Công thức thực nghiệm là gì? Đáp án và lời giải chi tiết

Câu hỏi: Hợp chất X có công thức thực nghiệm là C₆H₇N. Phổ MS cho thấy X có các tín hiệu sau (thể hiện trong hình dưới). Xác định công thức phân tử của X. Biết peak [M⁺] có giá trị m/z lớn nhất.

Đáp án: Công thức phân tử của X là C₆H₇N. Peak ion phân tử [M⁺] trong phổ khối lượng nằm ở m/z = 93, suy ra khối lượng phân tử của X bằng 93 g/mol — đúng bằng khối lượng mol của công thức thực nghiệm C₆H₇N, nên hệ số nhân n = 1 và hai công thức trùng nhau.

Vì sao công thức phân tử của X là C₆H₇N

Bài toán kiểm tra đồng thời hai kiến thức: hiểu công thức thực nghiệm là gì và đọc khối lượng phân tử từ phổ MS. Lời giải gồm ba bước nối tiếp nhau:

1. Đọc khối lượng phân tử từ phổ MS: khi bị ion hóa, phân tử X mất một electron và trở thành ion phân tử [M⁺] mang một điện tích dương, do đó tỉ số m/z của peak này bằng đúng khối lượng phân tử của X. Theo đề bài, peak [M⁺] có giá trị m/z lớn nhất; trên phổ này peak đó nằm ở m/z = 93 và đồng thời là peak có cường độ tương đối lớn nhất (100%). Vậy M(X) = 93 g/mol.
2. Tính khối lượng mol của công thức thực nghiệm: C₆H₇N gồm 6 nguyên tử C, 7 nguyên tử H và 1 nguyên tử N, nên M = 6×12 + 7×1 + 1×14 = 72 + 7 + 14 = 93 (g/mol).
3. Tìm hệ số nhân n: n = M(X) ÷ M(C₆H₇N) = 93 ÷ 93 = 1. Công thức phân tử là (C₆H₇N)₁ = C₆H₇N.

Hệ số n = 1 nghĩa là công thức thực nghiệm đã cho chính là công thức phân tử, không cần nhân thêm. Thực tế, C₆H₇N cũng là công thức phân tử của anilin (C₆H₅NH₂) — hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử đúng bằng 93.

Các kết quả sai thường gặp và nguyên nhân

Đề không có phương án chọn sẵn, nhưng khi tự làm nhiều bạn rơi vào ba kết quả sai điển hình dưới đây. Dễ nhầm nhất là kết quả thứ nhất.

• Viết công thức phân tử thành C₁₂H₁₄N₂: sai do mặc định công thức phân tử phải “lớn hơn” công thức thực nghiệm nên nhân đôi. C₁₂H₁₄N₂ có M = 186 g/mol, gấp đôi giá trị 93 đọc từ phổ MS, mâu thuẫn với dữ kiện. n hoàn toàn có thể bằng 1.
• Chọn nhầm peak mảnh (fragment ion) làm [M⁺]: các peak có m/z nhỏ hơn 93 sinh ra từ những mảnh vỡ của phân tử, không đại diện cho khối lượng phân tử. Chỉ peak [M⁺] với m/z lớn nhất mới cho giá trị M cần dùng.
• Không kiểm tra n là số nguyên: nếu đọc nhầm peak khác, thương M chia cho 93 thường ra số lẻ không nguyên — đó là tín hiệu cho biết đã lấy sai peak hoặc tính sai khối lượng công thức thực nghiệm.

Hệ thống kiến thức: công thức thực nghiệm và phổ khối lượng

Trước hết cần trả lời rõ công thức thực nghiệm là gì: đây là công thức cho biết tỉ lệ nguyên tử tối giản nhất giữa các nguyên tố trong hợp chất. Khác với nó, công thức phân tử cho biết số lượng nguyên tử thực tế của mỗi nguyên tố trong một phân tử và luôn là bội số nguyên dương của công thức thực nghiệm: CTPT = (CTTN)ₙ.

Nguồn dữ kiện để tính n chính là phổ khối lượng (MS). Trong phổ MS, ion phân tử [M⁺] mang một điện tích dương nên m/z của nó bằng khối lượng phân tử M; peak [M⁺] nằm ở vị trí m/z lớn nhất của phổ, chỉ bỏ qua các peak đồng vị rất nhỏ như M+1, M+2 sinh ra từ đồng vị ¹³C, ¹⁵N.

Quy trình tổng quát cho dạng bài này gồm ba bước: xác định M từ peak [M⁺] trong phổ MS; tính khối lượng mol của công thức thực nghiệm; lấy n = M ÷ Σ khối lượng CTTN rồi nhân lên. Ví dụ minh họa: benzen có CTPT C₆H₆ với CTTN là CH; glucose có CTPT C₆H₁₂O₆ với CTTN là CH₂O; còn C₆H₇N thuộc trường hợp n = 1 khi CTPT trùng CTTN. Kỹ năng này là bước đầu tiên và quan trọng nhất khi suy luận cấu tạo phân tử hữu cơ từ dữ liệu thực nghiệm.

Mẹo ghi nhớ và cách nhận diện nhanh

Giữ công thức CTPT = (CTTN)ₙ với n = M ÷ Σ khối lượng CTTN, n phải là số nguyên dương. Ba dấu hiệu nhận dạng nhanh dạng bài:

• M trong phổ MS luôn lấy ở peak có m/z lớn nhất (không tính các peak đồng vị nhỏ).
• Nếu M bằng đúng khối lượng mol của công thức thực nghiệm thì n = 1, công thức phân tử trùng công thức thực nghiệm — đúng như bài này với m/z = 93.
• Nếu thương n ra số không nguyên, đừng kết luận vội: hãy kiểm tra lại peak đã chọn và phép tính khối lượng CTTN trước.