đó proton nào cộng hưởng ở trường yếu hơn sẽ có độ chuyển dịnh hóa
học lớn hơn [1].
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
13

C-NMR thì δ có giá trị từ 0-230 ppm
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 [1].
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 [2].
Ở hợp chất VIII, hai proton Hc và Hd ứng với kí hiệu A và B,proton Hb ứng với kí
hiệu X. Vân cộng hưởng của proton Hd ở 6,67 ppm bị tách thành 4 hợp phần với Jcd=16Hz
và Jbd= 8Hz. Proton Hc cộng hưởng ở trường mạnh hơn ,6,05 ppm . Tín hiệu của Hc cũng

là một vân bốn .Ở vân này cũng xác định được Jcd=16 Hz và Jbc= 1Hz. Sở dĩ giá trị Jbc nhỏ
vì đó là tương tác truyền qua 4 liên kết (trong đó có một liên kết đôi). Proton Hb không
những tương tác với Hc,Hd mà còn tương tac với hai nhóm metylen trong vòng
xiclopentan. Tín hiệu của Hb thể hiện ở vân bội ở khoảng 2,6 ppm.Tín hiệu của proton
khác trong vòng xiclopentan thể hiện bởi một vân “béo” ở khoảng 1,7 ppm.Tín hiệu của
nhóm metyl (a) thể hiện bởi một vân đơn ở 2,23 ppm. (hình bên dưới)

4


Hình 1.1: Phổ 1H NMR của 1-xiclopentylbut-1-en-3-on
1.1.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
Khi các phân tử hấp thụ năng lượng từ bên ngoài có thể dẫn đến quá trình
quay, dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó. Tùy theo năng lượng kích thích
lớn hay nhỏ có thể xảy ra quá trình quay, dao động hay cả quay và dao động đồng
thời. Để kích thích các quá trình trên có thể sử dụng tia sáng vùng hồng ngoại (phổ
hồng ngoại) hoặc tia khuyếch tán Raman (phổ Raman).
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
và 16x10-6 m. Đại lượng được sử dụng nhiều trong phổ hồng ngoại là số sóng (cm1

), ưu điểm của việc dùng số sóng là là chúng tỷ lệ thuận với năng lượng [3].
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 lại dao động khi phân tử bị kích thích là dao động hóa trị và 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.
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ bức xạ hồng ngoại của

một chất vào số sóng hoặc bước sóng chính được gọi là phổ hấp thụ hồng ngoại.

5


Máy phổ hồng ngoại có thể đo được các mẫu ở thể khí, lỏng, rắn nhưng thông
thường nhất được chuẩn bị là dạng rắn và dạng lỏng. Chất rắn thường được nghiền nhỏ
với KBr rồi ép thành viên mỏng. Chất lỏng được đo ở dạng màng lỏng hoặc pha trong
dung môi như CCl4, CHCl3.
Ở phổ hồng ngoại, trục nằm ngang biểu diễn bước sóng (tính ra µm) hoặc số sóng
tính ra cm-1. Ở hình, trục nằm ngang phía trên biểu diễn bước sóng, trục nằm ngang phía
dưới biểu biễn số sóng, trục thẳng đứng biểu diễn phần trăm truyền qua

Hình 1.2: Phổ hấp thụ hồng ngoai của but-2 en-1 ol
Sự hấp thụ hồng ngoại của một chất thường tập trung vào những vùng hẹp tạo ra
các vân hấp thụ ( hình III.10) có rất nhiều vân hấp thụ như vân a, b, c, d, e, g, h. Vân phổ
hồng ngoại có ba đặc trưng cần được mô tả là: vị trí của vân phổ được chỉ bởi bước sóng
hoặc số sóng của đỉnh phổ; cường độ của vân phổ hồng ngoại thường được đánh giá theo
diện tích của vân phổ: vân phổ càng rộng và càng cao thì có cường độ càng lớn; hình
dáng vân phổ: để mô tả người ta cần chỉ rõ đó là vân phổ rộng(tù) hay hẹp(mảnh), chỉ có
một đỉnh hay có nhiều đỉnh phổ.
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[3].
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

6


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 [3].
1.1.3. Phương pháp phổ khối lượng (MS)
Nếu như trong các phương pháp phổ hồng ngoại,phổ cộng hưởng từ hạt nhân
,người ta giữ nguyên phân tử để nghiên cứu thì ở phương pháp phổ khối lượng
người ta phá hủy chất phân tử để nghiên cứu chúng
Nguyên tắc chung của phương pháp phổ khối lượng là phá vỡ phân tử trung
hòa thành ion phân tử và các mảnh ion dương có số khối z=m/e. Sau đó phân tách
các ion này theo số khối và ghi nhận được phổ khối lượng. Dựa vào phổ khối này
có thể xác định phân tử khối và cấu tạo phân tử của chất nghiên cứu [3,4].
Để phá vỡ phân tử người ta có nhiều phương pháp: bắn phá bằng dòng
electron (EI), phương pháp ion hóa hóa học (CI), phương pháp bắn phá nguyên tử
nhanh (FAB)… Dùng dòng eclectron có năng lượng cao để bắn phá phân tử là
phương pháp hay được sử dụng nhất. Khi bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ
trung hòa sẽ trở thành các ion phân tử mang điện tích dương hoặc bị phá vỡ thành
các ion và các gốc theo sơ đồ:
2e (1) > 95%

ABC
ABC

e
ABC

2

3e (2)

ABC-

Sự hình thành các ion mang điện tích +1 chiếm hơn 95%, còn lại là các
ion mang điện tích +2 và điện tích âm (-). Năng lượng bắn phá các phân tử thành
ion phân tử khoảng 10 eV. Nhưng với năng lượng cao thì ion phân tử có thể phá
vỡ thành các mảnh ion dương (+), hoặc các ion gốc, các gốc, hoặc phân tử trung
hòa nhỏ hơn, nên người ta thường thực hiện bắn phá các phân tử ở mức năng
lượng 70 eV [3].

7


ABC

A

ABC

AB

AB

A

BC

B
B

Sự phá vỡ này phụ thuộc vào cấu tạo chất, phương pháp bắn phá và năng
lượng bắn phá. Quá trình này gọi là quá trình ion hóa.
Các ion ion dương hình thành đều có khối lượng m và mang điện tích e, tỉ số
m/e được gọi là số khối z. Bằng cách nào đó tách các ion có số khối khác nhau ra
khỏi nhau và xác định được xác suất có mặt của chúng, rồi vẽ đồ thị biểu diễn mối
liên quan giữa xác suất có mặt (hay cường độ I) và số khối z thì đồ thị này được gọi
là phổ khối lượng (Hình 1.3).

Hình 1.3. Phổ khối lượng của benzetothiazol
Như vậy, khi phân tích phổ khối lượng là quy kết cho mỗi pic trên phổ một
mảnh phân tử xác định và chỉ rõ sự tạo thanh ion mảnh đó, từ đó rút ra những kết
luận về cấu tạo của phân tử chất. Để xác định cấu tạo ,những mảnh có khối lượng
lớn có ý nghĩa quan trọng hơn những mảnh nhỏ.Những pic có cường độ lớn là
những pic ứng với các ion tạo thành với xác xuất cao khi phân mảnh ,nên cần được
xem xét đầy đủ .Các yếu tố chi phối sự phân mảnh và các cách phân mảnh đầu tiên
đặc trưng cho mỗi loại hợp chất được xem xét đầy đủ ,người ta thu được khối lượng
phân tử của chất nghiên cứu, từ các pic mảnh ion trên phổ đồ có thể xác định được
cấu trúc phân tử và tìm ra qui luật phân mảnh. Đây là một trong những thông số
quan trọng để qui kết chính xác cấu trúc phân tử của một chất cần nghiên cứu khi
kết hợp nhiề phương pháp phổ với nhau.

8


1.2. Phân tích các đồng phân đối quang
Phân tích các đồng phân đối quang là tách một hỗn hợp raxemic bằng các
phương pháp vật lý và hóa học. Thông thường, sự tách được thực hiện sau khi

chuyển từ đồng phân đối quang sang đồng phân “dia”; do các đồng phân đối quang
có các tính chất vật lý và hóa học giống nhau nên chúng không thể tách bằng cách
trực tiếp. Trong khi đó, các đồng phân “dia” có thể tách được bằng các phương
pháp kết tinh chọn lọc, phương pháp sắc ký hoặc phương pháp NMR.
1.2.1. Tách đồng phân đối quang bằng các phương pháp hóa lý hiện đại
Các đối quang có thể được tách nhờ các phương pháp sắc ký khí (GC), sắc
ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) có sử dụng các cột chiral. Bản chất của các phương
pháp này là các hỗn hợp đối quang tương tác với pha tĩnh (tâm bất đối trên cột
chiral), nghĩa là chỉ một trong các đối quang có tương tác mạnh hơn với tâm bất đối
của cột. Đối quang có tương tác yếu sẽ được rửa giải nhanh nhờ pha động, kết quả
là hai đối quang được tách ra khỏi nhau. Phương pháp này thường được sử dụng để
xác định độ chọn lọc đối quang trong của các phản ứng. Nếu phản ứng nhận được
hỗn hợp có hai đồng phân đối quang A và B (ee=enantiomer excess,
de=diasteroisomer excess), độ chọn lọc đối quang được xác định theo công thức:
ee 
de 

%enantiomerA  %enantiomerB
%enantiomerA  %enantiomerB

%diasteroisomerA  %diasteroisomerB
%diasteroisomerA  %diasteroisomerB

1.2.2. Phương pháp tách các đồng phân đối quang bằng enzym
Hầu hết các enzym có tính đặc hiệu với một loại cơ chất nhất định. Dựa vào
tính chất này, người ta đã sử dụng các enzym để chuyển hóa chọn lọc một trong hai
đối quang trong hỗn hợp. Ví dụ phản ứng thủy phân hỗn hợp raxemic của este bằng
enzym pig liver estease. Dưới tác dụng của enzym này, chỉ có đồng phân S được
thủy phân. Nhờ đó mà người ta tách được hai đồng phân này ra khỏi nhau.
(7)

(8)

(6)

Sơ đồ 1.1.

9

(9)


1.2.3. Tách các đồng phân đối quang nhờ tác nhân bất đối bổ trợ

Hỗn hợp raxemic hoặc hai đồng phân của các hợp chất đối quang có
một tâm bất đối thường không thể tách ra khỏi nhau. Tuy nhiên, khi tham gia
phản ứng với các chất bổ trợ chiral có từ một hoặc nhiều tâm bất đối, tạo
thành sản phẩm có từ hai tâm bất đối trở lên, có thể tách được bằng các
phương pháp hóa lý khác nhau. Dựa vào tính chất quan trong này năm 1953,
Pasteur đã tách được đôi đồng phân đối quang của axit tactaric nhờ sự tạo
muối “dia” của hỗn hợp hai đối quang với (+)-cinchotoxin, có độ tan khác
nhau nên có thể tách ra khỏi nhau bằng phương pháp kết tinh. Phương pháp
này vẫn được sử dụng hiệu quả để tách hỗn hợp hai đồng phân đối quang ra
khỏi nhau.

(11)
(10)

(12)

(13)

(15)

(14)

(16)

(17)

Sơ đồ 1.2.
Ngoài ra, có thể chuyển hóa các đối quang của các hợp chất có một tâm bất
đối thành các đồng phân “dia” nhờ phản ứng với tác nhân bất đối bổ trợ khác. Các
đồng phân “dia” nhận được có thể tách ra bằng các phương pháp hóa lý khác nhau.
Cuối cùng các tác nhân bất đối bổ trợ được loại bỏ, thu được các đồng phân đối
quang tinh khiết.

10


(18)

(19)

(21)

(20)

(23)

(22)

Sơ đồ 1.3
1.2.4. Phân tích các đối quang nhờ phương pháp NMR
Để xác định tỉ lệ các đồng phân lập thể có thể sử dụng nhiều phương pháp khác
nhau, nhưng phổ NMR là một phương pháp hữu ích và phổ biến, vì nó không làm thay
đổi tỉ lệ của các đồng phân trong hỗn hợp và chỉ cần lượng nhỏ hỗn hợp hai đồng phân
đối quang. Các đồng phân khác nhau được xác định nhờ độ dịch chuyển hóa học và
hằng số tương tác spin-spin của những nguyên tử hydro trong từ trường.
Trong phổ NMR, phần lớn hạt nhân của 1H và 13C của hai đồng phân “dia”
sẽ có tín hiệu chuyển dịch hóa học khác nhau. Tỉ lệ của các đồng phân có mặt trong
hỗn hợp có thể tính toán được bằng sự phân tích các tín hiệu này. Nếu trong hỗn
hợp có nhiều hơn hai đồng phân “dia” thì việc xác định tỉ lệ các đồng phân bằng
phổ NMR sẽ gặp khó khăn hơn, đặc biệt là các đồng phân chiếm tỉ lệ nhỏ.
a). Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch (Shift reagent) Mosher
Đối với các hợp chất có một tâm bất đối thì hai cấu hình của chúng sẽ không
phân biệt được bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân, do tín hiệu của
chúng không được phân tách trong từ trường. Để phân biệt được hai cấu hình của
các hợp chất có một tâm bất đối, người ta phải chuyển hợp chất nghiên cứu thành
đồng phân dia. Cơ sở của phương pháp Mosher là chuyển hợp chất có một tâm bất
đối thành đồng phân dia bằng cách thực hiện phản ứng của hợp chất nghiên cứu với
axit R-Mosher để tạo thành este hoặc thành amit… Sau đó, nghiên cứu cấu hình của
các hợp chất dia này sẽ đưa ra được cấu hình của chất ban đầu. Ví dụ, để xác định

11


cấu hình tuyệt đối của hợp chất 1-phenylbutan-1-ol có một tâm bất đối, Mosher đã
tổng hợp este của nó với axit R-Mosher để tạo ra hai đồng phân dia như mô tả trong
sơ đồ dưới đây.

(25)

(24)

(26)

(27)

Sơ đồ 1.4
Hai đồng phân dia này sẽ được phân biệt rõ trên phổ cộng hưởng từ hạt nhân
proton. Tín hiệu của proton bậc ba tại trung tâm bất đối của dẫn xuất este Mosher của
(R)-1-phenylbutan-1-ol sẽ dịch chuyển về phía trường cao, trong khi tín hiệu proton
bậc ba tại tâm bất đối của dẫn xuất (S)-1-phenylbutan-1-ol sẽ dịch chuyển về phía
trường thấp. Như vậy, người ta có thể xác định được cấu hình tuyệt đối của hợp chất 1phenylbutan-1-ol ban đầu.

Hình 1.4. Phổ 1H-NMR của hỗn hợp este Mosher (S)-1-phenylbutan-1-ol và
(R)-1-phenylbutan-1-ol

Hình 1.5. Phổ 1H-NMR của este Mosher (R)-1-phenylbutan-1-ol
và (S)-1-phenylbutan-1-ol

12


Ngoài axit R-Mosher, hiện nay người ta đang nghiên cứu sử dụng một số tác
nhân bổ trợ khác để xác định cấu hình tuyệt đối của một số hợp chất ancol, amin và
axit cacboxylic có một tâm bất đối, ví dụ như các tác nhân bổ trợ sau.

(28)

(31)

(30)

(29)

b) Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch Chiral Pirkle ancol (CSA)
Chiral aryltrifluorometyl carbinol (chiralPirkle ancol) là những tác nhân hữu
dụng nhất, cho phép xác đinh
̣ nhanh tỷ lệ của các đồ ng phân lâ ̣p thể . Khi có mă ̣t của
chấ t này, các đối quang của lacton, amin và ancol trong từ trường tạo ra phổ không
tương đương. Có thể là do cả hydroxyl và các hydro cacbinyl của chất CSA tạo ra
các tương tác với các tâm bazơ. Ưu điểm của của phương pháp này là không cần
phải thực hiện các phản ứng chuyển hóa thành các dẫn xuất với tác nhân bổ trợ nên
hạn chế được quá trình raxemat hóa, đặc biệt là có thể sử dụng để xác định cấu hình
của các chất có hàm lượng nhỏ.

(33)

(32)

Ví dụ, để nghiên cứu cấu hình của hai đối quang oxaziridin nhờ tác nhân bổ
trợ CSA, kết quả do tương tác cầu hydro của oxazirindin với CSA tạo thành phức
dia, dẫn đến một số tín hiệu của hai đối quang được tách biệt trong từ trường.
Nghiên cứu của phổ 1H-NMR của hỗn hợp hai đồng phân (-)-oxaziridin khi không
có tác nhân chuyển dịch CSA thì các tín hiệu proton không phân biệt được trong từ
trường, nhưng khi cho kết hợp với (S)-(+)-CSA thì các tín hiệu của metyl, metin

13

được tách ra. Dựa vào phổ này, người ta có thể xác định được tỷ lệ hai đồng phân
đối quang của oxaziridin.

Hình 1.6. Phổ 1H-NMR của (-)-enriched và hỗn hợp (-)-enriched với CSA
c) Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch Eu(hfc)3)
Tác nhân Eu(hfc)3 là phức của kim loại thuận từ với ligand hữu cơ có tâm bất
đối. Khi tác nhân Eu(hfc)3 kết hợp với nhóm chức (NH2, OH, SH …) trong phân tử
có một trung tâm bất đối sẽ tạo thành đồng phân “dia”. Phức dia tạo thành có một
số proton được tách ra trong từ trường và chuyển về trường thấp. Sự tách biệt và độ
chuyển dịch về phía trường thấp của một số proton phụ thuộc vào nồng độ của tác
nhân phức Eu(hfc)3.

(35)

(34)

(36)

Ví dụ, nghiên cứu phổ 1H-NMR của hỗn hợp hai đối quang (R,S)-1-axetyl-1phenylbutan, các tín hiệu proton của hai đối quang không phân biệt được trong từ
trường. Tuy nhiên, khi được tạo phức với tác nhân chuyển dịch Eu(hfc)3 thì có sự
tách tín hiệu. Nhóm metyl (triplet) được tách thành hai triplet có cường độ tương

14


đương nhau. Sự tách tín hiệu của proton trong từ trường phụ thuộc vào bản chất của
chất nghiên cứu và nồng độ của tác nhân chuyển dịch.
Qua ví dụ trên ta thấy, tín hiệu proton ở nhóm CH3 của hỗn hợp (R,S)-1axetyl-1-phenylbutan khi tạo phức với Eu(hfc) 3 đều được tách ra và có độ
chuyển dịch hóa học chuyển về phía trường thấp. Sự tách tín hiệu và độ chuyển

dịch hóa học proton ở nhóm CH 3 của hai đối quang có sự khác biệt rõ ràng. Đối
với (R)-1-axetyl-1-phenylbutan, tín hiệu proton của nhóm CH 3 được chuyển dịch
về phía trường cao so với (S)-1-axetyl-1-phenylbutan. Như vậy, có thể phân biệt
và xác định được tỷ lệ hai đồng phân (R)-1-axetyl-1-phenylbutan và (S)-1axetyl-1-phenylbutan nhờ 1H-NMR của chúng khi tạo phức với tác nhân chuyển
dịch Eu(hfc)3 (xem hình 5).

Hình 1.7. Tín hiệu 1H-NMR của CH3 trong một số trường hợp
1.2.5. X-ray tinh thể
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
(α,β,γ), thể tích tế bào tinh thể cơ sở (V) và số lượng phân tử (n) xây dựng nên tế
bào cơ sở.
Phương trình Bragg: 2d.sin(θ) = nλ
Thể tích tế bào cơ sở: V = abc(1-cos2α-cos2β-cos2γ+2cosαcosβcosγ)1/2
Số lượng phân tử trong một tế bào cơ sở n = V.d.6,023.1023 (d: tỷ trọng g/cm3)
Mặt khác, khi chiếu bức xạ tia X vào phân tử, ở mỗi trung tâm liên kết sẽ
phát ra một cặp tín hiệu Friedel phản xạ theo hai hướng (h,k,l) và hướng ngược lại

15


(-h,-k,-l). Cường độ của tín hiệu Friedel (Fhkl, F-h,-k-l) được tính toán nhờ cường độ
của tín hiệu nhiễu xạ (Ihkl) (|Fhkl| = (Ihkl)1/2).
H,K,L

-H,-K,-L

Hình 1.8. Cặp tín hiệu Fiedel

Mật độ electron tại một điểm trong tế bào cơ bản sẽ được tính toán bằng
công thức:
ρ(x,y,z) = [ Σhkl Fhkl exp{-2p(hx + ky + lz)}] / V
Bằng cách đo cường độ của tất cả các tín hiệu nhiễu xạ Ihkl theo 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 tại mọi điểm trong không gian của 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 định cấu trúc của hợp chất hữu cơ bằng phương
pháp X-ray phân tử có thể được tóm tắt như sau:

Hình 1.9. Sơ đồ tóm tắt quá trình phân tích cấu trúc
bằng phương pháp X-Ray

16