1h nmr là gì? Các công bố khoa học về 1h nmr

1H NMR là gì?

1H NMR (tên đầy đủ: Proton Nuclear Magnetic Resonance – cộng hưởng từ hạt nhân proton) là một kỹ thuật phân tích phổ biến trong hóa học hiện đại, dùng để nghiên cứu đặc điểm và cấu trúc của các phân tử dựa trên tín hiệu từ các proton (1H). Phương pháp này dựa trên nguyên lý rằng một số hạt nhân nguyên tử, trong đó có proton, khi đặt trong từ trường mạnh sẽ hấp thụ và phát xạ sóng vô tuyến ở tần số đặc trưng – tạo ra tín hiệu đặc hiệu cho từng loại môi trường hóa học trong phân tử.

1H NMR là công cụ then chốt trong việc xác định cấu trúc hóa học, phân tích độ tinh khiết, kiểm tra hỗn hợp, nghiên cứu tương tác phân tử và hỗ trợ tổng hợp hữu cơ. Đây là một trong những phương pháp phổ biến nhất nhờ khả năng cung cấp thông tin chi tiết, không phá hủy mẫu và phù hợp với đa dạng loại hợp chất hữu cơ.

Nguyên lý hoạt động của 1H NMR

Các proton (1H) có spin = 1/2, khi đặt trong từ trường ngoài sẽ có hai mức năng lượng khác nhau do định hướng spin với hoặc ngược từ trường. Khi chiếu sóng vô tuyến (RF – radiofrequency), một số proton hấp thụ năng lượng và chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Khi trở lại trạng thái cơ bản, proton giải phóng năng lượng RF và tín hiệu này được ghi nhận, xử lý để tạo thành phổ NMR.

Vị trí tín hiệu trên phổ được biểu diễn bằng dịch chuyển hóa học (chemical shift), ký hiệu δ, đo bằng đơn vị phần triệu (ppm). Dịch chuyển này phụ thuộc vào môi trường điện tử xung quanh proton, nên mỗi loại proton trong phân tử sẽ có tín hiệu đặc trưng.

Xem nguyên lý chi tiết tại: Chemguide – NMR Theory.

Các thông số cơ bản trong phổ 1H NMR

1. Dịch chuyển hóa học (δ, ppm)

Dịch chuyển hóa học phản ánh mức độ "che chắn" hay "khử che chắn" của môi trường xung quanh proton. Một số vùng phổ tiêu biểu:

• Proton alkyl no: δ = 0.8 – 2.0 ppm
• Proton gần nhóm carbonyl: δ = 2.0 – 3.0 ppm
• Proton gần dị nguyên tử (O, N): δ = 3.0 – 4.5 ppm
• Proton vòng thơm: δ = 6.0 – 8.5 ppm
• Proton acid: δ = 10.0 – 13.0 ppm

2. Tách vạch (Spin-spin splitting)

Proton bị ảnh hưởng bởi spin của các proton lân cận, dẫn đến tách tín hiệu thành nhiều đỉnh nhỏ. Áp dụng quy tắc (n + 1): nếu một proton có n proton kế cận không tương đương, nó tạo thành (n + 1) vạch.

Ví dụ, nhóm –CH3 kế bên –CH2 sẽ là bộ ba (triplet) vì n = 2 → 2 + 1 = 3 vạch.

3. Diện tích tích phân

Diện tích dưới mỗi đỉnh (tích phân) tỉ lệ với số lượng proton tương ứng, giúp xác định tỉ lệ giữa các loại proton khác nhau trong phân tử.

4. Hằng số ghép đôi (J, Hz)

Là khoảng cách giữa các vạch trong một tín hiệu bị tách. Giá trị này cung cấp thông tin không gian giữa các proton, đặc biệt hữu ích trong nghiên cứu lập thể.

Quy trình đo phổ 1H NMR

1. Chuẩn bị mẫu: Hòa tan chất cần đo trong dung môi NMR phù hợp (ví dụ: CDCl3, DMSO-d6, D2O).
2. Cho mẫu vào ống NMR chuyên dụng (5 mm) và đặt trong từ trường siêu dẫn của máy cộng hưởng từ.
3. Ghi phổ bằng cách chiếu sóng RF, ghi nhận tín hiệu hồi đáp của proton và xử lý dữ liệu bằng phần mềm chuyên dụng.
4. Phân tích phổ để xác định số lượng và vị trí các loại proton.

Ứng dụng của 1H NMR

1. Xác định cấu trúc hợp chất hữu cơ

Thông qua phổ 1H NMR, ta có thể nhận diện các nhóm metyl, methylen, vòng thơm, nhóm hydroxyl, amine, acid carboxylic… và từ đó xây dựng công thức cấu trúc chi tiết.

2. Phân tích hỗn hợp và tạp chất

1H NMR cho phép phát hiện các thành phần không mong muốn với độ nhạy cao, nhờ sự xuất hiện các tín hiệu lạ hoặc sai lệch tích phân.

3. Định lượng và chuẩn độ

Bằng cách sử dụng một chất nội chuẩn (internal standard), phổ NMR có thể dùng để định lượng chính xác nồng độ các hợp chất trong hỗn hợp – rất hữu ích trong phân tích dược phẩm.

4. Theo dõi phản ứng hóa học

Việc thu phổ NMR theo thời gian giúp xác định tốc độ phản ứng, điểm kết thúc phản ứng và trung gian phản ứng trong tổng hợp hữu cơ hoặc nghiên cứu enzyme.

5. Phân tích hợp chất tự nhiên và sản phẩm tự nhiên

1H NMR là công cụ chính để phân tích cấu trúc các phân tử phức tạp như alkaloid, flavonoid, terpenoid, hoặc glycoside trong nghiên cứu dược liệu.

Ví dụ minh họa

Phân tử ethanol (CH3CH2OH):

• Tín hiệu –CH3: triplet (tách bởi –CH2) tại δ ~ 1.2 ppm
• Tín hiệu –CH2: quartet (tách bởi –CH3) tại δ ~ 3.6 ppm
• Tín hiệu –OH: singlet hoặc broad peak, δ ~ 1.5 – 2.5 ppm (phụ thuộc vào dung môi, nhiệt độ)

So sánh 1H NMR với các kỹ thuật khác

Các nguồn học liệu và cơ sở dữ liệu NMR

• SDBS – Spectral Database for Organic Compounds
• NMRdb – NMR Spectrum Simulator
• LibreTexts – NMR Spectroscopy Guide

Kết luận

1H NMR là một phương pháp phân tích lý tưởng cho các nhà hóa học trong việc xác định cấu trúc phân tử, nghiên cứu phản ứng và kiểm soát chất lượng. Với khả năng cung cấp thông tin chi tiết, chính xác, không phá hủy mẫu và tích hợp tốt với các kỹ thuật khác, 1H NMR tiếp tục đóng vai trò trung tâm trong nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghiệp hiện đại.