PHÂN TÍCH CÁC ĐỒNG PHÂN ĐỐI QUANG

1.3.4. Phân tích các đối quang nhờ phương pháp NMR

Trong phổ NMR, phần lớn hạt nhân của ¹H và ¹³C của hai đồng phân “dia” sẽ có tín hiệu chuyển dịch hóa học khác nhau. Tỉ lệ của các đồng phân có mặt trong hỗn hợp có thể tính toán được bằng sự phân tích các tín hiệu này. Nếu trong hỗn hợp có nhiều hơn hai đồng phân “dia” thì việc xác định tỉ lệ các đồng phân bằng phổ NMR sẽ gặp khó khăn hơn, đặc biệt là các đồng phân chiếm tỉ lệ nhỏ.

Đối với các hợp chất có một tâm bất đối thì hai cấu hình của chúng sẽ không phân biệt được bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân, do tín hiệu của chúng không được phân tách trong từ trường. Để phân biệt được hai cấu hình của các hợp chất có một tâm bất đối, người ta phải chuyển hợp chất nghiên cứu thành đồng phân dia. Cơ sở của phương pháp Mosher là chuyển hợp chất có một tâm bất đối thành đồng phân dia bằng cách thực hiện phản ứng của hợp chất nghiên cứu với axit R-Mosher để tạo thành este hoặc thành amit… Sau đó, nghiên cứu cấu hình của các hợp chất dia này sẽ đưa ra được cấu hình của chất ban đầu. Ví dụ, để xác định cấu hình tuyệt đối của hợp chất 1-phenylbutan-1-ol có một tâm bất đối, Mosher đã tổng hợp este của nó với axit R-Mosher để tạo ra hai đồng phân dia như mô tả trong sơ đồ dưới đây.

Hai đồng phân dia này sẽ được phân biệt rõ trên phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton. Tín hiệu của proton bậc ba tại trung tâm bất đối của dẫn xuất este Mosher của (R)-1-phenylbutan-1-ol sẽ dịch chuyển về phía trường cao, trong khi tín hiệu proton bậc ba tại tâm bất đối của dẫn xuất (S)-1-phenylbutan-1-ol sẽ dịch chuyển về phía trường thấp. Như vậy, người ta có thể xác định được cấu hình tuyệt đối của hợp chất 1-phenylbutan-1-ol ban đầu.

Ngoài axit R-Mosher, hiện nay người ta đang nghiên cứu sử dụng một số tác nhân bổ trợ khác để xác định cấu hình tuyệt đối của một số hợp chất ancol, amin và axit cacboxylic có một tâm bất đối, ví dụ như các tác nhân bổ trợ sau.

Ví dụ, để nghiên cứu cấu hình của hai đối quang oxaziridin nhờ tác nhân bổ trợ CSA, kết quả do tương tác cầu hydro của oxazirindin với CSA tạo thành phức dia, dẫn đến một số tín hiệu của hai đối quang được tách biệt trong từ trường. Nghiên cứu của phổ ¹H-NMR của hỗn hợp hai đồng phân (-)-oxaziridin khi không có tác nhân chuyển dịch CSA thì các tín hiệu proton không phân biệt được trong từ trường, nhưng khi cho kết hợp với (S)-(+)-CSA thì các tín hiệu của metyl, metin được tách ra. Dựa vào phổ này, người ta có thể xác định được tỷ lệ hai đồng phân đối quang của oxaziridin.

Tác nhân Eu(hfc)₃ là phức của kim loại thuận từ với ligand hữu cơ có tâm bất đối. Khi tác nhân Eu(hfc)₃ kết hợp với nhóm chức (NH₂, OH, SH …) trong phân tử có một trung tâm bất đối sẽ tạo thành đồng phân “dia”. Phức dia tạo thành có một số proton được tách ra trong từ trường và chuyển về trường thấp. Sự tách biệt và độ chuyển dịch về phía trường thấp của một số proton phụ thuộc vào nồng độ của tác nhân phức Eu(hfc)₃.

Ví dụ, nghiên cứu phổ ¹H-NMR của hỗn hợp hai đối quang (R,S)-1-axetyl-1-phenylbutan, các tín hiệu proton của hai đối quang không phân biệt được trong từ trường. Tuy nhiên, khi được tạo phức với tác nhân chuyển dịch Eu(hfc)₃ thì có sự tách tín hiệu. Nhóm metyl (triplet) được tách thành hai triplet có cường độ tương đương nhau. Sự tách tín hiệu của proton trong từ trường phụ thuộc vào bản chất của chất nghiên cứu và nồng độ của tác nhân chuyển dịch.

Qua ví dụ trên ta thấy, tín hiệu proton ở nhóm CH₃ của hỗn hợp (R,S)-1-axetyl-1-phenylbutan khi tạo phức với Eu(hfc)₃ đều được tách ra và có độ chuyển dịch hóa học chuyển về phía trường thấp. Sự tách tín hiệu và độ chuyển dịch hóa học proton ở nhóm CH₃ của hai đối quang có sự khác biệt rõ ràng. Đối với (R)-1-axetyl-1-phenylbutan, tín hiệu proton của nhóm CH₃ được chuyển dịch về phía trường cao so với (S)-1-axetyl-1-phenylbutan. Như vậy, có thể phân biệt và xác định được tỷ lệ hai đồng phân (R)-1-axetyl-1-phenylbutan và (S)-1-axetyl-1-phenylbutan nhờ ¹H-NMR của chúng khi tạo phức với tác nhân chuyển dịch Eu(hfc)₃ (xem hình 5).



Hình 1.5. Tín hiệu ¹H-NMR của CH₃ trong một số trường hợp

1.3.5. X-ray tinh thể

a. Giới thiệu chung

Phương pháp X-ray phân tử là phương pháp hiện đại nhất để xác định cấu trúc phân tử của một hợp chất hữu cơ. Từ phương trình Bragg, người ta tính toán độ dài của các cạnh tế bào cơ sở (a,b,c), chỉ số Miler (h,k,l), góc giữa các trục tinh thể (α,β,γ), thể tích tế bào tinh thể cơ sở (V) và số lượng phân tử (n) xây dựng nên tế bào cơ sở.

Phương trình Bragg: 2d.sin(θ) = nλ

Thể tích tế bào cơ sở: V = abc(1-cos²α-cos²β-cos²γ+2cosαcosβcosγ)^1/2

Số lượng phân tử trong một tế bào cơ sở n = V.d.6,023.10²³ (d: tỷ trọng g/cm³)

Mặt khác, khi chiếu bức xạ tia X vào phân tử, ở mỗi trung tâm liên kết sẽ phát ra một cặp tín hiệu Friedel phản xạ theo hai hướng (h,k,l) và hướng ngược lại (-h,-k,-l). Cường độ của tín hiệu Friedel (F_hkl, F_-h,-k-l) được tính toán nhờ cường độ của tín hiệu nhiễu xạ (I_hkl) (|Fhkl| = (Ihkl)^1/2).

Mật độ electron tại một điểm trong tế bào cơ bản sẽ được tính toán bằng công thức:

ρ(x,y,z) = [ Σ_hkl F_hkl exp{-2p(hx + ky + lz)}] / V

Bằng cách đo cường độ của tất cả các tín hiệu nhiễu xạ I_hkl theo mặt h,k,l khi đã biết được các thông số cơ bản của tế bào cơ sở theo phương trình Bragg ở trên, người ta sẽ tính toán được mật độ electron tại mọi điểm trong không gian của tế bào cơ sở, từ đó có thể xây dựng được bản đồ mật độ điện tích của phân tử.Từ dữ liệu bản đồ mật độ electron, chương trình máy tính sẽ dựng được cấu trúc không gian ba chiều của phân tử. Quá trình xác định cấu trúc của hợp chất hữu cơ bằng phương pháp X-ray phân tử có thể được tóm tắt như sau:

Phương pháp X-ray tinh thể có khả năng xác định chính xác cấu hình tuyệt đối của một phân tử, nếu trong phân tử có nguyên tử có tán xạ tia X bất thường. Để xác định cấu hình tuyệt đối của phân tử bằng phương pháp X-ray tinh thể người ta sử dụng phương pháp của Bijvoet và phương pháp so sánh chỉ số R.

Phương pháp Bijvoet: Do mỗi trung tâm bất đối khi được chiếu bức xạ tia X sẽ phát ra một cặp tín hiệu bất thường Friedel, lợi dụng nguyên tắc này Bijvoet đã so sánh tín hiệu tán xạ của một nguyên tử đánh dấu với tín hiệu của cặp bức xạ Friedel ở trung tâm bất đối phản xạ theo hướng (h,k,l) và hướng ngược lại (-h,-k,-l), để xác định cấu hình tuyệt đối.

Phương pháp so sánh chỉ số R: Chỉ số R được xây dựng trên cơ sở hàm thống kê Hamilton từ toàn bộ dữ liệu của các cặp đồng phân đối quang và được so sánh với các tính toán Bijvoet để xác định kiểu đồng phân đối quang. Nếu giá trị của chỉ số R có sự sai khác, dù rất nhỏ (±0,1%) thì phải đánh giá lại các giá trị này bằng phương pháp thống kê.

Như vậy, cả hai phương pháp này chỉ dựa vào tia phản xạ đặc biệt có cường độ cao do ảnh hưởng của cấu trúc ở những trung tâm bất đối của phân tử mà chưa so sánh được những tia tán xạ yếu. Những yếu tố tán xạ yếu chỉ được sử dụng khi dữ liệu X-ray có số lượng lớn. Phương pháp X-ray tinh có thể sử dụng hữu hiệu nhất đối với các hợp chất không chứa nguyên tử nặng hơn oxi.

Với những chất quang hoạt không tồn tại ở dạng đơn tinh thể, người ta có thể xác định cấu hình tuyệt đối của chúng bằng cách cho chúng phản ứng với một chất khác có chứa một hay nhiều trung tâm bất đối đã biết cấu hình tuyệt đối. Các hợp chất có cấu hình tuyệt đối đã biết được chọn để nghiên cứu trong phương pháp này là những chất có khả năng dễ kết tinh để nhận được dạng đơn tinh thể. Việc xác định cấu hình tuyệt đối của các hợp chất quang hoạt bằng phân tích X-ray được thực hiện dựa vào phần cấu hình tuyệt đối của chất gắn kết với chất nghiên cứu. Ngoài ra, việc đưa nhóm nguyên tử nặng như halogen (Cl, Br, I) vào phân tử hợp chất quang hoạt cũng cho phép xác định cấu hình tuyệt đối của chất đó nhờ phương pháp Bijvoet ở trên.

Ví dụ hidroxy lacton chưa biết cấu hình tuyệt đối được chuyển thành este với axit Mosher để tạo thành đồng phân dia. Trong trường hợp chất tạo thành thu được dưới dạng đơn tinh thể, cấu hình tuyệt đối của hydroxy lacton được xác định thông qua cấu hình tuyệt đối đã biết của phần tác nhân Mosher thông qua phân tích phổ X-ray.

Phương pháp phổ CD cũng dựa trên nguyên tắc cơ bản của hiệu ứng Cotton, cơ sở của phương pháp này là nghiên cứu bước chuyển ở trung tâm bất đối (circular dichroism) hay còn gọi là phổ nhị sắc tròn. Việc xác định phổ CD rất phức tạp, vì nó phụ thuộc vào bản chất của hợp chất nghiên cứu, chỉ có những hợp chất có bước chuyển n---->π* và π---->π* (có nhóm mang màu) mới đo được hiệu ứng Cotton. Trong trường hợp chất cần nghiên cứu không có bước chuyển n---->π* và π---->π* cần phải gắn thêm một nhóm mang màu vào phân tử. Xác định cấu hình tuyệt đối của một hợp chất hữu cơ được thực hiện nhờ so sánh hiệu ứng Cotton của nó với hiệu ứng Cotton của chất có cấu trúc tương tự đã biết về cấu hình tuyệt đối. Như vậy, cần phải có nhiều hợp chất có cấu trúc tương đồng đã biết để so sánh và xác định cấu hình tuyệt đối của chất cần nghiên cứu.

Ví dụ, khi muốn xác định cấu hình của flavan mới, người ta phải so sánh hiệu ứng Cotton của hợp chất cần nghiên cứu với hiệu ứng Cotton flavan đã biết trước cấu hình tuyệt đối. Hợp chất flavan B đã biết cấu hình tuyệt đối, hợp chất flavan A chưa biết cấu hình tuyệt đối, hiệu ứng Cotton của A và B trên phổ CD là tương tự nhau nhưng có chiều ngược nhau, nên cấu hình tuyệt đối của A là ngược so với B.



Hình 1.8. Phổ CD của hợp chất A và B

Ngoài ra, với các phân tử hữu cơ quang hoạt có chứa các phần mang màu đã biết việc phân tích phổ CD cho phép xác định được cấu hình tuyệt đối của cacbon bất đối trong phần mang màu này.