UBND TỈNH QUẢNG NGÃI

TRƯỜNG ĐH PHẠM VĂN ĐỒNG
Bài giảng môn học

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ NGHIỆM
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC HỢP CHẤT HỮU CƠ

Biên soạn: TS. Lê Hoàng Duy

Quảng Ngãi, tháng 6/2016


LỜI NÓI ĐẦU
Trong chương trình đào tạo cử nhân sử phạm hóa học bậc cao đẳng theo hệ
thống tín chỉ, học phần Các phương pháp phổ nghiệm xác định cấu trúc hợp chất
hữu cơ là học phần tự chọn (2 tín chỉ) dành cho sinh viên năm cuối. Đây là học
phần được biên soạn mới hoàn toàn và áp dụng cho các khóa đào tạo từ năm 2013
trở về sau. Học phần này hiện chưa có giáo trình tiếng Việt nên việc biên soạn bài
giảng có tham khảo nhiều nguồn tài liệu trong nước và nước ngoài là cần thiết nhằm
cung cấp tài liệu học tập cho sinh viên.
Nội dung học phần bao gồm 6 chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết của các
phương pháp phổ; Chương 2: Phổ hồng ngoại (IR); Chương 3: Phổ tử ngoại – khả
kiến (UV–VIS); Chương 4: Phổ khối lượng (MS); Chương 5: Phổ cộng hưởng từ
hạt nhân (NMR); Chương 6: Xác định cấu trúc từ các loại phổ.
Bài giảng tập chung chủ yếu vào việc sử dụng các loại phổ hiện đại để xác
định cấu trúc hợp chất hữu cơ chứ không đi sâu vào cơ sở lý thuyết của các loại phổ
trên. Đây là bài giảng với những nội dung cơ bản nhất mà sinh viên cần nắm vững
để hoàn thành học phần. Cuối mỗi chương đều có câu hỏi và bài tập để sinh viên ôn
tập lại nội dung kiến thức của chương đã học. Sinh viên nên tham khảo nhiều nguồn
tài liệu khác nhau để hoàn thiện cũng như nâng cao kiến thức.

Phổ khối lượng hay khối phổ cho thông tin về khối lượng phân tử của hợp
chất. Dùng khối phổ phân giải cao (High-Resolution Mass Spectrometry, HR-MS)
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 1H, 19F, 31P hay hạt nhân có số nơtron lẻ như 13C.
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 (1H) và cacbon
đồng vị 13 (13C).
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, 1H-NMR và 13C-NMR. 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.
1


1.2. Bức xạ điện từ
Bức xạ điện từ bao gồm: ánh sáng thấy được, các tia tử ngoại, tia hồng ngoại,
tia X, sóng radio,.. Các loại bức xạ điện từ chỉ khác nhau về độ dài sóng (bước
sóng). Ví dụ bức xạ có độ dài sóng cỡ 10-2 – 10-4 cm được gọi là bức xạ hồng ngoại,
bức xạ có độ dài cỡ km – cm gọi là sóng radio, còn ánh sáng thấy được (ánh sáng
khả kiến) chính là bức xạ có độ dài sóng 396 – 760 nm.
Thuyết sóng và thuyết hạt cho thấy bức xạ điện từ có bản chất hai mặt vừa có
tính chất hạt vừa có tính chất sóng.
Bản chất sóng thể hiện ở hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa. Các sóng này lan
truyền trong không gian với các đặc trưng sau:
- Bước sóng (λ, lamđa): là khoảng cách giữa hai đầu mút của một sóng. Bức
xạ điện từ khác nhau có độ dài bước sóng khác nhau và đặc trưng cho mỗi sóng.

dựa vào sự chuyển động của phân tử, bao gồm: chuyển động của điện tử quanh các
hạt nhân (điện tử hóa trị), chuyển động của các điện tử ở gần một hạt nhân (điện tử
không tham gia tạo liên kết hóa học), chuyển động dao động của phân tử, chuyển
động quay (loại này chỉ có ở các phân tử của các chất ở trạng thái khí, hơi).
Khi các bức xạ điện từ tương tác với các phân tử vật chất, có thể xảy ra theo
hai khả năng: trạng thái năng lượng của phân tử thay đổi hoặc không thay đổi. Khi
có sự thay đổi năng lượng thì phân tử có thể hấp thụ hoặc bức xạ năng lượng.
Nếu gọi trạng thái năng lượng ban đầu của phân tử là E1, sau khi tương tác là
E2 thì có thể viết: ∆E = E2 – E1
∆E = 0: năng lượng phân tử không thay đổi khi tương tác với bức xạ điện từ;
∆E > 0: phân tử hấp thụ năng lượng;
∆E < 0: phân tử bức xạ năng lượng.
Theo thuyết lượng tử thì các phân tử và bức xạ điện từ trao đổi năng lượng
với nhau không phải bất kỳ và liên tục mà có tính chất gián đoạn. Phân tử chỉ hấp
thụ hoặc bức xạ 0, 1, 2, 3…n lần lượng tử h.ν. Khi phân tử hấp thụ hoặc bức xạ sẽ
làm thay đổi cường độ của bức xạ điện từ nhưng không làm thay đổi năng lượng
của bức xạ điện từ, bởi vì cường độ bức xạ điện từ xác định bằng mật độ các hạt
photon có trong chùm tia còn năng lượng của bức xạ điện từ lại phụ thuộc vào tần
số ν của bức xạ. Vì vậy, khi chiếu một chùm bức xạ điện từ với một tần số duy nhất
đi qua môi trường vật chất thì sau khi đi qua năng lượng của bức xạ không hề thay
đổi mà chỉ có cường độ của bức xạ thay đổi.
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).
Mỗi một quá trình như vậy đều đòi hỏi một năng lượng ∆E > 0 nhất định đặc
trưng cho nó, nghĩa là đòi hỏi bức xạ điện từ có một tần số riêng. Vì thế khi chiếu
một chùm bức xạ điện từ với các tần số khác nhau vào thì các phân tử chỉ hấp thụ
được các bức xạ điện từ có tần số đúng bằng các tần số trên để xảy ra các quá trình
biến đổi trong phân tử như trên. Do sự hấp thụ chọn lọc này mà khi chiếu chùm bức
xạ điện từ với một dải tần số khác nhau đi qua môi trường vật chất thì sau khi đi


Electron phân tử

Phổ tử ngoại và
khả kiến
Phổ hồng ngoại

Dao động phân tử

Dao động quay
Phổ vi sóng
Cộng hưởng spin, cộng Phổ cộng hưởng từ
hưởng từ hạt nhân
hạt nhân

1.3.2. 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 1.2)

Io
λ

Chất
hấp
thụ

I
λ


trị nhỏ.
Theo định luật hấp thụ bức xạ (Định luật Lambert – Beer), khi hấp thụ tia
đơn sắc, đối với một dung dịch đã cho, mật độ quang (độ hấp thụ) phụ thuộc vào
nồng độ chất hấp thụ.
Để đặc trưng cho cường độ hấp thụ người ta hay dùng đại lượng lg(IO/I) gọi
là mật độ quang (optical density, ký hiệu là D) hoặc độ hấp thụ (absorbance, ký hiệu
là A). Theo định luật hấp thụ bức xạ thì cường độ hấp thụ được tính theo biểu thức:
lg(IO/I) = εlC
Trong đó:
l: chiều dày của lớp chất hấp thụ (cm)
C: nồng độ chất hấp thụ (mol/l)
ε: hệ số hấp thụ mol (hệ số tắt mol)
Như vậy, ε có giá trị bằng mật độ quang của dung dịch khi nồng độ chất hấp
thụ bằng 1 ( C = 1 mol/l) và độ dày của lớp chất hấp thụ cũng bằng 1 (l = 1 cm). Do
đó, đơn vị của ε là l/mol.cm (1000 cm2/mol), tuy nhiên người ta thường không ghi
đơn vị của ε.
Khác với mật độ quang D, hệ số hấp thụ mol ε không phụ thuộc vào nồng độ
và bề dày của lớp chất hấp thụ. ε chỉ phụ thuộc vào bản chất chất hấp thụ và bước
sóng của bức xạ bị hấp thụ. Do đó, ε đặc trưng cho cường độ hấp thụ bức xạ của
chất được khảo sát. Khi ε lớn ta nói chất hấp thụ mạnh (cường độ hấp thụ lớn),
ngược lại khi ε nhỏ – chất hấp thụ yếu (cường độ hấp thụ nhỏ). Trong nhiều trường
hợp ε có giá trị cỡ 102 – 106 nên để tiện biểu diễn, người ta dùng lgε thay cho ε.
1.3.3. Biểu diễn phổ hấp thụ phân tử
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. Sự hấp thụ và phát xạ năng lượng này
được ghi nhận bằng thiết bị máy phổ và được thể hiện dưới dạng đồ thị gọi phổ.
Như phần trên đã trình bày, các đại lượng D(A), T, % hấp thụ, % truyền qua
đều nhằm so sánh cường độ của bức xạ trước và sau khi bị hấp thụ, vì thế chúng đều
đặc trưng cho cường độ hấp thụ. Biểu diễn phổ hấp thụ là biểu diễn sự phụ thuộc
của cường độ hấp thụ vào bước sóng (tần số hoặc số sóng) của bức xạ bị hấp thụ.

(Nguồn: Basic 1H- and 13C-NMR Spectroscopy, 2005)

Hình 1.7. Phổ khối lượng của hợp chất xiclohexan
(Nguồn: Spectrometric identification of organic compounds, 2005)
Câu hỏi và bài tập
1) Phổ hấp thụ phân tử là gì?
2) Khi các phân tử hấp thụ năng lượng từ các bức xạ bên ngoài có thể dẫn đến thay
đổi gì trong phân tử?
3) Việc xác định cấu trúc hợp chất hữu cơ hiện nay thường dựa vào các loại phổ
nào? Các loại phổ đó cung cấp thông tin gì về phân tử hợp chất hữu cơ?
4) Hãy so sánh việc xác định cấu trúc phân tử các hợp chất hữu cơ bằng phương
pháp hóa học cổ điển và các phương pháp phổ hiện đại?
5) Ưu điểm của các phương pháp phổ nghiệm dùng để xác định cấu trúc hợp chất
hữu cơ là gì? Nêu ví dụ minh họa.
6) Cho vạch quang phổ Na là 589 nm. Hãy tính:
b) Số sóng (cm-1)
a) Tần số ν (s-1)
ĐS: a) 5,09×1014 s-1
b) 1,70×104 cm-1
7) Đổi số sóng 2500 cm-1 thành bước sóng bằng đơn vị nm và Å.
ĐS: 4×103 nm và 4×104 Å

7


Chương 2. PHỔ HỒNG NGOẠI (IR)
2.1. Giới thiệu về phổ hồng ngoại
Bức xạ hồng ngoại là vùng bức xạ nằm giữa vùng ánh sáng thấy được và vi
sóng. Bức xạ hồng ngoại có tần số trong khoảng 430 THz – 300 GHz thường được
hấp thụ bởi phân tử các hợp chất hữu cơ và chuyển thành năng lượng dao động

chiếu vào tấm kính S tách làm hai phần bằng nhau, một phần chiếu vào gương M1
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 2.3. Máy đo phổ hồng ngoại (ĐH Dược Kobe, Nhật Bản – 2015)
2.3. Dao động của phân tử và phổ hồng ngoại
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
9


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.


C-H (co giãn)
Isopropyl, -CH(CH3)2
tert-Butyl -C(CH3)3

B. Ankenyl
C-H (co giãn)
C=C (co giãn)
R-CH=CH2
R2C=CH2
cis-RCH=CHR
trans-RCH=CHR
C. Ankinyl
≡C-H (co giãn)
C≡C (co giãn)
D. Aren
Ar-H (co giãn)
Nhân thơm có nhóm thế
Một nhóm thế

Hai nhóm thế vị trí para
E.

F.

2853 - 2920
1380 - 1385
và 1365 - 1370
1385 - 1395
và ~ 1365



690 - 710
và 730 - 770
735 - 770
680 - 725
và 750 -810
790 - 840

Hai nhóm thế vị trí orto
Hai nhóm thế vị trí meta

Cường độ

(rất mạnh)
(rất mạnh)
(mạnh)
(mạnh)
(rất mạnh)
(rất mạnh)

Ancol, Phenol, Axit cacboxylic
OH (ancol, phenol, dd loãng)
OH (ancol, phenol, có liên kết hiđro)
OH (axit cacboxylic, có liên kết hiđro)

3590 - 3650
3200 - 3550
2500 - 3000

(mũi nhọn, *)

(mạnh)

G. Amin
N-H

3300 - 3500

(trung bình)

2220 - 2260

(trung bình)

H. Nitril
C≡N
(*): có thể thay đổi tùy hợp chất

2.5. Xác định các nhóm định chức dựa vào phổ hồng ngoại
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 cm-1
Ancol O-H
Amit/Amin N-H
Ankin đầu mạch ≡C-H
Vùng 2: 3200–2700 cm-1
Ankyl C-H (mũi < 3000 cm-1)
Aryl hoặc vinyl C-H (mũi > 3000 cm-1)
Anđehit C-H
Axit cacboxylic O-H
Vùng 3: 2300–2000 cm-1


4

5

Hình 2.5. Phổ hồng ngoại (IR) của etanol
Bước 1: Xác định độ bất bão hòa ∆ = 2×2 – 6 + 2 = 0: Không có liên kết π hoặc
vòng.
Bước 2: Phân tích phổ IR, phân 5 vùng trên phổ và xác định các nhóm chức như đã
đề cập phía trên.
Vùng 1: 3700–3200 cm-1
Ancol O-H: có hiện diện
Amit/Amin N-H: không vì công thức phân tử không có chứa N
Ankin đầu mạch ≡C-H: không vì phân tử không chứa liên kết π.
Vùng 2: 3200–2700 cm-1
Ankyl C-H (mũi < 3000 cm-1): có hiện diện
Aryl/vinyl C-H (mũi > 3000 cm-1): không vì không đủ độ bất bão hòa
Anđehit C-H: không
Axit cacboxylic O-H: không (cần phải có hai tín hiệu tại vùng 2 O-H
và vùng 4 cho C=O)
13


Vùng 3: 2300–2000 cm-1
Ankin C≡C: không
Nitril C≡N: không
Vùng 4: 1850–1650 cm-1
Các nhóm chức chứa cacbonyl (C=O): không
Vùng 5: 1680–1450 cm-1 (không có tín hiệu)
Ví dụ 2: Etyl axetat (C4H8O2 – CH3COOC2H5)

Nitril C≡N: không
Vùng 4: 1850–1650 cm-1
Các nhóm chức chứa cacbonyl (C=O): có
Có thể thuộc những loại nhóm chức sau
• Xeton: không, vì CTPT có chứa 2 nguyên tử oxy còn xeton chỉ có 1
• Ester: có thể, vì CTPT có chứa 2 nguyên tử oxy và có sự hiện diện
của mũi phổ tại ~1740 cm-1 và phù hợp với độ bất bão hòa là 1
• Anđehit: không, vì không có mũi phổ tại 2700 cm-1
• Axit cacboxylic: không, vì không có mũi bầu tại vùng 2
• Amit: không, vì không có nguyên tử N trong CTPT
Vùng 5: 1680–1450 cm-1
Anken C=C: không
Benzen: không
Ví dụ 3: Xác định công thức cấu tạo có ông thức phân tử C7H9N dựa vào phổ IR

Hình 2.7. Phổ hồng ngoại (IR) của C7H9N
15


Bước 1: Xác định độ bất bão hòa ∆ = 7×2 – 9 – 1 + 2 = 4: Có 4 liên kết π hoặc 4
vòng.
Bước 2: Phân tích phổ IR, phân 5 vùng trên phổ và xác định các nhóm chức như đã
đề cập phía trên.
Vùng 1: 3700–3200 cm-1
Ancol O-H: không, vì CTPT không có nguyên tử oxy
Amit/Amin N-H: có thể, vì CTPT có chứa N
Ankin đầu mạch ≡C-H: có thể
Vùng 2: 3200–2700 cm-1
Ankyl C-H (mũi < 3000 cm-1): có thể, vì mũi phổ tại 2918 cm-1
Aryl/vinyl C-H (mũi > 3000 cm-1): có thể, vì mũi phổ tại 3034 cm-1



19


20


4) Cho hợp chất có công thức phân tử C3H6O2, xác định cấu tạo của các đồng phần
axit và este có phổ IR sau:
Hình 1:

Hình 2:

5) Xác định công thức cấu tạo của các chất dưới đây, biết chúng đều có công thức
phân tử C2H6O.
Hình 1:

21


Hình 2:

6) Lựa chọn phổ IR cho các chất sau đây: (a) Axit benzoic (b) Benzen (c) Etyl
benzoat (d) Vanilin (4-Hiđroxi-3-metoxibenzanđehit).
Hình 1:

Hình 2:

22