Bài tập lập công thức hợp chất hữu cơ violet
|
Mở đầu Cho tới nay con người đã biết và công bố hàng triệu hợp chất hữu cơ, trong đó mỗi năm có hàng ngàn hợp chất mới được xác định. Trong đó bằng con đường tổng hợp trong phòng thí nghiệm tìm ra khoảng 90% hợp chất hữu cơ, phần còn lại phân lập từ các nguồn sinh vật trong tự nhiên. Đến nửa sau của thế kỷ XX, để có thể xác định cấu trúc của các hợp chất hữu cơ đã tổng hợp hoặc phân lập từ tự nhiên, người ta dựa vào các phản ứng hóa học. Các nhóm chức được thử nghiệm bằng các phản ứng đặc trưng để xác định cấu trúc phân tử như các phản ứng cắt mạch cacbon, các phản ứng dẫn xuất và điều chế,... Phương pháp cổ điển này mất rất nhiều thời gian và cần hàm lượng mẫu chất lớn mới có thể thực hiện được. Tuy nhiên hiện nay với các phương pháp phổ (spectroscopy) hiện đại đã giải quyết các trở ngại trên đây. Các phương pháp phổ thường sử dụng nhiều trong việc xác định cấu trúc của các hợp chất hữu cơ bao gồm: Phổ hồng ngoại (InfRared spectroscopy, IR); phổ tử ngoạiXkhả kiến (Ultra Violet spectroscopyXVISual, UVXVIS); phổ khối lượng hay khối phổ (Mass Spectrometry, MS) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, NMR). Mỗi loại phổ trên đây có đặc trưng riêng và cung cấp thông tin khác nhau về hợp chất hữu cơ cần khảo sát cấu trúc. Phổ hồng ngoại cho thông tin về các loại nhóm chức khác nhau hiện diện trong phân tử như XOH, XCOR, XCOOR, XCN,... nhưng không cho thông tin về vị trí của các nhóm chức này. Phổ tử ngoạiXkhả kiến ghi nhận các cấu trúc có chứa hệ liên hợp. Tuy nhiên trong một số trường hợp cụ thể rất khó làm sáng tỏ những thông tin này trên phổ hồng ngoại và phổ tử ngoại. Phổ khối lượng hay khối phổ cho thông tin về khối lượng phân tử của hợp chất. Dùng khối phổ phân giải cao (HighXResolution Mass Spectrometry, HRXMS) có thể xác định công thức phân tử của hợp chất khảo sát. Ứng với mỗi công thức phân tử, có thể có nhiều công thức cấu tạo khác nhau mà dựa vào khối phổ khó có thể phân biệt các đồng phân này. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân là kỹ thuật rất hữu dụng để phân tích và xác định cấu trúc hợp chất hữu cơ. Kỹ thuật này dựa vào hiện tượng cộng hưởng từ của các hạt nhân có số proton lẻ như 1 H, 19 F, 31 P hay hạt nhân có số nơtron lẻ như 13 C. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân cho thông tin về số lượng, chủng loại cũng như sự tương tác giữa các hạt nhân có trong phân tử, đặc biệt là proton ( 1 H) và cacbon đồng vị 13 ( 13 C). Như vậy, để xác định cấu trúc của một hợp chất hữu cơ phải dựa vào sự phân tích, tổng hợp cả năm loại phổ bao gồm: IR, UV, MS, 1 HXNMR và 13 CXNMR. Điểm chung của các phương pháp phổ này là ghi nhận quá trình tương tác của các bức xạ điện từ đến các phân tử của hợp chất hữu cơ cần khảo sát.
Bảng 1. Tác động năng lượng phân tử của một số loại bức xạ điện từ Bức xạ λ (cm) E (eV) Năng lượng thay đổi Loại phổ Tia X 10 X8– 10X6 ~ 10 5 Đứt nối các liên kết Phổ Rơnghen Tia tử ngoại và khả kiến 10 X6– 10X4 ~ 10 Electron phân tử Phổ tử ngoại và khả kiến Tia hồng ngoại 10 X4– 10X2 ~ 10X1 Dao động phân tử Phổ hồng ngoại Vi sóng 10 X2– 10 ~ 10X3 Dao động quay Phổ vi sóng Sóng radio > 10 2 < 10X6 Cộng hưởng spin, cộng hưởng từ hạt nhân Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1.3. Định luật hấp thụ bức xạ (Định luật Lambert – Beer) Khi bức xạ truyền qua môi trường không trong suốt, nó bị hấp thụ một phần, biên độ sóng bị giảm đi, khi đó cường độ của bức xạ giảm. Lưu ý là cường độ sóng giảm đi còn bước sóng vẫn không thay đổi. (Hình 1) Hình 1. Cường độ sóng của bức xạ thay đổi khi qua chất hấp thụ Cường độ bức xạ không liên quan gì đến năng lượng của nó. Năng lượng của bức xạ chỉ phụ thuộc vào tần số (E = h×ν) và được xem như năng lượng của các hạt photon riêng biệt hợp thành bức xạ đó. Theo thuyết hạt, cường độ bức xạ được xác định bởi số hạt photon. Chùm tia bức xạ mạnh (cường độ lớn) thì ứng với dòng photon dày đặc. Khi bức xạ đi qua chất hấp thụ thì một số nào đó trong những hạt photon bị giữ lại, mật độ dòng photon sẽ giảm đi, tia đi qua sẽ có cường độ nhỏ đi. Trong các phương pháp phổ nghiệm, để đo cường độ hấp thụ, người ta thường so sánh cường độ của tia bức xạ trước và sau khi đi qua chất hấp thụ (IO và I, hình 1). Để biểu diễn cường độ hấp thụ người ta dùng các đại lượng sau: % hấp thụ = O O I X II× 100Độ truyền qua T = O II% truyền qua =O II× 100λ λ Io I Chất hấp thụ l Phổ tử ngoại – khả kiến thường biểu diễn dưới dạng đường cong sự phụ thuộc của mật độ quang D(A) (trục tung) vào bước sóng (hoặc số sóng) (trục hoành). Để so sánh giữa các chất khác nhau, người ta thường biểu diễn phổ tử ngoại
Hình 1. Phổ hồng ngoại của hợp chất xicloheptanon (Nguồn: Spectrometric identification of organic compounds, 2005) Hình 1. Phổ tử ngoại – khả kiến của hợp chất isopren (Nguồn: www2.chemistry.msu) Hình 1. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của hợp chất toluen (Nguồn: Spectrometric identification of organic compounds, 2005) Hình 1. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân cacbonY13 của hợp chất Yheptan (Nguồn: Basic 1 HX and 13 CXNMR Spectroscopy, 2005) Hình 1. Phổ khối lượng của hợp chất xiclohexan (Nguồn: Spectrometric identification of organic compounds, 2005) Hình 2. Mô hình hoạt động của phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier Nguồn sáng đi qua giao thoa kế Michelson gồm gương phẳng di động M1, một gương cố định M2 và một tấm kính phân tách ánh sáng S. Ánh sáng từ nguồn chiếu vào tấm kính S tách làm hai phần bằng nhau, một phần chiếu vào gương M và một phần khác chiếu vào gương M2, sau đó phản xạ trở lại qua kính S, một nửa trở về nguồn, còn một nửa chiếu qua mẫu đi đến detectơ. Do gương M1 di động làm cho đoạn đường của tia sáng đi đến gương M1 rồi quay trở lại có độ dài lớn hơn đoạn đường tia sáng đi đến gương M2 rồi quay trở lại và được gọi là sự trễ. Do sự trễ này đã làm ánh sáng sau khi qua giao thoa kế biến đổi từ tần số cao xuống tần số thấp. Sau đó ánh sáng qua mẫu bị hấp thụ một phần rồi đi đến detectơ, nhờ kỹ thuật biến đổi Fourier nhận được một phổ hồng ngoại. Hình 2. Máy đo phổ hồng ngoại (ĐH Dược Kobe, Nhật Bản – 2015)
Như đã giới thiệu phần trên, khi các bức xạ điện từ tương tác với các phân tử vật chất, nếu có sự thay đổi năng lượng thì phân tử có thể hấp thụ hoặc bức xạ năng lượng. Khi các phân tử hấp thụ năng lượng từ bên ngoài có thể dẫn đến các quá trình thay đổi trong phân tử (quay, dao động, kích thích electron phân tử...) hoặc trong nguyên tử (cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạt nhân). Khi tương tác với bức xạ điện từ, các phân tử có cấu trúc khác nhau sẽ hấp thụ và phát xạ mức năng lượng khác nhau. Đối với các bước chuyển năng lượng dao động trong phân tử thường khá nhỏ, tương đương với năng lượng bức xạ hồng ngoại trong thang các bức xạ điện từ. Do đó, phổ hồng ngoại còn được gọi là phổ dao động. Tuy nhiên, không phải bất kỳ phân tử nào cũng có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại để cho hiệu ứng phổ dao động. Chỉ có các phân tử khi dao động gây sự thay đổi momen lưỡng cực mới có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại để cho hiệu ứng phổ dao động. Do vậy, điều kiện cần để phân tử có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại chuyển thành trạng thái kích thích dao động là phải có sự thay đổi momen lưỡng cực điện khi dao động. Hình 2. Dao động hóa trị của phân tử nhiều nguyên tử Đối với phân tử hai nguyên tử (ACB) thì chuyển động dao động duy nhất là chuyển động co giãn một cách duy nhất là chuyển động co giãn một cách tuần hoàn của liên kết ACB. Loại dao động này được gọi là dao động hóa trị (dao động co giãn liên kết). Đối với phân tử có số nguyên tử lớn hơn hai, trạng thái dao động của phân tử phức tạp hơn. Trong các phân tử này, ngoài các dao động hóa trị như phân tử hai nguyên tử (Hình 2), còn có các dao đông động biến hình (hay dao động biến dạng). Dao động biến dạng là chuyển động vuông góc với đường nối hai nguyên tử trong phân tử. Đối với các phân tử nhiều nguyên tử không thẳng hàng dao động biến dạng là dao động làm thay đổi góc hóa trị, dao động vuông góc về hai phía mặt phẳng, dao động con lắc. Dao động đối xứng Dao động bất đối xứng Dao động dạng “cái kéo” Dao động dạng “con lắc” Amit 1630 C 1690 (mạnh)
Để xác định các nhóm định chức dựa vào phổ hồng ngoại, thông thường sử dụng phương pháp 5 vùng như sau: Vùng 1: 3700–3200 cmQ Ancol OCH: không, vì CTPT không có nguyên tử oxy Amit/Amin NCH: có thể, vì CTPT có chứa N Ankin đầu mạch ≡CCH: có thể Vùng 2: 3200–2700 cmQ Ankyl CCH (mũi < 3000 cmC1): có thể, vì mũi phổ tại 2918 cmC Aryl/vinyl CCH (mũi > 3000 cmC1): có thể, vì mũi phổ tại 3034 cmC Anđehit CCH: không, vì CTPT không có nguyên tử oxy Axit cacboxylic OCH: không, vì CTPT không có nguyên tử oxy và không có tín hiệu tại vùng vùng 4 Vùng 3: 2300–2000 cmQ Ankin C≡C: không Nitril C≡N: không Vùng 4: 1850–1650 cmQ Các nhóm chức chứa cacbonyl (C=O): không Vùng 5: 1680–1450 cmQ Anken C=C: không Benzen: có thể, vì có các mũi tại 1493 cmC1 và 1622 cmC |
