Các phương pháp phân tích vật lý trong hoá học

GS. TSKH. TRẦN VĂN SUNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ TRONG HOÁ HỌC 2011CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ TRONG HOÁ HỌC Chương I Phổ tử ngoại, khả kiến (UV/Vis-spectrum) 1. Nguyên lý 1.1. Các bước chuyển điện tử - Sóng điện từ được biểu diễn bằng phương trình ν.l = c l = bước sóng ν = tần số sóng c = tốc độ ánh sáng (c » 2,998.1010 cm/giây trong chân không) - Một lượng tử của ánh sáng có tần số n sẽ có năng lượng là E = hn h » 6,63.10-34 Jgiây (Js) (Planck-Wirkungsquantum) - Quan hệ qua lại giữa sóng điện từ và phân tử chất khi có hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại và khả kiến sẽ dẫn đến kích thích các điện tử của liên kết hoá trị 10 200 400 750 l (nm) 10 200 400 750 Rơnghen Tử ngoại xa Tử ngoại gần Vùng khả kiến (nhìn thấy) Hồng ngoại n* (cm-1) 106 5.104 2,5.104 1,3.104 - Trước đây bước sóng thường dùng Å (Angström), ngày nay : nm (1 nm = 10-7 cm, 10-9 m) - Thay vì n : s-1 ta hay dùng số sóng ν* : cm-1 - Năng lượng : 1 eV = 23 kcal.mol-1 = 96,5 kJ.mol-1 = 8066 cm-1 1000 cm-1 = 12 kJ.mol-1 1kJ.mol-1 = 84 cm-1 - Khi một ánh sáng có tần số n phù hợp gặp một phân tử ở trạng thái gốc yo thì ánh sáng có thể bị hấp thụ và phân tử được nâng lên trạng thái kích thích điện tử y1. Thông qua tự phát xạ, phân tử có thể trở về vị trí gốc cũ. DE = E(y1) - E(yo) = hn Hình 1: Sự hấp thụ và phát xạ ánh sáng điện từ 1.2. Sự hấp thụ ánh sáng và phổ - Một ánh sáng có cường độ Io khi đi qua một chất đồng nhất - đẳng hướng có độ dày d thì sẽ bị hấp thụ (absorption). Ánh sáng sau khi đi qua lớp chất (truyền qua transmission) có cường độ : I = Io - Iabs dI = - a.Idx dI : sự giảm cường độ dx : số gia (increment) của độ dày Tích phân : Giải : I = Io.e-ad Hình 2: Định luật Lambert-Beer a = hằng số hấp thụ (đặc trưng cho môi trường đi qua) - Trong dung dịch loãng có nồng độ c ta thay : a = 2,303. e. c e = hằng số hấp thụ phân tử ® A = Độ hấp thụ A (Absorption, absorbance, extinction) không có thứ nguyên (đơn vị). d tính bằng cm, c : mol.l-1 ; e : 1000 cm2.mol-1 = cm2.mmol-1) Thường người ta cũng không ghi thứ nguyên của e. *) Đây là nội dung cơ bản của định luật Bouguer (1728) - Lambert (1760) - Beer (1852) áp dụng cho ánh sáng đơn sắc và dung dịch loãng (c £ 10-2 mol.l-1). Sự hấp thụ có tính cộng hợp (trừ trường hợp ngoại lệ) : Atổng = *) Khi xác định độ hấp thụ cho tất cả các bước sóng (l) hoặc ν* và e theo định luật Lambert-Beer ta sẽ được đồ thị hấp thụ ε(ν *)hoặc e(l) và đó là phổ UV/Vis. Ta có thể giải thích các vùng phổ (tức các bước chuyển điện tử dựa vào quỹ đạo phân tử hay còn gọi là orbital phân tử (MO). Từ các orbital không liên kết n (đôi điện tử tự do) một điện tử có thể được chuyển lên orbital trống phản liên kết (anti - bind) p* hoặc σ*. Bước chuyển điện tử này (tương đương vùng phổ) được ký hiệu là: Hình 3: Orbital phân tử và các bước chuyển điện tử Bảng 1 là các vùng hấp thụ của những nhóm mang màu (chromophore) biệt lập. Khi có ảnh hưởng lập thể, hiệu ứng khác thì thay đổi vị trí hấp thụ. Hình 4: Vùng hấp thụ của các bước chuyển điện tử Hình 5: Dải hấp thụ cấu tạo từ dải dao động của phân tử gồm 2 nguyên tử r = khoảng cách 2 nguyên tử, E = năng lượng a) Dải không đối xứng với bước chuyển mạnh o←o b) Dải đối xứng với bước chuyển mạnh 2←o Đối với một số nhóm mang màu, dung môi cũng có ảnh hưởng đặc trưng. 1.3. Một số định nghĩa *) Chuyển dịch đỏ hoặc hiệu ứng bathochrom (bathochrom effect) : Chuyển dịch đỉnh hấp thụ sang vùng sóng dài do thay đổi môi trường hoặc trong phân tử có nhóm auxochrom. *) Nhóm auxochrom là nhóm thế gây ra chuyển dịch đỏ. Ví dụ : nối đôi trong enamin chuyển từ 190 nm ® 230 nm do liên hợp với đôi điện tử tự do trong nitơ. Nhóm thế nitơ là auxochrom: *) Chuyển dịch xanh hoặc hiệu ứng hypsochrom : chuyển dịch về sóng ngắn. Do thay đổi môi trường hoặc không còn liên hợp. Ví dụ : l = 230 nm (e = 8600) l = 203 nm (e = 7500) (môi trường axít) *) Hiệu ứng hypsochrom : Hiệu ứng gây giảm cường độ hấp thụ *) Hiệu ứng hyperchrom : Hiệu ứng làm tăng cường độ hấp thụ 1.4. Dung môi Dung môi có hấp thụ trong vùng đo thì không phù hợp. Dung môi tốt nhất là các perfluor ankan như perfluorooctan. Các hydrocarbon no như: pentan, hexan, heptan, cyclohexan, kể cả nước, acetonitril có độ truyền qua đủ đến 195 nm (khi d = 1 cm) hoặc 180 nm (khi d = 1mm). - Metanol, ethanol, dietyl ete có thể sử dụng đến 210 nm ; dichlometan : đến 220 nm, chloroform : đến 240 nm, CCl4 : 250 nm. Benzen, toluen, tetrahydrofuran chỉ sử dụng được ở trên 280 nm. - Sự tương tác giữa dung môi - chất đo sẽ làm phổ không nét, vì vậy cố gắng tránh sử dụng dung môi phân cực. 2. Chuẩn bị mẫu và đo phổ - Thông thường phổ tử ngoại được đo trong dung môi , với nồng độ ≈ 10-4mol/l. Với độ dày cuvet là 1cm ® theo định luật Lambert - Beer tacó: c. e ≈ 1 nếu đặt độ hấp thụ A ≈ 1 Hình 6: Sơ đồ máy UV hai tia Q = nguồn sáng (UV: đèn hydro hoặc đèn deuteri, Vis: đèn wolfram-halogel) M = lăng kính để tán sắc ánh sáng (monochromator)/ hoặc mạng tán sắc Z = để chia hai tia (là 1 gương quay) MK = cuvet chứa chất đo trong dung môi VK = cuvet so sánh chứa dung môi tinh khiết D = detectơ S = máy ghi, màn hình 3. Nhóm mang màu (chromophore) 3.1. Nhóm mang màu biệt lập và tương tác lẫn nhau giữa chúng: Formaldehyt Glyoxal lmax = 178 nm emax = 17.000 lmax = 205 nm emax = 2100 lmax = 303 nm emax = 18 n ®p* lmax = 450 nm emax = 5 n ®p* 2 nèi ®«i t­¬ng t¸c víi nhau m¹nh - Hệ liên hợp càng dài thì bước chuyển của p ® p* càng về sóng dài và cường độ càng mạnh. Bảng 1: Các nhóm mang màu (Chromophor) 3.2. Olefin, polyene - p ® p* của etylen nằm ở vùng UV chân không với một đỉnh mạnh ở lmax = 165 nm (emax = 16000) Bảng 2: Hệ lượng gia (increment) để tính cực đại hấp thụ của dien và trien Bảng 3: Hấp thụ UV sóng dài của 1,3 - dien Hợp chất lmax (nm) emax Ưu tiên s - trans (ví dụ acyclic) 217 nm Lượng gia Mỗi liên kết đôi thêm Mỗi vị trí nối đôi exocyclic Mỗi gốc cacbon mỗi nhóm auxochrom Bảng 4: Ví dụ về tính lmax của dien và trien liên hợp Hợp chất Quan sát Tính toán Bảng 5: Hấp thụ của annulen Hợp chất lmax lgemax Dung m«i Mµu dung dÞch TÝnh chÊt Hexan Chlorophorm Metanol Isooctan Cyclohexan Benzen Benzen Không màu Vàng Vàng Nâu đỏ Đỏ Xanh vàng Tím anti- thơm thơm không thơm không thơm thơm không thơm thơm không thơm 3.3. Benzen và các hợp chất thơm có vòng benzen: Bảng 6: Hấp thụ tử ngoại của benzen một lần thế Nhóm thế Bước chuyển sóng dài (mạnh) Bước chuyển sóng dài (cấm) Dung môi Nước Cyclohexan Etanol Etanol Hexan Etanol Nước Nước Nước Nước Nước Nước Nước Nước Nước Etanol Nước Etanol Hexan Nước Hexan Etanol Nước Nước Etanol Hình 7: Phổ tử ngoại của benzen Bảng 7: Hấp thụ sóng của một số benzen thế para X1-C6H4-X2 trong nước Hình 8: Phổ UV/Vis của o-, m-, p-, nitrophenol: a/ trong 10-2 M HCl b/ trong 5x10-3 M NaOH 3.4. Các hợp chất cacbonyl : keton, aldehyt no: Bảng 8: Bước chuyển n→p* ở hợp chất cacbonyl no Hình 9: Sơ đồ năng lượngcủa các bước chuyển điện tử trong enon liên hợp, so sánh với alken và cacbonyl no Hợp chất lmax (nm) emax Dung m«i acetaldehyd 293 12 Hexan Aceton 279 15 Hexan Acetylclorid 235 53 Hexan Acetalhydrid 225 50 Isooctan Acetamit 205 160 Metanol Etyl acetat 207 70 Eter dÇu má Axit acetic 204 41 Etanol H×nh 10: Phæ cña benzophenon ____ Trong cyclohexan ------ Trong etanol Dung m«i kÐm Dung m«i ph©n cùc ph©n cùc ChuyÓn dÞch ChuyÓn dÞch bathochrom hypochrom l1*→ l1 l2→ l2* H×nh 11: DÞch chuyÓn bathochrom vµ hypochrom cña b­íc chuyÓn p→p* vµ n→p* cña xeton khi t¨ng ®é ph©n cùc dung m«i (solvatochromy) 4. Ứng dụng phổ tử ngoại / khả kiến - Phân tích định lượng, định tính và cấu trúc - Xác định hàm lượng cồn trong máu : (nicotinamit - adenin - dinucleotid) Quá trình này được theo dõi bằng UV (tử ngoại ). - Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): detectơ UV là phổ biến, - Nghiên cứu động học : Đo các bước trung gian. Ngày nay có thể dùng laser để xác định được những chất trung gian có thời gian tồn tại nôna giây, picô giây, thậm chí femto giây (1 fs = 10-15s).