有机化合物波谱解析教案.docx

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有机化合物波谱解析教案

《有机化合物波谱解析》教案

一、前言

《有机化合物波谱解析》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30学时。

教材选用姚新生、吴立军主编《有机化合物波谱分析》，中国医药科技出版社2004年出版。

实验教材选用李发美主编《分析化学实验》，人民卫生出版社2004年出版。

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、幻灯、实物投影、分子模型模拟等辅助教学手段。

五、教学内容与要求

第一章紫外光谱（第1-4节）课时安排：

4学时

[基本内容]

吸收光谱的基础知识。

紫外光谱的基本知识，与分子结构的关系，以及在结构研究中的应用。

[基本要求]

掌握：

紫外-可见光谱与化合物结构间的相互关系，以及为结构鉴定提供的信息。

熟悉：

紫外光谱在解析中尤其是立体结构鉴定中的主要应用。

了解：

紫外-可见光谱分类和最新发展技术。

（一）、概述

1.化合物光谱解析的目的和意义

①.是药物化学的基本研究方法

②.是中药研究实现现代化的需要

③.我国原创新药发展的需要

④.学科交叉共同发展的需要

2.学习结构解析的方法和注意事项

①.熟悉结构解析的方法和原理

②.注意各光谱学方法的特点及注意事项

③.掌握各种常见化合物的光谱规律

④.学会总结和归纳不同类型化合物的光谱规律

⑤.学会模拟各类化合物的光谱图

⑥.勤学多练

（二）紫外光谱（ultravioletspectra）

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（εmax在104~2⨯104之间），有共轭不饱和键（共轭二烯，α,β-不饱和醛、酮）

（3）.250~290nm，中等强度吸收（εmax1000~10000），通常有芳香结构。

（4）.250~350nm，中低强度吸收（ε10~100），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，εmax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。

第二章红外光谱（第1-4节）课时安排：

4学时

[基本内容]

红外光谱的基础知识、重要吸收区段和在结构解析中的应用。

红外光谱应用技术进展和拉曼光谱。

[基本要求]

掌握：

红外光谱提供的信息与化合物结构间的相互关系以及重要吸收区段。

熟悉：

红外光谱在化合物结构平面解析和立体结构解析中的应用。

了解：

拉曼光谱和普通红外光谱的区别，红外光谱的最新发展技术。

（一）红外光谱（ultravioletspectra）

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~2.5μm，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（2.5~25μm），大部分有机化合物的振动基频。

③.远红外区：

400~25cm-1（25~1000μm），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ν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

νOH,νNH

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

νCH（—CH3,—CH2—，-CHO）

④4.2～4.9

2400～2100

νC≡C,νC≡N,ν—C≡C—C≡C—

⑤5.3～6.1

1900～1650

νC═O（酸、醛、酮、酰胺、酯、酸酐）

⑥6.0～6.7

1680～1500

νC═C（脂肪族及芳香族）,νC═N

⑦6.8～7.7

1475～1300

δC—H（面内）,νX—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。

第三章核磁共振（第1-3节）课时安排12学时

[基本内容]

核磁共振（NMR）基础知识。

氢核核磁共振和结构解析的程序。

碳核核磁共振和结构解析的程序。

1H-NMR和13C-NMR图谱的特征。

1H-1HCOSY、HMQC、HMBC、NOESY和DEPT等二维谱的解析方法等。

[基本要求]

掌握：

氢核核磁共振和碳核核磁共振在结构解析的一般程序和应用；简单化合物的信号归属。

熟悉：

原子基团在1H-NMR和13C-NMR谱的大致峰位；13C-NMR谱的类型以及在结构测定中的意义。

了解：

1H-NMR和13C-NMR在谱图测定中的注意事项以及最新发展测试技术；1H-1HCOSY、HMQC、HMBC、NOESY等其它二维谱的测定技术和解析程序。

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，δ（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。

3.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δ值

①.脂肪C:

δ<50

②.连杂原子C:

C-O,C-N,C-Sδ:

50-100

③.C-OCH3:

δ55;

④.糖端基C:

δ95-105

⑤.芳香碳,烯碳:

δ98-160

⑥.连氧芳碳:

δ140-165

⑦.C=O:

δ168-220

（3）.影响化学位移因素

①.碳的杂化方式：

δsp3<δsp<δsp2

②.碳核的电子云密度：

电子云密度↑，↓δ高场位移

③.取代基的诱导效应和数目：

取代基数目↑,影响↑，↑δ，诱导效应随相隔键的数目增加而减弱;随取代基电负性↑，δ↑

④.γ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↓δ，内侧C1↑δ，与羰基共轭,C=O的↓δ

⑥.分子内部作用：

分子内氢键使C=O的↑δ

（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θ=135°CH3,CH↑,CH2（常用）θ=90°CH↑,θ=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

第四章质谱（第1-6节）课时安排6学时

[基本内容]

质谱的基本知识、类型和电离过程。

基本有机化合物的质谱。

质谱解析的一般程序等。

[基本要求]

熟悉：

质谱的电离过程，基本有机化合物的质谱特征；质谱解析的一般程序。

了解：

质谱的质量分析器种类和场解析法、快原子轰击法和电喷雾电离法等的原理；最新的质谱分析和测试技术。

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，其表面上的电荷密度不断增大。

当电荷的排斥力足以克服表面张力时，液滴发生裂分；经过这样反复的溶剂挥发-液滴裂分过程，最后产生单个多电荷离子。

（2）.特点

ESI在大气压力和环境温度下进行，被分析物的分子在电离过程中通常产生多重质子化的离子。

电喷雾通常要选择合适的溶剂。

除了考虑对样品的溶解能力外，溶剂的急性也需考虑。

一般来说，极性溶剂（如甲醇、乙腈、丙酮等）更适合于电喷雾。

ESI-MS既可分析大分子也可分析小分子。

对于分子量在1000Da以下的小分子。

会产生[M+H]+或[M-H]-离子，选择相应的正离子或负离子形式进行检测，就可得到物质的分子量。

而分子量高达20，000Da的大分子在ESI-MS中生成一系列多电荷离子，通过数据处理系统能够得到样品的分子量。

6.基质辅助激光解吸离子化质谱

（1）.基本原理

60年代后期，激光技术开始应用于质谱分析中，这主要包括两个方面：

一是多光子技术，包括多光子电离和光致解离，通过激光光子与气相中的分子或离子的作用使其电离或解离；所研究的是相对较小的分子。

另一方面是激光解吸技术，通过激光束与固相样品的作用使其产生分子离子和具有结构信息的碎片；所研究的是结构较为复杂、不易气化的大分子。

（2）.特点

①.使一些难电离试样电离，且有较少碎片，易获得分子电离产物。

对高分子化合物的测定十分有利。

②.因使用的是脉冲式激光，适与飞行时间质谱（TOF-MS）联用

7.化学电离源质谱

（1）.正离子化学电离质谱

在EI-MS中，样品分子直接与具有一定能量的电子作用（70ev），产生M+，M+具有较高的热力学能，从而进一步发生碎裂，使有些样品M+峰低或难于得到M+。

（2）.负离子化学电离质谱

70年代后期是NCI-MS发展盛期，人们研究了一系列反应气，测试这些反应气对样品分子的M+或伪分子离子的产生率，进行环境、生物或医药中痕量物质测定，从混合物中得到特征离子。

测试未知物结构，特别是在食品、草药中农药残留量的测定等进行了广泛的应用。

8.其它质谱

（1）.大气压化学电离质谱

大气压电离（AtmosphericPressureIonization,API），主要是应用于高效液相色谱（HPLC）和质谱计联机时的电离方法。

试样的离子化在处于大气压下的离子化室中进行。

它包括电喷雾电离（ElectrosprayIonization,ESI）和大气压化学电离（AtmosphericPressureChemicalIonization,APCI）。

（2）.二次离子质谱

快原子轰击（FastAtomBombardment，FAB）

液体二次离子质谱（LiquidSecondaryIonMassSpectrometry，LSI-MS）

FAB-MS使用中性原子束

LSI-MS使用离子束

第五章综合解析（第1-3节）课时安排6学时

[基本内容]

图谱解析应注意的问题和一般过程。

解析实例分析。

[基本要求]

熟悉：

图谱解析的一般过程。

了解：

图谱解析应注意的问题。

1.概述

（1）.图谱解析过程中应注意的问题

①.注意待测试样的纯度

②.注意试样谱图以外的相关信息

（2）.综合解析中常用的谱学方法

①.13C-NMR

a.判定碳原子个数及其杂化方式

b.根据DEPT谱判定碳原子的类型

c.根据化学位移值判定羰基的存在与否及其种类

d.根据化学位移值判定芳香族或烯烃取代基的数目并推测取代基的种类

②.1H-NMR

a.根据积分曲线的数值推算结构中