MỤC LỤC

I. SƠ LƯỢC PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ PROTON (1H – NMR)....................3

II. SPIN HẠT NHÂN VÀ TÍN HIỆU HẤP THỤ...............................................4

1. Spin hạt nhân và điều kiện cộng hưởng...................................................4

1.1. Spin hạt nhân..................................................................41.2. Điều kiện cộng hưởng.......................................................................5

2. Phổ kế cộng hưởng từ proton....................................................................52.1. Phổ kế cộng hưởng từ hạt nhân sóng liên tục...................................52.2. Phổ kế cộng hưởng từ proton biến đổi Flourier...............................6

III. SỰ CHẮN VÀ GIẢM CHẮN.........................................................................7

1. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán ñoä dòch chuyeån

hoaù hoïc..............................................................7

1.1. Các yếu tố nội phân tử ảnh hưởng đến độ dịch chuyển hoá học. . . .7a. Sự chắn tại chỗ...........................................................7b. Sự chắn từ xa..............................................................9

1.2. Các yếu tố ngoại phân tử ảnh hưởng đến độ dịch chuyển hóa học 10a. Liên kết Hidro............................................................................10b. Sự trao đổi proton......................................................................10c. Ảnh hưởng của dung môi...........................................................10d. Ảnh hưởng của nhiệt độ.............................................................11

2. Hạt nhân tương đương về độ dịch chuyển hóa học...............................112.1. Định nghĩa.......................................................................................112.2. Độ dịch chuyển hoá học..................................................................13

3. Hằng số chắn và từ trường hiệu dụng....................................................13

4. Độ chuyển dịch hoá học...........................................................................14

5. Phương pháp quét trường: thay đổi B0.................................................20

IV. ĐƯỜNG CONG TÍCH PHÂN......................................................................22

V. PROTON TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ KHÔNG TƯƠNG ĐƯƠNG.................23

1. Các proton tương đương về độ dịch chuyển hoá học ( phổ 1H – NMR)

....................................................................................................................23

1.1. Các proton tương đương.................................................................23

1.2. Các proton không tương đương......................................................24

1

2. Cường độ phân tích của mũi cộng hưởng..............................................................24

VI. TƯƠNG TÁC SPIN – SPIN..........................................................................24

1. Bản chất tương tác spin-spin...................................................................24

2. Hằng số tương tác spin-spin....................................................................25

3. Tương tác spin – spin trong phổ 1H – NMR...........................................25

3.1. Lý thuyết tách spin – spin ...............................................................253.2. Quy tắc (n+1)..................................................................................263.3. Giới hạn sự ghép từ.........................................................................263.4. Sư ghép spin....................................................................................27

VII. PHỔ 1H – NMR VÀ TIẾN TRÌNH TỐC ĐỘ..............................................28

1. Phương pháp phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H..........................28

1.1. Kí hiệu của phổ.....................................................................................281.2. Phổ bậc 1..............................................................................................281.3. Phổ bậc cao AB, A2B và ABX...............................................................32

1.3.1. Phổ AB.............................................................................................321.3.2. Phổ A2B phổ lý thuyết của A2B.......................................................341.3.3. Phổ ABX..........................................................................................36

1.4. Ghép xa ................................................................................................372. Cường độ vân phổ cộng hưởng từ proton....................................................37

VIII. KHẢO SÁT PHỔ 1H – NMR CỦA MỘT SỐ LOẠI HỢP CHẤT HỮU CƠ

..........................................................................................................................38

IX. CÁCH GIẢI PHỔ..........................................................................................42

X. ỨNG DỤNG....................................................................................................48

1. Ứng dụng lâm sàng của cộng hưởng từ phổ (1H - NMR) trong chẩn đoán u

não trong trục ở người lớn..............................................................................48

2. Xạ trị bằng proton đã chứng tỏ hiệu quả tốt hơn so với tia X thông thường

trong việc chữa trị một số loại bệnh ung thư nhất định như ung thư đầu và

cổ, ung thư phổi, ung thư tuyến tiền liệt......................................................50

2

I. SƠ LƯỢC PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ PROTON (1H – NMR)

Phổ proton có thể xem là phổ có độ nhạy cao nhất trong kỹ thuật 1D-NMR vì hàm lượng 1H trong tự nhiên chiếm đến 99.98% ( trong khi đó hàm lượng C-13 trong tự nhiên chỉ

chiếm 1.108% ). Vì thế đây là một phổ rất quan trọng và có thể cung cấp nhiều thông tin

quý giá về cấu trúc của hợp chất.

Phổ 1H-NMR là một kỹ thuật sử dụng để xác định cấu trúc hóa học của hợp chất hữu cơ.

Phổ proton cho ta biết được số loại proton có trong phân tử (không phải là số proton, mà

chỉ là số loại proton ). Mỗi loại proton đó sẽ có tính chất khác nhau (như proton liên kết

với vòng benzen sẽ khác với proton liên kết với Csp3) vì thế sẽ có độ dịch chuyển khác

nhau trên phổ proton. Người ta sử dụng TMS (tetra methyl silan) làm chất chuẩn trong

phổ proton và độ dịch chuyển của proton trong TMS được chọn là 0 pmm .

Một điểm đặc biệt của phổ proton là ngoài cho biết loại proton trong phân tử, phổ còn

cho biết mối quan hệ giữa các proton ở gần nhau thông qua sự ghép spin và hằng số ghép.

Hai proton liên kết với hai carbon kề nhau sẽ tương tác với nhau thông thường qua 3 liên

kết H-C-C-H và dạng mũi ghép spin sẽ theo nguyên tắc (n + 1) ( ví dụ CH3-CH2- thì

proton CH3- sẽ có dạng mũi 3 và proton CH2- sẽ có dạng mũi 4 do cạnh đó là ba proton )

và sẽ có cùng hằng số ghép ( coupling constant ).

Hình dạng các mũi ghép spin đơn giản ( Hệ AX )

3

II. SPIN HẠT NHÂN VÀ TÍN HIỆU HẤP THỤ

1. Spin hạt nhân và điều kiện cộng hưởng

1.1. Spin hạt nhân

Hạt nhân nguyên tử gồm các proton và nơtron. Số lượng tử spin của proton cũng như

của nơtron đều bằng ½. Tuỳ thuộc vào các nucleon đó có cặp đôi hay không mà hạt nhân

nguyên tử có thể được đặc trưng bởi một số lượng tử spin hạt nhân I bằng không hoặc

khác không. Nếu spin của tất cả các nucleon đều cặp đôi thì số lượng tử spin hạt nhân

bằng không (I=0). Nếu ở hạt nhân có một spin không cặp đôi thì I = ½, nếu có nhiều spin

không cặp đôi thì I ≥ 1.

Có một số quy tắc kinh nghiệm để phỏng đoán số lượng tử spin hạt nhân:

I = 0 đối với các hạt nhân chứa số proton chẵn và số nơtron chẵn (16O, 12C, 32S…)

I = số nguyên (1, 2, 3, …) đối với các hạt nhân chứa số proton lẻ, số nơtron cũng

lẻ (14N, 10B, 2H (D)…)

I = nửa số nguyên (1/2, 3/2, 5/2,…) đối với các hạt nhân có số proton chẵn, số

nơtron lẻ hoặc ngược lại (1H, 19F, 31P,…)

Những hạt nhân không có spin I = 0 thì không gây ra momen từ ( µ = 0) tức là không

có từ tính. Người ta nói hạt nhân đó không có từ tính và không có cộng hưởng từ hạt

nhân. Những hạt nhân có I ≠ 0 gây ra một momen từ µ ≠ 0. Hạt nhân đó có hoạt động từ

và có cộng hưởng từ hạt nhân.

Khi đặt hạt nhân có I ≠ 0 vào trong một từ trường B0 thì vectơ momen từ hạt nhân

được định hướng trong trường B0 theo số lượng tử, momen góc của spin hạt nhân mI. Số

lượng tử momen góc của spin hạt nhân sẽ nhận một trong (2I + 1) giá trị, đó là một trong

các số I, I – 1, …, -I + 1, -I.

Ví dụ: I = ½ thì mI = ½ và -1/2

I = 1 thì mI = -1, 0, 1

4

Hiệu số giữa hai mức năng lượng hạt nhân tương ứng với hàm sóng hạt nhân được tính

bằng công thức:

ΔE=γhB0

2 π (1)

: Tỉ số từ hồi chuyển, đặc trưng cho mỗi loại hạt

B0 : cường độ từ trường

h : hằng số Plank

Biểu thức trên cho thấy E phụ thuôc vào bản than hạt nhân và vào cường độ của từ

trường áp đặt cho hạt nhân. Vì E= h ( theo Borh ) nên suy ra

ν=γB0

2 π với là tần số (Hz) (2)

Hệ phương này là phép đo cơ bản của phép đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân

1.2. Điều kiện cộng hưởng

Để có được phổ cộng hưởng từ hạt nhân ta cần đặt mẫu nghiên cứu vào một từ

trường mạnh, có cường độ B0 và tác dụng lên mẫu một tần số thỏa mãn phương trình

(2). Trong các điều kiện này sẽ xảy ra các hiện tượng là có sự chuyển các hạt nhân từ

mức năng lượng này lên một một mức năng lượng cao hơn lúc này xảy ra cộng hưởng từ

hạt nhân.

2. Phổ kế cộng hưởng từ proton

2.1. Phổ kế cộng hưởng từ hạt nhân sóng liên tục

Bộ phận chính của phổ kế này là một nam châm điện hay nam châm siêu dẫn có từ

trường B0 đồng nhất, một bộ phận phát từ trường vô tuyến để tạo tần số B1 và một cuộn

từ cảm để nhận tín hiệu. mẫu được đặt trong ống thủy tinh dài 20cm có đường kính 5mm

và quay liên tục để từ trường tác động đồng nhất vào mọi chỗ của mẫu. Từ trường B 1

5

được phát hiện liên tục nên được gọi là phổ kế cộng hưởng từ hạt nhân sóng liên tục. Phổ

kí nhận được là đường cong ủa hàm số phụ thuộc tần số f().

Máy chỉ ghi ở dạng dung dịch. Dung môi thường dùng là những chất không chứa hạt

nhân từ proton như CCl4, CDCl3, ...thường dùng TMS để làm chất chuẩn.

2.2. Phổ kế cộng hưởng từ proton biến đổi Flourier

Phổ kế loại này có từ trường B1 tác động không liên tục lên hạt nhân nguyên tử được

đặt trong từ trường B0. Tín hiệu cao tần được điều phức bằng các xung vuông và hẹp. Sau

các xung /2 và nhận được tín hiệu cảm ứng tự do (FID). Phổ kí nhận được dưới dạng

đường cong của hàm số phụ thuộc thời gian f(t). Trên phổ đo được thời gian phục hồi

ngang T2và thời gian phục hồi dọc T1.

Ưu điểm của phổ kế biến đổi Flourier là có độ nhạy cao và có tỉ số tín hiệu/nhiễu lớn

và có thể tu được nhiều thông số từ phổ kí.

1- Máy phát tín hiệu cao tần

2- Tạo dãy xung theo các chương trình định sẵn

3- Điều phức biên độ cao tần theo xung vuông

4- Đầu đo tạo từ trường không liên tục

5- Thu tín hiệu tích luỹ ghi các điểm phổ của cảm ứng tự do

6- Biến đổi Flourier

7- Ghi phổ f()

8- Máy tính điều hành chương trình xung, tích lũy số liệu, biến đổi Flourier, xử lí, ghi

phổ.

III. SỰ CHẮN VÀ GIẢM CHẮN

6

1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dịch chuyển hoá

1.1. Các yếu tố nội phân tử ảnh hưởng đến độ dịch chuyển hoá

a. Sự chắn tại chỗ

Trước hết ta xét trường hợp proton. Trong phân tử proton ít nhiều đều được bao

quanh bởi electron. Dưới tác dụng của từ trường B0, electron sẽ chuyển động thành một

dòng điện vòng quanh proton. Dòng điện này làm phát sinh một từ trường cảm ứng mà

đường sức của nó vẽ bằng các nét đứt. Ở vùng gần hạt nhân, từ trường cảm ứng này

ngược chiều với từ trường B0, nó chống lại từ trường sinh ra nó và làm cho từ trường

hiệu dụng Hhd quanh proton giảm đi so với B0 ( Bhd < B0 ). Như thế elelctron đã che chắn

cho proton. Người ta gọi nó là sự chắn màn electron tại chỗ hay sự chắn tại chỗ. Vì sự

chắn tại chỗ làm giảm cường độ từ trường tác động tới hạt nhân, do đó nếu hạt nhân được

chắn màn nhiều thì để cho nó đi vào cộng hưởng cần phải tăng cường độ từ trường.

Sự chắn này phụ thuộc mật độ elelectron xung quanh hạt nhân đang xét nên nó có liên

quan trực tiếp đến độ âm điện của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử đính với hạt nhân

đó. Ngoài sự phụ thuộc vào mật độ electron sự chắn còn phụ thuộc hình dang và kích

thước elelctron.

Trên thực tế các proton trong hợp chất hữu cơ không trơ trọi mà chúng được bao quanh

bởi các điện tử, các điện tử này đã che chắn 1 phần nào ảnh hưởng của từ trường bên

ngoài lên proton. Các điện tử di chuyển và tạo nên từ trường cảm ứng có cường độ nhỏ,

ngược chiều với từ trường bên ngoài dẫn đến từ trường hiệu dụng

- Tác dụng lên proton thực tế sẽ nhỏ hơn khi từ trường áp đặt lên proton, trên thực

tế người ta nói hạt nhân bị chắn bởi các điện tử bao quanh nó.

- Do mỗi hạt nhân trong phân tử hữu cơ được boa quanh bởi những đám mây điện

tử khác nhau nên mỗi loại hạt nhân bị chắn khác nhau

- Máy cộng hưởng từ hạt nhân đủ nhanh để nhận biết được từng sự khác biệt nhỏ

này ghi thành những tín hiệu cộng hưởng

Ảnh hưởng của hiệu ứng cảm ứng âm của nhóm kề

7

- Nhóm kề có thể gồm 1 nguyên tử hay nhóm nguyên tử, gây ảnh hưởng đến nhóm

còn lại.

- Các loại hạt nhân khác nhau trong 1 phân tử có độ dịch chuyển hoá học khác nhau

là do mỗi loại hạt nhân được che chắn khác nhau bởi các đám mây điện tử xung

quanh. Hạt nhân nào được che chắn càng nhiều thì càng cần từ trường mạnh hơn

để cộng hưởng, hệ quả là các hạt nhân này hấp thu ở vùng trường cao. Hạt nhân

nào được các điện tử che chắn ít thì chỉ cần tác dụng bởi 1 từ trường yếu là có thể

cộng hưởng, hệ quả là các hạt nhân này hấp thu ở vùng trường thấp.

- Khi proton gắn vào cacbon đối với nguyên tử có độ âm điện mạnh, các nguyên tử

này sẽ hút đôi điện tử nối hoá trị về với nó, làm giảm sự chắn của điện trường bên

ngoài vào proton khảo sát vì thế proton càng được giảm chắn nên có độ dịch

chuyển hoá học ở vùng trường thấp.

Sự che chắn này giảm dần theo khoảng cách sau 4 nối hoá trị sự giảm chắn hết tác

dụng.

CH3X CH3F CH3OH CH3Cl CH3Br CH3I CH4

X X F O Cl Br I H

Độ âm

điện4,0 3,5 3,1 2,8 2,5 2,1

δ 4,26 3,40 3,05 2,68 2,16 0,23

8

b. Sự chắn từ xa

Không phải lúc nào trật tự về độ dịch chuyển hóa học cũng tương ứng với trật tự về

độ âm điện. Chẳng hạn, proton của benzen cho tính hiệu ở trường yếu hơn proton của

etilen và proton của acetilen mặc dù độ âm điện của Csp2 nhỏ hơn của csp. Thêm nữa tín

hiệu của proton ở benzene thể hiện ở trường yếu hơn ở CH2Cl2 và ở H2O mặc dù mật độ

electron xung quanh hạt nhân này không tương ứng với sự thay đổi về độ dịch chuyển

hóa học như thế. Những nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ở bên cạnh proton, đặc biệt là

những nhóm không no, nhóm vòng thơm, hoặc các nguyên tử có chứa cặp electron không

liên kết có thể là nguồn gốc của những dòng điện vòng mạnh hơn và tạo ra xung quanh

proton các từ trường có hiệu suất lớn hơn từ trường của các electron hóa trị của chính

proton đó. Chính vì thế những nhóm nguyên tử bên cạnh proton cũng có tác dụng “ che

chắn” đối với proton. Đó là sự chắn từ xa hay còn gọi là sự chắn bất đẳng hướng bởi vì ở

hướng này thì bị chắn còn ở hướng kia thì bị phản chắn.

9

1.2. Các yếu tố ngoại phân tử ảnh hưởng đến độ dịch chuyển hóa học

a. Liên kết Hidro

Liên kết hiđro gây ra sự thay đổi đáng kể độ dịch chuyển hóa học của proton ở các

nhóm OH, NH, và đôi khi cả nhóm SH. Như đã biết, liên kết hiđro phụ thuôc nhiều vào

bản chất dung môi, nồng độ và nhiệt độ. Chính vì vậy, độ chuyển dịch hóa học của các

proton axit biến đổi trong một khoảng rộng. Do đó để tìm tín hiệu của các proton axit

chúng cần xét xem chúng có tạo liên kết hidro hay không, mức độ liên kết hidro như thế

nào.

b. Sự trao đổi proton

Proton liên kết với các dị tố như O, N,...không những có khả năng tạo liên kết hiđro

mà còn có khả năng trao đổi với proton của các tiểu phân xung quanh. Sự trao đổi proton

cũng thể hiện rõ trên phổ NMR.

Thí dụ: Khi đo phổ của CH3COOH trong nước người ta không nhân được tín hiệu của

proton COOH và proton của nước một cách riêng rẽ mà nhận được tín hiệu chung cho

chúng. Đó là do tốc độ ion hóa nhanh đến mức mà sự trao đổi xảy ra khi proton ở vào

trạng thái cộng hưởng.

CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+

c. Ảnh hưởng của dung môi

Khi thay dung môi CCl4 bằng CDCl3, độ chuyển dịch hóa học của proton liên kết

với cacbon chỉ thay đổi 0.1ppm. Còn khi chuyển sang các dung môi phân cực hơn như

CD3OD, CD3COCD3... thì dộ dịch chuyển thay đổi 0.3ppm, nói chung là khi thay đổi

dung môi thì độ dịch chuyển hóa học có sự thay đổi theo. Các dung môi dùng trong

phương pháp NMR đều đã được Đơtơri hóa. Tuy nhiên những proton còn sót lại thường

vẫn cho tin hiệu trên phổ. Ngoài ra vết nước trên dung môi cũng gây ra tín hiệu trên phổ 1H NMR.

10

d. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Vị trí tín hiệu của các proton liên kết với cacbon thường rất ít bị ảnh hưởng bởi

nhiệt độ, chỉ có các proton trong các nhóm OH, NH, SH phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi

nhiệt độ. Vì khi nhiệt độ tăng làm đứt các liên kết hidro, do đó lam cho tín hiệu của các

proton của các nhóm đó chuyển dịch về phía trường mạnh.

2. Hạt nhân tương đương về độ dịch chuyển hóa học

2.1. Định nghĩa

Các hạt nhân nguyên tử được bao quanh bởi một lớp vỏ electron, mà lớp vỏ này

cũng sinh ra một từ trường riêng B’ nên khi từ trường B0 tác động lên hạt nhân thường bị

từ trường riêng B’ triệt tiêu một phần, do đó từ trường thực tác động lên hạt nhân chỉ là

Bhd < B0. Bhd là từ trường hiệu dụng:

Bhd = B0(1-)

gọi là hằng số chắn, có giá trị khác nhau đối với mỗi hạt nhân nguyên tử trong

phân tử.

11

Khi đặt hai hạt nhân nguyên tử A và B của cùng một nguyên tố vào từ trường ngoài

B0, do hai hằng số chắn A và B khác nhau nên :

ν A=12

γB0 (1−σ A) (3)

νB=12

γB0 (1−σ B) (4)

Hiệu số A-B ~ B - A .ta không thể đo giá trị tuyệt đối hằng số chắn của mỗi hạt

nhân, nhưng có thể đo được hiệu trên. Người ta nhận thấy rằng hằng số chắn của hợp

chất (CH3)4Si (TMS) là lớn nhất nên đã dùng nó làm chất chuẩn để đo hiệu:

= TMS - X

TMS là hằng số chắn của chất TMS, X là hằng số chắn của chất cần đo bất kì x

Giá trị được gọi là độ dịch chuyển hóa học.

δ=ν X−νTMS

ν0

10−6

X là tần số cộng hưởng của một proton (Hz), 0 là tần số cộng hưởng của máy đo

(MHz). không có thứ nguyên, người ta kí hiệu 10-6 là ppm.

Độ dịch chuyển hóa học của 1H – NMR nằm trong khoảng 0-12ppm.

Trên biểu đồ tại vị trí mà 1 hạt nhân hấp thu năng lượng để có hiện tượng cộng hưởng

gọi là độ dịch chuyển hoá học

12

2.2. Độ dịch chuyển hoá học

Theo quy ước độ dịch chuyển của TMS được chỉnh tại mức 0 trên biểu đồ và nhưng vùng

hấp thu khác sẽ xuất hiện tại vùng trường thấp hơn TMS: (CH3)4Si

Sở dĩ TMS được chọn là bởi vì nó có tính trơ về mặt hóa học, dễ bay hơi, tan được hầu

hết trong dung môi hữu cơ, cho tín hiệu trên biểu đồ là 1 mũi đơn mạch.

- Các proton có hợp chất này bị che chắn nhiều hơn bất kì proton nào của các hợp

chất hữu cơ.

- Phổ trong lượng tử hạt nhân chia theo thang

3. Hằng số chắn và từ trường hiệu dụng

Hằng số chắn xuất hiện do hai nguyên nhân:

Hiệu ứng nghịch từ: các điện tử bao quanh nguyên tử sinh ra một từ trường riêng,

ngược chiều với từ trường ngoài nên làm giảm tác dụng của nó lên hạt nhân

nguyên tử. Lớp vỏ điện tử càng dày đặc thì từ trường riêng ngược chiều với từ

trường ngoài càng lớn tức hằng số chắn càng lớn. Sơ đồ hiệu ứng nghịch từ Vì

vậy, các proton nằm trong các nhóm có nguyên tử hay nhóm nguyên tử gây hiệu

ứng –I (Cl, Br, I, NO2…) sẽ có hằng số chắn nhỏ, trái lại khi các nhóm nguyên tử

gây hiệu ứng +I (CH3, C2H5…) sẽ có hằng số chắn lớn.

Hiệu ứng thuận từ: bao quanh phân tử là lớp vỏ điện tử, các điện tử này chuyển

động sinh ra một dòng điện vòng, do đó xuất diện một từ trường riêng có hướng

thay đổi ngược hướng hoặc cùng hướng với từ trường ngoài. Tập hợp tất cả các

điểm trên các đường sức mà tại đó tiếp tuyến vuông góc với từ trường ngoài sẽ tạo

nên một mặt parabon. Phía trong mặt parabon, từ trường tổng hợp nhỏ hơn B0 vì

từ trường riêng ngược hướng với từ trường ngoài, còn phía ngoài parabon thì từ

trường tổng hợp lớn hơn B0 vì từ trường riêng cùng hướng với từ trường ngoài.

Do đó hằng số chắn phía ngoài parabon nhỏ còn phía trong thì có hằng số chắn lớn

13

nghĩa là độ chuyển dịch học cùng các proton nằm phía ngoài parabon sẽ lớn còn

phía trong sẽ nhỏ.

Từ trường thực tác dụng lên hạt nhân là: Be = B0 – B’ = B0 – σB0; Be = B0 (1-σ)

Be: là từ trường hiệu dụng

σ: là hằng số chắn có giá trị khác nhau đối với mỗi hạt nhân nguyên tử trong phân tử.

Phụ thuộc vào số e, nếu số e càng nhiều thì σ càng lớn. Hằng số chắn tỷ lệ thuận với điện

tích e, mật độ e bao quanh hạt nhân và tỷ lệ nghịch với khối lượng e. Hằng số chắn σ

càng lớn thì từ trường hiệu dụng Be càng nhỏ.

4. Độ chuyển dịch hoá học

Đối với các hạt nhân trong phân tử càng phức tạp trong nguyên tử do ảnh hưỏng của các

đám mây electron của các nguyên tử bên cạnh.

Ví dụ: Xét 1H ở nhóm CH3 của phân tử TMS (CH3)4Si và 1H ở nhóm CH3 của axeton: Do

ảnh hưỏng của nhóm CO hút e làm cho đám mây electron ở 1H của axeton < ở 1H của

TMS nên: σ 1H (TMS) > σ 1H (aceton) Be (TMS) < Be (aceton) tại vị trí hạt nhân 1H

trong TMS so với trong aceton. Do hiệu ứng chắn từ khác nhau nên các hạt nhân 1H và 13C trong phân tử có tần số cộng hưởng khác nhau. Đặc trưng cho các hạt nhân 1H và 13C

trong phân tử là giá trị độ chuyển dịch hoá học δ. Với cùng một từ trường ngoài B1, để có

tín hiệu cộng hưởng của 1H với từ trường, tần số cộng hưởng (aceton) > TMS hoặc từ

trường sử dụng đối với TMS phải có cường độ lớn hơn đối với aceton. Có hai phương

pháp tạo ra điều kiện thoả mãn điều kiện cộng hưởng (ν1=(1/2π).γ.B0) để ghi tín hiệu

cộng hưởng.

Độ dịch chuyển hóa học (chemical shift) của Hydrogen phổ NMR

0,9ppm: RCH3 1° aliphatic

1,3ppm: R2CH2 2° aliphatic

1,5ppm: R3CH 3° aliphatic

14

2 - 2,7 ppm: nhóm tại vị trí này liên kết với nhóm carbonyl

3,7 - 4,1 ppm: nhóm tại vị trí này liên kết với nhóm oxygen

9 - 10 ppm: nhóm aldehyde

6,5 - 8,5 ppm: Aromatic

2,2 - 3 ppm: H của nhóm gắn vào Aromatic

15

10 - 13,2 ppm: acid

0,5 - 3 ppm: amin aliphatic

3 - 5 ppm: amin Aromatic

4 - 4,4ppm: H của nhón gắn với NO2

16

4 - 12ppm: H của ancol

Alkyl Halides

Tổng quan so sánh giữa 1H-NMR với 13C-NMR

17

18

19

5. Phương pháp quét trường: thay đổi B0

Đặt TMS và aceton vào từ trường B0 và sử dụng một từ trường bổ sung, tăng dần cường

độ của từ trường bổ sung để đến một lúc nào đó cường độ từ trường hiệu dụng tác động

lên xuất hiện tín hiệu cộng hưởng. Vì Be(TMS) < Be (aceton) nên chỉ cần bổ sung một

giá trị từ trường B0 – Be nhỏ hơn thì ở aceton đã xuất hiện tín hiệu cộng hưởng trong khi

đó thì từ trường tác dụng lên vị trí hạt nhân 1H (TMS) chưa đủ mạnh chưa có tín hiệu

cộng hưởng. Tiếp tục tăng từ trường bổ sung đến một giá trị nào đó để từ trường tác dụng

lên 1H (TMS) đạt bằng B0 thì xuất hiện tín hiệu cộng hưởng của 1H (TMS).

Phổ 1H NMR của hỗn hợp aceton trong TMS

Khoảng cách giữa hai tín hiệu của TMS và aceton là:

Khoảng cách này vừa phụ thuộc vào hằng số chắn σ vừa phụ thuộc vào cường độ từ

trường ngoài B0.

20

Chỉ phụ thuộc vào hằng số chắn, không phụ thuộc vào từ trường của thiết bị.

Như đã biết độ dịch chuyển hóa học của mỗi hạt nhận không những phụ thuộc vào cấu

tạo hóa học mà còn phụ thuộc vào vị trí không gian của no1ntrong phân tử. Để xét xem

một hợp chất cho mấy tín hiệu NMR, cần phải biết trong nguyên tử của nó có bao nhiêu

nhóm hạt nhân giống nhau về cấu tạo hóa học và về vị trí không gian mà ta tạm gọi là các

hạt nhân tương đương.

4 nhóm metyl ở TMS là tương đương cho nên trên phổ 1H NMR chỉ có một tín hiệu ứng

với 12 H và trên phổ 13C NMR cũng chỉ cho một tín hiệu cho 4 13C

Ở 1-clo-2-metylpro-1-en (II) hai nhóm metyl là không tương đương nên chúng cho hai

tín hiệu khác nhau trên phổ 1H NMR cũng như trên phổ 13C. Ở hợp chất P4S3 (III) có 3P

tương đương và 1P khác biệt vì thế trên phổ 31P có hai tín hiệu ở hai vị trí khác nhau.

Phổ NMR của pinacolon với chất chuẩn là TMS

21

IV. ĐƯỜNG CONG TÍCH PHÂN

Diện tích giới hạn bởi đường cong phổ tỷ lệ với số proton của mỗi nhóm nhưng do việc

đo diện tích này khó chính xác nên người ta sử dụng đường cong tích phân để xác định tỷ

lệ số proton của mỗi nhóm, vì chiều cao bấc thang tỷ lệ với số proton của mỗi nhóm.

Ngoài ra, chiều cao bậc thang còn tỷ lệ với nồng độ chất trong dung dịch do đó, người ta

có thể tính được nồng độ chất dựa vào đường chuẩn và chất chuẩn.

Ví dụ: phân tử toluene C6H5 cho 2 nhóm tín hiệu ứng với nhân phenyl (chứa 5H ) và với

nhóm metyl ( chứa 3H) thì diện tích này sẽ là :

S (C6H5): S(CH3) = 5:3

S: diện tích của mỗi tín hiệu

Tuy nhiên việc tính toán diện tích này thường khó khăn do sự xuất hiện đa vạch ở mỗi

nhóm. Để khắc phục trở ngại này, người ta sử dụng kỹ thuật tích phân tín hiệu, vẽ các

đường cong bậc thang. Chiều cao của các bậc thang trên mỗi nhóm tín hiệu cộng hưởng

cũng tỷ lệ với số proton của mỗi nhóm. Đường cong này được gọi là đường cong tích

phân.

22

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của etylbenzen. Chiều cao bậc thang đường

cong tích phân tỉ lệ với số proton ở mỗi nhóm

V. PROTON TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ KHÔNG TƯƠNG ĐƯƠNG

1. Các proton tương đương về độ dịch chuyển hoá học ( phổ 1H – NMR)

1.1. Các proton tương đương

- Do độ dịch chuyển hoá học của mỗi hạt nhân phụ thuộc vào cấu tạo hoá học và

vào vị trí không gian của nó trong phân tử nên mỗi hạt nhân có hiệu ứng chắn

khác nhau. Muốn biết 1 hợp chất có thể có bao nhiêu tín hiệu trên phổ proton cần

phải biết trong phân tử đó có bao nhiêu loại proton giống nhau về cấu tạo và vị trí

không gian giống nhau. Các proton giống nhau đó được gọi là proton tương đương

về độ dịch chuyển hoá học trong phổ proton chỉ cho 1 tín hiệu cộng hưởng.

- Để biết xem 2 loại proton có tương đương hay không: khi thay thế 1 nguyên tử

hidro trong phân tử đó bằng 1 nhóm thế X bất kì sau đó xét các sản phẩm tạo

23

thành và so sánh các sản phẩm đó về mặt cấu tạo bằng nhiều phương pháp. Nếu tất

cả các sản phẩm giống nhau thì chứng tỏ trong hợp chất của mình có mấy loại.

1.2. Các proton không tương đương

2. Cường độ phân tích của mũi cộng hưởng

Khi 2 proton gắn trên 1 C, nằm sát 1 C bất đối xứng thì 2 proton đó không tương đương

Hiện nay với máy cộng hưởng từ hạt nhân thế hệ mới thì cường độ phân tích được ghi

bằng số ngay dưới mũi cộng hưởng.

VI. TƯƠNG TÁC SPIN – SPIN

1. Bản chất tương tác spin-spin

Trên phổ NMR, mỗi nhóm hạt nhân không tương đương sẽ thể hiện bởi 1 cụm tín hiệu

gọi là vân phổ. Chẳng hạn, trên phổ của etanol, tín hiệu của nhóm CH2 gồm 4 hợp phần

gọi là vân bốn; tín hiệu của nhóm CH3 gồm 3 hợp phần, gọi là vân 3; tín hiệu của nhóm

OH chỉ gồm 1 hợp phần thì được gọi là vân đơn. Một tín hiệu gồm 2 hợp phần thì được

gọi là vân đôi.

Phổ cộng hưởng từ 1H của etanol

24

Nguyên nhân gây nên sự tách tín hiệu cộng hưởng thành nhiều hợp phần là do tương tác

của các hạt nhân có từ tính ở cạnh nhau. Tương tác đó được thực hiện qua các electron

liên kết.

2. Hằng số tương tác spin-spin

Đối với mỗi hạt nhân hoặc một nhóm hạt nhân, người ta nhận được một tín hiệu đặc

trưng chỉ có một đỉnh nhưng cũng có khi gồm một nhóm 2, 3, 4, 5 đỉnh khác nhau. Ví dụ

phổ cộng hưởng từ proton của etanol có các tín hiệu đặc trưng cho nhóm OH (1đỉnh),

nhóm CH2 (4đỉnh), CH3 (3đỉnh). Nguyên nhân của sự xuất hiên nhiều đỉnh trên là do mỗi

hạt nhân có I=1/2 đã sinh ra hai từ trường riêng biệt. Hai từ trường này tác dụng lên hạt

nhân bên cạnh làm phân tách mức năng lượng chính của nó thành hai mức năng lượng

khác nhau. Trường hợp 2, 3 hạt nhân cùng tác động từ trường riêng của minh lên cùng

một hạt nhân khác thì năng lượng cộng hưởng của hạt nhân đó bị phân tách thành nhiều

mức năng lượng khác nhau mà mỗi mức năng lượng cộng hưởng này cho một đỉnh trên

phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton.

3. Tương tác spin – spin trong phổ 1H – NMR

3.1. Lý thuyết tách spin – spin

Có nhiều trường hợp mũi cộng hưởng không xuất hiện mũi đơn mà bị chẻ ra thành nhiều

mũi, hiện tượng này được gọi là hiện tượng tách spin. Đây là hiện tượng có nhiều mũi

khác nhau do các proton kề bên đã tương tác lên các proton khảo sát

25

Phổ 1H NMR của 1,1,2 - tricloetan

3.2. Quy tắc (n+1)

Nếu 1 proton khảo sát có n proton tương đương kề bên thì sẽ cho cộng hưởng với tín hiệu

(n+1) mũi trên tín hiệu.

Các mũi này có diện tích tương đối theo tỷ lệ tam giác Pascal

3.3. Giới hạn sự ghép từ

Trên phổ đồ sẽ không thấy sự tách spin giữa các proton của nhân benzene với các

proton của nhóm metyl vì các proton này không gắn trên những C liền kề nhau, chúng

cách nhau 1 khoảng đủ xa để không xảy ra sự ghép từ.

26

- Các proton tương đương về mặt hoá học không có sự ghép từ. các proton tương

đương có thể ở trên cùng 1 C hoặc trên 2 C khác nhaun hung các tín hiệu của

chúng không tách spin với nhau

- Các proton cách nhau hơn 2 C sẽ không tách spin ( tuy nhiên nếu cách nhau bởi

nối π sẽ có sự ghép yếu nên tín hiệu rất khó quan sát

- Các proton cách nhau hơn 4 nối hoá trị sẽ không tách spin

- Các proton gắn vào 2C kề nhau cách nhau 3 nối hoá trị sẽ có sự tách spin

3.4. Sư ghép spin

27

VII. PHỔ 1H – NMR VÀ TIẾN TRÌNH TỐC ĐỘ

1. Phương pháp phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H

Nhiệm vụ của phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân là phải tìm được các thông số từ các

phổ ghi ra. Ở đây, giới hạn ở việc tìm các giá trị: độ chuyển dịch hoá học δ và hằng số

tương tác spin – spin (J) của các proton và các hạt nhân khác có I = ½.

1.1. Kí hiệu của phổ

Khi giữa hai hay nhiều hạt nhân trong phân tử có tương tác spin – spin với nhau người ta

nói đến hệ hạt nhân. Người ta ký hiệu các hạt nhân đó bằng các chữ cái A, B, C,… ,

M,X, Y...

Các hạt nhân của cùng loại hạt nhân và có độ chuyển dịch hoá học như nhau gọi là các

hạt nhân tương đương và được ký hiệu bằng một loại chữ cái, còn số lượng các hạt nhân

này được ghi bằng chữ số ở phía dưới bên phải ví dụ: A2B, A2X… Sự đánh giá các phổ

phụ thuộc vào tỷ lệ của hiệu số độ chuyển dịch hoá học và hằng số tương tác spin:

Nếu hiệu số của độ chuyển dịch hoá học của hai nhóm hạt nhân nhỏ hơn hằng số tương

tác của chúng (K < 1) thì người biểu diễn những hạt nhân này bằng các chữ cái liên tiếp

nhau. Ví dụ: AB, A2B, ABC.

Ngược lại, nếu hiệu số của độ chuyển dịch hoá học lớn hơn hằng số tương tác của chúng

thì người ta biểu diễn hệ hạt nhân bằng chữ cái ở cách xa nhau; ví dụ: AX, A2B, AMX,

… Trường hợp K > 6 thì xếp vào phổ bậc 1. Còn lại xếp vào phổ bậc cao.

1.2. Phổ bậc 1

Đối với phổ bậc 1, có thể áp dụng quy tắt số vạch tối đâ và tỷ lệ chiều cao các đỉnh trong

một nhóm tuân theo quy tắt Pascan.

28

Hệ phổ bậc 1 thường có dạng AmXn và AmMnXy. Các hệ phổ AX có hể tìm thấy số đỉnh

của mỗi nhóm dễ dàng và hằng số tương tác J và tần số νA hay νX.

Ví dụ: số đỉnh AX :

Số đỉnh A2X :

29

Số đỉnh A3X :

Số đỉnh A6X :

:

30

Trường hợp chung AmMnX cũng thu được 3 nhóm đỉnh nhưng số đỉnh ở mỗi nhóm phụ

thuộc vào số proton ở nhóm bên cạnh.

Ví dụ: ở hợp chất 1-nitropropan CH3-CH2-CH2- NO2 thuộc về hệ phổ A3M2X2 cho phổ

cộng hưởng từ hạt nhân ở hình sau:

Nhờ sự khác biệt về độ chuyển dịch hoá học và tương tác spin – spin của các hạt nhân

nên có thể xác định được cấu tạo các phân tử.

Hình ảnh: chỉ ra phổ 1H-NMR của etylformiat HCOCH2CH3 cho δCHO = 8,1 ppm, δCH2 =

4,2 (4 đỉnh) và δCH3 = 1,3 ppm (3 đỉnh).

31

1.3. Phổ bậc cao AB, A2B và ABX

Tất cả các loại phổ không thể phân tích theo phổ bậc 1 gọi là phổ bậc cao. Hầu hết các

loại phổ này có (νA – νB) ≈ JAB. Người ta ký hiệu các hạt nhân bằng các chữ cái liên tiếp

nhau, ví dụ AB, ABC, A2B. Việc phân tích các loại phổ này phức tạp hơn các phổ bậc1,

trong nhiều trường hợp không thể phân tích trực tiếp được. Dưới đây trình bày một vài

trường hợp đơn giản của loại phổ này.

1.3.1. Phổ AB

Các phổ được xếp vào phổ bậc cao có K < 6 đơn giản nhất là hệ AB và ABX. Để tìm các

thông số δ và J trực tiếp trên phổ như hệ phổ bậc 1, ta xét ví dụ phổ AB gồm hai cặp

nhóm đỉnh, các thông số được tính theo công thức:

32

Ví dụ: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của 3-brom-2-tert-butoxithiophen

33

Phổ 1H NMR của columbianetin trong CDCl3

1.3.2. Phổ A2B phổ lý thuyết của A2B

Phổ A2B là hệ gồm 3 hạt nhân tương tác với nhau trong đó có hai hạt nhân tương đương.

Phổ gồm hai phần, về lý thuyết phần A vó 8 đỉnh và phần B có 6 đinh nhưng phổ thực

thì số đỉnh ít hơn.

Ví dụ: phổ 1H-NMR của 1,3,4 – tribrombut-1-in phần A chỉ xuất hiện 4 đỉnh và phần B 4

đỉnh (hình vẽ). Có thể phân tích phổ A2B như trên hình vẽ, tính các giá trị như sau:

34

Phổ 1H-NMR của 1,3,4-tribrombutin-1

Phổ 1H NMR của 1 – xiclopentylbut- 1 – en – 3 - on

35

1.3.3. Phổ ABX

Phổ ABX thường gặp trong pổ cộng hưởng proton đặc biệt các hợp chất thơm và anken

cũng như các hợp chất chứa hạt nhân từ khác (19F, 31P) gồm ba hạt nhân không tương

đương tương tác với nhau phân tách phổ thành hai phần riêng biệt. Để phân tích phổ cần

tách riêng biệt phần AB và phần X, ví dụ phổ 1H-NMR của stirenoxit ở dưới, phần AB có

8 đỉnh và phần X có 4 đỉnh.

Về lý thuyết, hệ phổ ABX gồm hai phần, phần AB có 8 đỉnh còn phần X có 6 đỉnh, để

thực hiện ta tạm chia phần AB thành AB’ và AB”, từ phần này có thể tìm được J AB và các

giá trị:

Phổ 1H NMR của 1 – nitropropan

36

1.4. Ghép xa

2. Cường độ vân phổ cộng hưởng từ proton

Cường độ vân phổ được xác định qua diện tích của vân phổ gọi là cường độ tích phân.

Khi một vân phổ phân tách thành nhiều hợp phần ( do tương tác spin – spin) thì phải tính

tổng diện tích các vân phổ hợp phần đó. Trước đây các máy phổ có lắp bộ phận xác định

cường độtích phân bằng cách vẽ lên phổ đồ các đường bậc thang. Độ cao của mỗi bậc

thang tỉ lệ với cường độ của mỗi vân phổ. Bằng các so sánh độ cao của các bậc thang ta

có thể tìm thấy tỷ lệ về số lượng giữa các proton gây ra các hiệu ứng cộng hưởng.

Đường bậc thang chỉ cường độ tương đối trên phổ 1H NMR của xiclopentanol

37

VIII. Khảo sát phổ 1H – NMR của một số loại hợp chất hữu cơ

Ancal : có 3 loại hydrogen

Nhóm metyl thường nhận biết qua các nối đơn, nối đôi, nối đa, có khi che lấp luôn múi

của CH

Chú ý: proton –CH có độ dịch chuyển hoá học lớn hơn các loại proton metyl và metilen

Ancen:

38

Hương phương:

Trong hợp chất thơm sự chắn bị ảnh hưởng rất mạnh bởi hiệu ứng cộng hưởng của

nhóm thế

Các cơ cấu cộng hưởng của anilin

Các vị trí ở o-, p- được che chắn mạnh hơn ở m-. tương tự vậy nếu thay nhóm NH2- bằng

NO2 thì : nhóm NO2 hút electron khiến các proton ở o-, p- được giảm chắn hơn ở m-

39

Ankin:

Ancol – phenol

40

Ete :

Amid :

Nitril :

Aldehid :

Cetone :

Acid carbocilic :

41

Ester :

Nitroalcan :

Tioeter :

IX. CÁCH GIẢI PHỔ 1H – NMR

Các loại chỉ tiêu để giải đoán cấu trúc:

Các dữ liệu cần nắm vững khi phân tích phổ. Để có một hợp chất hữu cơ tinh khiết các

nhà hoá học phải chiết, tách ( cô lập, tinh chế từ cây cỏ thiên nhiên hoặc từ một số phản

ứng tổng hợp sau đó cô lập, tinh chế được hợp chất mới).

Các công đoạn vừa nêu trên từ lúc bắt đầu đến lúc có được một hợp chất hữu cơ có tinh

chất là một việc làm đòi hỏi nhiều công sức. chính vì vậy, việc này chỉ đạt được ý nghĩa

khi nào biết được cấu trúc hoá học của hợp chất đó.

- Muốn biết được cấu trúc hoá học thì cần gửi mẫu đi phân tích nhiều chỉ tiêu khác

nhau vì mỗi chỉ tiêu đều có giá trị ít hay nhiều, đều góp phần cần thiết để xác định

cấu trúc, kết quả khi phân tích các chỉ tiêu phải bổ sung cho nhau và không được

cho kết quả trái ngược nhau.

- Không nên bỏ sót bất kì chỉ tiêu nào nếu muốn công bố kết quả việc làm của mình

bằng một báo cáo khoa học hoặc một bài báo trong tạp chí chuyên ngành.

- Dùng mẫu là chất lỏng hoặc chất rắn, trước khi gửi mẫu đi đo phải khô, không còn

hơi ẩm hoặc dung môi bằng cách sấy khô trong bình nước ấm vài ngày. Mẫu phải

42

là tinh chất, độ tinh chất phải lớn hơn 95%. Kiểm tra độ tinh chất bằng sắc kí lỏng

nâng cao ( sắc kí lỏng cao áp), hoặc bằng sắc kí khí ( nếu hợp chất có tính bay hơi:

tinh dầu), các hợp chất có nhiệt độ sôi thấp, các hợp chất có chứa nhóm OH,

COOH đã được điều chế thành những dẫn xuất có tính bay hơi cũng có thể tự

kiểm tra bằng phương pháp sắc kí dạng lỏng, chú ý việc thay đổi nhiều loại hệ

dung ly Rf = 0,7 – 0,8 (mạnh); đối với hệ dung lu phân cực trung bình R f = 0,3 –

0,6; với hệ dung ly kém phân cực: Rf = 0,2 – 0,3, nếu với tất cả ba hệ như trên mà

mẫu chỉ cho một chất tròn duy nhất, không thấy xuất hiên các chất khác, tức là đtạ

trên 95% tinh chất, tức là đã có thể dùng mẫu đi đo phổ.

Nếu mẫu chưa tinh chất chưa thể dùng đi đo phổ, phải tinh chế.

CÁC CHỈ TIÊU ĐỂ GIẢI ĐOÁN CẤU TRÚC:

- Nhiệt độ nóng chảy: trước khi đo cần phải kết tinh lại, khi nào công bố kết quả

phải kèm theo dung môi kết tinh

- Phổ hồng ngoại (IR): 1 – 2 mg

- Phổ tử ngoại (UV)

Năng lượng triền quay

( thủ tánh )

Phải biết nồng độ mẫu C, thường dùng CDCl3, đi kèm dung môi để hoà tan nó.

- Phân tích nguyên tố, cần khối lượng mẫu 30 – 50 mg.

- Dùng khối phổ MS: với bất kì loại hợp chất hữu cơ nào ở thể lỏng hoặc thể rắn có

tính bay hơi hoặc không bay hơi đều có thể đo khối phổ một cách trực tiếp. Ở Việt

Nam để đo khối phổ chỉ có một địa chỉ là Phòng phân tích cấu trúc, Viện hoá học,

Trung tâm khoa học Tự Nhiên Và Công Nghệ quốc gia số 18 đường Hoàng Quốc

Việt, Phường Cầu Giấy, Hà Nội.

- Với mẫu có tính bay hơi như tinh dầu hoặc mẫu có nhiệt độ sôi thấp có thể đo

bằng máy sắc kí ghép khối phổ (GC – MS)

43

- Đối với mẫu là hợp chất không có tính bay hơi mà không đo trực tiếp bằng khối

phổ được thì có thể đo bằng máy ( LC – MS) sắc kí lỏng ghép khối phổ tại trung

tâm dịch vụ phân tích thành phố Hồ Chí Minh. Những chất có tính chất kém phân

cực thì không thể đo bằng máy này.

- Phổ proton 1H đo ở máy khoảng 200 MHz cần khoảng 5mg mẫu DEPT

CÁC DỮ LIỆU CẦN NẮM VỮNG KHI PHÂN TÍCH PHỔ:

- Nếu biết được công thức phân tử CxHyOzNt…dựa vào phân tích nguyên tố qua

khối phổ. Hiện nay có máy khối phổ độ phân giải cao HRMS, sau khi đo sẽ biết

được công thức phân tử sau đó tính được độ bất bão hoà.

- Tìm cách làm khớp hai con số sau đây lại với nhau: tổng số proton nhờ vào đường

cong tích phân trên phổ đồ hoặc con số ghi ngay phía dưới mũi cộng hưởng và số

nguyên tử H trong công thức CxHyOzNt từ đó xác định mỗi loại tín hiệu cộng

hưởng trên phổ sẽ tương ứng với bao nhiêu proton.

- Chú ý khảo sát độ dịch chuyển hoá học của một số chất tiêu biểu: ancen, ancol…

sự che chắn, giảm chắn…

- Nếu công thức phân tử cho biết sự hiện diện của oxi hoặc nitơ, ta nhìn tổng quát

trên phổ đồ xem có mũi nào là mũi đơn, bầu rộng, nằm sát đường nền hay không?

Đó có thể là proton của –NH2, -OH nếu không thì xem có thể hợp chất có chứa

nhóm xeton, ester, ete, amin tam cấp, amit…các nhóm chức này làm cho phổ đơn

giảm hơn. Để có thể khẳng định một mũi là proton của –OH, -NH, -SH, -COOH ta

thêm 1 – 3 giọt D2O vào ống thuỷ tinh đựng mẫu đó rồi lắc nhẹ để trộn đều dung

dịch trong ống và đo lại: các mũi khác vẫn giữ nguyên, các mũi của – OH, - RH, -

SH, -COOH sẽ biến mất trên phổ đồ.

- Một phương pháp khác để xác định sự hiện diện của proton – OH, -SH, -COOH, -

NH là điều chế các dẫn xuất ta thực hiện phản ứng axetin hoá bằng cách cho tác

dụng với clorua axit.

Ví dụ: axetin clorua : CH3COCl, C6H5COCl hoặc anhidric axit thì sản phẩm tạo thành sẽ

mang nhóm chức – CH – O – CO – CH3

44

Nếu trên phổ đồ cũ lúc chưa este hoá thì proton của mũi CH 2OH có độ dịch chuyển là x

ppm thì trên phổ đồ mới sau khi ester hoá sẽ có độ dịch chuyển là x+0,5 ppm. Nếu proton

của mũi –CHOH của ancol nhị cấp có độ dịch chuyển hoá học là x’ ppm thì trên phổ mới

proton đó sẽ dịch chuyển về vùng trường thấp khoảng 1,12 - 1,2 ppm.

- Bên cạnh việc xác định cấu trúc thì phổ proton cũng được sử dụng để theo dõi một

phản ứng hoá học.

Vậy khi nhìn vào một phổ 1H-NMR bạn sẽ làm gì ?

1- Xác định độ bất bão hòa của công thức.

2 - Dựa vào tích phân để xác định số hidro của từng peak, nên nhớ những chỉ số tích phân

ghi trên phổ chỉ là tỷ lệ của các loại hidro so với nhau, không phải là số hidro. Vì thế chỉ

xác định được tương đối chính xác số hidro khi đã biết công thức phân tử.

3 - Xác định được dạng các peaks (như mũi đôi, mũi ba, mũi đôi đôi dung dịch ... ) từ đó

tính chính xác hằng số ghép của các peaks ( ghi trực tiếp trên đầu peak ). Đây là điều vô

cùng quan trọng vì hai proton ghép với nhau sẽ có hằng số ghép bằng nhau. Dựa vào

hằng số ghép ta cũng có thể xác định được cấu hình lập thể như cis-, trans- , liên kết nằm

ở trục hay xích đạo ...

4 - Xác định điểm bắt đầu. Điểm bắt đầu được xác định dựa vào những peaks mà khi nhìn

vào bạn có thể hình dung được đó là proton liên kết với carbon loại nào ngay, hoặc là

proton liên kết với carbon đầu mạch. Có thể dựa bảng độ dịch chuyển hóa học đính kèm

hoặc đơn giản hơn dựa vào quy tắc cơ bản sau:

*Vùng từ 0 - 3 pmm -> proton liên kết với carbon không liên kết với nguyên tố có độ âm

điện lớn

(*) Tips:

CH > CH2 > CH3 ( nhóm CH3- đầu mạch thường nằm ở đầu bên phải của phổ 1H )

H-C-C=0 luôn <3 thường là khoảng ~2.5 ppm

45

H-C-C=C thường khoảng ~2.2 ppm

H-C-Csp3 luôn < 2 ppm

* Vùng từ 3 - 5 ppm -> proton liên kết với carbon liên kết với nguyên tố có độ âm điện

lớn như oxi, nito, halogen.

(*) Tips:

CH3O- thường khoảng 3.5~3.9 ppm

* Vùng từ 5 - 8 ppm -> proton liên kết với Csp2 ( carbon mang nối đôi và vòng benzen )

(*) Tips:

H-benzen thường trong khoảng 7~8 pmm, benzen bình thường là 7.27 pmm, tùy gắng

thêm nhóm thế như thế nào giá trị đó sẽ thay đổi

* Vùng đặc trưng của aldehid : mũi đơn từ 9-10 ppm

* Vùng đặc trưng của acid carboxylic > 10 ppm ( do proton trao đổi rất nhanh nên nhiều

trường hợp không hiện trên phổ proton )

46

Độ dịch chuyển hóa học 1H-NMR

5 - Sau khi đã chọn được những điểm bắt đầu, dựa vào giá trị hằng số ghép và dạng mũi

sẽ xác định được proton nào liên kết với những điểm bắt đầu đó. Tiếp tục như thế ta sẽ

được nhiều mảnh của phân tử. Ghép những mảnh đó lại với nhau một cách hợp lý sẽ thu

được cấu trúc phân tử .

6 - Sau khi đề nghị được cấu trúc phân tử, đánh số phân tử và xác định lại từng proton

của phân tử đó trên phổ lần nữa xem độ dịch chuyển hóa học có phù hợp không ? Khi

nhìn lại vấn đề một cách tổng quát, có thể sẽ nhìn ra những điểm sai - hãy chấp nhận và

suy nghĩ đừng bỏ qua những điểm vô lý dù nhỏ nhất.

47

X. ỨNG DỤNG

1. Ứng dụng lâm sàng của cộng hưởng từ phổ (1H - NMR) trong chẩn đoán u não

trong trục ở người lớn

Kết luận:

Qua nghiên cứu giá trị của cộng hưởng từ phổ (H1-NMR) trong u não trong trục trên lều

ở người lớn, rút ra một số kết luận sau:

Phân biệt tổn thương u, không u và người bình thường:

Cộng hưởng từ phổ giúp thêm thông tin về các chất chuyển hóa để chẩn đoán phân biệt

giữa u não và tổn thương không u. U não cho thấy tăng nồng độ Cho, giảm nồng độ NAA,

dẫn tới tăng tỷ số Cho/NAA và Cho/Cr, giảm tỷ số NAA. Các tổn thương không u (trong

trường hợp của là nhồi máu và abscess) thấy giảm nồng độ Cho.

Tỷ số Cho/NAA có giá trị nhất trong dự báo u và tỉ NAA/Cr có giá trị dự báo thấp nhất

trong 3 tỷ số trên.

Như vậy, ngoài những thông tin về hình thái trên hình ảnh CT và MRI thường quy,

chúng ta có thể sử dụng thêm cộng hưởng từ phổ (H1-NMR) để giúp phân biệt tổn thương u

với không u trong những trường hợp khó.

Về mặt kỹ thuật, kỹ thuật đa đơn vị thể tích (Multivoxel), là hình ảnh bậc hóa học (CSI)

với thời gian TE trung gian (135ms), thuận lợi hơn trong đánh giá u não vì có thể đo thêm

Cho ở vùng thâm nhiễm u xung quanh.

Mặc dù chưa có ý nghĩa thống kê, nhưng thấy Lac gặp nhóm u nhiều hơn không u và

nhóm u có độ ác cao có lactate nhiều hơn là u có độ ác thấp.

48

Hình 1. Bênh nhân nam, 24 tuổi, nhôi mau nao

(a) Hình phổ cộng hưởng từ vùng tổn thương, thấy Cho không cao, NAA thấp, hiện diện

đỉnh Lactate (đỉnh kép dưới đường nền). (b) Phổ cộng hưởng từ mô não bình thường bên đối

diện

Hình 2. Bênh nhân nam 49 tuổi, u sao bào thoai san grade III

(a) Hình phổ cộng hưởng từ vùng tổn thương thấy tăng Cho, giảm Cr và NAA, hiện diện

đỉnh lactate. (b) Phổ cộng hưởng từ bên đối diện bình thường.

Hình 3. Bênh nhân nam 46 tuổi, Ap-xe nao

(a) Hình cộng hưởng từ phổ vùng tổn thương thấy Cho không cao, NAA không thấp.

(b) Hình cộng hưởng từ phổ bên đối diện bình thường.

49

2. Xạ trị bằng proton đã chứng tỏ hiệu quả tốt hơn so với tia x thông thường

trong việc chữa trị một số loại bệnh ung thư nhất định như ung thư đầu và

cổ, ung thư phổi, ung thư tuyến tiền liệt.

Các chùm tia proton có thể được điều khiển rất chính xác, bởi vậy chúng không hủy hoại

những tế bào khỏe mạnh ở xung quanh khối u và ít gây ra tác động phụ cho bệnh nhân.

Nhưng các thiết bị dùng cho liệu pháp này hiện nay, do phải trang bị những nam châm

cực lớn để tạo ra các hạt năng lượng cao, đồng thời phải có những bức tường bê tông dày

để ngăn phóng xạ, nên thường chiếm diện tích cả một căn phòng. Thiết bị này cũng rất

đắt tiền, với giá khoảng 5-200 triệu USD.

Thiết bị xạ trị proton do các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm Lawrence Livemore

nghiên cứu có kích thước và giá thành chỉ bằng 1/5 so với những thiết bị hiện đang được

sử dụng ở 6 Trung tâm y tế chuyên ngành của Mỹ.

Một thiết bị nhỏ hơn, nhẹ hơn và rẻ hơn sẽ giúp cho các bệnh viện nhỏ dễ dàng hơn

để mua và lắp đặt. Nó cũng làm cho liệu pháp proton phổ dụng hơn cho mọi người. “Khi

thiết bị này được đưa ra thị trường, có lẽ nó là thiết bị trị liệu tinh xảo đầu tiên có giá cả

chấp nhận được. Thiết bị mới có tên là thiết bị gia tốc, dùng ống là vật liệu cách điện, có

thể đặt vừa trong căn phòng dùng cho thiết bị xạ trị thông thường. “Mục đích đặt ra là để

các bệnh viện có thể thay thế những thiết bị tia X bằng thiết bị proton. Thiết bị này sẽ

được thử nghiệm lâm sàng ở Trung tâm Nghiên cứu ung thư Davis.

Để tiêu diệt khối u, các proton phải có năng lượng cao cỡ 250  Electron-Von (eV).

Điều này đòi hỏi phải tăng tốc chúng lên bằng cách sử dụng điện trường cường độ cao ở

trong một thiết bị gọi là máy gia tốc hạt. Trong máy gia tốc có các ống dài vài chục mét

để các hạt chạy trong đó nhận được năng lượng cần thiết. Các máy trị liệu bằng proton sử

dụng một máy gia tốc có ống được uốn thành hình tròn, cho chùm tia chạy theo đường

xoắn ốc. Để “uốn” chùm tia đòi hỏi phải trang bị những nam châm cực lớn, nặng cỡ vài

trăm tấn.

50

Caporaso và các cộng sự đã sử dụng một cách tiếp cận mới để cấp năng lượng cho

proton. Họ sử dụng một ống làm từ vật liệu cách điện đặc biệt - gồm những lớp kim loại,

chẳng hạn như thép không gỉ thay cho chất dẻo, nhờ thế nó có thể duy trì được cường độ

điện trường cực cao (100 MV/m) mà không cần làm đoản mạch. Điều đó có nghĩa là một

ống dài gần 2,5 m có thể tạo ra các proton có năng lượng 250 eV, đủ để tiêu diệt khối u.

Một ưu điểm nữa của thiết kế trên là ở chỗ các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát

lượng năng lượng mà họ cấp cho chùm tia proton. “Các máy gia tốc hạt thông thường đều

phải sản ra năng lượng tối đa. Với những máy như vậy, các bác sỹ khi sử dụng phải làm

chậm chùm tia để có thể đưa vào cơ thể bệnh nhân. Quá trình này làm phát sinh neutron,

bởi vậy những trung tâm xạ trị bằng proton hiện nay đều phải được che chắn bằng những

bức tường bê tông dày. Điều đó làm tăng thêm giá thành và kích thước của trung tâm xạ

trị.

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng một ống dài 3 mm có thể chịu

đựng được điện trường với cường độ 100 MV/m. Thành công của công nghệ sẽ phụ

thuộc vào nguyên mẫu thiết bị quy mô nhỏ, dài 20 cm, mà hiện họ đang chế tạo. Nếu

nguyên mẫu này hoạt động được, họ sẽ phải chế tạo tiếp một nguyên mẫu đủ quy mô để

thử nghiệm lâm sàng về độ an toàn và hiệu quả chữa trị ung thư của thiết bị.

51