(Luận văn thạc sĩ) Phân tích cấu trúc một số Indenoisoquinolin có dị vòng No ở mạch nhánh bằng các phương pháp hóa lý hiện đại

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

VŨ NGỌC TÂN

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC MỘT SỐ
INDENOISOQUINOLIN CÓ DỊ VÒNG NO
Ở MẠCH NHÁNH BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP
HÓA LÝ HIỆN ĐẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

VŨ NGỌC TÂN

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC MỘT SỐ
INDENOISOQUINOLIN CÓ DỊ VÒNG NO
Ở MẠCH NHÁNH BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP
HÓA LÝ HIỆN ĐẠI

Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 8440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LỤC QUANG TẤN

THÁI NGUYÊN - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lục
Quang Tấn – Giảng viên Phân hiệu Đại học Thái Nguyên tại tỉnh Lào Cai 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 GS.TS Nguyễn Văn Tuyến, PGS.
Phạm Thị Thắm, PGS.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 18 tháng 5 năm 2019
Học viên

Vũ Ngọc Tân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................ 2
1.1. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) ..................................................2
1.1.1. Phương pháp phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H .......................................5
1.1.2. Phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C .......................................................... 12
1.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR). ........................................................................15
1.3. Tổng quan về nhiễu xạ tia X đơn tinh thể .............................................................. 17
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. Phân tích cấu trúc hợp chất 6...............................................................................21
2.2.2. Phân tích hợp chất 7 ............................................................................................ 22
2.2.3. Chuẩn bị mẫu và phân tích cấu trúc hợp chất 8 .................................................23
2.2.4. Phân tích hợp chất 9 ............................................................................................ 27
2.2.5. Phân tích hợp chất 10 .......................................................................................... 28
Chương 3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN ...........................................................................30
3.1 Sơ đồ chuẩn bị các mẫu phân tích ...........................................................................30
3.2. Phân tích cấu trúc hợp chất 6..................................................................................31
3.2.1. Phân tích cấu trúc hợp chất 6 bằng phổ 1H-NMR ...............................................31
3.2.2. Phân tích cấu trúc hợp chất 6 bằng phổ 13C-NMR .............................................32

3.3. Phân tích cấu trúc indenoisoquinolin 7....................................................................34
3.3.1. Phân tích cấu trúc hợp chất 7 bằng phổ hồng ngoại (IR) ....................................34
3.3.2. Phân tích cấu trúc hợp chất 7 bằng 1H-NMR ......................................................35
3.3.3. Phân tích cấu trúc hợp chất 7 bằng 13C-NMR .....................................................36
3.4. Phân tích cấu trúc hợp chất indenoisoquinolin 8…………………………………37
3.4.1. Phân tích cấu trúc hợp chất 8 bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR ...37
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




3.4.2. Phân tích cấu trúc hợp chất 8 bằng 13C-NMR .....................................................39
3.4.3. Phân tích cấu trúc hợp chất 8 bằng nhiễu xạ tia X đơn tinh thể .......................... 40
3.5. Phân tích cấu trúc hợp chất indenoisoquinolin 9....................................................41
3.5.1 Phân tích cấu trúc hợp chất 9 bằng phổ hồng ngoại (IR) .....................................41
3.5.2. Phân tích cấu trúc hợp chất 9 bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR ...............42
3.5.3.Phân tích cấu trúc hợp chất 9 bằng phổ 13C-NMR ...............................................43
3.6. Phân tích cấu trúc hợp chất indenoisoquinolin 10 ...................................................44
3.6.1.Phân tích cấu trúc hợp chất 10 bằng phổ hồng ngoại (IR) ...................................45
3.6.2.Phân tích cấu trúc hợp chất 10 bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR ..45
3.6.3.Phân tích cấu trúc hợp chất 10 bằng phổ 13C-NMR .............................................47
KẾT LUẬN ...................................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 49
PHỤ LỤC CÁC PHỔ..……………………………………………………………………….54

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
13
1

C- NMR:

H-NMR:

TLC(Thin Layer

Nuclear Magnetic Resonance Spectroocopy
Proton Nuclear Magenetic Resonance Spectroocopy
Sắc ký lớp mỏng(SKLM)

Chromatography)
IR(Infrared

Phổ hồng ngoại

Spectrocoppy)
EI-MS(Electronic Phổ khối lượng
Impact Mass
Spectrocopy)
HMBC

Heterronuclear Multiple Bond Correlation

HMQC

Heterronuclear Multiple Quantum Corehence

HSQC

Heterronuclear Single Quantum Corehence

HMBC:

Heteronuclear Multiple-Bond Correlation

TOCSY:

Total Correlation Spectroscopy

HMQC-TOCSY:

Heteronuclear Multiple-Quantum Correlation with
additional TOCSY transfer

Hz

Hertz

COSY:

Correlation Spectroscopy

NOESY

Nuclear Overhauser effect spectroscopy

ROESY

Rotational frame nuclear Overhauser effect spectroscopy

COLOC

Correlation spectroscopy for Long- Rang Couplings

APT

Attached Proton Test

DEPT

Distortioness Enhancement by Polarization Transfer

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 3.1. Sơ đồ chuẩn bị các mẫu phân tích ................................................................ 30
Sơ đồ 3.2. Chuẩn bị mẫu indeno [1,2-c] isochromen-5,11-đion 6 ................................ 31
Sơ đồ 3.3. Sơ đồ tổng hợp indenoisoquinolin 7 ............................................................. 34
Sơ đồ 3.4. Sơ đồ chuẩn bị mẫu indenoisoquinolin 8. .....................................................37
Sơ đồ 3.5. Sơ đồ chuẩn bị mẫu indenoisoquinolin 9. .....................................................41
Sơ đồ 3.6. Sơ đồ chuẩn bị mẫu indenoisoquinolin 10. ...................................................44

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Phổ 1H NMR của 1-xiclopentylbut-1-en-3-on ................................................5
Hình 1.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của etylbenzen. Chiều cao bậc thang
đường cong tích phân tỷ lệ với số proton ở mỗi nhóm ...................................................6
Hình 1.3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của một số hợp chất ............................... 8
Hình 1.4. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của 3-brom-2-tert-butoxithiophen .........9
Hình 1.5. Phổ lý thuyết A2B ............................................................................................ 9
Hình 1.6. Phổ 1H-NMR của 1,3,4-tribrombut-1-in .......................................................10
Hình 1.7. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của stirenoxit ........................................10
Hình 1.8. Phổ lí thuyết hệ ABX với JAX và JBX a) ngược dấu, b) cùng dấu ...............11
Hình 1.9. Phổ lý thuyết A2B2.........................................................................................12
Hình 1.10. Phổ CHTN–13C có tương tác C–H (a) và xóa tương tác C–H (b) ...............14
Hình 1.11. Phổ hấp thụ hồng ngoai của but-2 en-1 ol ...................................................16
Hình 3.1. Phổ 1H-NMR của hợp chất 6 ........................................................................31
Hình 3.2. Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 6.........................................................32
Hình 3.3. Phổ 13C-NMR của hợp chất 6 ........................................................................33
Hình 3.4. Phổ 13C-NMR giãn rộng của hợp chất 6........................................................33
Hình 3.5. Phổ IR của hợp chất 7....................................................................................35
Hình 3.6. Phổ 1H-NMR của hợp chất 7 .........................................................................35
Hình 3.7. Phổ 13C-NMR của hợp chất 8 ........................................................................37
Hình 3.8. Phổ 1H-NMR của hợp chất 8 .........................................................................38
Hình 3.9. Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 8.........................................................39
Hình 3.10. Phổ 13C-NMR của hợp chất 8 ......................................................................39
Hình 3.11. Mô hình cấu trúc phân tử của hợp chất 8
theo phương pháp X-ray tinh thể. ..................................................................................40
Hình 3.12. Phổ IR của hợp chất 9..................................................................................41

Hình 3.13. Phổ 1H-NMR của hợp chất 9 .......................................................................43
Hình 3.14. Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 9.......................................................43
Hình 3.14. Phổ 13C-NMR của hợp chất 9 ......................................................................44
Hình 3.15. Phổ IR của hợp chất 10................................................................................45
Hình 3.16. Phổ 1H-NMR của hợp chất 10 .....................................................................46
Hình 3.17. Phổ 13C-NMR của hợp chất 10 ....................................................................47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1

MỞ ĐẦU
Phân tích cấu trúc các hợp chất hữu cơ là một trong số nhiệm vụ quan
trọng của Hóa học vì khi biết chính xác cấu trúc giúp chúng ta có câu trả lời
chính xác cho việc phân tích định tính, định lượng các chất, góp phần làm sáng
tỏ các ứng dụng của hợp chất đó trong đời sống và công nghệ. Để phân tích cấu
trúc của các hợp chất hữu cơ có thể sử dụng kết hợp các phương pháp hóa lý
hiện đại khác nhau. Mỗi phương pháp cho phép xác định một số thông tin khác
nhau của cấu trúc phân tử và hỗ trợ lẫn nhau trong việc xác định cấu trúc của
các hợp chất hữu cơ.
Ngày nay, với việc ứng dụng các phương pháp hóa lý hiện đại vào xác
định cấu trúc của các hợp chất phức tạp đã góp phần làm sáng tỏ những hoạt
tính sinh học của chúng [6÷26]. Indenoisoquinolin là nhóm chất đang được các
nhà khoa học quan tâm nghiên cứu tổng hợp, phân tích cấu trúc và xác định
hoạt tính sinh học trong thời gian gần đây do có khả năng ức chế sự phát triển
tế bào ung thư theo cơ chế ức chế topoisomerase I. Indenoisoquinoline có đặc
tính ổn định, không bị thủy phân, không gây độc giống như Camptothecin, một
số dẫn chất như Indotecan (1) và Indimitecan (2) đã được đưa vào nghiên cứu

thử nghiệm lâm sàng giai đoạn II. Các hợp chất này có hoạt tính cao hơn so với
thuốc hệ camptothecin nhưng không gây hiệu ứng phụ, đặc biệt bền, không bị
thủy phân vì không có vòng lacton [6,9,10,12, 14, 15]. Do đó, luận văn này tập
trung nghiên cứu phân tích cấu trúc của một số hợp chất indenoisoquinolin có
dị vòng no ở mạnh nhánh bằng các phương pháp hóa lý hiện đại, đây sẽ là cơ
sở khoa học giá trị cho việc nghiên cứu mối liên quan giữa cấu trúc hóa học và
hoạt tính sinh học của chúng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2

Chương 1
TỔNG QUAN
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 hợp chất hữu cơ phức tạp như các hợp chất thiên nhiên, các thuốc chữa
bệnh, các chất trong thành phần dầu mỏ. Phương pháp phổ biến được sử dụng
là CHTHN- 1H và phổ CHTHN- 13C. Hạt nhân của nguyên tử 1H và

13

C 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




3

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 cạnh. Độ chuyển dịch hóa học của 13C 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

C trong phân tử khác nhau mà mật độ

13

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
.10 6 ( 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:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




4



 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.
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 13C-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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




5

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)

Hình 1.1: Phổ 1H NMR của 1-xiclopentylbut-1-en-3-on
1.1.1. Phương pháp phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H
1.1.1.1. Cường độ vạch phổ
Diện tích giới hạn bởi đường cong phổ tỷ lệ với số proton của mỗi nhóm,
nhưng việc đo diện tích này khó chính xác. Người ta sử dụng đường cong tích
phân để xác định tỷ lệ số proton của mỗi nhóm, vì chiều cao của bậc thang tỷ lệ
với số proton ở mỗi nhóm. Ngoài ra, chiều cao bậc thang còn tỷ lệ với nồng độ
chất trong dung dịch, do đó người ta có thể tính được nồng độ chất dựa vào
đường chuẩn và chất chuẩn.[4]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




6

Hình 1.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của etylbenzen. Chiều cao bậc
thang đường cong tích phân tỷ lệ với số proton ở mỗi nhóm
Các phổ cộng hưởng từ nhân 1H hiện nay, thay vì đường cong tích phân
cho số liệu tỷ lệ proton của mỗi nhóm ở chân mỗi tín hiệu phía dưới phổ, nhìn
các số liệu này có thể dự đoán được số proton có mặt ở mỗi nhóm trong phân
tử và xác định tổng số proton trên phổ có phù hợp với tổng số proton trong
công thức dự đoán không.
Các chữ số ở phía dưới phổ chỉ số proton tương ứng của mỗi nhóm tín
hiệu phổ, tương đương với tỷ lệ chiều cao bậc thang ở đường cong tích phân.

Các chữ số phía trên cho các giá trị độ chuyển dịch hóa học của các tín hiệu,
các nhóm tín hiệu cộng hưởng trên phổ đều là multiplet (bội đỉnh) do sự tương
tác của các nhóm proton ở nguyên tử cacbon gần nhau gây ra .
1.1.1.2. Phân loại phổ
Khi trong phân tử có các nhóm hạt nhân tương tác với nhau, người ta kí hiệu
các hạt nhân đó bằng các chữ cái A, B, C,..., M, X. Các hạt nhân có độ chuyển
dịch hoá học như nhau gọi là các hạt nhân tương đương và được kí hiệu bằng một
loại chữ cái, có chỉ số ở dưới bên phi chữ cái đó để chỉ số hạt tương đương.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




7

Nu t s

A B
1 thỡ cỏc ht nhõn c kớ hiu bng cỏc ch cỏi cỏch
J AB

xa nhau, nh AX, AX2,... cũn trng hp khỏc c kớ hiu bng cỏc ch cỏi
lin nhau nh AB, A2B, ABC,...

6 thỡ xp vo ph bc 1, cũn li xp vo ph bc cao.
J

Trng hp

Phõn tớch ph cng hng t ht nhõn l tỡm cỏc giỏ tr chuyn dch

hoỏ hc v hng s tng tỏc J cho mi proton.
a) Phõn tớch ph bc 1
i vi ph bc 1, cú th ỏp dng quy tc s vch ti a bng n + 1 (n l
s ht nhõn nhúm bờn cnh tng tỏc) v t l chiu cao cỏc nh trong mt
nhúm tuõn theo quy tc Pascan:
Tỷ lệ chiều cao các
vạch trong mỗi nhóm

Số vạch trong nhóm
có t-ơng tác
0

1
1
1
1
1
1

2
3

4
5

1

1

3

6

10

2

1

3

1
4

10

4

1
5

1

5

H ph bc 1 thng gp cú dng AmXn v AmMnXy. Cỏc h ph AX cú
th tỡm thy s nh ca mi nhúm d dng v hng s tng tỏc J (khong
cỏch gia hai nh lin nhau), v tn s A hay X (im gia hai nh xa nhau
nht trong nhúm). Di õy l mt s vớ d (hỡnh 1.5).

S húa bi Trung tõm Hc liu v Cụng ngh thụng tin HTN

8

Am

Sè ®Ønh:

n+1

Xn

m+1

AX

Cl2CH-CHBr2

A2X

Cl2CH-CH2Br

A3X

CH3-CH=O

A6X

CH3-CH-CH3
NO2

Hình 1.3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của một số hợp chất
b) Phổ bậc cao AB, AB2, và ABX
Phổ AB
Các phổ được xếp vào hệ phổ bậc cao có


 6 đơn giản nhất là hệ AB
J

và ABX. Để tìm các thông số  và J trực tiếp trên phổ như hệ phổ bậc 1, ta xét
ví dụ phổ cộng hưởng từ nhân proton của 3–brom–2-tert–butoxitiophen (hình
1.6) thuộc hệ phổ AB gồm hai cặp nhóm đỉnh, các thông số được tính theo
công thức:
AB = 0,5(2 + 3 )

 AB  ( 1   4 )(  2   3 )

A = AB + AB / 2 (Hz)

A = AB – AB / 2 (Hz)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




9

Hình 1.4. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của 3-brom-2-tertbutoxithiophen
Phổ A2B

Hình 1.5. Phổ lý thuyết A2B
Phổ A2B là hệ phổ gồm 3 hạt nhân tương tác với nhau trong đó có hai hạt
nhân tương đương. Phổ gồm hai phần, về lý thuyết phần A có 8 đỉnh và phần B
có 6 đỉnh (hình 1.8) nhưng phổ thực thì số đỉnh ít hơn, ví dụ phổ 1H–NMR của
1,3,4-tribrombut-1-in phần A chỉ xuất hiện 4 đỉnh và phần B 4 đỉnh (hình 1.8).
Có thể phân tích phổ A2B như trên hình 1.8, tính các giá trị như sau:
B = 3 ; A = ½ ( 5 + 7 )
JAB = 1/3  ( 1,4 + 5,8 ) 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




10

Hình 1.6. Phổ 1H-NMR của 1,3,4-tribrombut-1-in
Phổ ABX
Phổ ABX thường gặp trong phổ cộng hưởng proton đặc biệt các hợp chất
thơm và anken cũng như các hợp chất chứa hạt nhân từ khác (19F, 31P) gồm ba hạt
nhân không tương đương tương tác với nhau phân tách phổ thành hai phần riêng
biệt. Để phân tích phổ cần tách riêng biệt phần AB và phần X, ví dụ phổ 1H-NMR
của stirenoxit ở dưới, phần AB có 8 đỉnh và phần X có 4 đỉnh (hình 1.9).

Hình 1.7. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của stirenoxit

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

11

Về lý thuyết hệ phổ ABX gồm hai phần, phần AB có 8 đỉnh còn phần X
có 6 đỉnh, để thực hiện ta tạm chia phần AB thành AB’ và AB’’, từ phần này có
thể tìm được JAB và các giá trị:
’A =  A + ½JAX

’B = B + ½JBX

’’A = A + ½JAX

’’B= B + ½JBX

Tuỳ theo sự cùng dấu hay trái dấu của J AX và JBX mà dạng phổ thay đổi
như ở hình 1.10.

Hình 1.8 Phổ lí thuyết hệ ABX với JAX và JBX a) ngược dấu, b) cùng dấu
Trong phần AB có hai nhóm bốn đỉnh, từ đây tìm được A, B, JAB, JAX và
JBX , trong phần X chỉ tìm được X.
Phổ A2B2
Hệ phổ A2B2 của các hệ gồm bốn hạt nhân tương tác với nhau trong đó có
hai cặp hạt nhân tương đương nhau. Về lý thuyết hệ phổ A 2B2 có cấu trúc phụ
thuộc vào tỷ số J/ (hình 1.11). Về lý thuyết phổ A2B2 có tất cả 14 đỉnh chia
làm hai phần đối xứng, khoảng cách hai đỉnh ngoài của mỗi phần là 2J AB còn
hai đỉnh phía ngoài có cường độ cao nhất là A và B.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

12

Hình 1.9. Phổ lý thuyết A2B2
1.1.2. Phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C
Vì tất cả các hợp chất hữu cơ đều chứa nguyên tử cacbon mà trong tự
nhiên, nguyên tử cacbon-13 chiếm tỷ lệ 1,1% nên phổ cộng hưởng từ nhân 13C
(CHTN–13C) hiện nay có ý nghĩa quan trọng, nó cho nhiều thông tin hơn phổ
CHTN–1H, ví dụ ở hợp chất hữu cơ không chứa hiđro thì không có tín hiệu
trong phổ CHTN–1H nhưng nó cho tín hiệu của phổ CHTN–13C. Vì tỷ lệ của
13

C nhỏ và hằng số tỷ lệ gyromagnetic thấp nên tín hiệu cộng hưởng từ thường
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




13

nhỏ, người ta phải đo trên phổ kế cộng hưởng từ biến đổi Fourier (FT). Khi
dùng máy này có thể ghi phổ CHTN–13C theo một số cách khác nhau, nhưng
quan trọng nhất là phương pháp phổ 13C tương tác 1H và xóa tương tác 1H. Cả
hai phương pháp đều cho các thông tin có giá trị trong việc phân tích cấu trúc
các hợp chất hữu cơ. [4]
1.1.2.1. Phổ 13C tương tác 1H
Trên phổ tương tác 13C–1H nhận được các nhóm đỉnh khác nhau có thể là

đỉnh đơn hay bội đỉnh. Vì 13C và 1H đều có I = 1/2 nên quy tắc đa vạch được áp
dụng giống như ở tương tác 1H–1H của phổ CHTN–1H:
singlet (1 vạch)

không có C

duplet (2 vạch)

có 1 H

triplet (3 vạch)

có 2 H

CH2

quartet (4 vạch)

có 3 H

CH3

CH

Hằng số tương tác J(13C–H) phụ thuộc vào đặc trưng s của obitan lai hoá ở
nguyên tử cacbon. Đặc trưng s càng lớn thì hằng số tương tác càng lớn:

C

H

Lai hóa

JC–H (Hz)

sp3

125

C

H

sp2

160

C

H

sp

250

Khi có nhóm thế âm điện gắn vào nguyên tử cacbon thì 1JC–H thường tăng:
CH4 125 Hz, CH3Cl 151 Hz, CH2Cl2 178 Hz, CHCl3 209 Hz
Tương tác C và H ở cách xa nhau hơn 1 liên kết thường rất nhỏ, ví dụ 2JC–H
= 5 Hz, thường không thấy.
Tương tác giữa 13C và 13C cạnh nhau ít có ý nghĩa cho việc chứng minh

cấu tạo.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




14

1.1.2.2. Phương pháp phổ 13C xóa tương tác 1H
Phổ 13C tương tác 1H cho nhiều nhóm đỉnh do sự khác nhau về số proton
trong các nhóm CH, CH2 và CH3, nhưng cường độ của nhiều đỉnh quá nhỏ lẫn
với cả nhiễu của máy, do đó việc giải phổ gặp khó khăn, vì vậy người ta đã đưa
ra cách làm đơn giản hoá bản phổ để chọn một số thông tin cần thiết, bằng cách
xóa đi các vạch tương tác C–H. Bây giờ ứng với mỗi nguyên tử cacbon chỉ có 1
vạch phổ. Ví dụ:

a)

b)

Hình 1.10. Phổ CHTN–13C có tương tác C–H (a) và xóa tương tác C–H (b)
Trong tạp chí, loại phổ CHTN–13C xóa tương tác C–H được kí hiệu là
13

C{1H}. Thực tế phổ CHTN–13C tương tác C–H ngày nay ít đo. Thay cho

phương pháp đó, người ta dùng các phương pháp kĩ thuật hiện đại như APT
(Attached Proton Test) có thể phân biệt được C, CH, CH2 và CH3.
Khi dùng kĩ thuật này thì tín hiệu của nhóm C và CH 2 nằm ở phía trên,

còn tín hiệu của nhóm CH và CH 3 nằm ở phía dưới đường nằm ngang như
hình 4.19.
Ngoài ra còn sử dụng phương pháp DEPT (Distortioness Enhancement by
Polarization Transfer) để ghi phổ, theo phương pháp này tín hiệu CH3 và CH ở
phía trên còn CH2 ở phía dưới. Ví dụ phổ CHTN–13C ghi theo DEPT của 2butanol ở dưới:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




15

CH3 CH3
CH3--CH2--CH--CH3
CH

OH

CH2

Cường độ các vạch phổ trong phổ xóa tương tác 13C–1H tỷ lệ với:
1- Số nguyên tử hiđro gắn với nguyên tử cacbon.
2- Số nguyên tử cacbon tương đương.
Thường thì nhóm CH3 và CH2 cho cường độ vạch phổ như nhau, nhưng
nhóm CH và C cho cường độ yếu hơn.
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 (cm-1), 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




16

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 1.11: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 1.2) 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].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




17

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 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].
1.3. Tổng quan về nhiễu xạ tia X đơn tinh thể

Phương pháp lâu đời nhất và chính xác nhất của tinh thể học tia X là
nhiễu xạ tia X đơn tinh thể, trong đó chùm tia X bị bản hồi từ các mặt phẳng có
khoảng cách đều nhau của một đơn tinh thể, tạo ra một mẫu nhiễu xạ gồm các
điểm gọi là nhiễu xạ. Mỗi nhiễu xạ tương ứng với một tập các mặt phẳng có
khoảng cách đều nhau bên trong tinh thể. Mật độ các electron bên trong tinh thể
được xác định từ vị trí và độ sáng của các nhiễu xạ khác nhau quan sát được
khi tinh thể từ từ xoay quanh chùm tia X; mật độ này, cùng với dữ liệu bổ sung
(về thành phần hóa học), cho phép ta xác định vị trí của các nguyên tử bên
trong tinh thể. Nó có thể xác định lực liên kết hóa học trung bình giữa các
nguyên tử và góc giữa chúng trong khoảng vài ngàn Angston và vài chục độ.
Kĩ thuật nhiễu xạ tia X đơn tinh thể có 3 bước chính. Đầu tiên - khó nhất
- là thu thập một tinh thể tốt. Tinh thể phải đủ lớn (thường là lớn hơn
100 micron ở mọi chiều), không có tạp chất và có cấu trúc ổn định, không bị
nứt nẻ. Bước hai, đặt tinh thể vào trong đường đi của chùm tia X cực mạnh,
thường có bước sóng đơn (monochromatic X-rays), để tạo ra các mẫu nhiễu
sắc. Tinh thể từ từ xoay và dữ liệu được thu thập lại. Mỗi ảnh chứa hàng chục
ngàn điểm nhiễu xạ với các cường độ khác nhau. Bước ba, dùng kĩ thuật tính
toán và dữ liệu hóa học bổ sung để đưa ra mô hình về sự sắp xếp các nguyên tử
bên trong tinh thể. Kết quả có thể được lưu trữ ở các cơ sở dữ liệu công cộng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN