Bài giảng Các phương pháp phổ nghiệm xác định cấu trúc hợp chất hữu cơ

 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. 
Học phần trang bị những kiến thức cơ bản nhằm làm bước đệm để sinh viên 
có thể học các bậc học cao hơn sau này. Ngoài ra những kiến thức trong học phần 
có thể giúp sinh viên bước đầu có thể tham gia các đề tài nghiên cứu khoa học có sự 
hướng dẫn của giảng viên. 
1 
Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ 
1.1. 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 
ngoại-khả kiến (Ultra Violet spectroscopy-VISual, UV-VIS); 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 -OH, -COR, -COOR, -CN,... 
nhưng không cho thông tin về vị trí của các nhóm chức này. Phổ tử ngoại-khả 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 (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. 
2 
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. 
Các đơn vị đo độ dài sóng thường dùng: m, cm, nm (nanomet), Å (Angstrom),.. 
(1 nm = 10-9 m; 1 Å = 10-10 m) 
 - Vận tốc truyền sóng hay vận tốc ánh sáng (c = 3.0 × 108 m/s). 
 - Tần số (ν, nuy): Số lần bước sóng truyền qua một điểm trong không gian 
trong một đơn vị thời gian (Số dao động mà bức xạ điện từ thực hiện trong một 
giây). 
Đơn vị đo tần số là Hertz (Hz) và các bộ số là KHz (1 KHz = 103 Hz), MHz 
(1 MHz = 106 Hz). 
 Tương quan giữa bước sóng, tần số và vận tốc truyền sóng thể hiện qua biểu 
thức: λ×ν = c. 
Bản chất hạt thể hiện việc bức xạ điện từ cũng mang năng lượng gọi là 
photon. Các dạng bức xạ khác nhau sẽ có các năng lượng khác nhau. Vào năm 
1900, nhà vật lý học người Đức, Max Plank, đã đề xuất công thức tính năng lượng 
(E) cho một photon như sau: 
Trong đó h là hằng số Plank, h = 6.63 × 10-34 J.s 
 Năng lượng E được đo bằng đơn vị eV, kcal/mol, cal/mol 
 Phổ bức xạ điện từ được trình bày trong hình 1.1 
Hình 1.1. Phổ bức xạ điện từ 
E = h×ν = h×
c
λ
3 
1.3. Sự tương tác giữa bức xạ điện từ và phân tử 
1.3.1. Sự thay đổi trạng thái năng lượng của phân tử khi hấp thụ bức xạ 
Ở trạng thái bình thường, trạng thái năng lượng của phân tử được xác định 
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, 3n 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 
qua, chùm bức xạ này sẽ bị mất đi một số bức xạ có tần số xác định nghĩa là các tia 
này đã bị phân tử hấp thụ. 
4 
Bảng 1.1. 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 
10-8– 10-6 ~ 105 Đứt nối các liên kết Phổ Rơnghen 
Tia tử ngoại 
và khả kiến 
10-6– 10-4 ~ 10 Electron phân tử Phổ tử ngoại và 
khả kiến 
Tia hồng 
ngoại 
10-4– 10-2 ~ 10-1 Dao động phân tử Phổ hồng ngoại 
Vi sóng 10-2– 10 ~ 10-3 Dao động quay Phổ vi sóng 
Sóng radio > 102 < 10-6 Cộng hưởng spin, cộng 
hưởng từ hạt nhân 
Phổ cộng hưởng từ 
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) 
Hình 1.2. 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 1.2). Để biểu diễn cường độ hấp thụ người ta dùng các đại lượng sau: 
% hấp thụ = O
O
I - I
I
× 100 
Độ truyền qua T = 
O
I
I
% truyền qua = 
O
I
I
× 100 
λ 
λ 
Io I 
Chất 
hấp 
thụ 
l 
5 
Đối với một bức xạ nhất định, chất được gọi là hấp thụ mạnh (cường độ hấp 
thụ lớn) khi % hấp thụ có giá trị lớn, còn độ truyền qua hoặc % truyền qua thì có giá 
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: 
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. 
Đường cong thu được gọi là đường cong hấp thụ hoặc phổ hấp thụ. Các đỉnh hấp 
phụ cực đại gọi là dải (band) hay đỉnh hấp thụ (peak, đọc là pic), chiều cao của đỉnh 
pic gọi là cường độ hấp thụ. 
Phổ hồng ngoài thường được ghi dưới dạng đường cong sự phụ thuộc của % 
độ truyền qua (trục tung) vào số sóng (hoặc bước sóng) của bức xạ (trục hoành). 
(Hình 1.3) 
lg(IO/I) = εlC 
6 
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 
– khả kiến dưới dạng sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ mol ε (hoặc lgε) vào bước 
sóng. (Hình 1.4) 
Riêng với phổ cộng hưởng từ hạt nhân và phổ khối lượng thì đại lượng trên 
trục hoành được mở rộng hơn thành độ chuyển dịch hóa học (ppm) hay số khối m/e 
còn trục tung là cường độ của một hấp thụ. (Hình 1.5, 1.6 và 1.7) 
Hình 1.3. Phổ hồng ngoại của hợp chất xicloheptanon 
(Nguồn: Spectrometric identification of organic compounds, 2005) 
Hình 1.4. Phổ tử ngoại – khả kiến của hợp chất isopren 
(Nguồn: www2.chemistry.msu.ed) 
Hình 1.5. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của hợp chất toluen 
(Nguồn: Spectrometric identification of organic compounds, 2005) 
7 
Hình 1.6. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân cacbon-13 của hợp chất n-heptan 
(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: 
 a) Tần số ν (s-1) b) Số sóng (cm-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 
8 
Chương 2. PHỔ HỒNG NGOẠI (IR) 
2.1. Giới thiệu về phổ hồng ngoại 
Bức xạ hồng ngoại ... yl. 
+ Tất cả các mũi đơn, bầu, rộng, trên phổ đồ có thể là do các proton –OH 
hoặc –NH hoặc –COOH. 
 + Một mũi cộng hưởng hơn, nhọn, ở δ ≈ 2,5 ppm cho biết đó là proton ankin 
đầu mạch: -C≡C-H. 
 + Một mũi cộng hưởng ở δ ≈ 2,1 – 2,5 ppm cho biết đó là proton gắn vào 
cacbon ở kề bên nhóm cacbonyl: 
 + Một mũi cộng hưởng ở δ ≈ 3 – 4 ppm cho biết đó là proton gắn kết trên 
cacbon mà cacbon nầy có gắn một nguyên tử có độ âm điện như oxigen, halogen. 
 + Một mũi cộng hưởng ở δ ≈ 5 – 6 ppm cho biết đó là proton vinyl. Hằng 
số ghép spin của các tín hiệu nầy cho biết dạng trans hoặc cis. 
 + Một mũi cộng hưởng ở δ ≈ 7 – 8 ppm cho biết sự hiện diện của nhân thơm. 
Dựa vào hằng số ghép có thể xác định được vị trí nhóm thế trên vòng benzen. 
 54 
 + Nếu mũi cộng hưởng ở δ ≈ 9 – 10 ppm thì có proton anđehit –CH=O. 
 + Nếu có mũi ở vùng δ > 10 ppm thì có thể đó là proton của –COOH. 
5.6. Phổ cộng hưởng từ cacbon 13 (13C-NMR) 
 Mặc dù trong tự nhiên đồng vị C-13 chỉ chiếm khoảng 1.1% so với 99% của 
đồng vị C-12, nhưng hạt nhân đồng vị C-13 có từ tính và có thể truy suất được trong 
phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Phổ 13C-NMR cho thông tin quan trọng về khung sườn 
cacbon của hợp chất hữu cơ. Vì hàm lượng đồng vị C-13 rất thấp nên độ nhạy trong 
phổ NMR của hạt nhân 13C so với của proton 1H vào khoảng 1/5700. Trong phổ 
13C-NMR các tín hiệu thường xuất hiện trong khoảng chia độ rất rộng từ 0 – 240 
ppm, khoảng này rộng gấp 20 lần so với tín hiệu của proton (~ 12 ppm). 
5.6.1. Đặc điểm của phổ 13C-NMR 
 Khác với phổ proton 1H-NMR, phổ 13C-NMR có các đặc điểm sau: 
 + Mỗi cacbon riêng biệt chỉ cho một tín hiệu mũi đơn duy nhất. 
 + Không có sự chẻ mũi như trong phổ 1H-NMR. 
 + Trong bốn loại cacbon –CH3, -CH2-, >CH- và >C< thì cacbon –CH3, -CH2- 
cho mũi có cường độ mạnh hơn hai loại còn lại. 
Hình 5.13. Phổ 13C-NMR của hợp chất metyl metacrylat 
5.6.2. Độ dịch chuyển hóa học của cacbon trong phổ 13C-NMR 
 Độ dịch chuyển hóa học của cacbon thường lớn hơn 15-20 lần so với độ dịch 
chuyển hóa học của proton vì nguyên tử cacbon gần với nguyên tử hiđro gắn vào nó 
hơn là gần một nhóm che chắn (hoặc giảm chắn khác). 
 55 
Hình 5.14. Độ dịch chuyển hóa học của các loại cacbon 
Bảng 5.3. Độ dịch chuyển hóa học của các loại cacbon 
 56 
Hình 5.15. Một số ví dụ phổ 13C-NMR 
5.6.3. Xác định loại cacbon bằng phổ DEPT-NMR (Distortionless 
Enhancement by Polarization Transfer) 
 Để xác định được các loại cacbon có trong phân tử hợp chất hữu cơ, hiện nay 
người ta sử dụng kỹ thuật DEPT-NMR. Kỹ thuật DEPT-NMR được thực hiện đồng 
thời trong cả hai kênh 1H và kênh 13C một loại những xung phức tạp đã được 
chương trình hóa. Hệ quả của xung nầy là các cacbon có gắn một, hai hay ba 
nguyên tử hiđro sẽ được máy ghi thành những pha khác nhau. 
Để có được phổ này, người ta thực hiện ba lần ghi phổ khác nhau, trong đó 
một lần gọi là DEPT-45, cacbon nào có mang một hiđro sẽ xuất hiện một mũi trên 
phổ đồ. Ngay sau đó, một lần ghi phổ thứ nhì gọi là DEP-90, chỉ có những cacbon 
loại metin >CH- mới xuất hiện trên phổ đồ. Một lần ghi phổ thứ ba gọi là DEP-135, 
những cacbon metin >CH- và metyl –CH3 sẽ xuất hiện trên phổ đồ những mũi 
dương (hướng lên trên), cacbon metylen –CH2- sẽ cho mũi hướng về chiều ngược 
lại với mũi dương, cacbon tứ cấp >C< do không mang hiđro nên không xuất hiện 
trong phổ DEPT-NMR. 
 57 
Hình 5.16. Một số ví dụ phổ DEPT NMR 
5.7. Phổ NMR hai chiều 
 Đối với các hợp chất hữu cơ có cấu trúc đơn giản, chỉ cần phổ 1H-NMR, 13C-
NMR và DEPT-NMR chúng ta hoàn toàn có thể xác định được. Tuy nhiên, đối với 
các hợp chất có cấu trúc phức tạp thì nếu chỉ sử dụng phổ 1H-NMR và 13C-NMR 
một chiều sẽ rất khó để giải đoán các tín hiệu cộng hưởng và xác định chính xác cấu 
trúc hóa học. Khi đó việc sử dụng phổ NMR hai chiều để giải đoán phổ sẽ dễ dàng 
hơn. 
 58 
 Khác với phổ NMR một chiều chỉ được trình bày hai chiều: trục hoành là tần 
số và trục tung là cường độ của tín hiệu phổ, phổ NMR hai chiều (2D-NMR) thì cả 
hai trục hoành và trục tung đều là trục tần số, còn cường độ tín hiệu là chiều thứ ba. 
 Hiện nay có nhiều loại phổ NMR hai chiều, một số loại được sử dụng phổ 
biến là: 1H-1H COSY (cho thông tin về mối tương quan giữa proton và proton); 
HSQC (cho thông tin về tương quan một nối giữa proton và cacbon); HMBC (cho 
thông tin về tương quan hai, ba và đôi khi bốn nối giữa proton và cacbon); NOESY 
(cho thông tin về tương quan về không gian giữa proton và proton). 
Hình 5.17. Phổ HSQC 
Hình 5.18. Phổ HMBC 
 59 
Câu hỏi và bài tập 
1) Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân xảy ra khi nào? Những loại hạt nhân nào có 
xảy ra hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân? Nêu ví dụ minh họa. 
2) Độ dịch chuyển hóa học là gì? Đặc trưng độ dịch chuyển hóa học trong phổ 1H-
NMR và 13C-NMR? Tại sao độ dịch chuyển hóa học của các proton trong hợp chất 
hữu cơ lại có giá trị khác nhau? 
3) Giải thích vì sao: 
a) Độ dịch chuyển hóa học trong phổ 1H-NMR của proton –OCH3 lớn hơn –CH3? 
b) Độ dịch chuyển hóa học trong phổ 13C-NMR của cacbon –CH2-Br lớn hơn –
CH3? 
4) Hãy xác định các hợp chất sau đây có thể có bao nhiêu tín hiệu xuất hiện trong 
phổ 1H-NMR 
5) Cho ba hợp chất CH3-CH2-CHOH-CH3, CH3-CH2-CO-CH3, CH2=CH-CO-CH3. 
Trình bày phương pháp hóa học và một phương pháp vật lý thuận tiện nhất để phân 
biệt ba chất trên. 
6) Hãy xác định các mũi phổ của các proton tương quan của hợp chất etyl 2-
cloropropionat trên phổ đồ. 
 60 
7) Ba hợp chất este đều có chung công thức phân tử là C4H8O2. Hãy xác định 
công thức cấu tạo của chúng dựa vào các phổ proton sau đây? 
a) 
b) 
c) 
 61 
8) Xác định độ dịch chuyển hóa học và hình dạng tín hiệu trong phổ NMR sau: 
CHO
OHH3CO
OH
 62 
Chương 6. XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC TỪ CÁC LOẠI PHỔ 
 Muốn xác định cấu trúc hóa học của một hợp chất hữu cơ cần phải phân tích 
nhiều loại phổ khác nhau. Mỗi một loại phổ đều có giá trị riêng của nó để góp phần 
xác định cấu trúc phân tử. Thông tin thu nhận được từ các loại phổ được tóm tắt 
theo bảng dưới đây 
Thông tin về 
cấu trúc của 
hợp chất 
Phổ IR Phổ UV Phổ MS Phổ NMR 
Trọng lượng 
phân tử 
 Cung cấp 
thông tin 
Công thức phân 
tử 
 Cung cấp 
thông tin (nhờ 
HR-MS) 
Sự hiện diện 
của các dị 
nguyên tử 
Đôi khi cho 
thông tin quý 
 Đôi khi cho 
thông tin quý 
Các nhóm định 
chức 
Luôn cho 
thông tin quý 
Đôi khi cho 
thông tin quý 
Đôi khi cho 
thông tin quý 
Luôn cho 
thông tin quý 
Các nhóm thế 
ankyl 
 Đôi khi cho 
thông tin quý 
Luôn cung cấp 
thông tin quý 
6.1. Trình tự các bước phân tích các loại phổ 
6.1.1. Khối phổ (MS) 
 + Cần biết khối lượng phân tử M của hợp chất: Tìm mảnh ion phân tử , là 
mảnh m/z lớn nhất trên phổ đồ, để từ đó biết được M. 
 + Cần biết công thức phân tử của hợp chất CxHyOzNtXu... 
 + Cần biết độ bất bão hoà của phân tử. 
 + Cần biết một số mảnh đặc trưng của phân tử. 
6.1.2. Phổ tử ngoại-khả kiến (UV-VIS) 
Các loại liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ cần khảo sát có thể xác định 
dựa vào cực đại hấp thụ λmax ghi nhận trong phổ UV-VIS (Xem lại chương 3). 
6.1.3. Phổ hồng ngoại (IR) 
Để xác định các nhóm định chức của hợp chất cần khảo sát thường sử dụng 
phương pháp 5 vùng (Xem lại chương 2). 
 63 
6.1.4. Phổ 1H-NMR 
 Khi phân tích phổ 1H-NMR để có thể xác định được cấu trúc hóa học của 
một hợp chất hữu cơ, cần lưu ý: 
+ Nếu biết được công thức phân tử sẽ tính được độ bất bão hòa của hợp chất. 
Nhờ vào độ bất bão hòa, có thể dự đoán hợp chất có thể có bao nhiêu vòng, bao 
nhiêu nối đôi hay nối ba. Từ độ bất bão hòa, muốn phân biệt được sự bất bão hòa là 
do vòng hay nối đôi hoặc nối ba, cần khảo sát độ dịch chuyển hóa học δ. 
+ Dựa vào độ dịch chuyển hóa học và sự tách spin-spin (sự chẻ mũi) để dự 
đoán loại proton. 
6.1.5. Phổ 13C-NMR kết hợp với DEPT-NMR 
 + Dựa vào phổ 13C-NMR đếm biết được tổng số cacbon trong phân tử, ví dụ 
p số cacbon. 
 + Dựa vào phổ DEPT-NMR xác định được tổng số các loại cacbon. 
 + So sánh số cacbon p ghi nhận được trên phổ đồ với công thức phân tử 
CxHyOzNt. 
 Số p = x: Phân tử không có yếu tố đối xứng. 
 Số p < x: Phân tử có yếu tố đối xứng. 
 + Dựa vào độ dịch chuyển hóa học đặc trưng trong phổ 13C-NMR để giải 
đoán các loại cacbon trong phân tử. 
 + Dựa vào các dữ kiện ở trên, đề nghị các mảnh cấu trúc có thể có của hợp 
chất đang khảo sát. 
 + Sắp xếp các mảnh lại với nhau để được một công thức hoàn chỉnh sao cho 
thỏa hết các loại phổ đã đo được. 
6.2. Cách trình bày kết quả phổ 
 Cách trình bày kết quả phân tích cấu trúc một hợp chất như sau: 
 + Hợp chất A ở dạng ..., (không) màu.... (Nếu là chất rắn thì dạng gì? Màu 
sắc? Nhiệt độ nóng chảy?) 
 + Khối phổ: MS...: m/z ... 
 + Phổ IR: νmax cm
-1: 1741 (C=O), 1243 (C-O) 
 + Phổ UV-VIS: λmax (CH3OH) nm (logε): 212 (4.39), 260 (4.05),... 
 + Phổ 1H-NMR (CDCl3, 300 MHz): δ ppm 4,20 (2H, q, -O-CH2-CH3);... 
 + Phổ 13C-NMR kết hợp DEPT-NMR (CDCl3, 75 MHz): δ ppm 171,0 
(C=O); 60,0 (-CH2-O-);... 
 64 
6.3. Một số ví dụ minh họa 
6.3.1. Hợp chất C4H8O: M=72 
 65 
6.3.2. Hợp chất C4H8O2: M=88 
 66 
Câu hỏi và bài tập 
1) Trong các phương pháp phổ đã được học, chọn hai loại phổ quan trọng nhất để từ 
đó có thể xác định được cấu tạo phân tử của các hợp chất hữu cơ đơn giản. Giải 
thích và nêu ví dụ cho sự chọn lựa đó. 
2) Phân biệt các hợp chất sau bằng các phương pháp phổ: 1-bromopropan, propan-
1-ol và 2-bromopropan. 
3) Tại sao khi xác định cấu trúc hợp chất hữu cơ cần phải dựa vào nhiều loại phổ 
khác nhau? Phân biệt các hợp chất sau bằng các phương pháp phổ: benzen, 
benzanđehit và metyl benzoat. 
4) Hợp chất A có công thức phân tử C5H10O2. Biện luận để xác định công thức cấu 
tạo của A dựa vào các dữ liệu phổ IR và 1H-NMR sau đây: 
2990
1750 1245
4,00 (t)
2,00 (s)
1,62 (m)
0,92 (t)
5) Hợp chất A có công thức phân tử C4H10O. Biện luận để xác định công thức cấu 
tạo của A dựa vào các dữ liệu phổ IR và 1H-NMR sau đây: 
3363
2968
 67 
4,03 (m)
3,58 (brs)
1,48 (m)
1,18 (d)
0,90 (t)
6) Các hợp chất este có chung công thức phân tử C4H8O2. Xác định công thức cấu 
tạo của chúng dựa vào phổ proton NMR trong các hình sau: 
a) 
b) 
012345
PPM
1.29
4.13
2.21
01234
PPM
1.14
2.29
3.68
 68 
c) 
d) 
0123456789
PPM
8.04
4.21
1.73
0.90
 69 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Tiếng Việt 
[1] Nguyễn Hữu Đĩnh, Trần Thị Đà (1999), Ứng dụng một số phương pháp phổ 
nghiên cứu cấu trúc phân tử, NXB Giáo dục, Hà Nội. 
[2] Tử Văn Mặc (2003), Phân tích hóa lý – Phương pháp phổ nghiệm nghiên cứu 
cấu trúc phân tử, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 
[3] Nguyễn Kim Phi Phụng (2004), Khối phổ, NXB ĐH QG TP Hồ Chí Minh, TP 
Hồ Chí Minh. 
[4] Nguyễn Kim Phi Phụng (2005), Phổ NMR sử dụng trong phân tích hữu cơ, 
NXB ĐH QG TP. Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh. 
Tiếng Anh 
[1] Metin Balci (2005), Basic 1H- and 13C-NMR Spectroscopy, Elsevier, London. 
[2] L.D. Field, S. Sternhell, J.R. Kalman (2008), Organic structures from spectra, 
4th Ed., John Wiley and Sons, Ltd., England. 
[3] D.L. Pavia, G.M. Lampman, G.S. Kriz (2001), Introduction to spectroscopy – A 
guide for students of organic chemistry, Thomson Learning, Inc., USA. 
[4] R.M. Silverstein, F.X. Webster, D.J. Kiemle (2005), Spectrometric identification 
of organic compounds, 7th Ed., John Wiley & Sons, Inc., USA. 
[5] G. Solomons, C. Fryhle, S. Snyder (2014), Organic chemistry, 11th Ed., Wiley, 
USA. 
[6] https://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/virttxtjml/spectrpy/uv-
vis/spectrum.htm (truy cập tháng 6/2016). 
MỤC LỤC 
Lời nói đầu 
Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ 
 1.1. Mở đầu ...................................................................................................... 1 
 1.2. Bức xạ điện từ ........................................................................................... 2 
 1.3. Sự tương tác giữa bức xạ và phân tử ........................................................ 3 
 Câu hỏi và bài tập ............................................................................................ 7 
Chương 2. PHỔ HỒNG NGOẠI (IR) 
 2.1. Giới thiệu về phổ hồng ngoại ................................................................... 8 
 2.2. Thiết bị nghiên cứu phổ hồng ngoại ......................................................... 8 
 2.3. Dao động của phân tử và phổ hồng ngoại ................................................ 9 
 2.4. Phổ hồng ngoại của một số hợp chất hữu cơ tiêu biểu ............................. 11 
 2.5. Xác định các nhóm định chức dựa vào phổ hồng ngoại ........................... 12 
 Câu hỏi và bài tập ............................................................................................ 16 
Chương 3. PHỔ TỬ NGOẠI – KHẢ KIẾN (UV–VIS) 
 3.1. Các mức năng lượng điện tử (electron) và sự chuyển mức năng lượng ... 25 
 3.2. Các kiểu chuyển mức điện tử (electron) ................................................... 26 
 3.3. Đặc trưng về phổ tử ngoại-khả kiến của các hợp chất hữu cơ ................. 27 
 Câu hỏi và bài tập ............................................................................................ 30 
Chương 4. PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS) 
 4.1. Quá trình ion hóa ...................................................................................... 31 
 4.2. Phổ đồ. Nhận diện mũi ion phân tử trên khối phổ đồ ............................... 33 
 4.3. Nguyên tắc phân mảnh ............................................................................. 34 
 4.4. Đồng vị trong khối phổ ............................................................................. 38 
 4.5. Khối phổ phân giải cao ............................................................................. 40 
 4.6. Khối phổ của một số loại hợp chất hữu cơ ............................................... 40 
 Câu hỏi và bài tập ............................................................................................ 43 
Chương 5. PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (NMR) 
 5.1. Cơ sở vật lý của phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân ........................... 44 
 5.2. Độ dịch chuyển hóa học ........................................................................... 45 
 5.3. Cường độ tích phân của mũi cộng hưởng trong phổ 1H-NMR ................ 47 
 5.4. Độ dịch chuyển hóa học của proton một số hợp chất hữu cơ ................... 47 
 5.5. Tương tác spin-spin trong phổ 1H-NMR .................................................. 49 
 5.6. Phổ cộng hưởng từ cacbon 13 (13C-NMR) ............................................... 54 
 5.7. Phổ NMR hai chiều .................................................................................. 57 
 Câu hỏi và bài tập ............................................................................................ 59 
Chương 6. XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC TỪ CÁC LOẠI PHỔ 
 6.1. Trình tự các bước phân tích các loại phổ .................................................. 62 
 6.2. Cách trình bày kết quả phổ ....................................................................... 63 
 6.3. Một số ví dụ. Câu hỏi và bài tập ............................................................... 64 
Tài liệu tham khảo