GS.TSKH. NGUYỄN ĐÌNH TRIỆU C¸C PH¦¥NG PH¸P PHæ TRONG HãA HäC H÷U C¥ NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI 2 MỤC LỤC A. Cơ sở lý thuyết 1. BỨC XẠ ĐIỆN TỪ................................................................................................................ 5 2. ĐỊNH LUẬT LAMBERT–BEER .......................................................................................... 6 3. PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI................................................................................. 7 3.1. Tần số dao động................................................................................................................... 7 3.2. Phổ hồng ngoại của hydrocarbon ........................................................................................ 9 3.3. Alcohol, phenol và ether.................................................................................................... 14 3.4. Hợp chất aldehyd và keton ................................................................................................ 15 3.5. Acid carboxylic và dẫn xuất .............................................................................................. 17 3.6. Hợp chất amin và dẫn xuất ................................................................................................ 18 3.7. Các hợp chất chứa nitơ khác.............................................................................................. 19 3.8. Hợp chất chứa lưu huỳnh, silic và phosphor ..................................................................... 21 3.9. Hợp chất cơ kim loại ......................................................................................................... 22 3.10. Phổ kế hồng ngoại ........................................................................................................... 22 4. PHỔ TỬ NGOẠI VÀ KHẢ KIẾN....................................................................................... 25 4.1. Cơ sở lý thuyết................................................................................................................... 25 4.2. Phổ tử ngoại và khả kiến của hợp chất hữu cơ .................................................................. 27 5. PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN .............................................................................. 38 5.1. Năng lượng cộng hưởng .................................................................................................... 38 5.2. Độ chuyển dịch hóa học .................................................................................................... 38 5.3. Tương tác spin spin ........................................................................................................... 41 5.4. Phân tích phổ cộng hưởng từ nhân .................................................................................... 44 5.5. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C........................................................................................ 56 5.6. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân hai chiều 2D–NMR.............................................................. 60 6. PHỔ KHỐI LƯỢNG ............................................................................................................ 69 6.1. Cơ sở của phương pháp ..................................................................................................... 69 6.2. Cơ chế phân mảnh phân tử hợp chất hữu cơ ..................................................................... 72 6.3. Khuynh hướng phá vỡ phân tử hợp chất hữu cơ ............................................................... 75 6.4. Phổ khối ion hóa phun electron (ESI-MS) ........................................................................ 90 6.5. Phổ khối mốt ion âm (negative ion mode)......................................................................... 95 6.6. Nguyên lí cấu tạo khối phổ kế ........................................................................................... 98 3 7. VÍ DỤ GIẢI PHỔ............................................................................................................... 103 8. TÍNH CHẤT PHỔ CỦA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ ...................................................... 130 B. Phần bài tập Bài tập 1.................................................................................................................................. 159 Bài tập 2.................................................................................................................................. 162 Bài tập 3.................................................................................................................................. 166 Bài tập 4.................................................................................................................................. 170 C. Thực tập quang phổ phân tử 1. ĐO PHỔ TỬ NGOẠI VÀ KHẢ KIẾN (UV/VIS) ............................................................. 174 2. ĐO PHỔ HỒNG NGOẠI (IR) ........................................................................................... 181 3. PHƯƠNG PHÁP ĐO PHỔ HỒNG NGOẠI PHẢN XẠ ................................................... 200 4 A. Cơ sở lý thuyết Để giải thích cấu tạo các hợp chất hữu cơ hiện nay người ta sử dụng nhiều phương pháp vật lý khác nhau nhưng trước tiên là các phương pháp phổ như phổ hồng ngoại (IR), tử ngoại–khả kiến (UV–VIS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), phổ khối lượng (MS)… Cơ sở của các phương pháp phổ hồng ngoại, Raman, tử ngoại, và khả kiến gọi chung là phương pháp quang phổ là sự tương tác của ánh sáng với phân tử. 1. BỨC XẠ ĐIỆN TỪ Khi coi bức xạ điện từ là dòng các hạt photon thì các hạt này có năng lượng (E) được biểu diễn theo biểu thức: E = hν với h là hằng số Planck, h = 6,6262.10–34 J.s Khi các phân tử tương tác với các vùng ánh sáng sẽ hấp thụ năng lượng của ánh sáng và xảy ra các quá trình khác nhau như quay phân tử, dao động nguyên tử trong phân tử và kích thích các electron liên kết, cho các loại phổ khác nhau như phổ quay, phổ hồng ngoại và phổ tử ngoại (Bảng 1). Vùng ánh sáng có bước sóng λ từ 50 nm đến 200nm (phổ tử ngoại chân không, UV vacum) từ 200 đến 400nm (phổ tử ngoại, UV), từ 400–800nm (phổ khả kiến, VIS) và từ 0,8 đến 50 µm (phổ hồng ngoại, IR) được gọi là vùng phổ quang học. Ngoài ra, vùng từ 50 đến 800nm còn có tên gọi là phổ điện tử (hay phổ electron) bao gồm phổ tử ngoại chân không, tử ngoại và khả kiến. Bảng 1. Vùng phổ Năng lượng kcal/mol (eV) 9,4x107 (4,1x106) Số sóng cm–1 3,3x1010 Bước sóng cm 3x10–11 Tần số Hz 1021 5 4 9,4x10 (4,1x10 ) 3,3x108 3x10–9 1019 Tia X 9,4x103 (4,1x102) 3,3x106 3x10–7 1017 Tử ngoại 15 Loại bức xạ 9,4x10 (4,1x10 ) 3,3x10 3x10 10 Khả kiến 9,4x10–1 (4,1x10–2) 3,3x102 3x10–3 1013 Hồng ngoại Bức xạ tia Gama –––––––––––––––––––– Nhiễu xạ tia X –––––––––––––––––––– Tử ngoại (UV) –––––––––––––––––––– Khả kiến (VIS) –––––––––––––––––––– Hồng ngoại (IR) 9,4x10–3 (4,1x10–4) 3,3x100 3x10–1 1011 Vi sóng –––––––––––––––––––– Vi sóng (MW) 1 0 4 –5 9,4x10–5 (4,1x10–6) 3, 3x10–2 3x101 109 9,4x10–7 (4,1x10–8) 3,3x10–4 3x103 107 Tia Gama Loại phổ Vô tuyến –––––––––––––––––––– Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 5 2. ĐỊNH LUẬT LAMBERT–BEER Khi chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc có cường độ Io vào một dung dịch có chiều dày d, nồng độ C và sau khi đi qua cường độ của chùm ánh sáng chỉ còn là I với I < Io (Hình 1) do bị dung dịch chất hấp thụ một phần là (Io–I), theo định nghĩa: I T = 100% được gọi là độ truyền qua. Io A= (Io − I) I 100% được gọi là độ hấp thụ. Sự hấp thụ của ánh sáng có liên quan đến nồng độ, chiều dày lớp mỏng của dung dịch cũng như bản chất của chất hoà tan trong dung dịch theo biểu thức sau: A = log (Io/I)λ = ε Cd ở đây: A–Độ hấp thụ I0 ε–hệ số hấp thụ I C–nồng độ dung dịch d–chiều dày lớp mỏng dung dịch d Hình 1 Phương trình này được gọi là định luật Lambert–Beer và chỉ đúng khi đo ở một bước sóng nhất định. Khi bước sóng λ thay đổi thì A và ε đều thay đổi tức E và ε là hàm số của bước sóng λ, đường biểu diễn của nó là một đường cong có cực đại λmax như dạng phổ tử ngoại và hồng ngoại ở dưới (Hình 2a, b). . Hình 2a. Phổ hồng ngoại của benzamid C6H5CONH2. 6 Hình 2b. Phổ tử ngoại của toluen C6H5CH3. 3. PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI 3.1. Tần số dao động Khi hấp thụ năng lượng từ ngoài các nguyên tử trong phân tử có thể dao động quanh vị trí cân bằng của chúng, năng lượng này được gọi là năng lượng dao động, có giá trị tương ứng với năng lượng vùng hồng ngoại. Các dao động của nguyên tử trong phân tử theo ba hướng toạ độ không gian được gọi là dao động chuẩn. Phân tử với N nguyên tử có 3N–5 dao động chuẩn (phân tử có cấu tạo thẳng như CO2) và có 3N–6 dao động chuẩn (phân tử có cấu tạo không thẳng như H2O). Ngoài dao động chuẩn còn xuất hiện các dao động nền có tần số lớn hơn hoặc bé hơn nhưng cường độ yếu hơn trên phổ. Năng lượng dao động Ev của phân tử gồm hai nguyên tử được tính theo công thức: Ev = hν (½ + v) trong đó ν là tần số dao động của phân tử, h là hằng số Planck; v là số lượng tử dao động, v = 0, 1, 2… Tần số dao động của các phân tử gồm hai nguyên tử được tính theo công thức: 1 ν= k/M 2π 1 ν 1 ν= = = k/M hay số sóng: λ c 2πc ở đây ν là tần số dao động, ν là số sóng, k là hằng số lực của liên kết, c là tốc độ ánh sáng và M là khối lượng rút gọn. M = m1m2 / (m1 + m2) 7 với m1 và m2 là khối lượng nguyên tử. Đối với phân tử gồm nhiều nguyên tử đại lượng k/M được coi là của mỗi nhóm riêng rẽ. Đơn vị của tần số là Hz (hertz), đơn vị của số sóng là cm–1. Dao động chuẩn Các dao động của nguyên tử trong phân tử theo ba hướng toạ độ không gian được gọi là dao động chuẩn. Phân tử với N nguyên tử có 3N–5 dao động chuẩn (phân tử có cấu tạo thẳng như CO2) và có 3N–6 dao động chuẩn (phân tử có cấu tạo không thẳng như H2O). Ngoài dao động chuẩn còn xuất hiện các dao động nền có tần số lớn hơn hoặc bé hơn nhưng cường độ yếu hơn trên phổ. Mỗi phân tử có thể có nhiều dao động chuẩn và mỗi dao động chuẩn này có một mức năng lượng riêng, nghĩa là có một tần số dao động riêng, tuy nhiên có trường hợp hai, ba dao động chuẩn có cùng một mức năng lượng được gọi là sự suy thoái năng lượng, vì thế đối với mỗi phân tử chỉ có một số tần số nhất định ít hơn số dao động chuẩn tính theo công thức trên, những tần số này được gọi là tần số đặc trưng của phân tử. Các dao động chuẩn được phân chia thành hai loại: dao động hoá trị và dao động biến dạng. Dao động hoá trị là dao động làm thay đổi chiều dài liên kết nhưng không làm thay đổi góc liên kết, nó được kí hiệu bằng chữ ν. Ngoài ra còn được phân chia thành dao động hoá trị đối xứng νs và dao động hoá trị bất đối xứng νa. Dao động biến dạng là dao động làm thay đổi góc liên kết nhưng không làm thay đổi chiều dài liên kết, nó được kí hiệu bằng chữ δ và cũng có hai loại là đối xứng δs và bất đối xứng δa. Ví dụ dao động chuẩn của phân tử CO2 và H2O như sau: CO2 có 3 × 3–5 = 4 dao động chuẩn. H2O có 3 × 3–6 = 3 dao động chuẩn Tần số đặc trưng Bảng 2 chỉ ra tần số đặc trưng của các nhóm chức hữu cơ, trên bảng chỉ ra vùng dao động hoá trị và dao động biến dạng. Mỗi nhóm chức có tần số đặc trưng nằm trong một khoảng giới hạn nhất định. Bảng 2. Tần số đặc trưng của các nhóm chức hữu cơ trong phổ hồng ngoại. 8 3.2 Phổ hồng ngoại của hydrocarbon Hydrocarbon bão hoà Hydrocarbon bão hoà chứa các nhóm CH3, CH2 và CH, do đó dao động đặc trưng của chúng là dao động của nhóm C–H và C–C. Nhóm CH3 có hai dao động hoá trị và ba dao động biến dạng với các tần số đặc trưng nằm trong vùng 2960-2870 cm–1 (νC–H) và 1460-1370, 1045 cm–1 (δC–H). Nhóm CH2 có hai dao động hoá trị nằm ở vùng 2930–2850 cm–1 và 4 dao động biến dạng nằm ở vùng 1465-1250 và 790-720 cm–1 (Hình 3).Các dao động biến dạng có tên là dao động hình kéo (1465 cm–1), dao động xoắn, dao động hình quạt (1250 cm–1) và dao động con lắc (720 cm–1). Trên phổ hồng ngoại của methylcyclohexan (Hình 4) cho thấy dao động hoá trị bất đối xứng của liên kết C–H ở 2963,07 cm–1, dao động hoá trị đối xứng của liên kết C–H ở 2867,14 cm–1 và dao động biến dạng của liên kết C–H ở 1457,95 cm–1. Dao động hóa trị CH3 2850–2960 cm–1 C CH2 H H C H H H H H C C H H ν(CH) bÊt ®èi xøng ν(CH) ®èi xøng 2870 (80) 2960 (120) H ν(CH) bÊt ®èi xøng ν(CH) ®èi xøng 2850 (40) 2925 (50) Dao động biến dạng 720, 1000–1465 cm –1 C H H H C H H H δ(CH) bÊt ®èi xøng δ(CH) ®èi xøng 1375 (50) 1460 (50) C H H H C H ρ(CH) 1045 H C H H H C H H C H δ(CH) 1465(10) ρ(CH) ~720(5) τ(CH) ~1250 Hình 3. Dao động hoá trị và dao động biến dạng của nhóm CH3 và CH2. Thực nghiệm thấy rằng phổ hồng ngoại của các phân tử có chứa nhóm isopropyl cho các đỉnh hấp thụ ở 1170 và 1145 cm–1 và có mặt nhóm t-butyl cho các đỉnh 1255 và 1210 cm–1, khi có mặt nhóm cacbon bậc bốn cho đỉnh 1215 và 1195 cm–1. Cycloalkan cho dao động hoá trị của CH ở 3040 cm–1 và dao động biến dạng của CH2 ở 1462 và 1452 cm–1. 9 Bảng 3. Tần số hấp thụ đăc trưng của nhóm methyl CH3 Kiểu Công thức Alkan C H Isopropyl tert–Butyl CH3 CH CH3 CH3 CH3 C Tần số hấp thụ, cm–1 Cường độ Ghi chú 2960±10 2870±10 1450±20 1375±5 m tb tb m Dđ htr bđx Dđ htr đx Dđ bd bđx Dđ bd đx (rất đặc trưng) 1385-1380 1370-1365 m m Dđ bd đx xuất hiện ở dạng doublet đặc trưng 1170±5 1170-1140 m m Dđ khung; nếu không có hiđro ở cacbon trung tâm thì có một băng ở –1 1190±5 cm 1395-1385 1370-1365 tb m 1250±5 1250-1210 m m Dđ bd đx xuất hiện ở dạng doublet đặc trưng; thường băng tần số thấp có cường độ mạnh hơn CH3 Dđ khung Bảng 4. Tần số hấp thụ đặc trưng của nhóm methylen CH2 Kiểu Công thức Tần số hấp thụ, cm–1 Cường độ Alkan –C–CH2–C– 2925±10 2850±10 1465±20 m m tb –C–(CH2)n–C– 750-720 m Dđ đu đưa–(CH2)n–; chỉ xuất hiện khi n≥4 2925±10 2850±10 1465±20 tb tb tb Dđ htr bđx 3000±? 1000–960 920-885 tb tb tb Dđ htr đx 1445 tb 1450 tb m m Cycloalkan CH 2 (CH 2)n n=2 CH2 (CH2)n n=3 CH2 Ghi chú Dđ khung (CH2)n n=4 CH2 (CH2)n n=5 10 1055-1000 1005-950 Dđ htr bđx Alken Alken là hợp chất có chứa liên kết đôi –C=C– do đó trên phổ hồng ngoại của alken xuất hiện đỉnh hấp thụ đặc trưng của C=C ở 1680–1640 cm–1. Dao động hoá trị =CH hấp thụ ở 3100-3000 cm–1 còn dao động biến dạng =CH hấp thụ ở 1000-700 cm–1. Ở các hợp chất alken đối xứng thì dao động của C=C thường không xuất hiện. Tần số đặc trưng của C=C dạng cis ở 1662-1652 cm–1 còn dạng trans ở 1678-1668 cm–1, ngoài ra tần số dao động CH của chúng cũng khác nhau (Bảng 5), do đó căn cứ vào các số liệu này có thể xác định được các alken thế khác nhau.Các alken liên hợp cho hấp thụ ở bước sóng thấp hơn khoảng 1650 cm–1, ở hợp chất cacbonyl không no liên hợp, hấp thụ của C=C ở còn thấp hơn chỉ là 1640-1590 cm–1. Các alken vòng cũng cho hấp thụ của C=C thấp hơn của alken mạch thẳng. Anlen cho hai đỉnh hấp thụ của C=C ở vùng 1980-1900 cm–1 (Bảng 5). Hình 4 chỉ ra phổ hồng ngoại của n-hexen, trên phổ ν(=CH) ở 3077,44 cm–1 và ν (C=C)ở 1641,28cm–1. Bảng 5. Tần số đặc trưng của alken thế –1 Hợp chất Dao động ν, cm RCH=CH2 CH ht CH bd C=C ht 3092–3077 1420–1412, 995–985, 910–905 648–1638 R1CH=CHR2 cis CH ht CH bd C=C ht 3050–3000 1429–1397, 730–650 1662–1631 R1CH=CHR2 trans CH ht CH bd C=C ht 3050–3000 980–965 1678–1668 R1R2 C=CHR3 CH ht CH bd C=C ht 3050–2950 840–790 1692–1667 R1R2 C=CR3R4 C=C ht 1680–1665 –C=C–C=C– C=C ht 1650 Hình 4. Phổ hồng ngoại của n-hexen. 11 Alkyn Đặc trưng hấp thụ của alkyn là dao động hoá trị của liên kết C–H nằm ở khoảng 3300 cm–1 và của C≡C nằm trong vùng 2300-2100 cm–1 với cường độ yếu (Bảng 6). Đối với phân tử alkyn đối xứng như CH3C≡CCH3 thì tín hiệu dao động C≡C vắng mặt. Hình 6 chỉ ra phổ hồng ngoại của pent-1-in, tần số dao động hóa trị của ≡C–H ở 3305,73 cm–1, dao động hóa trị của C–H ở 2966,59; 2938,34; 2876,63 cm–1, dao động hóa trị của C≡C ở 2118,02 cm–1, dao động biến dạng C–H ở 1460,33; 1381,60; 1334,52; 1251,61 cm–1 và dao động biến dạng C≡CH ở 633,03 cm–1. Bảng 6. Tần số hấp thụ của một số alkyn và anlen Hợp chất Dao động ν, cm–1 RC≡CH C−H ht 3310–3300 Ghi chú C−H bd 700–600 C≡C ht 2140–2100 R1C≡CR2 C≡C ht 2260–2190 Không xuất hiện ở các alkyn đối xứng cao. Hợp chất acetilen cũng có đỉnh hấp thụ ở 1750 và 1300–1200 cm–1 C=C=C C=C ht 1970–1950 C−H bd 1060 Chỉ xuất hiện khi ở vị trí đầu Hydrocarbon thơm Các hydrocarbon thơm cho hấp thụ theo ba vùng chính: dao động hoá trị của liên kết C–H nằm trong vùng 3050–3000 cm–1, dao động hoá trị C=C ở vùng 1600–1450 cm–1 và dao động biến dạng của C–H ở 850–700cm–1, ngoài ra còn dao động tổ hợp của vòng ở vùng 1900–1700 cm–1. Dao động hoá trị của C–H có cường độ từ trung bình đến yếu hoặc đôi khi vắng mặt do đỉnh hấp thụ của C–H bão hoà che khuất, thường xuất hiện ở 3050–3030 cm–1. Dao động hoá trị C=C của vòng benzen trong vùng 1600–1450 cm–1 thường cho bốn đỉnh 1600, 1580, 1500, 1450 cm–1; cường độ tín hiệu của các đỉnh này thay đổi từ trung bình đến yếu trong đó đỉnh 1500 thường có cường độ cao hơn đỉnh 1600 cm–1. Ngoài ra cũng thấy đôi khi vắng mặt một, hai đỉnh của vùng này và đỉnh 1580 thường chỉ thấy xuất hiện khi có nhóm liên hợp với vòng benzen. Sự liên hợp làm tăng cường độ tất cả các đỉnh này nhưng ít làm thay đổi vị trí của chúng. Dao động biến dạng C–H trong vùng 900–700 cm–1 thay đổi theo vị trí nhóm thế ở vòng benzen, cường độ của chúng thay đổi từ mạnh đến trung bình. Có thể dựa vào số đỉnh và vị trí của chúng ở vùng này mà xét đoán các dạng đồng phân ở vòng benzen. Hình 5 chỉ ra vị trí và cường độ các tín hiệu hấp thụ của dao động biến dạng C–H ở vòng benzen thế. 12 Hình 5. Dao động biến dạng C–H của vòng benzen thế. Vùng dao động tổ hợp của vòng benzen ở vùng 2000–1600 cm–1 đặc trưng cho vòng benzen thế nhưng cường độ của chúng quá yếu so với các đỉnh khác nên ít thấy xuất hiện trên phổ hồng ngoại của các chất, để ghi được vùng này cần phải ghi mẫu với nồng độ đặc hơn hoặc dùng cuvet có chiều dày lớn hơn bình thường. Ở vùng này mỗi một dạng đồng phân thế mono, di, tri, tetra, penta… có một dạng tín hiệu hấp thụ riêng đặc trưng cho nó, vì thế có thể dựa vào vùng này để nhận biết cấu tạo của đồng phân (Hình 6). Hình 7 chỉ ra phổ của o-, m- và p-xylen, vùng 800–690 cm–1 đặc trưng cho các dao động biến dạng của các đồng phân, m-xylen cho 2 đỉnh 762 và 692 cm–1, o-xylen cho một đỉnh ở 742 cm–1 và p-xylen cho một đỉnh ở 792 cm–1. Hinh 6. Dao động tổ hợp của benzen thế. 13 Hình 7. Phổ hồng ngoại của a) m−xylen, b) o-xylen, c) p-xylen. Naphthalen cho dao động hoá trị của C–H cũng ở vùng 3100–3000cm–1 nhưng dao động hoá trị C=C nằm ở vùng cao hơn là 1950-1600 cm–1 và vùng tần số thấp hơn 1525-1450 cm–1. 3.3. Alcohol, phenol và ether Alcohol Nhóm hydroxy ở alcohol và phenol đặc trưng bởi các dao động hoá trị của O–H nằm ở vùng 3600-3300 cm–1, của C–O ở vùng 1300-1100 cm–1 và dao động biến dạng O–H ở vùng 1400-1250 cm–1. Hình 8 chỉ ra phổ hồng ngoại của 2-propanol. Tần số hấp thụ của OH trong vùng 3600-3300 cm–1 thay đổi tùy theo điều kiện ghi mẫu. Dung dịch alcohol loãng (nồng độ C < 0,01M) OH hấp thụ ở 3600 cm–1, còn dung dịch đặc hấp thụ ở 3330 cm–1 nguyên nhân do alcohol có tạo cầu hiđro giữa các nhóm OH ở dung dịch đặc, tuy nhiên trên phổ thường nhận được cả hai đỉnh trên, tuỳ theo nồng độ của dung dịch mà đỉnh nào có cường độ cao hơn. Ngoài hai đỉnh đó đôi khi còn nhận được đỉnh có tần số 3550-3450 cm–1, đó là tần số đặc trưng cho dạng dimer của alcohol. Dạng liên kết cầu hiđro như dưới đây: O R 14 H O R H O R H Dao động biến dạng OH của alcohol nằm ở vùng 1420-1220 cm–1 tuỳ thuộc vào bậc alcohol: Alcohol bậc 1: 1420 và 1330 cm–1 Alcohol bậc 2: 1420, 1330 và 1220 cm–1 Alcohol bậc 3: 1410 và 1320 cm–1 Phenol Phenol cho dao động của O–H ở vùng 3200-2500cm–1 tuỳ thuộc vào dạng tự do hay liên kết cầu hiđro và dao động nhóm C–O– ở vùng 1200-1150cm–1, ngoài ra còn dao động biến dạng OH ở 1400-1200 cm–1 và đỉnh 950-900 cm–1 dao động ngoài mặt phẳng. Hình 8. Phổ hồng ngoại của 2-propanol. Ether Các ether cho hấp thụ ứng với dao động C–O–C nằm trong vùng 1300-1000 cm–1 tuỳ thuộc vào cấu tạo phân tử: ν, cm–1 Ether mạch thẳng 1140–1085 Ether thơm 1310–1210 Vinylether ν, cm–1 Vòng oxyran 880–805 1270–1028 1050–1010 Epoxy 1225–1200 C 1270–1250 C O 950–810 750 3.4. Hợp chất aldehyd và keton Đặc trưng hấp thụ trong phổ hồng ngoại của aldehyd và keton là tần số hấp thụ của nhóm C=O nằm ở vùng 1800-1660 cm–1 tuỳ thuộc vào cấu tạo khác biệt nhau ở phân tử. Hình 9 chỉ ra phổ hồng ngoại của n-nonylaldehyd, tần số C=O ở 1727,26 cm–1 và CH của aldehyd ở 2715,77 cm–1. 15 Tần số dao động đặc trưng của aldehyd là dao động của C=O và C–H. Dao động hoá trị C=O của aldehyd mạch thẳng nằm ở vùng 1740-1720 cm–1 và aldehyd thơm ở 1740-1685 cm–1. Các aldehyd chưa no hấp thụ C=O ở vùng 1700–1660 cm–1 và C=C ở vùng 1640-1560cm–1; cường độ đỉnh hấp thụ C=C yếu hơn đỉnh hấp thụ C=O. Keton no dạng hơi hấp thụ ở 1742–1738 cm–1 ứng với dao động hoá trị C=O, ở dạng lỏng hấp thụ ở 1725-1705 cm–1. Keton chưa no α, β cho hấp thụ của C=O và C=C thấp hơn của chúng ở dạng biệt lập khoảng 30-50 cm–1 do sự liên hợp của nối đôi C=C với C=O gây ra. Ngoài ra cũng có sự khác biệt giữa dạng S-cis và S-trans, dạng S-cis cho hấp thụ của C=O ở tần số cao hơn dạng S-trans nhưng tần số hấp thụ C=C lại thấp hơn như sau: S-trans C=O 1690–1675cm–1 C=C 1644–1618 cm–1 S-cis C=O 1700–1687 cm–1 C=C 1624–1617 cm–1 O CH3 C R1 C C R2 R1 CH3 C C R3 R2 - trans S trans S- C O R3 cis SS--Cis Các keton vòng cho hấp thụ C=O ở vùng 1780–1700 cm–1 tuỳ thuộc vào độ lớn của vòng như dưới đây: O O ν(C=O) 1780 cm–1 O 1745 cm–1 1715 cm–1 Hình 9. Phổ hồng ngoại của nonyl aldehyd 16 3.5. Acid carboxylic và dẫn xuất Acid carboxylic có chứa nhóm chức carboxylic –COOH nên tần số hấp thụ đặc trưng của nó thể hiện ở tần số dao động của C=O và OH. Tần số hấp thụ C=O của acid cao hơn của aldehyd và keton, ở trạng thái hơi hay trong dung dịch loãng với dung môi phân cực nó nằm ở 1790-1770 cm–1. Thường quan sát thấy ν(C=O) ở acid béo là 1720-1700 cm–1 là tần số dao động của dimer. Acid carboxylic cho hấp thụ của O–H nằm ở vùng 3600-3000 với đặc điểm khác nhau ở dạng monomer và dimer. Ở dạng monomer tần số hấp thụ OH nằm ở 3550 cm–1 còn ở dạng dimer nằm ở 3000 cm–1 nhưng có chân rộng 3500–2500 cm–1. Thực tế acid carboxylic đều nằm ở dạng dimer nên phổ hồng ngoại của acid carboxylic đều cho đỉnh chân rộng ở 3000 cm–1. Ngoài ra, acid carboxylic còn cho dao động hoá trị C–O ở 1250-1200 cm–1 và dao động biến dạng O–H ở vùng 1400-1200 cm–1 và đỉnh đặc trưng ở 930-900 cm–1 với cường độ trung bình. Acid dicarboxylic cho hai đỉnh hấp thụ đặc trưng của C=O, ví dụ acid malonic cho hai đỉnh là 1740 và 1710 cm–1. Anhydrid và peacid cho hấp thụ C=O ở hai đỉnh như sau: Anhydrid (RCO)2O: ν(C=O) 1850–1800 cm–1, 1790–1740 cm–1. ∆ν = 60 cm–1 Peacid RCOOOH: ν(C=O) 1805–1780 cm–1, 1785–1755 cm–1 ∆ν = 25 cm–1 Tần số hấp thụ của C=O ở acid, ester, cloride acid muối carboxylat, aldehyd và keton thay đổi theo thứ tự: Cloride acid > ester > aldehyd > keton > acid carboxylic > muối carboxylat Hình 10 chỉ ra phổ hồng ngoại của acid nonanoic, 3000 cm–1 (chân rộng 3500-2000 cm–1) dao động hóa trị của –OH acid, đỉnh 2926,96; 2858,04 cm–1 dao động hóa trị của C–H, đỉnh 1711,05 cm–1 dao động hóa trị của C=O, 1459,83–1416,04 cm–1, dao động biến dạng C–H, 1288,24; 1229,77 cm–1 dao động hóa trị của C–O, 939, 19 cm–1 dao động biến dạng của O–H. Số sóng (cm-1) Hình 10. Phổ hồng ngoại của acid nonanoic 17 Các ester có chứa nhóm chức –CO–O–C– trong phân tử do đó tần số hấp thụ của nhóm C=O và C–O–C là đặc trưng của chúng. Tần số hấp thụ của C=O nằm trong vùng 1800-1700 cm–1 cao hơn của acid carboxylic tuỳ thuộc vào cấu tạo. Tần số dao động của liên kết C–O–C nằm ở vùng 1300-1150cm–1 với cường độ mạnh là căn cứ quan trọng để xét đoán hợp chất ester. Vùng hấp thụ này thay đổi tuỳ thuộc vào cấu tạo của phân tử. Anhydrid acid –CO–O–CO– cho dao động đặc trưng của C=O ở vùng 1850-1750 phụ thuộc vào cấu tạo phân tử. 3.6. Hợp chất amin và dẫn xuất Amin Amin cho hấp thụ của N–H ở vùng 3500-3300, 1650-1500 cm–1 và C–N ở 1360-1000 cm–1. Trong dung dịch loãng amin bậc 1 cho hai đỉnh hấp thụ của N–H ở 3450-3300cm–1, amin bậc 2 cho một đỉnh hấp thụ ở 3400-3300 cm–1 còn amin bậc 3 không cho hấp thụ ở vùng này vì không có liên kết N–H, ngoài ra amin 1 và amin 2 còn cho một đỉnh hấp thụ ở 1650-1630 cm–1 ứng với dao động biến dạng của N–H và dao động hoá trị C–N của amin thơm ở 1350-1250 cm–1, amin thẳng ở 1250-1000 còn amin bậc 3 cũng cho dao động C–N ở vùng này. Bảng 14 cho hấp thụ đặc trưng NH của một số hợp chất amin. Amid Các amid bậc 1 –CONH2 và amid bậc 2 –CONHR đặc trưng bởi dao động hóa trị NH ở vùng 3500-3300cm–1, amid bậc 1 có 2 đỉnh còn amid bậc 2 chỉ có 1 đỉnh, đồng thời cũng có dao động đặc trưng của C=O và dao động biến dạng NH, gồm 2 đỉnh ở 1690-1630 cm–1 gọi là amid I và amid II. Các nhóm NH tạo cầu hiđro (liên hợp) có tần số νNH thấp hơn khoảng 30 cm–1. Hình 11 chỉ ra phổ hồng ngoại của butylamid, 3354,51; 3189,74 cm–1 dao động hóa trị của NH2, 1668,95 cm–1 dao động hóa trị của C=O (amid I), 1634,19 cm–1 dao động biến dạng NH (amid II), 1424,71 cm–1 dao động biến dạng của C–H. Số sóng (cm–1) Hình 11. Phổ hồng ngoại của butylamid 18 Acid amin Acid amin thường tồn tại như một lưỡng cực: H3N O CH C O Phổ hồng ngoại cho hấp thụ của ion carboxylat COO– và ion amoni +NH3. Tần số hấp thụ của +NH3 ở 3100-2600 cm–1 và 2200-2000 cm–1. Dao động biến dạng bất đối xứng của +NH3 ở 1530-1490 cm–1. Dao động hóa trị bất đối xứng của CO2– ở 1605-1555 cm–1. Dao động hóa trị đối xứng của CO2– ở 1425-1393 cm–1. Dao động biến dạng đối xứng của +NH3 ở 1530-1490 cm–1. Dao động biến dạng của CH ở 1340-1315 cm–1. 3.7. Các hợp chất chứa nitơ khác Hợp chất nitro –NO2 và nitroso –NO Hợp chất nitro chứa nhóm –NO2 có thể biểu diễn cấu tạo của nhóm này dưới dạng meso như sau: O R N O R O N O Do đó tần số đặc trưng của liên kết N=O bị giảm và khác với tần số đặc trưng của C=O, C=C hay C=N. Nhóm NO2 cho dao động hoá trị đối xứng ở 1380-1275 cm–1 và dao động hoá trị bất đối xứng νa ở 1620-1530 cm–1, thay đổi theo mỗi loại hợp chất. Hợp chất nitro bão hoà và chưa bão hoà Hợp chất nitroalkan và nitroalken đều cho hấp thụ của nhóm NO2 ở 1379–1368 cm–1 (νs) và 1567–1550 cm–1 (νa). Hợp chất nitro thơm Hợp chất nitro thơm cho hấp thụ NO2 ở 1570–1490cm–1 (νa) và 1350–1310 cm–1(νs). Hợp chất nitrat R–O-NO2 Nhóm NO2 cho dao động hoá trị hấp thụ mạnh ở 1660-1625 cm–1 (νa), 1285-1270 cm–1 (νs), dao động biến dạng δ NO2 ở 760-745 và 710-690 cm–1 và dao động hoá trị N–O ở 870 cm–1. Nitrit hữu cơ R–O–N=O Dao động N=O hấp thụ mạnh ở 1681-1648 cm–1 (trans) và một vạch yếu ở 1625-1605 cm–1 (cis). Dao động N–O hấp thụ ở 814-751cm–1. 19 Hợp chất nitroso R–N=O Hợp chất nitroso tồn tại dạng monomer R–N=O hay dạng dimer: O O N N cis O N N O trans cho hấp thụ N=O và N→O đặc trưng như dưới đây: Monomer nitroso mạch thẳng: 1621–1539 cm–1 Monomer nitroso thơm: 1513–1488 cm–1 Aminoxyde R3N→O Aminoxyde hấp thụ ở 970-950 cm–1, aminoxyde dị vòng hấp thụ ở tần số cao hơn (1300-1200 cm–1). Vị trí của tần số thay đổi tuỳ theo nhóm thế ở nhân thơm. Nitramin –N–NO2 Nitramin có dao động hoá trị bất đối xứng NO2 nằm ở gần 1580-1530 cm–1 và dao động hoá trị đối xứng NO2 nằm ở 1290–1260 cm–1. Nitrosamin R2N–N=O Ankylnitrosamin thể hơi hấp thụ ở 1490 cm–1 còn trong dung dịch CCl4 hấp thụ ở 1450 cm–1. Dạng dimer hấp thụ ở 1300 cm–1. Azometin R–CH=N–R Nhóm azometin cho hấp thụ C=N ở 1670-1610 cm–1, tuy nhiên ở những hợp chất vòng thơm thì tần số hấp thụ này ít xuất hiện và lẫn với dao động C=C của vòng thơm, ở các azometin mạch thẳng thấy xuất hiện rõ hơn. Azin R–CH=N–N=CH–R Hợp chất azin chứa hai liên kết đôi C=N, hấp thụ ở 1670–1580 cm–1. Dao động biến dạng C–H của azin mạch thẳng hấp thụ ở 1450-1440 cm–1 và750 cm–1 với cường độ yếu. Azo R–N=N–R Các azo thơm cho hấp thụ C=N ở 1577 ± 8 và 1046 ± 14 cm–1 với cường độ yếu. trans-Azobenzen cho hấp thụ tương ứng ở 1457, 970 và 750 cm–1 còn cis-azobenzen cho hấp thụ ở 1330 và 1225 cm–1. Azoxy R − N = N − R ↓ O Nhóm N→O của dẫn xuất azoxy mạch thẳng hấp thụ ở 1316-1240 cm–1, nhóm N=N hấp thụ ở 1515-1490 cm–1. Diazo Muối diazo của nhân thơm cho hấp thụ đặc trưng của liên kết ba N≡N ở 2300-2230 cm–1, của diazoalkan ở 2100-2070 cm–1. 20 Azit R–N3 Các azit hữu cơ cho hấp thụ của dao động đối xứng νs ở 2140-2083 cm–1 và của dao động bất đối xứng νa ở 1351-1256 cm–1. Oxym –C=N–OH Các aldoxym và ketoxym cho đặc trưng hấp thụ của các liên kết O–H, N–O và C–N của nhóm –C=N–OH như sau: νOH 3650-3500 cm–1 (không liên hợp) 3300-3130 cm–1 (liên hợp) νC=N 1685-1650 cm–1 1660-1618 cm–1 νN–O 960-930 cm–1 Các đioxym HO–N=C–C=N–OH cho hấp thụ: νC=O 1680-1620 cm–1 νC=N 1580-1520 cm–1 νOH 1450-1430 cm–1 νN–OH 1080-970 cm–1 Nitrin –C≡N Dao động hóa trị của C≡N nằm ở vùng 2300-2200cm–1 3.8. Hợp chất chứa lưu huỳnh, silic và phosphor Thioalcohol, thiophenol và thioacid Các hợp chất này có dao động của liên kết S–H và C–S đặc trưng trong phổ hồng ngoại: νS–H 2600-2500 cm–1 (liên kết SH không tạo cầu hydro như OH) νC–S 700-600 cm–1 Thioketon và thioamid Nhóm C=S cho hấp thụ ở vùng 1250-1050 cm–1 thấp hơn của nhóm C=O nhiều do nguyên tử S có khối lượng lớn gấp đôi nguyên tử O. Hợp chất chứa nhóm SO và SO2 νSO 1060-1040 cm–1; νSO2 1160-1120 và 1350-1300 cm–1 Hợp chất silic Hợp chất silic cho hấp thụ đặc trưng của các liên kết Si–X ứng với dao động hoá trị và biến dạng: Si–H ở 2250-2100 cm–1, Si–O– ở 1200-830 cm–1, Si–C ở 1300-700 cm–1 và Si–halogen ở 1000-400 cm–1. 21 Hợp chất phosphor Hợp chất phosphor gồm phosphin, acid phosphoric và dẫn xuất có các dao động đặc trưng của các nhóm sau: Nhóm chức ν (cm–1) P–H 2440–2350 P–Ar 1450–1435, 1005–995 P=O 1350–1175 P–O–Ar 1240–1190 P–O–R 1050–995 P–O–P 970–930 P=S 860–600 3.9. Hợp chất cơ kim loại Hợp chất cơ kim loại chứa liên kết C–kim loại (C–Me) có tần số dao động nằm trong vùng phổ biến ở 800–300 cm–1 tuỳ thuộc vào nguyên tố kim loại và gốc hydrocarbon liên kết với kim loại (Bảng dưới). Tần số hấp thụ ν (C–Me) của một số hợp chất cơ kim loại Hợp chất ν, cm–1 Hợp chất ν, cm–1 ν, cm–1 Al2(CH3)6 776, 696, 604, 563 Ge(C2H5)Cl2 596 Al2(CH3)4Cl2 720, 585, 720, 585 Hg(CH3)2 550 Cd(CH3)2 538 LiCH3 514, 417 Cd(CH3)4 538, 602 LiC6H5 421, 378 421, 378 Pb(CH3)4 478 Pb(CH3)3OOCCH3 499 499 Sn(CH3)4 526 Sn(C6H5)4 1062 1062 Sn(CH3)3Cl 513, 545 Sn(C6H5)3Cl 1066 1066 Zn(CH3)2 615 M(C6H5)2 Fe(C6H5)2 478 M=Fe, Ru, Os, Co 479–353 Cr( π–C6H6)2 456 M=Ni, Cr, V, Mg 353–479 550 3.10. Phổ kế hồng ngoại Phổ kế hồng ngoại hiện nay gồm các loại: phổ kế hồng ngoại tán sắc và phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FT–IR). Phổ kế hồng ngoại tán sắc Phổ kế hồng ngoại tán sắc là loại dùng phổ biến trước đây, máy ghi phổ quét cả vùng từ 4000 cm–1 đến 200 cm–1 có nối với bộ tự ghi hay máy vi tính. 22 P 3 M6 M5 M7 M4 A S3 M1 S2 1 M3 M9 4 S 2 S4 M2 S1 M8 Hình 12. Phổ kế hồng ngoại hai chùm tia tán sắc. 1–nguồn sáng; 2–cuvet mẫu và cuvet so sánh; 3–bộ đơn sắc; 4–detector Sơ đồ phổ kế hồng ngoại hai chùm tia tán sắc được chỉ ra trên hình 12. Từ nguồn sáng phát ra hai chùm tia song song, một đi qua mẫu, một đi qua cuvet so sánh, sau đó chập lại đi qua khe vào (S1 và S2) đến lăng kính (hoặc cách tử) rồi qua khe ra đi đến detector. Nguồn sáng cho máy phổ hồng ngoại thường dùng đèn Nernst (hỗn hợp oxyde kim loại 85% ZrO2 và 15% Y2O3), đèn Globa (silic cacbua SiC2), đèn Nicrom (dây đốt niken–crom), nhiệt độ đốt nóng khoảng 700–800oC. Lăng kính gồm 3 cái chế tạo từ các vật liệu KBr, NaCl và LiF vì mỗi loại chỉ cho một vùng ánh sáng hồng ngoại đi qua. Cách tử chế tạo bằng thủy tinh, trên mỗi milimet vạch 200 đến 300 vạch cách đều nhau. Detector cho phổ kế hồng ngoại thường hay dùng là detector tế bào nhân quang, cặp nhiệt điện hoặc hỏa nhiệt. Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FT–IR) Phổ kế hồng ngoại hiện đại là loại phổ kế biến đổi Fourier. Loại phổ kế mới này khác loại phổ kế tán sắc cũ là thay bộ đơn sắc (lăng kính hoặc cách tử) bằng một giao thoa kế Michelson như sơ đồ chỉ ra ở hình 13. M2 F nguån 1 s¸ng O S 2 O M1 3 mÉu ®o 4 ®etect¬ Hình 13. Sơ đồ phổ kế hồng ngoại FT–IR: 1–nguồn sáng; 2–giao thoa kế Michelson; 3–mẫu đo; 4–detector 23 Phương pháp đo mẫu theo kỹ thuật ánh sáng truyền qua Theo kỹ thuật này ánh sáng hồng ngoại chiếu qua mẫu và một phần bị hấp thụ trước khi đi vào bộ phận detector của máy quang phổ. Có các phương pháp đo phổ sau: Phương pháp ép KBr: mẫu rắn (khoảng 3 mg) trộn lẫn với tinh thể muối KBr (khoảng 30 mg), nghiền nhỏ rồi cho vào cối ép (Hình 50) rồi ép bằng máy thủy lực, sau đó thu được một màng mỏng, đặt vào giá cuvet để đo. Phương pháp Nujol: mẫu rắn (khoảng 3mg) được nghiền nhỏ, trộn đều với vài giọt parafin lỏng (nuJol) sau đó bôi lên mặt cửa sổ cuvet để đo. Phương pháp ép KBr mất thời gian dài hơn phương pháp Nujol nhưng tín hiệu trên phổ là hoàn toàn của mẫu, còn phương pháp Nujol cho lẫn cả tín hiệu mạnh của hydrocarbon ở vùng 300-2800 và 1450-1300 cm–1. Phương pháp đo mẫu lỏng Để đo mẫu lỏng cần sử dụng cuvet đựng mẫu như hình dưới: vòng đệm nút teflon tấm giá đỡ phía sau cửa sổ tấm giá đỡ phía trước (1) ốc vặn (2) Hình 14a. (1) Cuvet đo chất lỏng. (2) Các bộ phận của cuvet Cuvet có giá đỡ bên ngoài, phần chính là hai tấm cửa sổ chế tạo bằng tinh thể muối KBr hay NaCl và vòng đệm, có hai lỗ khoan để nạp dung dịch (Hình 14a). Đo mẫu khí: để đo mẫu khí cần cuvet khí như hình dưới (Hình 14b): (1) (2) Hình 14b. (1) Sơ đồ quang của cuvet đo mẫu khí; (2) cuvet đo mẫu khí. 24 Cuvet chế tạo bằng thủy tinh. Hai đầu là hai cửa sổ chế tạo bằng tinh thể muối KBr hay NaCl, có hai van nạp mẫu khí. Hình 15. Phổ kế hồng ngoại FT/IR của hãng NICOLET (Mỹ). 4. PHỔ TỬ NGOẠI VÀ KHẢ KIẾN 4.1. Cơ sở lý thuyết Bước chuyển dời electron Bức xạ ánh sáng vùng tử ngoại khả kiến có bước sóng từ 120 đến 800 nm chia ra các vùng như sau: Tử ngoại chân không: 120 đến 200 nm Tử ngoại: 200-400 nm Khả kiến: 400-800 nm Khi bức xạ tử ngoại khả kiến tương tác với phân tử sẽ kích thích các electron phân tử chuyển dời từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích electron, theo cơ học lượng tử ở trạng thái cơ bản các electron σ, π nằm ở obitan liên kết σ, π và electron không liên kết n nằm ở obitan n, còn ở trạng thái kích thích chúng nằm ở obitan phản liên kết σ* và π*, các bước chuyển dời electron xảy ra như sau: σ π n σ∗ π∗ π∗ σ∗ Các bước chuyển từ obitan liên kết sang obitan phản liên kết còn được biểu diễn theo các kí hiệu như N→V(σ→σ∗, π→π∗), N →Q (n→σ∗, n→π∗). Phân loại các dải hấp thụ Bước nhẩy electron từ obitan có mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao như n→π*, n →σ*, π→π* và σ→σ* cho các dải hấp thụ cực đại λmax khác nhau, các dải hấp thụ này được sắp xếp và phân loại theo bản chất của chúng như sau: Dải R, tương ứng với bước nhảy electron n→π*. Nó xuất hiện ở các hợp chất có chứa các dị tố như O, S, N, halogen… và liên kết π trong phân tử. Đặc trưng của dải R là vị trí của λmax nằm ở phía sóng dài (> 250 nm) nhưng độ hấp thụ phân tử thấp, εmax thường nhỏ hơn 100 và chuyển dịch về phía sóng ngắn trong dung môi phân cực. 25 Dải K, xuất hiện trên phổ của các hợp chất polyen như butadien CH2=CH–CH=CH2, polyenon như vinylmethyl keton CH2=CH–CO–CH3 và các vòng thơm liên hợp với các nhóm –CH=CHR, –COR ... Dải K tương ứng với bước nhảy electron π→π* và đặc trưng ở cường độ hấp thụ cao (εmax> 10.000). Dải K của hệ polyen và polyenon có thể phân biệt ở chỗ trong dung môi phân cực nó chuyển dịch về phía sóng dài đối với polyenon còn ít thay đổi đối với polyen so với trong dung môi không phân cực. Dải B, đặc trưng cho hấp thụ của vòng benzen tương ứng với bước chuyển dời electron π→π*, dải hấp thụ có nhiều đỉnh tinh vi, λmax = 256 nm. Cực đại chuyển dịch về phía sóng dài khi vòng benzen có nhóm thế liên hợp. Dải E, cũng đặc trưng cho vòng benzen tương ứng với bước chuyển dời π→π*, λmax nằm ở vùng sóng ngắn 180,203 nm (εmax > 10.000). Các yếu tố ảnh hưởng đến cực đại hấp thụ Hiệu ứng nhóm thế Khi thay thế nguyên tử H của hợp chất alken hay vòng thơm bằng các nhóm thế khác nhau, tùy theo nhóm thế đó có liên hợp hay không liên hợp với hệ nối đôi của phân tử mà ảnh hưởng nhiều hay ít đến phổ tử ngoại của phân tử. Đối với các nhóm thế không liên hợp (như CH3, CH2OH, CH2COOH) thì ảnh hưởng ít, còn các nhóm thế liên hợp (như C=CR2, COOH, OH, NO2,...) có ảnh hưởng mạnh, làm chuyển dịch cực đại hấp thụ về phía sóng dài và tăng cường độ hấp thụ (Bảng 7). Bảng 7. Ảnh hưởng của nhóm thế trong C6H5–X λmax εmax H 254 204 CH3 261 225 OH 270 1450 COOH 273 970 NH2 280 1430 Hiệu ứng lập thể Tính đồng phẳng của phân tử cũng có ảnh hưởng lớn đến vị trí cực đại hấp thụ, ví dụ diphenyl hấp thụ ở 248 nm ngắn hơn của benzen là 256 nm, nguyên nhân là do hai vòng benzen của diphenyl không nằm trên một mặt phẳng nên sự liên hợp bị phá vỡ. Năng lượng liên hợp được tính theo công thức: ∆E = Emax.cos2θ Hình 16. Sự phụ thuộc của năng lượng liên hợp ∆E vào giá trị θ. 26 Năng lượng liên hợp ∆E phụ thuộc vào giá trị θ (Hình 16), khi θ < 30o thì năng lượng liên hợp ít thay đổi nhưng khi θ tăng lên thì năng lượng này giảm dần và bị phá vỡ hoàn toàn khi θ = 90o. Hình 17 chỉ ra phổ tử ngoại của diphenyl và diphenyl thế, trên phổ thấy rõ sự có mặt của hai nhóm thế methyl ở vị trí 4,4’ của vòng benzen (4,4’-dimethyldiphenyl) thì vị trí cực đại hấp thụ λmax~ 260 nm chuyển dịch về phía sóng dài so với cực đại hấp thụ của diphenyl λmax~ 250 nm nhưng đối với 2,2’-dimethyldiphenyl thì vị trí cực đại thay đổi, hình dạng phổ bị thay đổi tương tự như toluen vì hai nhóm methyl ở vị trí ortho đã đẩy nhau mạnh hơn phá vỡ hoàn toàn sự liên hợp của phân tử. Hình 17. Phổ tử ngoại của dimethylbiphenyl. Ảnh hưởng của dung môi Dung môi có ảnh hưởng mạnh đến vị trí cực đại hấp thụ tùy theo độ phân cực của chúng. Ảnh hưởng này khác nhau đối với các dải hấp thụ khác nhau. Khi tăng độ phân cực của dung môi thì dải K chuyển dịch về phía sóng dài còn dải R (n→π*) lại chuyển dịch về phía sóng ngắn. Hình 3.11 chỉ ra phổ tử ngoại của etyl β-apo-8’-carotenoat trong dung môi etanol và trong hexan cho thấy trong dung môi phân cực etanol, các cực đại đều chuyển về sóng dài đồng thời cấu trúc tinh vi bị mất đi, đỉnh 470 nm chỉ còn lại vai cong nhỏ. Ảnh hưởng của dung môi đến caroten, trong dung môi phân cực các cực đại cũng chuyển dịch về phía sóng dài, tương ứng với bước chuyển π→π*. 4.2. Phổ tử ngoại và khả kiến của hợp chất hữu cơ Hợp chất chứa nhóm mang mầu biệt lập Các hợp chất hữu cơ chứa nhóm mang mầu biệt lập như C=C, C≡C, C=N, C=O, NO2, NH2,... cho các bước nhảy điện tử π→π* nằm ở vùng nhỏ hơn 190 nm (ε 104) và n→π* nhỏ hơn 300 nm (ε 102) (xem Bảng 8). 27 Bảng 8. Phổ tử ngoại của một số nhóm mang mầu biệt lập Nhóm C=C C=O Hợp chất CH2=CH2 (CH3)2C=O C=N C≡C C–Cl (CH3)2C=N–OH H–C≡C–H CH3Cl Bước chuyển π→π* n→π* * π→π π→π* π→π* n→π* λmax 162,5 279 188 193 173 173 logεmax 4,2 1,2 3,3 3,8 2,3 Dung môi Heptan Heptan Etanol dạng khí Hexan Các nhóm gây hiệu ứng cảm ứng (± I) ít ảnh hưởng đến bước chuyển dời electron π→π*, vì hiệu ứng này cũng làm giảm mức năng lượng của obitan π→π* do đó hiệu số năng lượng ∆E ít thay đổi, có nghĩa là λmax ít thay đổi. Trong khi đó hiệu ứng cảm ứng lại ảnh hưởng mạnh đến bước chuyển dời n→π*, bởi vì hiệu ứng +I (ví dụ nhóm CH3 gây ra) làm tăng mức năng lượng obitan n do đó rút ngắn bước chuyển dời electron n→π*, làm giảm mức năng lượng ∆E và λmax chuyển dịch về phía sóng dài. Trái lại, hiệu ứng–I (ví dụ nhóm OH, SH gây ra) làm giảm obitan liên kết n, do đó bước chuyển dời electron n→π* tăng dẫn đến ∆E tăng và λmax chuyển dịch về phía sóng ngắn. Nhưng trên thực tế phân tử có thể chịu nhiều hiệu ứng cùng tác dụng, ví dụ nhóm –CH3 gây hiệu ứng +I nhưng lại gây hiệu ứng siêu liên hợp, hay nguyên tử Cl gây hiệu ứng –I đồng thời gây hiệu ứng liên hợp +C của các eletron n với liên kết π như hình dưới. Các hiệu ứng siêu liên hợp và liên hợp này làm tăng năng lượng π* dẫn đến làm tăng ∆E và λmax chuyển dịch về phía sóng ngắn. H H H3C C O H C C O Cl H Acetaldehyd Acetyl cloride Hợp chất polyen Các hợp chất polyen CH3–(CH=CH)n–CH3 cho hấp thụ cực đại ứng với bước chuyển π→π* nằm trong vùng từ 200-400 nm tùy theo mạch liên hợp dài hay ngắn và các nhóm thế khác nhau có mặt trong phân tử. Đặc điểm của bước chuyển này là có cường độ hấp thụ lớn. Cấu trúc không gian có ảnh hưởng đến vị trí đỉnh hấp thụ (xem Bảng 9). Bảng 9. Hấp thụ cực đại của nhóm polyen Hợp chất CH2=CH–CH=CH2 CH2=CR–CH=CH2 RCH=CH–CH=CH2 CH2=CR–CR=CH2 RCH=CH–CH=CHR CH3–(CH=CH)3–CH3 trans CH3–(CH=CH)4–CH3 trans CH3–(CH=CH)5–CH3 trans C6H5–(CH=CH)3–C6H5 C6H5–(CH=CH)4–C6H5 C6H5–(CH=CH)5–C6H5 C6H5–(CH=CH)6–C6H5 28 λmax 217 220 223 226 227 237 247 275 310 341 358 384 403 420 logεmax 4,3 4,3 4,4 4,3 4,4 3,9 4,3 4,5 4,9 5,1 4,87 4,93 4,97 5,05 Hợp chất polyenin và polyin Các hợp chất polyin cho hai dải hấp thụ ở vùng dưới 300 nm có cường độ hấp thụ cao (ε khoảng 105) và trên 300 nm có cường độ hấp thụ thấp hơn (ε khoảng 102) (Hình 18), cũng như polyen khi mạch liên hợp của các nối ba C≡C ở polyin tăng lên thì cực đại cũng chuyển dịch về phía sóng dài (Bảng 10). Bảng 10. Cực đại hấp thụ của polyin CH3–(C≡C)n–CH3 n λmax, nm ε 2 λmax, nm ε 250 160 3 207 135000 306 120 4 234 281000 354 105 5 264, 5 352000 394 120 Hình 18 chỉ ra phổ tử ngoại của Me–(C≡C)3–CH=CH–CH2CH2COEt Me–(C≡C)3–CH=CH–COOEt (2). Hợp chất (2) có cực đại nằm ở phía sóng dài hơn (1). (1) và Hình 18. Phổ tử ngoại của polyin Hợp chất cacbonyl α, β–không no C=C–C=O Các hợp chất cacbonyl α, β –không no có mạch liên hợp trong phân tử, có các bước chuyển π→π* nằm trong vùng 250-400 nm (ε 104) và bước chuyển n→π* nằm trong vùng lớn hơn 300 nm (ε 10) (Bảng 11). 29 Bảng 11. Cực đại hấp thụ của một số hợp chất cacbonyl α, β–không no π→π* n→π* Hợp chất λmax (nm) lgεmax λmax (nm) lgεmax CH2=CH–CHO 208 4,0 328 1,1 CH3–CH=CH–CHO 220 4,2 322 1,4 CH3–(CH=CH)2–CHO 271 4,4 CH2=CH–CO–CH3 212 3,5 324 1,3 CH2=C(CH3)–CO–CH3 218 3,9 319 1,4 CH3–CH=CH–CO–CH3 224 4,0 315 1,6 (CH3)2C=CH–CO–CH3 235 4,2 314 1,8 CH2=CH–COOH α. Độ lớn các cực đaị λmax của đỉnh α > ρ > β. Khi số vòng tăng lên, từ anthraxen có sự thay đổi λmax theo thứ tự ρ > α > β (Hình 22). . Hình 22. Phổ tử ngoại của benzen, naphthalen, phenantren, antraxen và naptaxen. 33 Hệ dị vòng thơm Các dị vòng thơm chứa N, O, S 5 cạnh và 6 cạnh cho hấp thụ cực đại tương ứng với các bước chuyển điện tử π→π* và n→π*. Dị vòng thiophen, furan và pyrol cho hấp thụ cực đại ở 210-220 nm. Dị vòng pyridin cho phổ hấp thụ rất giống benzen, chứng tỏ đặc tính thơm của vòng pyridin rất gần với benzen (Hình 23 và Bảng 13). Hình dạng đường cong phổ của dị vòng thơm 5 cạnh khác với của benzen trong khi đó hình dạng đường cong phổ của dị vòng thơm pyridin lại rất giống của benzen. Nguyên nhân ở đây chính là sự khác biệt về cấu tạo giữa chúng, tuy cũng được xếp vào hệ vòng thơm nhưng hệ thống electron π ở dị vòng thơm 5 cạnh có khác, 6 electron của chúng là do 4 nguyên tử C đóng góp 4 electron p chưa lai hóa còn dị tố góp một cặp electron không liên kết, trong khi 6 electron π của pyridin do 5 electron p của C và 1 electron p của nguyên tử N góp lại rất giống với hệ thống 6 electron p của 6 nguyên tử cacbon góp lại như hình dưới đây: N N Benzen Pyridin Pyrol Về mặt cấu tạo, so với benzen thì pyridin được coi là nghèo electron còn hệ dị vòng thơm furan, thiophen và pyrol được coi là giàu electron, vì vậy dị vòng thơm 5 cạnh tham gia phản ứng thế electrophil dễ hơn benzen, còn pyridin lại tham gia phản ứng thế electrophil khó hơn benzen. Sự có mặt của nhóm thế liên hợp (OH, NH2, CHO, COOH…) làm chuyển dịch cực đại hấp thụ mạnh hơn nhóm thế cảm ứng (CH3, C2H5) tương tự benzen (Bảng 13). 34 Hình 23. Phổ tử ngoại của một số hợp chất dị vòng Bảng 13. Phổ tử ngoại của một số hợp chất dị vòng. Hợp chất λmax (nm) (lgεmax) λmax (nm) (lgεmax) Hợp chất C=O ht 1880–1760 cm–1: lacton không no 1830–1740 cm–1: lacton no 1770 cm–1: vinylester, phenol ester 1745 cm–1: α–ketonester, ArCOOAr 1735 cm–1: ester mạch thẳng, β–lacton, β–xetoester 1720 cm–1: ester α, β–không no Trong vùng này còn có: C=O ht của hợp chất cacbonyl khác, C=C ht, C=N ht, NO ht. 1300–1050 cm–1 C–O ht 2 đỉnh mạnh của C–O htđ và C–O htb, vị trí gần đúng của dao động htb: 1260 cm–1: ester không no, ester thơm 1240 cm–1: acetat 1210 cm–1: vinylester, phenol ester 1185 cm–1: focmiat, propionat, ester mạch thẳng cao 1180 cm–1: β–lacton 1165 cm–1: methyl ester Trong vùng này còn có: C–O ht của alcohol, ether, acid carboxylic, NO ht, C–S ht, C–F ht. UV ngoài 210 nm Ester của acid không no 230 nm (lgε=4) 1 CH3COO CH2COO So sánh: CH3COO: 2,0–2,6 ppm (vạch đơn) CH2COO: 3,5–4,0 ppm (vạch đơn) C–NMR 165–190 ppm –COOR –COOR C=C–*COOR C6H5–*COOR 165–185 ppm 175–190 ppm 165–167 ppm MS Ion phân tử Mạnh Phân mảnh ở liên kết α: H–NMR 2,1–2,6 ppm 4,0–4,5 ppm 13 O C O+ C OCH3 OH m/e 121 OH C O O m/e 120 142 + OH m/e 93 Vị trí IR 1880–1635 cm–1 m Xếp loại >C=O ht Ghi chú 1880–1760 cm–1: lacton không no 1830–1740 cm–1: lacton no 1770 cm–1: vinylester, phenol ester 1745 cm–1: α–ketonester, ArCOOAr 1735 cm–1: ester mạch thẳng, β–lacton, β–xetoester 1720 cm–1: ester α, β–không no Trong vùng này còn có: C=O ht của hợp chất cacbonyl khác, C=C ht, C=N ht, NO ht. Chuyển vị + O C2H5 C C2H5 C H CH CH CH3 O CH2 m/e 75 H C2H5 C m/e 74 OH OH OH O Bảng 10. Hợp chất loại acid carboxylic C–COOH Vị trí Xếp loại Ghi chú IR 3550–2500 cm–1 y OH ht Liên hợp: hai đỉnh hay một nhóm đỉnh đặc trưng ở 3100–2900 cm–1. Tự do: 3550 cm–1. Trong vùng này còn có dao động của OH ht (alcohol/phenol), NH ht. 1760–1690 cm–1 m C=O ht Dimer, monomer ở xấp xỉ 1760 cm–1 Acid thơm và không no ở 1720 cm–1 Carboxylat COO_ có: C=O htb ở 1620–1520 cm–1 C=O htđ ở 1520–1370 cm–1 Anhydrid 2 đỉnh: 1870–1780 cm–1 1790–1725 cm–1 Halogenacid: 1800–1750 cm–1 1300–1200 cm–1 m C–O st Không có ý nghĩa thực tế. 920 cm–1 tb OH bd (ngoài mặt phẳng) Rộng, đặc trưng cho acid carboxylic. UV ngoài 210 nm Acid α, β–không no: 230 nm (lgε=3–4) 143 Vị trí Xếp loại Ghi chú 1 H–NMR 2,1–2,5 ppm 9,5–13 ppm CH3COO –COOH 13 C–NMR 165–190 ppm –COOH –CH2–COOH C=C–COOH C6H5COOH 165–185 ppm 165–175 ppm 173,5 ppm MS Ion phân tử Mạch thẳng: có thể nhận biết hợp chất thơm:mạnh. Phân mảnh Mach thẳng: m/z=31, 44, 45, M−18, M−17 Hợp chất thơm: m/z=M−45, M−44, M−17 Chuyển vị Mạch thẳng: chuyển vị McLafferty: H R HC R O OH CH H C H + C OH CH2 CH2 H2C OH C m/e 60 Hợp chất thơm: C6H5+ -COOH m/e 77 C6H5C O+ m/e 105 C6H5COOH NO2 OH + -NO2 OH COOH C m/e 121 -NO2 C O+ O O OH+ COOH m/e 137 m/e 109 m/e 81 Bảng 11. Hợp chất loại amid, lactam C–C(=O)–N Vị trí Xếp loại NH ht 144 Ghi chú –1 3500–3400 cm : tự do amid bậc 1: 2 đỉnh amid bậc 2: 1 đỉnh amid bậc 3: vắng 3300–3000 cm–1: liên hợp amid bậc 1: nhiều đỉnh ở 3200–3000 cm–1 amid bậc 2: 2 đỉnh ở 3300 và 3070 cm–1 amid bậc 3: vắng lactam: 2 đỉnh ở 3175 và 3070 cm–1 Trong vùng này còn có dao động hoá trị của OH (alcohol/phenol), NH, CH Vị trí 1690–1530 cm–1 Xếp loại Amid I Amid II UV chỉ có ở vùng SO 210–230 nm (lgε=3,6) 1 H–NMR 2,8 ppm 2,5–3,5 ppm –CH2–SO– –CH2SO2– –CH2SO2– 2,5 ppm, đơn vạch 13 C–NMR 50–55 ppm C–S=O CH2 S O MS Ion phân tử Chuyển vị 54 ppm, CH2 SO2 Vạch isotop đặc trưng ở M−2 O O C6H5 S C2H5 C6H5 S OC2H5 O O C6H5O S C2H5 O C6H5 S + O 148 51 ppm Bảng 15. Hợp chất chứa C, P, O, N và halogen Vị trí IR 2440–2350 cm–1 1600–1500 cm–1 1400–1300 cm–1 1300–1180 cm–1 1050 cm–1 970–910 cm–1 750 cm–1 1400–100 cm–1 800–500 cm–1 Xếp loại P–H ht NO ht NO2 hta NO2 hts P–O ht P–O–C hts P–O–P P–O–C hts C–F ht C–Cl C–Br C–I Ghi chú P–S 800–650 cm–1 Đỉnh rộng C–Cl 600 cm–1 C–Br 600 cm–1 C–I 500 cm–1 UV Đặc trưng đối với các hợp chất nitro thơm, phụ thuộc vào nhân thơm. 1 Thay đổi tuỳ thuộc vào nhóm thế: H–NMR 2,6 ppm 3,1 ppm 4 ppm 7 ppm CH2I CH2Br CH2Cl CH2F CH2–O–P H–P JH–C–: 55 Hz JH–C–C–F: 5–20 Hz JCH–O–P: 10–15 Hz JH–F: 450–550 Hz 1 H–NMR δ, ppm 75-85 90-105 CH2Br 25-45 1 CF3 CHF CH 2F 115-125 CHBr 40-55 1 MS Ion phân tử Phân mảnh CHCl 40-55 45-60 CH 2I CBr 55-70 2 Br-CH=CH-CH3 1 CH2Cl -5-10 H 1 2 2 C C 3 C 4 C 2 C 104,7 C 132,7 (trans) 3 2 C 108,9 C 129,4 (cis) 1 4 CCl3 CCl 65-80 90-105 CHI CI 10-25 30-45 X=Cl X=Br X=I 134,3 128,6 129,8 126,8 122,4 131,4 129,3 126,7 94,4 137,2 129,9 127,1 Ar–NO2: m/z 30, 46 M−46, M−30 Dẫn xuất halogen: thay đổi flo: m/z 19, 20, M−29 clo: m/z 35/37, 36/38, 19/51, M−36/38 iot: m/z 127, 128, M−127 149 Bảng 16. Hợp chất dị vòng thơm furan, thiophen, pyrol, indol Vị trí IR 3400 cm–1 3160–3100 cm–1 1580–1400 cm–1 1268–1015 cm–1 1010–650 cm–1 UV λmax(nm) εmax 207 9100 208 7700 231 7100 215 35500 267 6600 287 4250 (trong cyclohexan) Xếp loại N–H ht pyrol, indol. C–H ht C=C ht C–H bd (vòng) Indol: 1625, 1600, 1565, 1520, 725–710 cm–1. C–H bd (ngoài mặt phẳng) Furan Pyrol Thiophen Indol 1 H–NMR 6–7,5 ppm Ghi chú Đặc trưng cho các hợp chất dị vòng thơm. Nhóm thế liên hợp chuyển dịch về phía sóng dài. 6,37 H C 109,6 * =C–H C 142,6 7,42 H O 7,10 H C 127,2 C 125,4 7,30 H S 13 C–NMR 108–142 ppm =*C–H 6,22 H 121,3 C 128,8 102,6 C C 108,2 123,3 C C 118,5 N H 7,70 120,3 C 6,68 H C C C C H 6,3 C H 6,5 N 125,2 H 111,8 7,0 Tương tác spin–spin H–1H J=0,9–4,7 Hz X J23 J34 J24 J25 O N S 2, 0 2, 7 4, 7 3, 5 2, 1 3, 4 0, 9 1, 3 1, 0 1, 5 – 2, 9 1 MS X Ion phân tử Cơ chế phân mảnh Xuất hiện mạnh. + X=CH HC X HC CH +X CH +CH CH2R X +R X+ + N H 150 CH3 + N m/e 103 Bảng 17. Hợp chất dị vòng thơm pyridin và quinolin Vị trí IR 3100–3135 cm–1 3050–3100 cm–1 1585–1430 cm–1 1620–1350 cm–1 1037–1326 cm–1 600–1000 cm–1 Xếp loại Ghi chú C–H ht C–H ht C=C ht C=C ht β C–H bd γ C–H bd Pyridin Quinolin Pyridin Quinolin π–π* Pyridin, tương tự phổ benzen do hệ thống điện tử π giống nhau. UV λmax(nm) (εmax): *235(3,0); 230(3,1) 246(3,3); 250(3,3); 257(3,4); 263(3,3); *228(4,4); 232(4,4) 275(3,5); 305(3,4); 315(3,4) π–π* Quinolin, tương tự phổ naphthalen. 1 H–NMR 7,0–8,8 ppm * =C–H 13 C–NMR 120–150 ppm =*C–H 7,5 7,7 8,0 H H H 7,4 C 7,1 H C 8,5 H C C 124,5 C 150,6 N C C H C H C C C C N C 7,6 7,3 C H H 8,8 H 8,0 128,3 126,8 C 136,0 C C 128,7C 129,7 C C C 121,5 C149,9 C 150,9 N 130,1 Tương tác spin–spin 1 H–1H J=1–7,5 Hz MS Pyridin: J23=5,5; J34=7,5; J24=1,9; J35=1,6; J260,4; J25=0,9 Ion phân tử Xuất hiện, cường độ trung bình. Cơ chế phân mảnh + CH2 CH2 CH3 N N H CH2 CH2 + CH3 -HCN H + CH3 + N CH 3 N CH3 151 Bảng 18. Độ chuyển dịch hóa học phổ 152 13 C–NMR Bảng 19. Bảng tính ĐCDHH phổ CHTHN–13C của cacbon lai hoá sp3 δ = –2,3 + ΣAi α β δ γ –H –C< 0 9,1 0 9,4 0 –2,5 0 0,3 –C=C< –C≡C– 21,5 4,4 6,9 5,6 –2,1 –3,4 0,4 –0,6 –C6H5 –C=C=C< –CH=O –CO– –COOH –COO– 22,1 14,4 29,9 22,5 20,1 24,5 9,3 5,0 –0,6 3,0 2,0 3,5 –2,6 –5,5 –2,7 –3,0 –2,8 –2,5 0,3 0 0 0 0 0 –COOR –CO–N< –CO–Cl –C=N–OH (syn–) –C=N–OH (anti–) –C≡N 22,6 22,0 33,1 11,7 16,1 3,1 2,0 2,6 2,3 0,6 4,3 2,4 –2,8 –3,2 –3,6 –1,8 –1,5 –3,3 0 0 0 0 0 0 –N≡C 31,5 7,6 –3,0 0 –N< –N+< –NH3+ 28,3 30,7 26,0 11,3 5,4 7,5 –5,1 –7,2 –4,6 0 –1,4 0 –NO2 –O–NO –O–CO –O–CO –O– –F –Cl 61,6 54,3 54,5 62,5 49,0 70,1 31,0 3,1 6,1 6,5 6,5 10,1 7,8 10,0 –4,6 –6,5 –6,0 –6,0 –6,2 –6,8 –5,1 –0,9 –0,5 0 0 0 0 –0,5 –Br –I –S– –SO– –S–CO –SCN 18,9 –7,2 10,6 31,1 17,0 23,0 11,0 10,9 11,4 9,0 6,5 9,7 –3,8 –1,5 –3,6 –3,5 –3,1 –3,0 –0,7 –0,9 –0,4 0 0 0 Nhóm thế 153 Bảng 19a. Bảng hiệu chỉnh lập thể 13 Số nhóm thế nối trực tiếpvới nguyên tử 13C Nguyên tử C 1 0,0 0,0 0,0 –1,5 Bậc 1 Bậc 2 Bậc 3 Bậc 4 2 0,0 0,0 –3,7 –8,4 3 –1,1 –2,5 –9,5 –15,0 4 –3,4 –7,5 –15,0 –25,0 Bảng 19b. Gia số cấu hình K cho mỗi nhóm thế 13 C R ϕ 0o 60o 120o 180o K –4 –1 0 +2 Quay tự do 0 Bảng tính ĐCDHH phổ CHTHN–13C của cacbon lai hoá sp2 (olefin) γ β α C C απ βπ γ π δ = 123,3 + ΣAi + ΣAπi + hiệu chỉnh 154 Bảng 20. Bảng tính ĐCDHH phổ CHTHN–13C của cacbon lai hoá sp2 γ β α Nhóm thế απ βπ γπ –1,5 7,2 6,0 2,0 10,6 25,7 29,0 –C< –OH –OR –7,9 –43,3 –39,0 –1,8 –1,0 –1,0 1,5 3,5 18,0 15,0 13,0 4,0 6,0 13,6 12,5 –O–CO–CH3 –CO–CH3 –CHO –COOH –COOR –C=C< –C6H5 –27,0 6,0 13,0 9,0 7,0 –7,0 –11,0 0,2 –16,0 –C≡N 15,0 –3,9 –N≡C –2,7 22,3 –NO2 –0,9 24,9 2,6 –8,0 –38,0 4.0 –F –Cl –Br –I –S– –34,3 –6,1 –1,0 7,0 –12,7 –0.4 0 3,6 2,0 2,0 3,9 Hiệu chỉnh: α----απ α----απ α----α απ---απ β----β (trans) 0 R (cis) (geminal) (vicinal) C C C C R –1,1 R R –4,8 2,5 R C R C R C R C 2,3 155 Bảng 21. Bảng tính ĐCDHH phổ CHTN–13C của phân tử benzen thế –H – C2H5 – C4H9 – CH2N= –CH2Cl –CF3 –CH=CH2 δ = 128,5 + ΣAi C–1 0 –CF3 9,3 15,6 – C3H7 (iso) 20,2 14,2 –C4H9 (tert) 22,4 15,0 – CH2OH 12,0 9,1 – CHBr 9,2 –9,0 – CH2CN 1,6 9,5 –6,1 –C≡CH –C6H5 (φ) –C≡N –CHO –CO–CH3 –CO–C2H5 –CO–C3H7 (iso) –CO–C4H9 (tert) –CO–C6H5(CO–φ) –CO–N= –CO–Cl –COOH –COOCH3 –COO − –OH –OCH3 –O–C6H5 (–O–φ) − –O –O–CO–CH3 –NH2 –NHCH3 –N(CH3)2 –N(C2H5)2 –N(C6H5)2(–NO2) 156 13,0 –15,4 8,6 9,1 7,6 7,4 9,4 9,4 5,5 5,0 2,1 2,1 8,0 26,9 31,4 29,0 39,6 23,0 18,0 21,7 23,0 20,0 19,0 ortho 0 0,8 –0,4 –2,5 –0,2 –3,1 –1,5 –1,0 0 0,1 –2,2 –0,7 –2,0 3,8 meta 0 0 0 0,1 –0,2 –0,1 –0,2 0 0,2 0,4 0,3 0,5 0,2 0,4 para 0 –2,9 –2,6 –2,4 –2,8 –2,9 –2,0 –1,0 –0,2 –0,3 3,2 –0,7 –0,5 –0,2 –1,0 3,6 1,3 0,1 –1,5 –0,5 –1,1 1,7 –0,5 3,0 1,5 1,1 1,0 –12,7 –14,4 –9,9 –8,2 –6,0 –13,3 –16,2 –16,0 –15,0 –4,0 0,4 0,6 0,6 0 –1,5 –0,5 –1,1 –0,2 –1,0 1,0 0 0,1 0 1,4 1,0 2,0 1,9 1,0 0,9 0,7 1,0 1,0 1,0 –1,0 3,9 5,5 4,2 2,4 4,0 1,7 3,6 5,0 7,0 5,1 4,5 3,0 –7,3 –7,7 –5,0 –13,6 –2,0 –9,8 –11,8 –12,0 –12,0 –6,0 Bảng 22. Bảng tính ĐCDHH phổ CHTHN–13C của các hợp chất kiểu Y–C≡C–X Nhóm thế H CH3 C2H5 C4H9 t–C4H9 C6H5 p–CH3OC6H4 p–CH3C6H4 p–ClC6H4 CH2=CH HC≡C C(CH3)2OH Si(CH3)3 Si(C2H5)3 Ge(CH3)3 Ge(C2H5)3 Sn(CH3)3 Sn(C2H5)3 P(O)(OC2H5)2 C≡N CH3CO OC2H5 SC2H5 COC6H5 (CH3)2COH) –CH2OH X2 49,4 45,0 45,3 46,1 43,8 55,4 54,3 54,9 56,4 56,1 42,2 49,6 72,5 73,2 70,8 72,6 76,2 76,2 66,4 52,6 56,1 –2,9 60,6 58,7 47,7 51,5 X1 –18,9 –11,2 –5,5 –5,9 1,6 –6,9 –7,0 –7,1 –8,3 –9,0 –22,2 –1,5 –1,4 –3,4 –1,4 –4,4 –3,3 –4,7 –17,3 –34,9 –8,1 –2,8 –18,4 –10,0 –1,6 –7,6 Ví dụ 1: Tính cho phân tử n-pentan CH3CH2CH2CH2CH3. Dựa theo bảng tính với cacbon lai hoá sp3, tìm các giá trị δ (xem bảng 19): δ = –2,3 + ΣAi 1 CH3 2 CH2 3 CH2 4 5 CH2 CH3 C(1) có một α–C, một β–C, một γ–C, một δ–C: C(1) = –2,3+9,1+9,4–2,5+0,3 = 14,0 ppm C(2) có hai α–C, một β-C, một γ-C: C(1) = –2,3+2 × 9,1+9,4–2,5 = 22,8 ppm C(3) có hai α-C, hai β-C: C(1) = –2,3 + 2 × 9,1+2 × 9,4 = 34,3 ppm 157 Ví dụ 2: Tính giá trị δ của các nguyên tử C trong phân tử dưới đây (xem bảng 20). H H O C C 1 2 CH3 CH2 3 Cl 4 1. 2. Cơ sở 123,3 Cơ sở –39,0 α –O– –CH2– –7,9 α –CH2– 10,6 –Cl 2,0 β –Cl –1,0 –CH3 –1,8 β –CH3 7,2 απ–απ 2,5 α–α –4,8 απ –O– απ βπ βπ 123,3 76,6 29,0 169,1 79,1 ppm 164,3 ppm Ví dụ 3: Tính giá trị δ của các nguyên tử C trong phân tử dưới đây (xem bảng 21). C3 4C C2 5C C1 O C6 C8 C7H3 O 1. Cơ sở 128,5 2. Cơ sở 128,5 C-1. –O–CO–CH3 23,0 o. –O–CO–CH3 –6,0 m. –Br 1,7 o. –Br 3,4 152,2 ppm 125,9 ppm 3. Cơ sở 128,5 4. Cơ sở 128,5 C-1. –Br –5,5 o. –Br 3,4 m. –O–CO–CH3 1,0 p. –O–CO–CH3 –2,0 124,0 ppm 129,9 ppm 5. Cơ sở 128,5 6. Cơ sở 128,5 m. –O–CO–CH3 1,0 o. –O–CO–CH3 –6,0 m. –Br 1,7 p. –Br –1,7 131,2 ppm 120,8 ppm Ví dụ 4: p-CH3OC6H4–2C≡1C–CH3 (xem bảng 22) δC1 = 41, 2 + X1 (CH 3 ) + X 2 (CH 3OC6 H 4 ) = 41, 2 − 11, 2 + 54,3 = 84,3 (TN : 84, 7) δC2 = 41, 2 + X1 (CH 3OC6 H 4 ) + X 2 (CH 3 ) = 41, 2 − 7,0 + 45 = 79, 2 158 (TN : 80, 2) B. Phần bài tập Bài tập 1 Phân tích phổ của acid shikimic có công thức và các phổ ở dưới. Shikimic Acid Tách ra từ hoa hồi llicium verum Hook. F. (Schisandraceae) C7H10O5, MW 174.15 Tinh thể không mầu, mp 185–187°C, [α]D = –184.2° (c = 0.0104 g/mL, water) O HO C 1 6 2 5 OH 3 4 OH OH Phổ IR 159 Phổ 1H-NMR Phổ COSY 160 Phổ NOESY 13 Phổ APT –J- C-NMR Phổ HSQC 161 Phổ HMBC Phổ MS m/z = 156(M+), 138, 115, 110, 97, 69, 60, 53, 41. Bài tập 2 Eugenol Phân tích phổ của eugenol có công thức và phổ ở dưới Eugenol 4-Allyl-2-methoxyphenol Từ rau húng Syzygium aromaticum (Myrtaceae) C10H12O2, MW 164.20 4-Allylguaiacol, Bioxeda 162 Phổ IR 1 Phổ H-NMR 163 Phổ COSY Phổ 13C-NMR Phổ HSQC 164 Phổ HMBC Phổ NOESY Phổ MS m/z 164(M+) , 149, 137, 131, 121, 109, 91, 77,55 165 Bài tập 3 m.p. 37p 2,102 mg trong 100 ml 95% EtOH Xác định cấu tạo của hợp chất chứa C, H và O, biết: C: 68,1%; H: 7,2% và phổ ở hình a, b, c, d dưới đây. Hình a 166 400 MHz Dung môi: CDCl3 Có tín hiệu δ = 12 ppm (singlet, biến mất khi có mặt D2O) Dung môi: Hình b 167 Đỉnh bị cắt Hình c. Phổ 250 MHz 1H COSY. 168 Đỉnh bị cắt Liên quan 1H (250 MHz) / 13C (phổ 1D 13C đặt trong khung vuông, mối liên quan 1H / 13C thể hiện ở các chấm đen trên phổ) Hình d 169 Bài tập 4 Phim lỏng b.p. 243o, : Pic metastabil 1,482 mg 100 ml của ciclohexan Xác định cấu tạo của hợp chất chứa C, H và O, biết: C: 71,8%; H: 6,8% và phổ ở hình a, b, c, d như sau: Hình a 170 400 MHz Dung môi: CDCl Dung môi: CDCl3 Hình b 171 1 Hình c. Phổ 250 MHz H COSY (Dung môi: CDCl3) 172 Liên quan 1H (250 MHz) / các chấm đen trên phổ) 13 C (phổ 1D 13 C đặt trong khung vuông, liên quan 1H / 13 C thể hiện ở 173 C. Thực tập quang phổ phân tử 1. ĐO PHỔ TỬ NGOẠI VÀ KHẢ KIẾN (UV/VIS) 1.1. Phổ kế và vận hành Phổ kế tử ngoại và khả kiến có thể phân biệt ra hai loại: 1. Loại đo điểm (phổ kế một chùm tia) là đo mật độ quang hay độ hấp thụ của từng bước sóng. Giới hạn vùng bước sóng đo: Sử dụng: Đo phân tích định lượng. 2. Loại đo quét cả dải sóng (phổ kế một chùm tia và phổ kế hai chùm tia), có thể đo mật độ quang hay độ hấp thụ của từng bước sóng hoặc cả dải sóng một cách tự động, có nối kết với máy tính. Giới hạn vùng bước sóng đo: • Từ 200 đến 400 nm • Từ 200 đến 800 nm • Từ 200 đến 1100 nm Sử dụng: Đo phân tích định tính, xác định cấu tạo chất, đo phân tích định lượng. Vận hành: Mỗi loại máy đều có hướng dẫn cách vận hành (điều chỉnh và đo) cần đọc kỹ trước khi sử dụng thiết bị để tránh hư hỏng hoặc đo sai. Với phổ kế đo điểm cần phải điều chỉnh chương trình khe, điểm không, điểm 100% mỗi lần thay đổi bước sóng, phải đặt cuvet so sánh vào máy để chỉnh điểm không (0) sau đó mới đặt cuvet mẫu vào đo. Với phổ kế đo quét cả dải sóng, công việc đơn giản hơn vì máy đã tự động điều chỉnh, chỉ cần đặt cuvet so sánh và cuvet mẫu vào đúng vị trí trong máy và vận hành theo chỉ dẫn. 1.2. Cuvet Cuvet được chế tạo bằng thạch anh, thủy tinh hay chất dẻo có bề dày thay đổi 1 cm, 2 cm và 5 cm; cần chú ý: Cuvet thủy tinh chỉ đo vùng khả kiến (350 – 1100 nm) với dung môi nước và dung môi hữu cơ. Cuvet chất dẻo đo vùng khả kiến (350 – 1100 nm) với dung môi nước không dùng dung môi hữu cơ vì nó có thể phá hủy cuvet. Cuvet thạch anh đo cả vùng tử ngoại và khả kiến (200 – 1100 nm) với dung môi nước và dung môi hữu cơ. Vì cuvet thạch anh đắt nên chỉ sử dụng khi cần thiết. Cần bảo quản cẩn thận cuvet, không được sờ tay hay dùng các loại khăn cứng lau lên bề mặt cửa sổ cuvet, chỉ được cầm vào cạnh cuvet. Tốt nhất là dùng bình nước sạch tia lên cuvet rồi thổi không khí ấm để làm khô. Tuyệt đối không được làm sây sát bề mặt cửa sổ cuvet. 174 1.3. Kiểm tra máy Cần kiểm tra độ chính xác và độ lặp lại của phổ kế qua việc đo dung dịch chất chuẩn: Kiểm tra độ chính xác chiều dài bước sóng của cực đại hấp thụ. Tiến hành đo phổ của các chất trong bảng 1.1 và đối chiếu giá trị cực đại trên phổ với giá trị ghi trên bảng 1.1. Bảng 1.1. Bước sóng hấp thụ của một số chất chuẩn 1. Vùng tử ngoại: STT Chất mẫu đo Nồng độ Bước sóng đối chiếu λmax(nm) 1 Antraxen 15 mg/l trong methanol 375 ; 356 ; 339 ; 323 2 Axetanilit 15 mg/l trong methanol 239 3 Kali bicromat 60 mg/l trong dung dịch acid sunfuric 0,01N 350 ; 257 Holmium-peclorat 40g holmium oxit trong acid peclorit 10% 241,08 ; 249,87; 4 (Cực tiểu 313 ; 235) 278,10 ; 287,18; 333,44 ; 345,47; 361,31 ; 385,66 2. Vùng khả kiến (VIS): STT Chất mẫu đo Nồng độ Bước sóng đối chiếu λmax(nm) 1 mg/l trong nước 655 Rodamin B 1 mg/l trong nước 540 Holmium-peclorat 40g holmium oxit trong acid peclorit 10% 416,28 ; 451,30; 1 Xanh methylen 2 3 467,83 ; 485,29; 536,64 ; 640,52 Kiểm tra độ hấp thụ của máy Đo dung dịch kali bicromat tinh khiết ở chiều dài bước sóng cho ở bảng 1.2, đối chiếu giá trị A trên bảng với giới hạn cho phép. Bảng 1.2. Độ hấp thụ A của dung dịch kali bicromat Bước sóng A (1%, 1cm) Giới hạn cho phép 122,9 đến 126,2 235 124,5 257 144,0 142,4 đến 145,7 313 48,6 47,0 đến 50,3 350 106,6 104,9 đến 108,2 Kiểm tra khả năng phân giải của máy Ghi phổ dung dịch toluen tinh khiết trong cyclohexan tinh khiết với nồng độ 1,2% theo thể tích. Tỷ số tối thiểu giữa độ hấp thụ của cực đại ở gần 269 nm và của cực tiểu ở gần 266 nm A(269)/A(266) được coi như giá trị chuẩn, cho ở bảng 1.3. Giá trị này thay đổi theo bề rộng vân phổ của máy đo. Tùy theo yêu cầu, người ta cho giới hạn cho phép của độ phân giải là nhỏ hơn bao nhiêu so với giá trị chuẩn trên bảng, ví dụ theo Công ty dược Anh (British Pharmacoperia BP) thì tỷ số này không được phép nhỏ hơn 1,5 lần giá trị cho trên bảng. 175 Hình 1.1 chỉ ra phổ UV của toluen trong n-hexan Bảng 1.3. Bề rộng và tỷ lệ độ hấp thụ A(269)/A(266) Bề rộng vân phổ (nm) Tỷ lệ độ hấp thụ ở 269nm và độ hấp thụ ở 266nm [A(269)/A(266)] 0,25 2,30 0,50 2,20 1,00 2,00 2,00 1,40 3,00 1,11 4,00 1,00 1.4. Phân tích định tính 1.4.1. Pha dung dịch p-toludin trong C2H5OH 96% tinh khiết có nồng độ 10–3 mol/l, đo phổ UV với cuvet có chiều dày d = 1 cm. Vẽ phổ UV theo ε = f(λ) và lgε = f(λ) từ 200 đến 350 nm. 1.4.2. Pha dung dịch axetophenon trong n-hexan tinh khiết có nồng độ 10–3 mol/l, đo phổ UV với cuvet có chiều dày d = 1 cm. Vẽ phổ UV theo ε = f(λ) và lgε = f(λ) từ 200 đến 350 nm. 1.4.3. Pha dung dịch o-aminophenol với nồng độ 10–4 mol/l trong: a. Rượu tinh khiết b. Dung dịch rượu – acid (HCl 10–2 N) c. Dung dịch rượu – kiềm (NaOH 10–3 N) Vẽ đồ thị ε = f(λ) và giải thích. Hình 1.1. Phổ UV của toluen 176 1.5. Phân tích định lượng đơn chất 1.5.1. Nguyên tắc chung Để xác định định lượng đơn chất có thể thực hiện theo hai phương pháp: Dung dịch chuẩn so sánh Lập đường chuẩn a) Phương pháp đo một bước sóng Theo phương pháp đo này cần có mẫu chất tinh khiết, trước tiên pha mẫu chất tinh khiết có nồng độ CK đã xác định, sau đó pha dung dịch chất mẫu có nồng độ Cx. Ta có phương trình: DK = εK CK dK hay ε K = DK C K dK (1.1) DX = εX CX dX hay ε X = DX C X dX (1.2) Ở đây: DK là mật độ quang của dung dịch chất tinh khiết. DX là mật độ quang của dung dịch mẫu đo. dK là chiều dày lớp mỏng của dung dịch chất tinh khiết. dX là chiều dày lớp mỏng của dung dịch mẫu đo. εK, εX hệ số hấp thụ mol. CK, CX nồng độ dung dịch chất tinh khiết và mẫu đo. Từ hai phương trình trên suy ra: D .C .d CX = X K K D K .d X Nếu chọn cuvet có chiều dày bằng nhau thì dK = dX, phương trình trên rút lại còn: D .C CX = X K DK (1.3) (1.4) Như vậy, để tìm được nồng độ dung dịch mẫu đo chỉ cần đo được mật độ quang của hai dung dịch ở cùng một bước sóng và pha chính xác nồng độ dung dịch chất tinh khiết. b) Phương pháp lập đường chuẩn Theo phương pháp này cần phải pha nhiều dung dịch chất tinh khiết có các nồng độ khác nhau CK1, CK2, CK3, ... CKn, sau đó đo ở một bước sóng nhất định để nhận được các giá trị mật độ quang tương ứng DK1, DK2, DK3, ... DKn, tiếp theo vẽ đồ thị mật độ quang DK phụ thuộc nồng độ CK, đường biểu diễn đồ thị được gọi là đường chuẩn. Về nguyên tắc thì đường chuẩn là một đường thẳng tuyến tính nhưng thực tế chỉ có một đoạn tuyến tính còn lại bị uốn cong (Hình 1.2). Để tránh sai số lớn, nồng độ của dung dịch mẫu chỉ được nằm trong giới hạn nồng độ tuyến tính (CK1 đến CK4) do đó khi pha chế phải chú ý. Sau khi đo dung dịch mẫu ta nhận được giá trị mật độ quang DX, chỉ cần đối chiếu vào đồ thị chuẩn để tìm giá trị CX. 177 7 DK 6 DK 5 DK 4 MËt ®é quang DK 3 DK 2 DK 1 DK 1 CK 2 CK 3 CK 4 CK Nång ®é 5 CK 6 CK 7 CK Hình 1.2. Đồ thị đường chuẩn. 1.5.2. Xác định acid benzoic a. Nguyên tắc: Mẫu acid benzoic kỹ thuật có hàm lượng chất tinh khiết khoảng 80 – 90%, hòa tan vào dung dịch kiềm rồi đo mật độ quang, tiến hành theo phương pháp cân bằng. b. Chuẩn bị dung dịch chuẩn: Cân chính xác 500,0 mg acid benzoic tinh khiết đựng trong cốc thủy tinh cỡ 100 ml, thêm dần dần 30 ml dung dịch NaOH 10% vào. Lắc cốc cho đến dung dịch trong suốt. Rót dung dịch vào bình định mức cỡ 1000 ml rồi thêm nước cất vào đến đúng vạch định mức. Lấy 20,0 ml dung dịch này cho vào bình định mức cỡ 100 ml, thêm nước cất đến vạch định mức, lắc đều. Sau đó lại lấy 10,0 ml dung dịch này rót vào bình định mức cỡ 100ml khác, lại thêm nước cất vào đến vạch định mức, lắc đều. c. Chuẩn bị dung dịch mẫu: Cân chính xác 500,0 mg mg acid benzoic kỹ thuật đựng trong cốc thủy tinh cỡ 100 ml, thêm dần dần 30 ml dung dịch NaOH 10% vào. Lắc cốc cho đến dung dịch trong suốt. Rót dung dịch vào bình định mức cỡ 1000 ml rồi thêm nước cất vào đến đúng vạch định mức. Lấy 20,0 ml dung dịch này cho vào bình định mức cỡ 100 ml, thêm nước cất đến vạch định mức, lắc đều. Sau đó lại lấy 10,0 ml dung dịch này rót vào bình định mức cỡ 100 ml khác, lại thêm nước cất vào đến vạch định mức, lắc đều. d. Đo phổ Sau khi điều chỉnh phổ kế, đo mẫu và dung dịch chuẩn ở bước sóng 228 nm để được giá trị DX và DK, áp dụng công thức (1.5) tính hàm lượng acid benzoic tinh khiết. 178 Chú ý: Mẫu đo đựng trong cuvet thạch anh. Nếu đo trên phổ kế đo điểm cần điều chỉnh cẩn thận núm chương trình khe, điểm 100% và điểm 0. Nếu đo trên phổ kế quét bước sóng tự động thì có thể đo cả phổ 200 – 400 nm rồi chọn bước sóng thích hợp để tìm DX và DK. e. Tính kết quả: Áp dụng công thức sau: WX = DX .mK .100% DK . .m X (1.5) Ở đây: WX là hàm lượng acid benzoic trong mẫu phân tích. mK là lượng cân acid benzoic tinh khiết. DX là mật độ quang của mẫu đo phân tích. DK là mật độ quang của acid benzoic tinh khiết. mX là lượng cân của mẫu acid benzoic phân tích. 1.5.3. Xác định dung dịch Co2+ a. Nguyên tắc: Dung dịch chuẩn được pha chế từ muối cobancloride với nồng độ 500mg Co /l, sau đó chuẩn độ lại chính xác bằng EDTA III. Dung dịch Co2+ có nồng độ phải xác định chứa khoảng 400 mg/l đến 600 mg/l. Đo mật độ quang ở cực đại hấp thụ của hai dung dịch trên rồi tìm nồng độ chính xác của dung dịch Co2+ theo phương pháp cân bằng (đo một điểm). 2+ b. Chuẩn bị dung dịch chuẩn: Cân khối lượng muối cobancloride để pha dung dịch 500 mg/l Co trong nước, sau đó chuẩn độ lại chính xác bằng dung dịch thuốc thử EDTA III với chỉ thị Muxerit ở pH = 10. Dung dịch mẫu cần xác định nồng độ chứa khoảng 50 mg Co2+ trong 100 ml dung dịch (tương ứng khoảng 500 mg/l Co2+). 2+ c. Đo phổ: Sau khi chuẩn bị phổ kế có vùng phổ từ 360 đến 800 nm có thể tiến hành đo mẫu, dùng cuvet thủy tinh, chất dẻo hay thạch anh đều được. Tùy theo từng loại phổ kế sẽ vận hành theo chỉ dẫn riêng, cần chú ý khi đo là cuvet mẫu phải rửa sạch và tráng lại một lần bằng dung dịch đo, tránh có bọt khí trong cuvet mẫu và dung dịch chất chuẩn. Đo giá trị mật độ quang DK và DX ở cực đại phổ; do đó trước tiên cần đo cả vùng phổ từ 360 đến 800 nm. d. Tính kết quả: Áp dụng công thức: CX = DX .500mg / l DK . (1.6) Ở đây: CX là nồng độ dung dịch Co2+ cần xác định (mg/l). DX là mật độ quang của dung dịch mẫu ở cực đại. DK là mật độ quang của dung dịch chuẩn. 179 1.5.4. Xác định định lượng hai chất trong dung dịch. a. Nguyên tắc: Quá trình xác định thực hiện các bước sau theo phương pháp đo nhiều điểm: Chuẩn bị dung dịch mẫu hỗn hợp của hai chất màu vàng và màu đỏ. Chuẩn bị dung dịch chuẩn của chất màu đỏ và dung dịch chuẩn của chất màu vàng. Đo mật độ quang ở cực đại của chất chuẩn màu đỏ và mật độ quang ở cực đại của chất chuẩn màu vàng. Đo mật độ quang của dung dịch mẫu ở cực đại chất màu đỏ và cực đại chất màu vàng. Tính kết quả theo công thức. b. Chuẩn bị dung dịch Chuẩn bị dung dịch chất chuẩn theo cách cân chính xác 2,5 mg chất màu đỏ và 2,5 mg chất màu vàng rồi pha trong dng môi thích hợp (nước cất, ethanol hay cyclohexan, n-hexan) vào hai bình định mức 100 ml riêng được hai dung dịch chuẩn: dung dịch chuẩn chất màu đỏ (I) và dung dịch chuẩn chất màu vàng (II). Pha dung dịch mẫu chứa 2 mg chất màu đỏ và 3 mg chất màu vàng trong bình định mức 100 ml với dung môi như trên được dung dịch hai chất màu vàng (III). c. Đo phổ: Tiến hành đo mật quang của các dung dịch chuẩn và dung dịch mẫu ở cả cực đại của chất màu đỏ và cực đại của chất màu vàng. Kết quả ghi ở bảng 1.4. Bảng 1.4. Mật độ quang của dung dịch đo Loại dung dịch Mật độ quang ở điểm cực đại Mật độ quang ở điểm cực đại chất màu đỏ chất màu vàng (I) Dung dịch chuẩn chất màu đỏ DIđ DIv (II) Dung dịch chuẩn chất màu vàng DIIđ DIIv (III) Dung dịch mẫu DIIIđ DIIIv d. Tính kết quả theo phương trình sau: D Iđ mđ D Iv mđ .m xđ + .m xđ + D IIđ mv Dv mv .m xv = D xđ .m xv = D xv Ở đây: mđ là lượng cân của chất màu đỏ pha dung dịch chuẩn. mv là lượng cân của chất màu vàng pha dung dịch chuẩn. mxđ là hàm lượng của chất màu đỏ trong dung dịch mẫu. mxv là hàm lượng của chất màu vàng trong dung dịch mẫu. DIđ , DIv ,DIiđ , DIIv , DIIIđ và DIIIv ghi trong bảng. 180 (1.7) (1.8) Thay các kết quả đo vào hai phương trình trên rồi tính, tìm được hàm lượng của hai chất màu trong dung dịch mẫu. 2. ĐO PHỔ HỒNG NGOẠI (IR) 2.1. Phổ kế hồng ngoại (IR) Trong phòng thí nghiệm thường dùng loại phổ kế IR quét dải sóng từ 2,5 µm đến 25 µm tức là từ 4000 cm−1 đến 400 cm−1. Trước đây dùng phổ kế hồng ngoại tán sắc còn hiện nay hầu hết là phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FT - IR), việc điều khiển máy và xử lý tín hiệu đều qua máy tính nhờ các chương trình phần mềm (software). Cần đọc kỹ hướng dẫn trước khi sử dụng. Để đo phổ có thể thực hiện với các loại mẫu rắn, lỏng và hơi theo các phương pháp chuẩn bị mẫu riêng. 2.2. Cửa sổ cuvet 1. Đặc điểm chung Để đo mẫu lỏng và hơi cần phải sử dụng mỗi loại cuvet riêng, hình 2.3 chỉ ra mẫu cuvet khí và hình 2.8 chỉ ra cuvet lỏng. Bộ phận quan trọng của cuvet là cửa sổ, đó là hai bản mỏng hình tròn hoặc hình chữ nhật được chế tạo từ tinh thể muối NaCl, KBr, CaF2, CsBr, AgCl... có bề dày thay đổi. Mỗi loại có đặc điểm là chỉ cho một vùng sóng bức xạ hồng ngoại đi qua và tính chất kỹ thuật riêng như độ bền hay dễ bị phá hủy khi tiếp xúc với hơi nước. Ví dụ cửa sổ NaCl, KBr dễ bị mờ và phá hỏng khi có mặt hơi nước, dễ bị vỡ khi va chạm, tuy nhiên nó lại là loại cửa sổ thông dụng vì rẻ tiền. Bảng 2.1 chỉ ra vùng sóng bức xạ hồng ngoại truyền qua và đặc tính của một số vật liệu làm cửa sổ. 2. Làm sạch cửa sổ Trong quá trình đo mẫu cửa sổ dễ bị bẩn do các mẫu gây ra, cần phải làm sạch. Phương pháp làm sạch các cửa sổ loại tinh thể muối NaCl và KBr là dùng một khăn mỏng mềm hay loại giấy lau mềm, mịn thẫm ướt aceton để lau nhẹ lên bề mặt cửa sổ theo thứ tự sau: • Nhỏ vài giọt aceton lên bề mặt cửa sổ tai chỗ vết bẩn rồi đặt khăn lau hay giấy lau mềm phủ lên. • Lau nhẹ và nhanh trên vết bẩn và cả bề mặt cuvet. • Đặt tấm cửa sổ lên chỗ khô, vẫn dùng khăn đó lau lại vài giây, mở khăn lau ra cho aceton tự bay hơi làm khô. • Nếu vết bẩn chưa sạch có thể làm lại như vậy một hai lần nữa. 3. Làm bóng bề mặt cửa sổ Các cửa sổ dùng lâu thường bị mờ hoặc có các vết xước trên bề mặt, có thể khắc phục theo cách sau: • Đặt một tờ giấy nháp có cỡ 200 hạt/cm2 lên mặt bàn phẳng, nhẵn rồi đặt tấm cửa sổ lên, xoay theo hình số 8 (Hình 2.1a) nhiều lần cho đến khi hết các vết xước và phẳng. 181 • Làm lại thao tác trên nhưng dùng loại giấy nháp cát mịn hơn, cỡ 600 hạt/cm2. Tiếp tục xoay theo hình số 8 cho đến khi bề mặt cửa sổ hoàn toàn mịn. • Dùng một loại khăn mềm, mịn bọc lên một tấm kính phẳng và buộc xung quanh bằng một sợi dây cao su làm đá mài (Hình 2.1b). • Nhỏ một ít chất làm bóng lên tâm của tấm khăn phủ đá mài rồi nhỏ tiếp một ít giọt butanol bão hòa NaCl lên chỗ đó (vì trong ancol thường lẫn một lượng nước sẽ làm vàng bề mặt cửa sổ, khi cho bão hòa NaCl sẽ tránh được hiện tượng này), chú ý không được để rơi muối NaCl không hòa tan hết vào sẽ làm xước bề mặt cửa sổ. • Xoay đều bề mặt cửa sổ trên miếng đá mài trên theo hình số 8 sao cho luôn tiếp xúc với chất làm bóng. • Sau khi làm bóng theo cách này ít phút, nhấc tấm cửa sổ ra, lau bằng một khăn mỏng mềm, sạch, khô. • Quan sát xem cửa sổ đã đạt độ bóng chưa, nếu chưa đạt, làm lại một lần nữa như trên. • Sau khi làm bóng xong một mặt, tiếp tục làm bóng mặt thứ hai. Độ bóng của nó được kiểm tra qua ghi phổ hồng ngoại. Hình 2.2 chỉ ra phổ hồng ngoại của cửa sổ mờ và cửa sổ sau khi làm bóng. Hình 2.1. Kỹ thuật mài cửa sổ. 182 Hình 2.2. Phổ hồng ngoại của cửa sổ mờ (a) và sau khi mài (b). Bảng 2.1. Đặc tính của một số vật liệu làm cửa sổ Vùng sóng truyền qua cm−1 Độ hòa tan trong nước (g/100cc H2O) Đặc tính khác NaCl 50.000 – 650 35,7 Dễ lau sạch và làm bóng bề mặt, hút ẩm, dễ bị mờ,dung môi đo khan, không đắt KBr 10.000 – 400 53,8 Dễ lau sạch và làm bóng bề mặt, hút ẩm,dễ bị mờ, dung môi đo khan, đắt hơn loại NaCl CaF2 48.000 – 1.250 1,7.10-3 Khó cắt, khó làm bóng bề mặt, không bị hơi nước phá hủy, bị muối NH4+ và acid phá hủy, đắt hơn loại NaCl BaF2 50.000 – 1.000 0,17 Khó cắt, có thể làm bóng bề mặt, đo được với dung môi ẩm, bị muối NH4+ và acid phá hủy, đắt hơn loại NaCl CsBr 20.000 – 280 123 Khó cắt, có thể làm bóng bề mặt, nhẹ, dễ biến dạng, dung môi đo khan tuyệt đối, rất đắt. CsI 10.000 – 200 44 Khó cắt, có thể làm bóng bề mặt, nhẹ, dễ biến dạng, nhạy cảm ánh sáng. AgCl 4.000 – 450 8,9.10–5 Khó cắt, có thể làm bóng bề mặt, nhẹ, dễ biến dạng, nhạy cảm ánh sáng, dung môi đo khan. Vật liệu 183 Vật liệu Đặc tính khác Vùng sóng truyền qua cm−1 Độ hòa tan trong nước (g/100cc H2O) AgBr 22.000 – 280 2.10–5 Khó cắt, khó làm bóng bề mặt, rất đắt Irtran-2 17.000 – 715 Không tan Khó cắt, khó làm bóng bề mặt, rất đắt. 20.000 – 250 Không tan Khó cắt, khó làm bóng bề mặt, độc rất đắt. 600 – 1 Không tan Khó cắt và làm bóng bề mặt, bị hấp thụ mạnh trong vùng hồng ngoại cơ bản, sử dụng cho vùng hồng ngoại xa. 25.000 – 360 Không tan Bị phá hủy bởi kiềm. (ZnS) KRS Polyetilen AMTIR 2.3. Kỹ thuật đo dạng khí và hơi a. Cuvet khí Cuvet khí có nhiều loại khác nhau về chiều dài quang trình đi qua cuvet từ 5, 10 cm đến 1, 2, 5, 10, 20 m hoặc còn dài hơn. Loại quang trình dài 5, 10 cm là đơn giản nhất chỉ gồm một ống thủy tinh tròn dài cỡ 5, 10 cm có dung tích 130 đến 200 ml và hai cửa sổ muối KBr, NaCl hay CaF2 ở hai đầu (Hình 2.3a) và hai van nạp, thoát khí. Loại cuvet có quang trình dài hơn 10 cm cần phải có hệ thống gương đặt trong cuvet, quang trình càng dài hệ thống gương càng phức tạp, giá càng cao (Hình 2.3b). b. Đo mẫu Có thể sử dụng cuvet khí để đo phổ hồng ngoại của các chất dạng khí hay hơi như HCl, HCN, CO2, H2O và CO. Áp suất trong bình có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn 760 mmHg tùy theo cấu tạo chịu áp của cuvet, áp suất khí trong bình tỷ lệ với cường độ vạch phổ. Để nạp mẫu khí vào cuvet người ta lắp đặt hệ thống phân phối khí (Hình 2.4). Hệ thống này gồm một nhánh áp suất thấp để hút mẫu từ ngoài và nhánh áp suất cao để nạp mẫu vào cuvet. • Vận hành nạp mẫu khí và ghi phổ: • Hút bơm chân không để đuổi hết khí trong hệ thống (cả cuvet khí nối vào trước). • Đóng van giữa hệ thống và bơm chân không, mẫu khí được đưa vào hệ thống qua ống nạp mẫu cho đến khi áp suất của hệ thống đạt được theo yêu cầu. • Đóng van trên cuvet khí • Mở bơm chân không, hút hết khí còn lại ra khỏi hệ thông sau đó lại tắt bơm. • Khí nén (khí nitơ khô) được mở từ từ vào hệ thống (sau khi van A đóng) cho đến khi áp suất trong ống cao hơn áp suất trên cuvet một ít. • Mở van cuvet, khí nén đi vào cuvet. • Khi đạt được áp suất định trước của cả hệ thống, đóng van cuvet lại, sau đó đóng van dẫn cuvet vào. • Sau khi nạp mẫu xong, đặt cuvet khí vào phổ kế để ghi phổ. 184 Thực hành: Đo phổ hồng ngoại khí HCl, CO2, NH3 Thực hành ghi phổ của khí NH3 qua các bước sau: • Nối bình đựng khí NH3 khan vào cửa nạp mẫu trên hệ thống phân phối khí. • Nối bình khô nén áp suất cao vào cửa nạp khí. • Nối cuvet khí 10 cm vào cửa nối cuvet của hệ thống. • Tiến hành lần lượt các bước nêu trên, nạp khí NH3 vào cuvet dưới áp suất 600 mmHg. • Tháo cuvet khí ra khỏi hệ thống, ghi phổ hồng ngoại vùng 4000 đến 650 cm−1. • Thay cuvet vào hệ thống phân phối khí, nạp khí NH3 khan theo trình tự trên dưới áp suất trên 200 mmHg. Tháo cuvet ra, ghi phổ hồng ngoại. • Thay cuvet mới vào hệ thống phân phối khí, nạp khí NH3 vào dưới áp suất 200 mmHg, sau đó nạp khí N2 khô vào cuvet khí dưới áp suất tổng cộng là 700 mmHg. Tháo cuvet khí ra, ghi phổ hồng ngoại. Đọc và so sánh phổ hồng ngoại ghi được dưới 3 điều kiện áp suất nén khác nhau trong cuvet. Có gì khác? Giải thích tại sao? (a) (b) (a) Hình 2.3. Cuvet khí (a) và đường truyền ánh sáng trong cuvet (b). 185 Hình 2.4. Cấu tao của cuvet khí (trên) và hệ thống phân phối khí (dưới). 2.4. Kỹ thuật đo mẫu màng bột, màng nhão và màng mỏng Để ghi phổ các chất rắn có thể thực hiện theo một số phương pháp khác nhau tùy thuộc vào phương pháp vật lý của nó và điều kiện kỹ thuật của mỗi phòng thí nghiệm. 2.4.1. Phương pháp màng bột 1. Nguyên tắc Trộn mẫu bột mịn với dung môi aceton rồi nhỏ lên mặt NaCl, cho dung môi bay hơi còn lại một lớp màng bột trên mặt cửa sổ, đặt nó vào máy đo phổ. 2. Dụng cụ, hóa chất Cửa sổ NaCl, giá đỡ cuvet tháo rời, cối nghiền, ống nghiệm nhỏ, ống nhỏ giọt, thìa xúc hóa chất loại nhỏ, aceton, chất mẫu đo (ví dụ axetanilit), máy thổi khí nóng (máy sấy tóc). 3. Thực hành • Cân 0,5g axetanilit, cho vào cối sạch đã sấy khô, dùng chày nghiền kỹ thành bột mịn. • Cho bột này vào đáy của một ống nghiệm nhỏ, thêm 1-2ml aceton tinh khiết vào và lắc hỗn hợp cho đến khi thành một dạng nhão (có thể dùng một que thủy tinh sạch khuấy trộn). • Dùng ống nhỏ giọt hút hỗn hợp mẫu trên, nhỏ đều lên bề mặt cửa sổ NaCl (tạo lớp mỏng đường kính 1-2 cm), rồi để cho dung môi bay hơi dần trong một thời gian. 186 • Khi dung môi bay hơi hết, hình thành một màng bột trên bề mặt cửa sổ; cặp tấm cửa sổ này vào giữa hai giá đỡ cuvet vặn ốc giữa lại. • Kiểm tra độ dày của màng bột bằng cách đặt cuvet vào phổ kế đo mẫu, ghi phổ. Nếu thấy đường nền cao quá (độ truyền qua 0-20% T) là mẫu dày, có thể dùng một tấm cửa sổ khác xoa nhẹ lên bề mặt mẫu rồi nhấc ra. Nếu thấy đường nền thấp (độ truyền qua trên 50% T), tín hiệu phổ không xuất hiện hoặc quá ít do lượng mẫu ít, có thể nhỏ thêm mẫu vào màng bột trên như thứ tự từ đầu. 2.4.2. Phương pháp màng nhão (nujol, florolube) 1. Nguyên tắc Trộn mẫu bột mịn với parafin lỏng (C20 – C30, gọi là nujol) tạo thành dạng nhuyễn rồi bôi lên mặt cửa sổ cuvet để đo mẫu. Nujol cho hấp thụ hồng ngoại có các đỉnh mạnh ở vùng 3000 – 2800 cm−1, 1460 và 1376 cm−1, ngoài ra còn có đỉnh nhỏ hơn 720 cm−1 (Hình 2.5a). Để tránh các vùng hấp thụ trên có thể trộn mẫu bột mịn với florolube LG 160 (hợp chất perflohidrocarbon), chất này không cho hấp thụ hồng ngoại trong vùng 4000 – 1330 am-1 (Hình 2.5b). 2. Dụng cụ và hóa chất Cửa sổ NaCl (2), giá cuvet tháo rời, cối nghiền, nujol, florolube AG 160, thìa xúc hóa chất, aceton, axetanilit. 3. Thực hành Cân khoảng 0,1g axetanilit, cho vào cối, dùng chày nghiền mịn, nhỏ 1-2 giọt nujol vào cối, rồi trộn đều tạo thành một thể nhuyễn, dùng thìa xúc hóa chất nhỏ vét chất ở trên thành cối thu lại ở đáy, rồi xúc lên đặt vào tấm cửa sổ cuvet. • Dùng tấm cửa sổ cuvet thứ hai đậy lên và xoa nhẹ đều, tạo thành một màng mỏng hỗn hợp mẫu ở giữa nhưng tránh sự tạo bọt khí. • Kẹp hai tấm cuvet có mẫu chất trên vào giá đỡ rồi đặt vào phổ kế đo. • Kiểm tra: Phổ ghi được có đường nền thấp (độ truyền qua lớn hơn 70% T) và tín hiệu phổ cao nhọn là tốt, nếu đường nền cao, tín hiệu thấp là chế tạo mẫu đo chưa đạt, phải làm lại từ đầu. • Mẫu trộn với florolube thực hiện tương tự như trên. 2.4.3. Phương pháp màng mỏng 1. Nguyên tắc Một số mẫu rắn không thể nghiền thành bột nhưng có thể tan được trong các dung môi hồng ngoại như CCl4, CHCl3, CS2, acetonitrin... có thể chế tạo mẫu đo theo cách hòa mẫu đo vào dung môi trên cho tan hoàn toàn, rồi nhỏ vài giọt dung dịch trên lên mặt cửa sổ, để bay hơi hết dung môi tạo ra lớp màng mỏng trên mặt cửa sổ, có thể đặt vào phổ kế để đo được. Trường hợp một vài dung môi khác có hấp thụ vùng hồng ngoại lớn nhưng dễ bay hơi (aceton, ete...) vẫn có thể sử dụng làm dung môi hòa tan được, nhưng cần chú ý phải để lâu cho dung môi bay hết hoàn toàn. 187 2. Dụng cụ và hóa chất Cửa sổ cuvet NaCl, giá đỡ cuvet tháo rời, cốc nhỏ (25 ml), ống nhỏ giọt, khăn lau, xenluloacetat (hạt), máy thổi khí nóng (máy sấy tóc), bếp điện có tấm kim loại phủ công suất nhỏ (300 – 400W), aceton (CCl4, CS2 ...). 3. Thực hành • Bật bếp điện, điều chỉnh nhiệt độ chỉ ấm tay. • Phủ lên mặt bếp điện khăn lau giấy sạch, đặt cửa sổ cuvet và một cốc nhỏ lên trên đó. • Cho 0,2 g xenluloacetat vào cốc, sau đó thêm aceton vừa đủ cho tan, lắc nhẹ cốc, chờ mẫu tan hết và cửa sổ cuvet đủ ấm nóng. • Chú ý: Không được để bếp điện quá nóng và không được nhỏ dung dịch lên mặt cửa sổ vì sẽ làm nó nứt vỡ. • Dùng ống nhỏ giọt thêm dần dần từng giọt dung dịch mẫu ấm nóng trong cốc lên mặt cửa sổ, cố gắng trải đều thành một lớp mỏng. Sau một thời gian dung môi bay hết sẽ hình thành một màng mỏng trên mặt cửa sổ. • Thổi khí nóng nhè nhẹ lên mặt màng mỏng cho bay hơi hết dung môi (chú ý thổi xa, cho khí không quá nóng). • Kiểm tra lớp màng, phải mỏng và trong cho bức xạ hồng ngoại có thể truyền qua được. • Kẹp tấm cửa sổ có màng mỏng vào giá đỡ cuvet và đặt vào phổ kế để ghi phổ. Nếu phổ có đường nền thấp và tín hiệu phổ cao là mẫu được chuẩn bị tốt. Hình 2.5. Phổ hồng ngoại của a) nujiol (parafin lỏng); b) florolube. 188 2.5. Kỹ thuật đo mẫu ép màng KBr 1. Nguyên tắc Mẫu được trộn lẫn với bột KBr khan trong cối, rồi nghiền mịn và trộn đều, sau đó cho vào khuôn ép thành màng mỏng, đặt vào giá đỡ cuvet để đo phổ. 2. Dụng cụ và hóa chất • Cối nghiền mã não. • Máy nghiền dao động. • Máy ép thủy lực (> 12 tấn) hay máy ép tay. • Khuôn ép. • Bột KBr tinh khiết khan. • Mẫu chất (axetanilit, acid benzoic). • Khuôn ép được chế tạo bằng thép không rỉ, gồm nhiều bộ phận ghép lại (Hình 2.6c,d), chịu áp lực lớn (>12 tấn/cm2). • Máy ép thủy lực có lực ép lớn hơn 15 tấn, dùng để ép mãu dạng màng trong suốt (Hình 2.6a). • Máy ép tay đơn giản và rẻ tiền hơn máy ép thủy lực, tuy nhiên chất lượng mẫu chế tạo kém hơn (Hình 2.6b). 3. Thực hành Cho 3 – 10 mg chất và khoảng 100 mg chất bột KBr khan vào cối mã não, nghiền kỹ và trộn đều. Sau đó dùng thìa xúc hóa chất nhỏ xúc tất cả vào ống đựng mẫu nghiền, cho 3 viên bi vào, đậy nắp lại, đặt vào máy nghiền dao động, bật máy cho chạy 5 phút, tắt máy và tháo ống đựng mẫu ra. Mở ống đựng mẫu, lấy các viên bi ra, dùng thìa hóa chất nhỏ xúc lấy chừng 50 mg mẫu để cho vào cối ép. Chuẩn bị cối ép: Cối ép do các hãng chế tạo có cấu tạo khác nhau, ở đây giới thiệu thao tác sử dụng cối ép của hãng Perkin – Elmer cung cấp. Cối ép bao gồm các bộ phận: Đáy cối (1), thân cối (2), chày (3), thớt dưới (4), thớt trên (5), vòng cao su lớn (6), vòng cao su nhỏ (7), vòng nhựa (8). • Lắp đặt cối và nạp mẫu: • Đặt vòng cao su lớn (6) vào đáy (1). • Đặt thân cối (2) lên đáy cối (1). • Đặt thớt dưới (4) vào lỗ trong cối. Chú ý cho mặt bóng của thớt lên phía trên và phải đặt cho cân, dùng chày (3) ấn nhẹ thớt xuống tận đáy cối, sau đó rút chày ra. • Rải đều mẫu chất lấy cối nghiền ra (khoảng 50 mg) lên mặt thớt trong cối, dùng chày cho vào cối xoay nhẹ vài vòng rồi rút chày ra. • Cho thớt trên (5) vào, chú ý mặt bóng thớt ở phía dưới, đặt thớt cho cân, dùng chày đẩy nó xuống đáy và để yên chày ở đó. • Lồng vòng cao su nhỏ vào đầu trên của chày. • Đặt cối ép vào máy ép thủy lực, vặn vít giữ chặt cối, nối ống nhánh của cối với ống cao su của bơm chân không, cho bơm chạy, nâng hạ cần máy ép thủy lực để tăng áp suất đến khoảng 189 10 tấn (nhìn đồng hồ), để yên 3 – 5 phút, mở van xả khí của máy ép để giảm áp suất xuống bình thường, tắt bơm, tháo ống cao su nối bơm khỏi cối, mở vít trên lấy cối ép ra. • Nhấc thân cối và chày cối khỏi đáy cối ép, dùng ngón tay phải giữ chày và lật ngược thân cối, đặt vòng nhựa lên mặt thân cối, rồi cứ thế để vào máy ép, vặn vít trên cối từ từ để tháo mẫu và thớt cối ra, nhẹ nhàng nhấc thớt dưới cối rồi lấy màng mẫu ra (cẩn thận dễ vỡ!), đặt nó vào giá đỡ cuvet rắn. • Đặt cuvet mẫu vào phổ kế, đo phổ. Thảo luận Phương pháp ép KBr có ưu điểm tránh được các đỉnh hấp thụ lạ của dung môi hay các chất khác trộn vào, nhưng sự chuẩn bị mẫu phức tạp và thời gian kéo dài hơn. Thông thường dùng phương pháp màng nhão nujol để đo phổ thuận tiện hơn và nhanh hơn, cần chú ý vùng cản trở 3000 đến 2800 cm−1 và 1450 – 1300 cm−1 do nujol hấp thụ không đọc được tín hiệu phổ của mẫu đo. Hình 2.6. Cối ép và máy ép. 190 2.6. Kỹ thuật đo mẫu lỏng tinh khiết và dung dịch 1. Nguyên tắc Để đo mẫu lỏng tinh khiết và dung dịch cần phải có cuvet lỏng để đựng mẫu. Dung môi đo thông dụng là CCl4, CHCl3, CS2, acetonitrin... vì các chất này chỉ hấp thụ giới hạn trong vùng hồng ngoại 4000 đến 400 cm−1 (bảng 2.2). Bảng 2.2. Vùng truyền qua của một số dung môi hồng ngoại Vùng truyền qua (cm−1) Dung môi Carbon tetracloride CCl4 4000 – 1600; 1400 – 1000; 700 – 400 Clorofoc CHCl3 4000 – 3100; 2200 – 1600; Acetonitrin CH3CN 4000 – 3000; 1800 – 1500; 1300 – 1100 Carbon disufide CS2 4000 – 2200; 2000 – 1700; 1400 – 400 Cyclohexan C6H12 4000 – 3000; 2800 – 1600; 800 – 600 n-hexan C6H14 2800 – 1600; 700 – 400 Methylen cloride CH2Cl2 4000 – 3200; 1600 – 800; 1050 – 900 2. Cuvet lỏng Cuvet lỏng có cấu tạo chỉ ra ở hình 2.8 gồm hai cửa sổ, một vòng đệm ở giữa tạo ra khoảng rỗng của cuvet, hai vòng đệm bên ngoài và hai tấm giá đỡ, được liên kết lại nhờ bốn ốc vặn. Một phía cuvet có hai lỗ thủng để bơm mẫu vào. Cuvet có loại tháo rời, có khoảng cách giữa hai tấm cửa sổ (gọi là chiều dày cuvet) cố định, có loại không tháo rời được nhưng có thể thay đổi chiều dày cuvet, nhưng rất đắt tiền. Chiều dày cuvet là khoảng cách giữa hai tấm cửa sổ, có thể xác định bằng cách đặt cuvet rỗng vào phổ kế đo, phổ ghi có dạng hình răng cưa (Hình 2.7). Chiều dày d của cuvet được tính theo công thức: 5M d= ν1 − ν 2 (2.1) Ở đây M là số răng cưa trên một đoạn đường cong phổ, ν1 và ν2 là giá trị tần số tương ứng ở điểm đầu và điểm cuối. Ví dụ: M = 11, ν1 = 2900 cm−1 và ν2 = 980 cm−1. 5M 5 ⋅ 11 = = 0,028mm d= ν1 − ν 2 2900 − 980 Hình 2.7. Phổ hồng ngoại đo cuvet rỗng. 191 3. Rửa cuvet Trước khi nạp mẫu vào cuvet cần phải rửa nó bằng dung môi sạch (CCl4, CHCl3, CS2…) 3 – 4 lần theo trình tự sau: Mở hai nút cuvet, đặt dựng đứng cuvet trên lòng bàn tay, ngón tay cái và ngón tay trỏ giữ chắc hai thành giá đỡ cuvet. Dùng bơm tiêm có kim hút dung môi (loại 5 ml), tháo kim ra, cắm trực tiếp đầu bơm tiêm vào một lỗ bơm mẫu trên cuvet (lỗ phía dưới), bơm dung môi vào gần đầy cuvet rồi lại dùng bơm tiêm hút dung môi ra, làm như vậy 3–4 lần (Hình 2.8). Sau khi hút hết dung môi, dùng một dòng không khí hay khí nitơ thổi vào cuvet để làm khô, đuổi hết dung môi ra. Việc rửa cuvet phải thực hiện trước khi nạp mẫu và sau khi đo xong, hút mẫu ra, đó là thao tác quan trọng tránh lẫn tín hiệu phổ của các chất khác. 4. Làm khan dung môi Vì cửa sổ cuvet bằng tinh thể muối KBr, NaCl, CsI… dễ mờ dưới tác dụng của vết nước nên dung môi đo phải được làm khan trước khi sử dụng. Phương pháp đơn giản là cho dung môi chạy qua cột sắc ký với chất nhồi nhôm oxit Al2O3. Dùng cột thủy tinh đường kính 1 cm, dài khoảng 25 cm, nhồi lớp nhôm oxit cao khoảng 15 cm có thể làm khan 0,5 – 1,0L dung môi. 5. Đo mẫu lỏng tinh khiết Mẫu lỏng tinh khiết có độ nhớt thấp có thể nạp vào cuvet có chiều dày 0,02 mm để đo. Chất lỏng tinh khiết có độ nhớt cao (như dầu béo) chỉ cần nhỏ một giọt lên mặt cửa sổ rồi dùng tấm cửa sổ thứ hai đặt lên, xoa nhẹ đều, tránh bọt khí, sau đó đặt vào giá đỡ để đo. - Thao tác nạp mẫu vào cuvet: Tương tự như rửa cuvet, dùng bơm tiêm 5,0 ml hút mẫu, tháo kim ra, cắm trực tiếp đầu kim tiêm vào lỗ nạp mẫu và mở nút thứ hai trên cuvet, từ từ bơm mẫu vào cuvet (loại chiều dày 0,02 mm) cho đến đầy, dừng lại, đặt cuvet trên mặt bàn, đậy hai nút lại. - Chú ý khi bơm không được để có bọt khí trong cuvet và để chất trào ra mặt ngoài cửa sổ. dựng đứng cuvet, nếu thấy bọt khí phải mở nút hút mẫu ra, bơm lại từ đầu. Nếu thấy chất tràn ra mặt cửa sổ phải dùng loại giấy lau mềm thẫm sạch (không được lau chà sát lên mặt cửa sổ để tránh làm xước!), có thể nhỏ vài giọt dung môi khan (CCl4, CHCl3…) vào đó rồi dùng giấy lau mềm thấm khô. 6. Đo mẫu dung dịch - Cuvet lỏng cửa sổ NaCl, chiều dày 0,01 mm được rửa sạch, bơm tiêm 5 ml, kim tiêm, dung môi CCl4 khan, mẫu chất (axetanilit, acid benzoic). - Cho 0,2 g acid benzoic vào một ống nghiệm nhỏ, thêm 2 ml carbon tetracloride CCl4 tinh khiết khan, lắc nhẹ đến tan hoàn toàn. - Dùng bơm tiêm (loại 5 ml) hút lấy 1 ml, rút kim tiêm và bơm trực tiếp vào cuvet lỏng NaCl (0,1 mm) đã rửa và làm khô (thao tác như bơm chất lỏng tinh khiết). Sau khi đầy, không có bọt, đặt cuvet lên bàn, đậy hai nút lại để ghi phổ. - Chuẩn bị cuvet so sánh: Chọn một cuvet lỏng NaCl (0,1 mm) thứ hai, theo cách nạp mẫu trên nạp dung môi (tetracloridecarbon) vào cuvet NaCl (0,01 mm) này. 192 Ghi chú: cần phải thử độ tan của mẫu vào dung môi để chọn dung môi thích hợp, nồng độ dung dịch ghi phổ được tính theo tỷ lệ dưới đây là thích hợp: Dung dịch 10% TL/L đo cuvet có chiều dày 0,1 mm 2% TL/L đo cuvet có chiều dày 0,5 mm 1% TL/L đo cuvet có chiều dày 1,0 mm (TL – trọng lượng mẫu, 1 – thể tích dung môi) Đối với chất lỏng có thể áp dụng tỷ lệ trên theo thể tích V/V vẫn thích hợp. - Đặt cuvet mẫu vào chỗ đặt mẫu và cuvet dung môi vào cửa sổ đặt vuvet so sánh trong phổ kế (với phổ kế hai chùm tia), hoặc tuần tự đặt cuvet so sánh vào trước, đo xong nhấc nó ra và đặt cuvet mẫu vào đo tiếp (với phổ kế FT - IR một chùm tia). - Trong trường hợp dung môi không cản trở vùng tín hiệu phổ cần phát tín hiệu của mẫu chất, có thể chỉ cần đo trực tiếp cuvet mẫu không cần cuvet so sánh, khi đó tuy trên phổ thu được có một vài tín hiệu của dung môi nhưng không ảnh hưởng đến tín hiệu cần phát hiện của mẫu. - Vận hành đo mẫu (ghi phổ). Hầu hết các phổ kế hồng ngoại của các hãng sản xuất hiện nay đều là phổ kế FT – IR một chùm tia, việc vận hành ghi phổ đều qua máy tính có chương trình phần mềm tương ứng, cần phải đọc kỹ bản hướng dẫn sử dụng trước khi vận hành để tránh các sai số đáng tiếc xảy ra. (a) (b) Hình 2.8. Cuvet đo chất lỏng: a) các bộ phận, b) bề ngoài cuvet. 193 Hình 2.9. Phổ hồng ngoại của dung môi: (A) Carbontetracloride, d= 0,1 mm; (B) Carbon disulfide , d= 0,1 mm. 2.7. Phân tích định lượng 2.7.1. Phân tích định lượng đơn chất 1. Nguyên tắc Cơ sở của phương pháp phân tích định lượng hồng ngoại dựa vào phương trình định luật Lambert-Beer: I (2.2) D = lg o = ε.c.d I Ở đây D là mật độ quang, Io là cường độ bức xạ ban đầu, I là cường độ bức xạ sau khi đi qua dung dịch, ε là hệ số hấp thụ, d là chiều dày lớp mỏng, c là nồng độ dung dịch. Đối với một dung dịch chất tinh khiết đo ở một bước sóng nhất định thì giá trị D là hàm số của nồng độ C. Trong phổ hồng ngoại, giá trị Io được xác định là khoảng cách giữa đường nền của một vân phổ và điểm 0 của độ truyền qua T% (Hình 2.10). Còn I là khoảng cách từ đỉnh vân phổ đến điểm 0 của độ truyền qua. Điều khó khăn ở đây là tìm vị trí đường nền để xác định giá trị Io; ví dụ vân phổ có các dạng khác nhau ở hình 2.10 có thể vẽ đường nền theo 3 cách khác nhau. Vì vậy trong phép phân tích định lượng hồng ngoại phải tiến hành phân tích mẫu chuẩn trước để xác định sai số của phương pháp sau đó mới phân tích mẫu chưa biết. 194 Để phân tích đơn chất, nguyên tắc chung phải pha một số dung dịch chuẩn có nồng độ khác nhau, đo phổ tìm giá trị mật độ quang tương ứng, vẽ đồ thị phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ dung dịch Dλ = f(c). Đường biểu diễn về lý thuyết là một đường thẳng tuyến tính được gọi đường chuẩn nhưng trong thực nghiệm bao giờ cũng thu được một đường cong chỉ có một đoạn thẳng tuyến tính, vì thế nó còn được gọi là đường cong chuẩn. Hình 2.10. Ví dụ dung dịch của aceton trong n-hecxan có hai đỉnh ở 1719 cm−1 và 1213 cm−1 là đỉnh của aceton không bị cản bởi n-hexan (Hình 2.11), ta chọn hai đỉnh đó để phân tích. Hình 2.11. Phổ hồng ngoại của n-hexan (─) và aceton (---) . Pha dung dịch chuẩn aceton trong n-hecxan có nồng độ thay đổi từ 0,0 đến 2,5% theo thể tích, đo phổ và tìm giá trị mật độ quang ở 1719 cm−1 và 1213 cm−1 kết quả ghi ở bảng 2.3. Bảng 2.3. Mật độ quang của dung dịch aceton trong n-hecxan Nồng độ aceton (%) Mật độ quang ở 1719 cm−1 Mật độ quang ở 1213 cm−1 0,00 0,0000 0,0000 0,34 0,0802 0,0501 0,63 0,1482 0,0952 1,27 0,3066 0,1817 2,59 0,5869 0,3042 195 Từ bảng trên vẽ đồ thị phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ được hai đường chuẩn ở bước sóng 1719 cm−1 và 1213 cm−1 (Hình 2.12). Nhìn hai đường nhận thấy chỉ có đoạn ứng với nồng độ 0 – 1,2% là tuyến tính, nhưng đường ứng với bước sóng 1719 cm−1 có cường độ cao hơn, vì thế ta sẽ chọn đường này làm đường chuẩn. Hình 2.12. Đồ thị phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ ở bước sóng 1719 và 1213 cm−1. 2. Thực hành Bài 1: Phân tích thành phần aceton trong một hỗn hợp dung môi pha màu chứa aceton và n-hecxan. - Chuẩn bị dung dịch chuẩn: pha chính xác 6 dung dịch chuẩn aceton trong n-hecxan tinh khiết có tỷ lệ % theo thể tích là 0,00; 0,50; 1,00; 1,50; 2,00; 2,50 và 3,00. - Ghi phổ hồng ngoại của các dung dịch này với cuvet có chiều dày d = 0,025. Tính giá trị mật độ quang (lg(Io/I)) ở bước sóng 1719 cm−1 và 1213 cm−1 của 6 dung dịch trên và ghi ở bảng 2.4. Bảng 2.4. Kết quả đo mật độ quang của mẫu STT Nồng độ aceton (%) Mật độ quang ở 1719 cm−1 Mật độ quang ở 1213 cm−1 1 2 3 4 5 6 7 - Vẽ đồ thị phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ theo bảng, tìm khoảng tuyến tính trên đường biểu diễn. - Pha dung dịch mẫu có nồng độ trong khoảng 0,00 – 1,00, ghi phổ hồng ngoại dung dịch này với cuvet có chiều dày d = 0,025 mm; tính mật độ quang ở 1719 cm−1 và 1213 cm−1, đối chiếu với đồ thị trên tìm nồng độ dung dịch. Tính sai số tuyệt đối và sai số tương đối. 196 Hình 2.13. Phổ hồng ngoại của o-xylen (trên) và p-xylen. Bài 2: Vẽ đường cong chuẩn của o-xylen trong dung môi carbondisunfua CS2 và xác định hàm lượng o-xylen trong dung dịch. Pha các dung dịch chuẩn của o-xylen trong CS2 có nồng độ phần trăm thể tích là 0,00; 0,50; 1,00; 1,50; 2,00; 2,50; 3,00; 3,50 và 4,00%. - Ghi phổ hồng ngoại của các dung dịch trên, tính mật độ quang ở bước sóng 744 cm−1 (13,44 µm), lập bảng liên hệ mật độ quang ở bước sóng 744 cm−1 và nồng độ, vẽ đồ thị xây dựng đường cong chuẩn; tìm khoảng tuyến tính trên đường biểu diễn. - Pha dung dịch o-xylen trong CS2 có nồng độ nằm trong khoảng tuyến tính, xác định nồng độ của nó dựa vào phương pháp phổ hồng ngoại như bài 1. Tính sai số của thí nghiệm. Bài 3: Vẽ đường cong chuẩn của p-cresol trong dung môi carbondisunfua CS2 và xác định hàm lượng p-cresol trong dung dịch theo phương pháp phổ hồng ngoại. Thực hiện các bước như bài 1, tính mật độ quang ở bước sóng 820 cm−1 (12,2 µm). 2.7.2. Phân tích định lượng hỗn hợp 1. Nguyên tắc Phương pháp phổ hồng ngoại có thể ứng dụng để phân tích thành phần của hỗn hợp chất. Cơ sở của phương pháp dựa vào tính cộng của mật độ quang, nghĩa là mật độ quang tổng số Dts bằng tổng mật độ quang của các hợp phần theo phương trình Lambert - Beer: Dts = D1 + D2 + D3 + … Dn (2.3) = ε1c1d + ε2c2d + ε3c3d + ... εicid Ở đây ε1, ε2, ε3 là hệ số hấp thụ, c1, c2, c3 … là nồng độ của hợp phần 1, 2, 3… trong dung dịch, d là chiều dày lớp mỏng của dung dịch. Trường hợp các giá trị εI và d đã biết, phương trình trên còn lại ẩn số ci phải tìm, về mặt toán học ta phải có n phương trình, nghĩa là: D1ts = ε11c1d + ε12c2d + ε13c3d + … ε1ncnd D2ts = ε21c1d + ε22c2d + ε23c3d + … ε2ncnd (2.4) ………………………………………….. Dnts = εn1c1d + εn2c2d + εn3c3d + … εnncnd 197 Ở đây ε11 là hệ số hấp thụ ở bước sóng λ1 hay (ν1) của hợp phần 1. ε21 là hệ số hấp thụ ở bước sóng λ1 hay (ν1) của hợp phần 1. εn1 là hệ số hấp thụ ở bước sóng λ1 hay (ν1) của hợp phần 1. Một cách tổng quát εij là hệ số hấp thụ ở bước sóng λj của hợp phần j. Trường hợp hỗn hợp chỉ có ba hợp phần, hệ phương trình trên rút xuống chỉ cần ba phương trình đo ở 1 tần số khác nhau. 2. Thực hành Bài 1: Phân tích thành phần hỗn hợp o-xylen và p-xylen có phổ hồng ngoại chỉ ra ở hình 2.14. Các bước tiến hành: - Rửa sạch cuvet 0,1 mm ba lần bằng CCl4, một lần bằng o-xylen, hút khô cuvet, sau đó nạp đầy o-xylen, đo phổ hồng ngoại. - Lấy o-xylen ra khỏi cuvet, rửa ba lần bằng CCl4, một lần bằng p-xylen, hút khô cuvet, sau đó nạp đầy p-xylen, đo phổ hồng ngoại. - Từ hai phổ nhận được hãy lựa chọn cẩn thận tần số phân tích cho mỗi chất sao cho tại tần số đó không có hấp thụ của chất kia. - Hút sạch p-xylen khỏi cuvet trên, rửa lại ba lần bằng CCl4 sạch khan, hút khô. - Pha hỗn hợp o-xylen và p-xylen có theo tỷ lệ phần trăm tùy ý (phòng thí nghiệm chuẩn bị trước). Nạp đầy cuvet trên sau khi làm khô bằng một dòng khí nóng, đo phổ hồng ngoại của hỗn hợp. - Tính mật độ quang của các chất trên ở tần số đã chọn, thay vào hệ phương trình (2.5) và tính kết quả. (Gợi ý: chọn tần số 742 cm−1 cho o-xylen và 792 cm−1 cho p-xylen theo hai phổ đã chỉ ra ở trên, cho biết tại sao?) (2.5) D742 = εo742Cod + εp742Cpd (1) 792 742 792 D = εo Cod + εp Cpd (2) 742 Ở đây D và D792 là mật độ quang thu được của dung dịch mẫu ở bước sóng 742 và 792 nm, εo742, εo792, εp742, εp742 là hệ số hấp thụ của o-xylen và p-xylen ở các bước sóng trên. Hình 2.14. Phổ hồng ngoại của: a) o-Cresol ; b) m-Cresol ; c) p-Cresol ; a) Phenol. 198 Bài 2: Phân tích các chất o-cresol, m-cresol và p-cresol trong hỗn hợp ba chất trên. Phổ hồng ngoại của chúng chỉ ra ở hình 2.14. Các bước thực hiện: - Rửa sạch cuvet 0,1 mm ba lần bằng CCl4 khan, hút khô, nạp đầy o-cresol tinh khiết, đo phổ hồng ngoại. - Hút hết o-cresol ra, rửa ba lần bằng CCl4 khan, hút khô, nạp đầy m-cresol tinh khiết, đo phổ hồng ngoại. - Hút hết m-cresol ra, rửa ba lần bằng CCl4 khan, hút khô, nạp đầy p-cresol tinh khiết, đo phổ hồng ngoại. - Hút hết o-cresol ra, rửa ba lần bằng CCl4 khan, hút khô cuvet. - Pha hỗn hợp o-cresol, m-crresol và p-cresol theo tỷ lệ tùy ý của phần trăm trọng lượng (phòng thí nghiệm chuẩn bị trước). Nạp đầy hỗn hợp trên vào cuvet vừa rửa sạch và hút khô trên. Đo phổ hồng ngoại của hỗn hợp này. - Từ phổ hồng ngoại của ba chất tinh khiết riêng rẽ trên háy xá định tần số phân tích cho mỗi chất. (Gợi ý: Chọn tần số 752 cm−1 cho o-cresol, 780 cm−1 cho m-cresol, 820 cm−1 cho p-cresol, cho biết tại sao?). - Tính hệ số hấp thụ củ các chất riêng và của hỗn hợp ở tần số đã chọn, thay vào phương trình cho hệ ba hợp phần ở trên. Tính kết quả. Bài 3: Phân tích thành phần của phenol, o-cresol, m-cresol và p-cresol trong hỗn hợp của chúng (Hình 2.14). - Thực hiện tương tự các bước trên nhưng làm cho bốn chất. Chọn tần số thích hợp cho phenol ở 1075 cm−1. - Thiết lập hệ bốn phương trình để tính kết quả. 2.7.3. Phân tích định lượng chất rắn theo phương pháp ép màng KBr Hàm lượng của polyvinyl acetat trong một số polymer hỗn hợp (ví dụ polyvinyl cloride – polyvinyl acetat) có thể được xác định bằng phương pháp phổ hồng ngoại theo kỹ thuật ép màng KBr. Cơ sở phân tích dựa vào độ hấp thụ của nhóm C=O của polyvinyl acetat ở bước sóng 5,8 µm (tần số 1724 cm−1) và độ hấp thụ của kali rodanin KSCN ở bước sóng 4,7 µm (tần số 2128 cm−1). Thực hành: Chuẩn bị một hỗn hợp của kali bromide khan và kalirodanin bằng cách thêm 0,2% trọng lượng KSCN (0,012 g) và 0,60 g KBr, sấy khô ở 120o. Hỗn hợp này được nghiền 5 phút trong cối mã não, sau đó chia ra làm 6 phần. Mỗi phần được cho vào cối có sẵn ba viên bi rồi đặt vào cối nghiền dao động, cho chạy trong 2 phút. Sau đó gộp cả sáu phần lại, cho vào cối mã não nghiền lại một lần nữa rồi lấy ra đựng vào một cốc thủy tinh 25ml và đặt vào bình hút ẩm có chất làm khô P2O5. Lấy khoảng 50 mg polyvinyl acetat cho vào cối nghiền dao động, bật máy chạy 10 phút. Lấy 2,55 mg polyvinyl acetat đã nghiền ở trên, trộn với 97,45 mg hỗn hợp KBr – KSCN đã nghiền và đặt trong bình hút ẩm. Hỗn hợp này được nghiền và trộn đều trong cối mã não trong 3 phút, chuẩn bị làm mẫu đo phổ. 199 Theo cách trên chế tạo các mẫu chứa 0,39; 0,58; 1,02; 1,51 và 2,55 mg polyvinyl acetat, cho thêm hỗn hợp KBr – KSCN đủ 100 mg mẫu, nghiền và trộn lại trong cối để ép mẫu. Lần lượt từng mẫu được đưa vào khuôn ép và ép bằng máy thủy lực với lực ép 7 tấn. Lấy mẫu đã ép ra đặt vào cuvet rắn để đo phổ hồng ngoại. Ghi phổ hồng ngoại của từng mẫu, tính tỷ số mật độ quang ở bước sóng 5,75 µm và 4,70 µm. D5,75 R= (2.14) D 4,70 Ghi các giá trị này vào bảng 2.5. Bảng 2.5. Giá trị mật độ quang và tỷ số R của các mẫu đo Lượng polyvinyl acetat trong 100 mg mẫu Mật độ quang ở 5,75 µm (D5,75) Mật độ quang ở 4,70 µm (D4,70) R 0,39 0,58 1,02 1,51 2,55 Vẽ đồ thị phụ thuộc tỷ số R vào hàm lượng polyvinyl acetat trong mẫu. tìm khoảng tuyến tính của hàm lượng của chất trong mẫu trên đường biểu diễn. Chuẩn bị mẫu đo có hàm lượng polyvinyl acetat trong khoảng tuyến tính (phòng thí nghiệm chuẩn bị trước), đo và tính sai số. Ghi chú: phương pháp phân tích định lượng mẫu rắn theo kỹ thuật ép viên KBr phức tạp lại mắc sai số lớn nên ít được sử dụng. 3. PHƯƠNG PHÁP ĐO PHỔ HỒNG NGOẠI PHẢN XẠ Phương pháp đo phổ hồng ngoại truyền qua trên nguyên tắc khi cho một chùm bức xạ hồng ngoại đi qua mẫu, một phần bức xạ bị hấp thụ, phần còn lại đến detector được phát hiện và ghi lại. Một phương pháp khác đã được thực hiện là cho chùm bức xạ hồng ngoại chiếu vào bề mặt của mẫu, một phần đi sâu vào mẫu bị hấp thụ sau đó phản xạ trở lại đi vào detector, được phát hiện và ghi lại. Phương pháp này gọi là phương pháp đo phổ hồng ngoại phản xạ. Hiện nay có thể thực hiện nó theo một số kỹ thuật khác nhau. 3.1. Kỹ thuật đo phổ hồng ngoại toàn phần suy giảm ATR (attenuated total reflectance spectroscopy) 1. Nguyên tắc Dưới điều kiện nhất định, khi một chùm tia hồng ngoại đi qua một lăng kính hình trụ bằng vật liệu truyền qua tia hồng ngoại có chỉ số khúc xạ cao sẽ bị phản xạ toàn phần bên trong (tinh thể ATR). Khi cho mẫu tiếp xúc với bề mặt tinh thể ATR, phần sóng đi sâu vào mẫu sẽ bị suy giảm trong vùng phổ hồng ngoại do mẫu hấp thụ năng lượng (Hình 3.1). 200 Hình 3.1. Tia hồng ngoại đi qua lăng kính xuyên vào bề mặt mẫu rồi phản xạ. Tính chất của vùng sóng xuyên sâu là cường độ bức xạ hồng ngoại suy giảm một cách lũy thừa với khoảng cách từ mẫu đến bề mặt của tính thể ATR. Khi khoảng cách cỡ micromet, tinh thể ATR thích hợp cho phân tích chiều dày và độ hấp thụ của mẫu. Chiều sâu xuyên qua phụ thuộc vào góc θ của tia tới và tỷ số khúc xạ vật liệu chế tạo tinh thể ATR. 2. Ứng dụng Phương pháp phân tích ATR được sử dụng phân tích các mẫu như polymer, bột xốp, nhũ tương, chất tảy rửa, dầu bôi trơn, sơn, chất sinh học… 3. Thực hành Cần phải có thiết bị đo ATR do hãng sản xuất phổ kế cung cấp, có nhiều loại khác nhau, cần lựa chọn theo yêu cầu và kinh phí cho phép. Hình 3.1 chỉ ra thiết bị đo ATR model 300 của hãng Nicolet; thiết bị này có góc tia tới θ thay đổi giữa 30o và 60o; mẫu được đặt ở mỗi cạnh tinh thể để đạt được cực đại phản xạ trên bề mặt mẫu. 3.2. Kỹ thuật đo phổ hồng ngoại khuếch tán 1. Nguyên tắc Trong phương pháp đo phổ hồng ngoại khuếch tán mẫu chất có thể được phân tích trực tiếp hoặc trộn lẫn với các chất không hấp thụ tương tự như KBr trong phương pháp đo phổ hồng ngoại hấp thụ. Khi bức xạ hồng ngoại chiếu trực tiếp lên bề mặt của mẫu rắn thì hai loại năng lượng phản xạ có thể xảy ra. Một là phản xạ gương và hai là phản xạ khuếch tán. Hợp phần phản xạ gương là bức xạ phản xạ phẩn xạ trực tiếp từ bề mặt mẫu (đó là năng lượng không bị mẫu hấp thụ). Phản xạ khuếch tán là bức xạ đi sâu vào bên trong mẫu, bị hấp thụ một phần ròi thoát khỏi đi ra ngoài (Hình 3.2). 201 Hình 3.2. I – tia tới ; P- Tia phản xạ ; K – Tia khuyếch tán. Thiết bị phản xạ khuếch tán được chế tạo sao cho năng lượng phản xạ khuếch tán là tối ưu và hợp phần phản xạ gương là cực tiểu. hệ thống quang học sẽ thu góp các bức xạ khuếch tán dẫn trực tiếp vào detector hồng ngoại. Mẫu đo được chế tạo theo cách trộn lẫn chất mẫu với bột KBr là chất không hấp thụ để làm tăng tỷ lệ chùm bức xạ khuếch tán lên. Các mẫu đo hữu cơ thường có tỷ lệ chất mẫu và KBr là 1:9, còn các mẫu đo vô cơ tỷ lệ này là 1:20 theo trọng lượng. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo là chỉ số khúc xạ của mẫu, kích thước hạt, độ đồng chất của mẫu và nồng độ của chất mẫu trong mẫu đo. 2. Ứng dụng Kỹ thuật đo phổ hồng ngoại khuếch tán rất thuận lợi cho phân tích các chất rắn, đặc biệt là các chất dạng bột, cả chất hữu cơ và chất vô cơ, nó cho phép chế tạo mẫu đơn giản hơn nhiều so với phương pháp ép KBr hay nujol. Phương pháp này cũng rất nhạy cho phân tích lượng vết các chất rắn cũng như lỏng, độ nhạy đạt nanogam. 3. Thực hành Thiết bị đo phổ hồng ngoại khuếch tán có nhiều loại như COLLECTORTM, đường cơ bản, gemini. COLLECTORTM là thiết bị dùng đo phỏ hồng ngoại biến đổi Fourier phản xạ khuếch tán phức tạp nhất (Hình 3.6). Mẫu phân tích có thể để nguyên hay trộn với tinh thể KBr hoặc NaCl. Lượng mẫu thô là 0,25 g và micro là 0,01g. 3.3. Kỹ thuật đo phổ hồng ngoại phản xạ ngoài 1. Nguyên tắc Kỹ thuật đo phổ phản xạ ngoài cho phép đo phổ bề mặt và lớp bao phủ ngoài của kim loại, nhựa, màng polymer, sơn, chất bán dẫn và nhiều thứ khác không cần phải chế tạo mẫu đo như các phương pháp đo phổ truyền qua. Kỹ thuật này có nhiều giải pháp: Phản xạ gương (specular reflection) xảy ra trên bề mặt mẫu khi chùm bức xạ hồng ngoại chiếu vào bề mặt mẫu, một phần đi sâu vào mẫu bị hấp thụ, phần khác phản xạ lại, góc phản xạ R bằng góc tới I. Lượng bức xạ phản xạ phản xạ phụ thuộc vào góc tới I, chỉ số khúc xạ của mẫu, bề mặt gồ ghề và đặc tính hấp thụ của mẫu (Hình 3.7). 202 Hình 3.3. Phản xạ gương. Phương pháp đo phổ hồng ngoại phản xạ gương thích hợp cho các mẫu có độ phản xạ cao. Độ lớn của góc tới được lựa chọn phụ thuộc vào chiều dày lớp bao phủ bề mặt mẫu đo, ví dụ lớp bao phủ có chiều dày mỏng cỡ nanomet thì góc tới khoảng 80o là thích hợp. Các mẫu có bề dày gồ ghề, chiều dày lớp mỏng bao phủ cỡ micromet thì góc tới khoảng 30o. Phản xạ hấp thụ gần bình thường (near – normal reflection absorption) xuất hiện khi bức xạ hồng ngoại chiếu vào bề mặt mẫu được đặt trên một bề mặt phản xạ sẽ phản xạ lại (Hình 3.4). Trong trường hợp này năng lượng thu được sẽ lớn hơn năng lượng phản xạ gương thu được. Vì bức xạ hai lần đi qua mẫu nên quang trình của nó lớn hơn trường hợp truyền qua. Mẫu phân tích theo phương pháp phản xạ hấp thụ gần bình thường có chiều dày khoảng 0,5 đến 20 micron. Hình 3.4. Phản xạ hấp thụ. 2. Ứng dụng Đo phổ hồng ngoại các bề mặt mẫu kim loại, các lớp mỏng cao phân tử, chất dẻo, vải sợi, các chất bán dẫn, không cần chế tạo mẫu đo. 3. Thực hành Thiết bị đo phổ hồng ngoại gương có nhiều loại khác nhau như loại có góc tới thay đổi từ 20 đến 85o, loại góc tới cố định với 45o, 30o, 11o… để đo các lớp mỏng có bề dày khác nhau. Loại góc tới 45o đo các màn bao phủ (chiều dày >1 micron) hay thủy tinh trên polymer. Loại góc 30o đo các mẫu màng bao phủ (chiều dày >1 micron) trên polymer, loại góc tới 11o đo các bề mặt kim loại và chất dẻo nhẵn bóng. Sơ đồ lắp đặt thiết bị phản xạ (hình 3.5, 3.6, 3.7). 203 Hình 3.5. Thao tác lằp đặt bộ phận phản xạ vào phổ kế hồng ngoại. Hình 3.6. Phổ kế hồng ngoại với bộ phận phản xạ. 204 Hình 3.7. Sơ đồ hoạt động của thết bị đo phản xạ. 1-Đặt thiết bị phản xạ vào phổ kế; 2- Thử hoạt động của thiết bị; 3-Nạp mẫu; 4-So sánh phổ hồng ngoại ghi trên phổ kế theo phương pháp đo phản xạ. 205 [...]... súng di cũn di R (n*) li chuyn dch v phớa súng ngn Hỡnh 3.11 ch ra ph t ngoi ca etyl -apo-8-carotenoat trong dung mụi etanol v trong hexan cho thy trong dung mụi phõn cc etanol, cỏc cc i u chuyn v súng di ng thi cu trỳc tinh vi b mt i, nh 470 nm ch cũn li vai cong nh nh hng ca dung mụi n caroten, trong dung mụi phõn cc cỏc cc i cng chuyn dch v phớa súng di, tng ng vi bc chuyn * 4.2 Ph t ngoi v kh kin... (2) Hp cht (2) cú cc i nm phớa súng di hn (1) (1) v Hỡnh 18 Ph t ngoi ca polyin Hp cht cacbonyl , khụng no C=CC=O Cỏc hp cht cacbonyl , khụng no cú mch liờn hp trong phõn t, cú cỏc bc chuyn * nm trong vựng 250-400 nm ( 104) v bc chuyn n* nm trong vựng ln hn 300 nm ( 10) (Bng 11) 29 Bng 11 Cc i hp th ca mt s hp cht cacbonyl , khụng no * n* Hp cht max (nm) lgmax max (nm) lgmax CH2=CHCHO 208 4,0 328 1,1... phng Hỡnh 8 Ph hng ngoi ca 2-propanol Ether Cỏc ether cho hp th ng vi dao ng COC nm trong vựng 1300-1000 cm1 tu thuc vo cu to phõn t: , cm1 Ether mch thng 11401085 Ether thm 13101210 Vinylether , cm1 Vũng oxyran 880805 12701028 10501010 Epoxy 12251200 C 12701250 C O 950810 750 3.4 Hp cht aldehyd v keton c trng hp th trong ph hng ngoi ca aldehyd v keton l tn s hp th ca nhúm C=O nm vựng 1800-1660 cm1... 1288,24; 1229,77 cm1 dao ng húa tr ca CO, 939, 19 cm1 dao ng bin dng ca OH S súng (cm-1) Hỡnh 10 Ph hng ngoi ca acid nonanoic 17 Cỏc ester cú cha nhúm chc COOC trong phõn t do ú tn s hp th ca nhúm C=O v COC l c trng ca chỳng Tn s hp th ca C=O nm trong vựng 1800-1700 cm1 cao hn ca acid carboxylic tu thuc vo cu to Tn s dao ng ca liờn kt COC nm vựng 1300-1150cm1 vi cng mnh l cn c quan trng xột oỏn hp... theo bn cht ca chỳng nh sau: Di R, tng ng vi bc nhy electron n* Nú xut hin cỏc hp cht cú cha cỏc d t nh O, S, N, halogen v liờn kt trong phõn t c trng ca di R l v trớ ca max nm phớa súng di (> 250 nm) nhng hp th phõn t thp, max thng nh hn 100 v chuyn dch v phớa súng ngn trong dung mụi phõn cc 25 Di K, xut hin trờn ph ca cỏc hp cht polyen nh butadien CH2=CHCH=CH2, polyenon nh vinylmethyl keton CH2=CHCOCH3... liờn hp vi cỏc nhúm CH=CHR, COR Di K tng ng vi bc nhy electron * v c trng cng hp th cao (max> 10.000) Di K ca h polyen v polyenon cú th phõn bit ch trong dung mụi phõn cc nú chuyn dch v phớa súng di i vi polyenon cũn ớt thay i i vi polyen so vi trong dung mụi khụng phõn cc Di B, c trng cho hp th ca vũng benzen tng ng vi bc chuyn di electron *, di hp th cú nhiu nh tinh vi, max = 256 nm Cc i chuyn... theo ba vựng chớnh: dao ng hoỏ tr ca liờn kt CH nm trong vựng 30503000 cm1, dao ng hoỏ tr C=C vựng 16001450 cm1 v dao ng bin dng ca CH 850700cm1, ngoi ra cũn dao ng t hp ca vũng vựng 19001700 cm1 Dao ng hoỏ tr ca CH cú cng t trung bỡnh n yu hoc ụi khi vng mt do nh hp th ca CH bóo ho che khut, thng xut hin 30503030 cm1 Dao ng hoỏ tr C=C ca vũng benzen trong vựng 16001450 cm1 thng cho bn nh 1600, 1580,... chuyn dch v phớa súng ngn H H H3C C O H C C O Cl H Acetaldehyd Acetyl cloride Hp cht polyen Cỏc hp cht polyen CH3(CH=CH)nCH3 cho hp th cc i ng vi bc chuyn * nm trong vựng t 200-400 nm tựy theo mch liờn hp di hay ngn v cỏc nhúm th khỏc nhau cú mt trong phõn t c im ca bc chuyn ny l cú cng hp th ln Cu trỳc khụng gian cú nh hng n v trớ nh hp th (xem Bng 9) Bng 9 Hp th cc i ca nhúm polyen Hp cht CH2=CHCH=CH2... 1600, 1580, 1500, 1450 cm1; cng tớn hiu ca cỏc nh ny thay i t trung bỡnh n yu trong ú nh 1500 thng cú cng cao hn nh 1600 cm1 Ngoi ra cng thy ụi khi vng mt mt, hai nh ca vựng ny v nh 1580 thng ch thy xut hin khi cú nhúm liờn hp vi vũng benzen S liờn hp lm tng cng tt c cỏc nh ny nhng ớt lm thay i v trớ ca chỳng Dao ng bin dng CH trong vựng 900700 cm1 thay i theo v trớ nhúm th vũng benzen, cng ca chỳng... ph ca d vũng thm 5 cnh khỏc vi ca benzen trong khi ú hỡnh dng ng cong ph ca d vũng thm pyridin li rt ging ca benzen Nguyờn nhõn õy chớnh l s khỏc bit v cu to gia chỳng, tuy cng c xp vo h vũng thm nhng h thng electron d vũng thm 5 cnh cú khỏc, 6 electron ca chỳng l do 4 nguyờn t C úng gúp 4 electron p cha lai húa cũn d t gúp mt cp electron khụng liờn kt, trong khi 6 electron ca pyridin do 5 electron ... cht amin v dn xut Amin Amin cho hp th ca NH vựng 3500-3300, 1650-1500 cm1 v CN 1360-1000 cm1 Trong dung dch loóng amin bc cho hai nh hp th ca NH 3450-3300cm1, amin bc cho mt nh hp th 3400-3300... hiu ng ny cng lm gim mc nng lng ca obitan * ú hiu s nng lng E ớt thay i, cú ngha l max ớt thay i Trong ú hiu ng cm ng li nh hng mnh n bc chuyn di n*, bi vỡ hiu ng +I (vớ d nhúm CH3 gõy ra) lm tng... JBX m dng ph thay i nh Hỡnh 36 48 Hỡnh 36 Ph lớ thuyt h ABX vi JAX v JBX a) ngc du, b) cựng du Trong phn AB cú hai nhúm bn nh, t õy tỡm c A, B, JAB, JAX v JBX, phn X ch tỡm c X H ph AABB Ph h