《波谱分析》教案.docx

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《波谱分析》教案

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一、前言

《波谱分析》是应用四种谱学方法（紫外光谱、红外光谱、核磁共振波谱和质谱）研究和鉴定有机化合物结构相关知识的一门课程。

本课程要求学生掌握四种谱学的基本操作技能，应用提供的信息与化合物结构的对应关系进行相应的结构解析和信号归属。

熟悉化合物结构解析的一般方法和程序。

了解光谱学发展的最新动态和技术。

理论课授课32学时。

二、教学目的

1.掌握四种谱学的基本操作技能，应用提供的信息与化合物结构的对应关系进行相应的结构解析和信号归属。

2.熟悉化合物结构解析的一般方法和程序。

3.了解光谱学发展的最新动态和技术。

三、教学重点和难点

1.教学重点

（1）.红外、紫外光谱的解析方法。

（2）.质谱的解析方法。

（3）.1H-NMR、13C-NMR的解析方法。

2.教学难点

（1）.四种谱学的原理和规律。

（2）.四种光谱学的综合解析。

四、教学方法与手段

1.教学方法

能采用启发式，谈话式、讨论式等一些先进教学方法。

并能采取灵活多样的方式教学，注重创新能力培养。

全部课程实现了多媒体教学。

2.教学手段

采用多媒体、板书等辅助教学手段。

第一章绪论（2学时）

四大谱在有机化学发展中的作用及其发展的新趋势、光的特性、分子吸收光谱和分子发光光谱、吸收光谱的强度

一.基本要求

（1）了解光的波粒二向性、分子吸收光谱和分子发光光谱的基本概念

（2）掌握吸收光谱的原理及强度影响因素

二.重点、难点

重点：

吸收光谱的原理强度影响因素

难点：

影响吸收光谱强度因素

三、教学内容

1.《波谱解析》课程的主要内容有哪些？

紫外-可见光谱是一种电子吸收光谱，它测量的是分子中电子从基态向激发态跃迁的能量和概率。

一般有机药物分子中典型的电子跃迁都是从最高占用轨道或非键轨道向最低未占轨道的跃迁，尤其对一些共轭体系，可获得相关的结构信息。

红外光谱源于分子内基团的振动吸收，可以提供有机分子结构以及对称性的大量信息。

一些功能基的振动吸收总在确定的波数区间出现其特征吸收，而不会因含该功能基的分子变化而变化（如：

羰基红外吸收总在1715cm-1左右出现）。

所以红外光谱特别适用于分子中功能基的鉴定。

核磁共振谱常用氢谱和碳谱，目前为有机分子结构解析的最常用有力手段。

通过化学位移值、裂分状况和偶合常数的分析得到分子中原子之间的连接方式以及相对的空间位置。

在很多情况下采用不同的NMR方法组合基本可以解决结构的解析问题。

质谱在气相条件下被电子轰击后，可产生分子离子以及碎片离子，可以得到分子量、分子组成的信息。

通过对碎片裂解方式的解析可以对分子结构进行确证。

NMR和MS相结合，基本可以解决大多数的分子结构的解析，是目前应用最多的两种谱学方法。

2.为什么要学习《波谱解析》课程？

按照现在化学研究的指导原则，凡是合成、半合成药物或者是由天然产物中提取的单体或组分中的主要组分，都必须确证其化学结构。

确证结构的方法，除延用经典的理化分析和元素分析（若使用高分辨质谱则可免做元素分析）方法外，还要有目前国内外普遍使用的红外、紫外、核磁和质谱，必要时还应增加其他方法，如圆二色散（CD）、X光衍射（粉末、单晶）、热分析等。

3.《波谱解析》课程基本要求？

了解波谱分析与经典有机结构分析的区别；

了解四大波谱的基本原理，会初步应用四大谱学技术解析典型有机化合物的分子结构；

熟悉常见基团的特征频率和不同环境下氢和碳的化学位移与偶合规律等；

熟悉常见有机化合物的质谱裂解规律；

掌握应用四大波谱进行结构解析的基本程序；

较熟练地掌握谱学特征与分子结构的关系。

4.发展历史

20世纪30年代发展了紫外光谱，

40年代发展的红外光谱，

50年代发展的核磁共振谱和质谱。

称为“四大波谱”

5.电磁辐射对应的能级跃迁和波谱技术

（1）分子的电子光谱

（2）分子的振动光谱

（3）分子的转动光谱

（4）.磁共振谱

（5）.有机质谱（MS）

第二章紫外光谱（4学时）

原子或分子的能量组成与分子轨道、紫外光谱与电子跃迁、紫外光谱的λmax及其主要影响因素以及芳香化合物的紫外光谱特征、推测不饱和化合物λmax峰位的经验规则、共轭系统的λmax的计算方法、紫外光谱在有机化合物结构研究中的应用。

一.基本要求

（1）了解电子跃迁类型、发色团类型及其与紫外吸收峰波长的关系，了解紫外光谱的λmax及其主要影响因素

（2）掌握共轭烯烃最大吸收峰波长的计算规则（Woodward规则）

（3）了解紫外光谱在有机化合物结构分析中的应用

二.重点、难点

重点：

紫外光谱的λmax及其主要影响因素、共轭烯烃最大吸收峰波长的计算规则（Woodward规则）

难点：

共轭烯烃最大吸收峰波长的计算规则（Woodward规则）

三.教学内容

1.紫外光谱的定义

2.对结构解析提供的信息；

2.1.电子跃迁的类型及能量

（1）.σ→σ*跃迁：

σ轨道上的电子由基态到激发态属于σ→σ*跃迁。

需要较高的能量，所以能吸收短波长的紫外线，一般其吸收发生在低于150nm的远紫外区。

（2）.π→π*跃迁：

双键或叁键中π轨道的电子跃迁到π*。

能量较σ→σ*跃迁的小，孤立双键或叁键吸收一般在小于200nm的紫外区。

例如，乙烯在165nm处有吸收。

（3）.n→π*跃迁：

在-CO-、-CHO、-COOH、-CONH2、-CN等基团中，不饱和键一端直接与具有未用电子对的杂原子相连，将产生n→π*跃迁。

所需能量最小，吸收强度弱，但对有机化合物结构分析很有用，例如饱和酮在280nm出现的吸收就是n→π*跃迁。

（4）.n→σ*跃迁：

含有未共用电子对的基团，如-OH、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-I等，未共用电子对将产生n→σ*跃迁，吸收多小于200nm的紫外区。

2.2不同类型化合物产生的电子跃迁类型

（1）.饱和烃类化合物

（2）.不饱和烃类化合物

（3）.含有杂原子的有机化合物

3.紫外吸收光谱常用术语

（1）.允许跃迁/禁阻缺欠

（2）.发色团

（3）.助色团

（4）.红移（长移）

（5）.蓝（紫）移

（6）.增色效应和减色效应

4.影响紫外吸收光谱的主要因素

（1）.共轭效应——延长共轭系统（π-π、p-π、超共轭），红移。

①.π－π共轭：

使π→π*、n→π*跃迁峰红移，共轭双键数目越多，吸收峰红移越显著。

②.p-π共轭：

体系越大，助色基团的助色效应越强，吸收带越向长波方向移动

③.超共轭效应（δ-π超共轭）：

烷基取代双键碳上的氢以后，通过烷基的C—H键和π体系电子云重叠引起的共轭作用，使π→π*跃迁红移，但影响较小。

（2）.立体效应

①.生色团之间、生色团与助色团之间空间过于拥挤，则导致共轭程度降低,吸收峰位紫移。

②.顺反异构：

因反式异构体空间位阻较小，能有效地共轭，则峰位位于长波端，吸收强度也较大。

③.跨环效应：

在环状体系，分子中两个非共轭生色团处于一定的空间位置，产生的光谱，既非两个生色团的加合，亦不同于二者共轭的光谱。

（3）.溶剂效应

①.溶剂极性的改变对吸收峰位置和强度都有影响。

π→π*跃迁：

溶剂极性的增大，长移。

n→π*跃迁：

溶剂极性的增大，短移。

②.酸性、碱性或两性物质时，溶剂的pH值对光谱的影响很大，

（4）.含杂原子的双键化合物

①.羰基化合物

②.硫羰基化合物

5.紫外光谱的应用

（1）.主要用于判断结构中的共轭系统、结构骨架（如香豆素、黄酮等）

（2）.确定未知化合物是否含有与某一已知化合物相同的共轭体系。

（3）.可以确定未知结构中的共轭结构单元。

（4）.确定构型或构象

（5）.测定互变异构现象

6.分析紫外光谱的几个经验规律

（1）.在200~800nm区间无吸收峰，结构无共轭双键。

（2）.220~250nm，强吸收（max在104~2104之间），有共轭不饱和键（共轭二烯，,-不饱和醛、酮）

（3）.250~290nm，中等强度吸收（max1000~10000），通常有芳香结构。

（4）.250~350nm，中低强度吸收（10~100），且200nm以上无其他吸收，则含有带孤对电子的未共轭的发色团。

（羰基或共轭羰基）

（5）.有多个吸收峰，有的在可见区，则结构中可能有长链共轭体系或稠环芳香发色团。

如有颜色，则至少有4~5个共轭的发色团。

（6）.利用溶剂效应、pH影响：

增加溶剂极性：

K带红移、R带紫移，max变化大时，有互变异构体存在。

pH变化：

碱化后谱带红移，酸化后又恢复，则有酚羟基、烯醇存在；酸化后谱带紫移，有芳胺存在。

第三章红外光谱（4学时）

分子的振动能级基频跃迁与峰位、分子的偶极矩与峰强、影响峰位与峰强的其它因素、红外光谱的重要区段、特征谱带区、指纹区及相关峰的概念、红外光谱中的八个重要区段、红外光谱在有机化合物结构分析中的应用。

一.基本要求

（1）了解分子振动能级与红外光谱的关系

（2）了解吸收峰的位置与分子振动能级基频跃迁的关系

（3）掌握红外光谱解析的重要区段及主要官能团特征吸收频率

（4）了解红外光谱在有机化合物结构分析中的应用

二.重点、难点

重点：

吸收峰的位置与分子振动能级基频跃迁的关系、红外光谱解析的重要区段及主要官能团特征吸收频率

难点：

红外光谱解析的重要区段及主要官能团特征吸收频率

三.教学内容

1.基础知识

（1）.红外光谱：

引起分子振动能级和转动能级的跃迁,所以又称振-转光谱。

①.近红外区：

0.8nm~2.5m，分子O-H、N-H、C-H键的振动倍频与组频。

②.中红外区：

4000~400cm-1（2.5~25m），大部分有机化合物的振动基频。

③.远红外区：

400~25cm-1（25~1000m），分子的转动光谱以及重原子成键的振动等。

（2）.红外光谱原理

分子中键的振动频率：

分子的固有性质，它随着化学键力常数（K）的增大而增加，同时也随着原子折合质量（μ）的增加而降低。

2.多原子分子的振动图示

（1）.分子振动自由度

（2）.振动类型

①.伸缩振动（stretchingvibration），以表示

②.弯曲振动（bendingvibration），也叫变角振动，以δ表示

（3）.振动图示

（4）.影响（减少）峰数的因素——峰数往往少于基本振动数目（振动自由度）

①.振动过程中分子无偶极矩变化，不引起红外吸收。

②.频率完全相同的振动彼此发生简并。

③.强宽峰往往覆盖与其频率相近的弱而窄的吸收峰。

④.吸收峰有时落在中红外区域（4000~400cm-1）以外。

⑤.吸收强度太弱，以致无法测定。

3.影响IR吸收的因素

（1）.电子效应（electroniceffect）

①.诱导效应（inductiveeffect）

②.共轭效应（conjugativeeffect）

（2）.空间效应（stericeffect）

①.场效应（fieldeffect）

②.空间障碍

③.跨环效应（transannulareffect）

④.环张力

（3）.氢键效应（hydrogenbondeffect）

（4）.互变异构：

峰位移

（5）.振动偶合效应（vibrationalcouplingeffect）

（6）.费米共振（Fermiresonance）

（7）.样品的物理状态的影响

（8）.溶剂等外部因素的影响

4.红外光谱的测定

样品的制备：

（1）.KBr压片

（2）.Nujol法

5.红外光谱的重要吸收区段

波长（μm）

波数（cm–1）

键的振动类型

①2.7～3.3

3750～3000

OH,NH

②3.0～3.3

3300～3000

C—H,=CH，≡CH，Ar—H）（极少数可到2900cm–1）

③3.3～3.7

3000～2700

CH（—CH3,—CH2—，-CHO）

④4.2～4.9

2400～2100

C≡C,C≡N,—C≡C—C≡C—

⑤5.3～6.1

1900～1650

C═O（酸、醛、酮、酰胺、酯、酸酐）

⑥6.0～6.7

1680～1500

C═C（脂肪族及芳香族）,C═N

⑦6.8～7.7

1475～1300

δC—H（面内）,X—Y

⑧10.0～15.4

1000～650

δC═C—H,Ar—H（面外）

6.红外光谱在结构解析中的应用

（1）.确定官能团

（2）.确定立体化学结构的构型

（3）.区分构象异构体

（4）.区分互变异构体与同分异构体

7.拉曼光谱（Ramanspectra）

红外光谱和拉曼光谱都是研究分子振动和转动能级跃迁的分子光谱。

红外光谱为吸收光谱，拉曼光谱为散射光谱。

红外吸收谱带强度正比于偶极矩的变化，而拉曼谱带强度取决于极化率变化。

极化率可以认为是分子中电子云形状受原子核影响的难易程度，因此拉曼谱带强度取决于平衡前后电子云形状差别的大小。

对于具有对称中心的分子，若振动与对称中心有关，则红外光谱不可见，拉曼光谱可见；若振动与对称中心无关则红外光谱可见，拉曼光谱不可见，二者可以互补。

红外光谱和Raman光谱是相互搭配的工具，在有机化学中的应用日益广泛。

第四章核磁共振氢谱（6学时）

核磁共振谱的基本概念及基本原理、核磁共振仪器的基本构造、化学位移、化学位移与分子结构的关系、自旋偶合及自旋裂分与分子结构的关系、核磁共振实验技术、简化氢核磁共振谱的方法、核磁共振图谱解析及应用。

一.基本要求

（1）了解核磁共振的基本原理

（2）了解核磁共振的基本实验技术和常用的各种去偶方法

（3）掌握化学位移及影响化学位移的各种因素

（4）掌握各类化合物中质子的化学位移值及去耦谱中耦合常数的计算方法

二.重点、难点

重点：

化学位移及影响化学位移的各种因素、各类化合物中质子的化学位移值及去耦谱中耦合常数的计算方法

难点：

化学位移及影响化学位移的各种因素、各类化合物中质子的化学位移值及去耦谱中耦合常数的计算方法

三.教学内容

1.基本原理

核的自旋与核磁矩

核的自旋量子数（I）与质量数（A）及原子序数（Z）的关系

质量数（A）

原子序数（Z）

自旋量子数（I）

例

奇数

奇数或偶数

半整数

（1/2,3/2,5/2,…）

13C，1H，19F，31P，15N

17O，35Cl，79Br，125I

偶数

偶数

零

12C，16O，32S

偶数

奇数

整数（1,2,3,…）

2H，14N

屏蔽效应

2.1H-NMR（氢核磁共振）

（1）.化学位移的定义

（2）.常见结构类型的质子化学位移

Ar-HC=CH≡CHRHCHCH2CH3

7.285.282.88～11.551.200.87

-COOH-CHOArOHROH（RNH2）

10～129～104～80.5～5

（3）.化学位移的影响因素

①.电负性

②.磁各向异性

（4）.1H-NMR谱的解析程序

①.检查信号是否正常，如TMS、溶剂峰、积分比例。

②.根据积分计算各氢信号对应的H数。

③.计算各信号的化学位移、偶合常数。

④.按化学位移大小顺序列表，（nH,m,J=?

Hz）

⑤.根据化学位移判断氢核的类型;根据J值判断偶合关系。

⑥.加D2O，判断是否为活泼氢信号。

第五章核磁共振碳谱（2学时）

核磁共振碳谱的特点、核磁共振碳谱的去偶技术、碳谱的化学位移、核磁共振碳谱的解析、二维核磁共振谱简介。

一.基本要求

（1）了解核磁共振碳谱的特点、核磁共振碳谱的去偶技术

（2）掌握核磁共振碳谱的化学位移及解析

二.重点、难点

重点：

核磁共振碳谱的化学位移及解析

难点：

核磁共振碳谱的化学位移及解析

三.教学内容

1.核磁共振（NMRspectroscopy）—碳谱（13C-NMR）

（1）.为结构解析提供的信息

化学位移（1～250）；分辨率高，谱线简单，可观察到不含质子基团；驰豫时间对碳谱是重要参数，可识别季碳，可给出化合物骨架信息。

缺点：

测定需要样品量多，测定时间长，而吸收强度一般不代表碳原子个数，与种类有关。

（2）.常见一些基团的化学位移值

①.脂肪C:

<50

②.连杂原子C:

C-O,C-N,C-S:

50-100

③.C-OCH3:

55;

④.糖端基C:

95-105

⑤.芳香碳,烯碳:

98-160

⑥.连氧芳碳:

140-165

⑦.C=O:

168-220

（3）.影响化学位移因素

①.碳的杂化方式：

sp3

②.碳核的电子云密度：

电子云密度，高场位移

③.取代基的诱导效应和数目：

取代基数目,影响，，诱导效应随相隔键的数目增加而减弱;随取代基电负性，

④.效应（γ-旁式,γ-gauch）效应：

较大基团对γ-位碳上的氢通过空间有一种挤压作用，使电子云偏向碳原子，使碳化学位移向高场移动，这种效应称为γ-效应。

其中γ-顺效应更强。

⑤.共轭效应：

与双键共轭,原双键端基C2，内侧C1，与羰基共轭,C=O的

⑥.分子内部作用：

分子内氢键使C=O的

（4）.取代基位移规律

①.甲基取代位移（C-methylationshift）

②.羟基取代位移（hydroxylationshift

③.甲氧基取代位移（O-methylationshift）

④.乙酰化位移（acetylationshift）

（5）.常见的13C-NMR谱的类型及二维谱

①.全氢去偶谱（COM）或噪音去偶谱（PND）或质子宽带去偶谱（BBD）

特点:

图谱简化,所有信号均呈单峰.

②.偏共振去偶谱（OFR）

特点:

由于部分保留1H的偶合影响,可识别伯、仲、叔、季碳。

③.DEPT谱

特点：

不同类型13C信号呈单峰分别朝上或向下,可识别CH3，CH2，CH，C.脉冲宽度=135°CH3,CH,CH2（常用）=90°CH,=45°CH3,CH2,CH,季碳不出现

④.选择氢去偶谱（SPD）

选择性照射特定氢核，分别消除相关碳信号，使峰简化，增高。

⑤.1H-1HCOSY（相互偶合的氢核给出交叉峰）

⑥.NOESY（空间相近的氢核的关系）

⑦.HMQC（13C-1HCOSY）13C,1H直接相关谱1JCH

⑧.HMBC（远程13C-1HCOSY）13C,1H远程相关谱2JCH,3JCH

第六章质谱（4学时）

质谱的基本知识、质谱中离子的主要类型、分子式的确定、离子的裂解过程、常见各类有机化合物的质谱裂解特性、质谱图的解析。

一.基本要求

（1）了解质谱法的基本原理及不同质量的阳离子在质谱中分离的原因

（2）了解质谱机的基本组成和主要性能指标

（3）掌握质谱中的离子类型，正确识别分子离子并根据同位素峰确定分子式

（4）初步了解离子断裂机理和影响离子断裂的因素，掌握阳离子的开裂类型，并能应用开裂规律初步解析一些主要类型化合物的质谱。

（5）熟悉各类常见有机化合物的质谱特征

（6）了解质谱解析的一般程序，并根据质谱数据推断化合物结构

二.重点、难点

重点：

质谱中的离子类型、正确识别分子离子并根据同位素峰确定分子式、各类常见有机化合物的质谱特征

难点：

正确识别分子离子并根据同位素峰确定分子式、各类常见有机化合物的质谱特征

三、教学内容

1.质谱在有机化合物结构测定中的应用

（1）.测定正确的分子量

（2）.推断分子式

（3）.已知化合物的结构鉴定

（4）.未知化合物的结构鉴定

2.电子轰击质谱（EI-MS）

（1）.基本原理

利用具有一定能量的电子束使气态的样品分子或原子电离的离子源称为电子轰击离子源（ElectronImpactIonSource，简称EI）。

电子轰击离子源能电离气体、挥发性化合物和金属蒸气。

因其结构简单、电离效率高、通用性强、性能稳定、操作方便，是质谱仪器中广泛采用的电离源。

（2）.开裂方式及开裂类型

开裂方式

①.均裂：

两个电子构成的σ键开裂后，每个碎片各留一个电子。

②.异裂：

两个电子构成的σ键开裂后，两个电子都留在其中一个碎片上。

③.半异裂：

已失掉一个电子的σ键开裂时，电子转向其中一个碎片。

开裂类型

①.α开裂

②.β开裂

③.逆狄尔斯-阿尔德反应（Retro-Diels-Alderreaction,RDA）

④.复杂开裂

⑤.双重重排

（3）.基本有机化合物质谱及开裂规律

3.原子轰击质谱（FAB-MS）

（1）.基本原理

与离子轰击型离子源相似，原子轰击型离子源也是利用溅射使样品电离的，所不同的是用于轰击的粒子是快速的中性原子，因此一般称为快速原子轰击电离法（FastAtomBombardment，FAB-MS）

（2）.特点

①.灵敏度高

②.样品制备容易（FD-MS较难，费时费力）

③.常温下电离样品，排除了强极性物质难挥发，热不稳定等困难（FD-MS有时对极性很强的化合物,难于测出M+）

④.配有阴粒子捕获器,还可给出相应的阴离子质谱（需要特别说明，一般只给出阳离子质谱）与阳离子质谱相互补充，大大增加了信息来源及可信程度。

⑤.给出的碎片峰比FD-MS多，不只限于测定分子量。

⑥.当所用溶剂含有不稳定的H原子时（例如甘油），在谱中常可看到[M+H]+,[2M+H]+,[2M+H]+-H2O,[M-H]-,[M+S+H]+,[M+S+H]+-H2O,[M+Na]+，[M+Li]+，[M+K]+，同时一些核苷在甘油中产生[M+2H]+,[M+3H]+等，碎片也同样，所以解析时要注意用了什么溶剂。

间硝基苄醇受粒子轰击可被氧化为醛，若样品中有氨基可继续反应形成Schiff碱，出现[M+133＋H]+碎片。

⑦.可用TLC的斑点直接用FAB-MS,测[M+H]+。

FAB探针用双面屏蔽带包上，并放在斑点上，加1～2ul甘油润湿吸附剂，使它能粘附在探针上，然后按常规方法测定。

4.场致电离和场解析电离质谱

（1）.基本原理

①.场致电离法（FieldIonization,FI）

阳极，阴极近1mm,两极之间施加几千伏—上万伏直流电压，阳极尖端附近产生107V/cm强电场，强电场可把尖端附近不到1mm处样品分子中的电子拉走，形成M+，然后加速聚焦成粒子束,M+离子太少

②.场解析电离法（FieldDesorptionIonization,FD）

1969年Beckey发明的（原理同FI，样品引入不同），将样品稀溶液直接涂在阳极上，加10KV高电压使样品电离M+比FI还大。

（2）.特点

场致电离是一种温和的离子化方法，谱图以分子离子或准分子离子强、碎片离子少为特征。

FI主要用于测定有机化合物的分子量，对于那些在电子轰击条件下不生成或只生成很弱的分子离子峰的样品，FI是一个极有用的补充。

由于大部分场致电离质谱相当简单，这种方法也被用于混合物的分析。

5.电喷雾电离质谱

（1）.基本原理

电喷雾电离质谱（ElectroSprayIonization，ESI），是一种使用静电场的电离技术，内衬弹性石英管的不锈钢毛细管被加以3～5KV的正电压，与相距约1cm接地的反电极形成强静电场。

被分析的样品溶液从毛细管流出时在电场作用下形成高度荷电的雾状小液滴；在向质量分析器移动的过程中，液滴因溶剂的挥发逐渐缩小，其表面上