phan tich hoa ly.pdf

Bộ môn Hóa phân tích – Viện KTHH

Nguyễn Xuân Trường Phân tích hóa lý HKII/2012

PHÂN TÍCH HÓA LÝ



6.1. Đặc điểm phương pháp phân tích khối phổ (mass spectroscopy)

Chương Chương 6: 6: Phương phPhương phááp php phổổ khkhốối lưi lượợngng

- Phương pháp khối phổ là phương pháp nghiên cứu các chất bằng cách đo chính xác khối lượng phân tử chất đó.

- Chất nghiên cứu trước tiên được chuyển thành trạng thái hơi sau đó được chuyển thành ion (ion source)

- Các ion được tạo thành được tách theo tỉ số m/z (mass analyzer) và được phát hiện (detector).

- Ứng dụng với các hợp chất vô cơ: nghiên cứu thành phần đồng vịhoặc xác định vết các nguyên tố, chất nghiên cứu.

- Ứng dụng với các hchc: đồng nhất chất, phân tích định lượng, phân tích cấu trúc.



6.2. Sự hình thành khối phổ

a. Sự ion hóa

• Phương pháp va chạm electron (Electron bomb Ionization – Electron

impact - EI)

• Phương pháp ion hóa trường (Field ionization - FI)

• Phương pháp ion hóa hóa học (Chemical Ionization - CI)

• Phương pháp bắn pháp nguyên tử nhanh (Fast atom bombardment -

FAB)

• Phương pháp ion hóa phun điện tử (Electro Spray Ionization - ESI)

• Phương pháp ion hóa hóa học ở áp suất khí quyển (Atmospheric pressure

chemical ionization - APCI)

• Matrix Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI)



• Dòng phân tử khí của mẫu đi vào buồng ion hóa, va chạm với một dòng electron sinh ra từ một sợi đốt (catot)

• Áp suất trong buồng ion hóa ~0,005 torr và nhiệt độ~200°C.

• Các electron va chạm với phân tử trung hòa làm bật ra các electron và phá vỡ phân tử thành các mảnh ion, mảnh gốc hay phân tử trung hòa.

Electron Bomb Ionization ( EI )



Electron Bomb Ionization ( EI )



• Sử dụng một điện trường mạnh (107-108 V/cm) trong môi trường chân không cao (10-6 torr) để làm bật ra electron từ phân tử.

• Bộ phận phát điện trường là Anot bằng kim loại (có đầu nhọn hay sợi mỏng).

Field ionization (FI)



Field ionization (FI)

Field ionization (FI) is a method that uses very strong electric

fields to produce ions from gas-phase molecules.

Anot+

+

++

+

++

+

+

+

+

+

+

KheKhe rarad<1mm



Fast atom bombardment ( FAB)

Softer than EI and CI. Ions are produced by bombardment with

heavy atoms. Gives (M+H)+ ions and litle fragmentation.

Good for more polar compounds.

Ar + e Ar+ acceleration (5-15 KeV)

Ar+ + Ar Ar + Ar+

fast slow + 8 KeVfast slow



Ample is sprayed out of a narrow nozzle in a high potential field.

Generates positive (M+nH)n+ and negative (M - nH)n

- ions and

almost no fragmentation. Generates multiple charged ions.

Electron spray ionization



2. Principle



Atmospheric pressure chemical ionization - APCI



Matrix Assisted Laser Desorption

Ionization (MALDI)



MALDI mass spectrometry has become a powerful analytical

tool for both synthetic polymers and biopolymers.

Principle of MALDI



b. Bộ phận phân tích khối lượng- Bộ phân tích từ (Bộ phân tích từ hội tụ đơn - Magnetic sector

analyzer)

- Bộ phân tích tứ cực (Quadrupole analyzers)

- Bộ phân tích bẫy tứ cực (Quadrupole Ion Trap Mass Analyzer)

- Bộ phân tích thời gian bay (Time of Flight analyzer - TOF)

- Fourier Transform Ion-Cyclotron



Magnetic Sector Analyzer

• Chùm ion được phân ly thành các phần có tỉ số m/z khác nhau nhờ vào từtrường.• m/z = B2r2/2V. Trong đó, B: từ trường

r: bán kính của bộ phân tích từV: điện áp cao tần



Quadrupole Analyzers



-Tứ cực được cấu tạo bởi 4 thanh điện cực song song tạo thành

một khoảng trống để các ion bay qua.

- Một trường điện từ được tạo ra bằng sự kết hợp giữa dòng

một chiều (DC) và điện thế tần số radio (RF).

- Các tứ cực được đóng vai trò như một bộ lọc khối.

- Khi một trường điện từ được áp vào, các ion chuyển động

trong nó sẽ dao động phụ thuộc vào tỉ số giữa m/z và trường RF.

Chỉ những ion có tỉ số m/z phù hợp mới có thể đi qua được bộ

lọc này.



Time of Flight Analyzer

Thời gian bay t của chùm ion ở khoảng cách L phụ thuộc vào số khối và cógiá trị:

t = L / v = L ( m/2z )½



- Phân tích thời gian bay dựa trên cơ sở gia tốc các ion tớidetector với cùng một năng lượng.

- Do các ion có cùng năng lượng nhưng lại khác nhau vềkhối lượng nên thời gian đi tới detector sẽ khác nhau.

- Các ion nhỏ hơn sẽ đi tới detector nhanh hơn do có vậntốc lớn hơn còn các ion lớn hơn sẽ đi chậm hơn, do vậy, thiết bị này được gọi là thiết bị phân tích thời gian bay do tỉ số m/z được xác định bởi thời gian bay của các ion.

- Thời gian bay của một ion tới detector phụ thuộc vàokhối lượng, điện tích và năng lượng động học của cácion.



6.3. Bản chất quá trình hình thành khối phổa. Quá trình xảy ra trong buồng ion hóa

- Để có thể giải phóng một điện tử ra khỏi phân tử, điện tửva chạm phải có động năng tối thiểu bằng năng lượng ion hóa của phân tử (8-15eV).

- Nếu năng lượng của các điện tử va chạm đủ lớn thì sẽxảy ra hiện tượng phân mảnh của ion phân tử (tại một liên kết nào đó của mạch bị yếu đi do sự phân cực hay do hiệu ứng liên hợp,…) được hình thành trong quátrình ion hóa.

- Xác suất tạo các mảnh ion phụ thuộc vào độ bền của liên kết, giá trị năng lượng kích thích, độ ổn định của các ion tạo thành do tương tác cảm ứng hay đồng phân trong chúng



b. Ion phân tử

• Khi phân tử bị mất một điện tử sẽ trở thành ion phân tử(M+).

• Vị trí của pic phân tử cho biết trực tiếp phân tử khối khối phổ của phân tử cần xét.

• Pic phân tử có cường độ lớn so với các pic đồng vị.• Trong các hợp chất sau đây thì cường độ của pic phân

tử giảm dần theo thứ tự từ trái sang phải:• Hợp chất thơm, olefin, n-ankan, xeton, ancol, axit.



c. Tín hiệu của các ion phân tử đồng vị

-Đa số các nguyên tố trong thiên nhiên gồm hỗn hợp nhiều đồng vị: (M+1)+, (M+2)+,…- Hàm lượng tương đối của các đồng vị của một nguyên tố trong các hợp chất hóa học cũng giống như bản thân trong nguyên tố đó (thành phần tự nhiên).- Nếu hợp chất có chứa nhiều nguyên tố đồng vị người ta có thể tính toán cường độ các pic khá đơn giản.+ Giả sử cho phân tử có 2 nguyên tố A và B. + Mỗi nguyên tố có một số đồng vị A1, A2,…,Ai và B1,B2,…, Bj. + Thành phần tương ứng của chúng trong tự nhiên là a1, a2,…,ai vàb1,b2,…,bj. + Hệ số hóa học của A và B trong hợp chất tương ứng là n và m. + Cường độ tương đối của các pic có thể tính được dựa vào hệ thức (quy tắc chung xác định cường độ tương đối của các đồng vị):(a1+a2+…+ai)n.(b1+b2+…+bj)m

+ Ví dụ: SGK/102



Thành phần của một số đồng vị bền của một số nguyên tốthường gặp



* Trường hợp hợp chất có nguyên tố C

+ Cacbon có 2 đồng vị 12C (a1=1) và 13C (a2=0,011). + Phân tử kí hiệu là RCn, trong đó n là số nguyên tử C có trong phân tử.+ IM : IM+1 = 1: nx0,011 (Các pic M+2, M+3 có cường độ rất yếu)* Trường hợp hợp chất có nguyên tố S (ngoài C, H, O, N hợp chất

chỉ còn có S)

+ S có hai đồng vị 32S (a1=1) và 34S (a2=0,044).+ IM : IM+2 = 1: nx0,044 * Trường hợp hợp chất có nguyên tố Cl

+ Cl có hai đồng vị 35Cl (a1=1) và 37Cl (a2=0,324).+ IM : IM+2 = 1: nx0,324* Trường hợp hợp chất có nguyên tố Br

+ S có hai đồng vị 79Br (a1=1) và 81Br (a2=0,981).+ IM : IM+2 = 1: nx0,981



* Quy tắc Nitơ- Các nguyên tố hidro, nitơ, oxi chỉ có phần đóng góp rấtnhỏ vào cường độ các pic đồng vị M+1, M+2. Vì vậy sự cómặt của chúng trong hợp chất rất khó được suy ra từ tỉ sốvề cường độ các pic.- Nếu số khối của phân tử là lẻ thì phân tử luôn luôn chứa một số lẻ nguyên tử N.



d. Mảnh ion và con đường cắt đoạn- Trong trường hợp đơn giản, có thể biển diễn quá trình ion hóa bằng sơ đồ:

M + e � M+ + 2eM + e � Mn+ + (n+1)eM + e � M-

* Cơ chế tách ankyl (F1)

* Cơ chế tách olefin (F2)

CH3CH2CH2+ � CH3

+ + CH2=CH2

* Cơ chế tách anlyl (F3)

.+ . +[R-R'] R + R'→

α

R +

R CH2 CH CH2- e

R CH2 CH CH2

CH3 CH CH2 CH2 CH CH3



* Cơ chế tách Retro Diels-Alder (F4)

R- e

R R R+

R R+



KiKiểểuu II

+A

BC

D

EH

A

BC

D

EH

A

BH2C

D

EH

+A

BC

D

EH

A

BC

D

EH

CD

EH

* Chuyển vịMcLafferty

+A

BC

D

EH

A

BC

D

EH

A

BHC

D

EH

A

BC

D

EH

KiKiểểuu IIII



29

VD: Con đường cắt đoạn của hydrocacbon thơm

Phổ khối của 1-phenylhexan



30

CH2

m/z=91

m/z=91

m/z=65m/z=39

HC CHHC CH

m/z = 162

I.

H2C

CH2

CHH

CH2

H

H

m/z=92m/z = 162

II.

m/z=77 m/z=51

HC CHC6H9

m/z = 162

III.

Con đường hình thành các mảnh ion



6.4. Ứng dụng phương pháp khối phổa. Năng suất phân giải R của máy khối phổ và ý nghĩacủa R

- Năng suất phân giải R của một máy khối phổ đo khả năng có thểphân biệt hai pic ứng với khối lượng gần nhau nhất M và M+∆M trên khối phổ đồ.

R = M/∆M- Nếu R càng lớn thì hai khối lượng M và M+∆M càng gần nhau, nghĩa là máy có R lớn thì có thể phân biệt các hạt có khối lượng càng gần nhau.- VD: SGK/106



b. Một số ứng dụng của phương pháp khối phổ

* Ứng dụng vào quá trình đồng nhất chất

- VD: SGK/106* Ứng dụng vào xác định công thức cấu tạo- Các bước tiến hành:1. Xác định khối lượng ion phân tử M+2. Xác định khối lượng các mảnh ion3. Xác định hiệu số khối lượng của ion phân tử và các mảnh ion.4. Tìm các pic (M+1)+ và (M+2)+, … và xác định tỉ lệ cường độ của

các pic này với pic M+5. Giải thích sự xuất hiện các mảnh ion bằng con đường cắt đoạn- Bảng 6-3/108- VD: SGK/109



O

71

45

59

73

87

CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 C OH

57

43

29



34

% O

F B

AS

E P

EA

K

0 20 40 60 80 100 120 140 160

100

50

3941

5177

79

107

118

136

VD1: Phổ khối của một hợp chất A cho giá trị chính xác M = 136.0886 và

CTPT tương ứng là C9H12O, hãy xác định cấu trúc của A.



TrTrảả llờờii

Số đơn vị không no: N = (2*9+2-12)/2 = 4

-OH

39, 51, 77

107 = M-29 M-C2H5

-C2H5

CH

H2C

OH

CH3

m/z: 118 = M-18 M-H2O



36

VD2: Xác định cấu trúc của hợp chất A có phổ khối lượng cho dưới đây.

% O

F B

AS

E P

EA

K

0 20 40 60 80 100 120 140 160

100

50

156

158107

94

77

65

513927

157

I158 = 13%I157 = 3.7%I156 = 41%



37

TrTrảả llờờii

1. I156/I158 = 3/1 Chứa một nguyên tử Cl

2. Nc = 3.7/41÷1.1%≈8 Có tám nguyên tử C

3. m/z: 39, 51, 77 ; 94 OH

107 O CH2

4. 156-35-77-16-14 = 14 CH2

OH2C

H2C Cl

ClO

HO

Cl

O HH O

94

77 65 51 39

OCH2

107



* Ứng dụng vào phân tích định lượng- Yêu cầu:

1. Mỗi hợp phần phải tồn tại ít nhất trên phổ một đỉnh m/z khác với đỉnhm/z của hợp phần khác.

2. Hàm lượng của mỗi hợp phần phải tỉ lệ tuyến tính với đỉnh m/z lựachọn.

3. Độ nhạy cần phải lặp lại khoảng 1%4. Chất chuẩn phù hợp để so sánh.- Dựa vào sự phụ thuộc I = kC

Trong đó, k là hệ số tỉ lệ; C – nồng độ; I – cường độ vạch phổ

- Khi kết hợp với phương pháp sắc ký (GC-MS, HPLC-MS, CE-MS), phát xạ nguyên tử (ICP-MS) có thể nâng cao độ nhạy và độ chính xáccủa kết quả phân tích lên nhiều lần (cỡ ppb).



7.1. Nguyên tắc chung của phương pháp giải phổ

- Để nhận được các thông tin tương đối toàn diện về một hợp chấtnghiên cứu, thông thường người ta sử dụng số liệu thực nghiệmcủa 3 phương pháp phổ nghiệm cơ bản: phổ điện tử (UV-VIS), phổhồng ngoại (IR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), phổ khốilượng (MS).

+ Phổ UV-VIS ít đặc trưng cho phương pháp nghiên cứu nhưng có ý nghĩa để khẳng định hiệu ứng liên hợp, để phát hiện các hợp chấthọ dien, polyen, nối đôi liên hợp của các vòng thơm.

+ Phổ IR cho phép xác định một số nhóm chức như: OH, C=O, CH=CH, CCH, ...và xác định vị trí nhóm thế trong vòng thơm...

+ Phổ NMR cho phép phán đoán đặc trưng của nhóm có chứa hydro (số nguyên tử hydro).

+ Phổ khối cho thông tin về phân tử khối của phân tử, con đường cắtđoạn hình thành các mảnh ion đưa ra dự đoán chính xác về cấutrúc phân tử.

Chương Chương 7: Nguyên t7: Nguyên tắắc gic giảải phi phổổ trong ktrong kỹỹthuthuậật phương pht phương phááp php phổổ nghinghiệệmm



7.2. Phân tích cấu trúc phân tử

a.Tính số nối đôi và các bộ phận có chứa nối đôi (đơn vị không no) trong phân tử

* Phân tử chỉ có thành phần phân tử gồm các nguyên tử C, H, O, và S:+ Công thức tổng quát: CnH2nOaSb

+ Số đơn vị không no N trong phân tửN=(2n+2-số nguyên tử hidro)/2

+ Mỗi nối đôi hoặc vòng tương đương với một đv không no, một nối ba tương đương với hai đơn vị không no.

+ VD: SGK/112* Hợp chất chứa nitơ+ Công thức tổng quát: CnH2n+2+mNm

+ Số đơn vị không no N trong phân tửN=(2n+2+m-số nguyên tử hidro)/2

+ VD: SGK/113



* Hợp chất trong phân tử có chứa C, H và các nguyên tử halogen+ Công thức tổng quát: CnH2n+2-xXx

+ Số đơn vị không no N trong phân tửN=(2n+2-x-số nguyên tử hidro)/2

+ VD: SGK/113* Tìm công thức phân tử hợp chất nghiên cứu dựa vào số liệu NMR+ Nhận dạng sự có mặt các nhóm chức chứa proton trong phân tử.+ Giả thiết về công thức phân tử của hợp chất khi biết: khối lượng phân tử của hợp chất (M), thành phần các nguyên tố khác có thể cótrong phân tử.+ Số nguyên tử C trong phân tử

N=(M-số nguyên tử hidro-khối lượng các nguyên tốkhác)/12

+ VD: SGK/114



b.Xác định cấu trúc phân tử- Bước 1: Xác định sự có mặt của các nhóm đặc trưng+ Từ số liệu phổ NMR có thể nhân dạng các nhóm chức chứa hydro trong phân tử như -CH3, -CH2-, -OH, -NH2, nhân thơm…+ Từ số liệu IR có thể nhận dạng các nhóm chức điển hình như cacbonyl, -OH, nhân thơm, nối đôi, nối ba,…+ Phổ UV-VIS cho phép khẳng định hiệu ứng liên hợp của các nối đôi trong phân tử, …- Bước 2: Xác định các phần không chứa nhóm đặc trưng từ dữ liệu khối phổ- Bước 3: Ghép nối các phần với nhau, vạch ra công thức cấu tạo phân tử và con đường cắt đoạn.

‚‚Việc xác định cấu trúc phân tử của một hợp chất từ các dữ liệu phổ nghiệm phụ thuộc nhiều vào sự nhạy bén của người phân

tích‘‘

- VD: SGK/115

phan tich hoa ly.pdf

Documents