《波谱分析法》教学文件.docx
《《波谱分析法》教学文件.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《波谱分析法》教学文件.docx（119页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
《波谱分析法》教学文件
教学文件
波谱分析
徐加应
化学与生物工程学院
目录
教学大纲…………………………………………………….…………………1
考核大纲………………………….……………………………………………1
参考教材……………………….………………………………………………1
教学进度表………………………….…………………………………………1
教学方案…………………………….…………………………………………1
习题解答…………………………….…………………………………………1
备课笔记…………………………….…………………………………………1
教学改革…………………….…………………………………………………1
《波谱分析》课程教学大纲
适用：
B应化061
本大纲制定者：
孙为德
一、本课程的目的、性质和任务
本课程是应用化学专业本科生的专业必修课程。
本课程教学的任务主要是讲授紫外光谱、红外光谱、核磁共振和质谱的基本理论与一般解析方法。
本课程的教学环节包括课堂讲授，学生自学，实验，习题，答疑，和期末考试。
通过对本课程的学习，使学生能掌握有机化合物结构波谱分析的基本概念、基本原理和基本方法，并能应用波谱法进行简单的有机化合物的结构分析。
培养学生分析问题和解决问题的能力，为后续的课程、毕业论文和今后的工作奠定良好的理论基础。
二、教学基本内容和要求
绪论
本章重点：
紫外光谱、红外光谱、核磁共振和质谱产生的基本原理
本章难点：
有机波谱分析的作用、重要性及其发展趋势
1、紫外光谱、红外光谱、核磁共振和质谱的概况
2、四大谱在有机化学发展中的作用及其发展的新趋势。
第一章 紫外吸收光谱
本章重点：
吸收光谱的产生
本章难点：
吸收光谱的产生
１、概述
⑴电磁波与辐射能
⑵吸收光谱的产生
２、紫外吸收光谱的基本原理
⑴紫外吸收光谱的产生
⑵分子轨道与跃迁类型
⑶发色基团、助色基团和吸收带
⑷共轭体系与吸收带波长的关系
３、影响紫外吸收光谱的主要因素
⑴溶剂的影响
⑵分子结构的影响
⑶分子离子化的影响
⑷取代基的影响
４、有机化合物的紫外吸收光谱
⑴简单化合物的紫外吸收光谱
⑵含共轭双键的化合物
⑶芳香族化合物
５、紫外分光光度计的结构和实验技术
６、紫外吸收光谱的应用
第二章 红外吸收光谱
本章重点：
红外吸收光谱解析，影响峰位变化的因素，红外吸收光谱的应用
本章难点：
红外吸收光谱的基本原理
１、红外吸收光谱的基本原理
⑴分子的振动能级
⑵红外吸收光谱产生的条件
⑶红外吸收峰的强度
⑷红外吸收光谱中常用术语
２、红外吸收光谱解析
⑴红外吸收光谱的八个重要区段
⑵红外吸收光谱解析
３、影响峰位变化的因素
４、红外吸收光谱的应用
５、红外吸收光谱的实验技术
⑴仪器结构及工作原理
⑵性能指标
⑶制样技术
第三章 核磁共振波谱法
本章重点：
化学位移及影响因素
本章难点：
核磁共振基本原理
１、核磁共振基本原理
⑴核的自旋运动和ＮＭＲ现象
⑵饱和与弛豫
２、化学位移
⑴化学位移
⑵影响化学位移的因素
⑶化学位移与分子结构的关系
３、偶合与分裂
⑴自旋－自旋偶合
⑵一级谱
⑶高级谱
⑷其它偶合
４、核磁共振波谱仪及实验技术
５、核磁共振谱的应用
⑴结构鉴定
⑵氢谱定量分析
⑶在化学动力学方面的应用
第四章 质谱法
本章重点：
质谱中的离子类型，常见有机化合物质谱
本章难点：
质谱计的一般原理
１、质谱法基本原理
⑴质谱计的一般原理
⑵质谱基本方程
⑶质谱表示法
⑷质量分离法
⑸质谱计主要性能指标
２、进样方式及离子源种类
３、质谱中的离子类型
⑴分子离子及其识别方法
⑵同位素离子及其识别方法及分子式确定
⑶碎片离子
⑷亚稳离子
⑸多电荷离子
⑹离子－分子相互作用产生的离子
４、离子的断裂机理
５、常见有机化合物质谱
⑴烃类
⑵含氧化合物
⑶含氮化合物
⑷卤化物
６、质谱解析程序
７、应用示例
第五章 四种图谱综合解析
本章重点：
综合解析程序
本章难点：
综合解析程序
１、样品的纯度及分离
２、综合解析程序
⑴分子式确定
⑵不饱和度计算
⑶分子结构确定
３、综合解析实例
三、本大纲的几点说明及本课程学时安排
1、本大纲根据当前应用化学专业常用的《波谱分析教程》教材制定，大纲适当反映了发展中的新方法和新技术，以保证课程先进性。
2、本课程在第五学期开课。
在课程讲授和实践安排方面均应考虑与《分析化学》等相关课程的联系之间的联系，要求其它课程提供必要的基础知识。
3、本课程建议学时为：
理论课32-40，实验课：
16-20
4、推荐教材及参考书目
教材：
《波谱分析教程》.刘芹英,刘岚,邓慧敏编著,科学出版社
参考书：
《ContemporaryInstrumentalAnalysis（现代仪器分析）影印版》,KennethA.Rubinson,JudithF.Rubinson，科学出版社;
《分析化学》现刊，汪尔康主编，中国化学会、中国科学院长春应用化学研究所
附：
学时分配表
序号
内容
时数
学时分配
讲授
讨论
习题
实验
其它
1
概论
1
1
2
第一章紫外光谱
5
4
1
3
第二章红外光谱
10
9
1
4
第三章核磁共振
8
7
1
5
第四章质谱
7
6
1
6
第五章四谱综合解析
1
1
合计
32
28
4
《波谱分析》考试大纲
（32学时）
一、考核对象
应用化学专业2006级本科学生
二、命题范围
第一章绪论：
波谱分析的概念、研究对象、研究方法及其研究特点。
了解有机波谱分析的作用、重要性及其发展趋势。
第二章紫外光谱分析：
紫外光谱的基本原理、影响紫外光谱的主要因素、有机化合物的紫外光谱、紫外光谱的应用。
第三章红外光谱分析：
红外光谱的基本原理、各类化合物的红外光谱、红外光谱的重要光谱区域、影响红外吸收峰位的因素、红外光谱的应用。
第四章核磁共振波谱法（氢谱）：
核磁共振的基本原理、化学位移、偶合与裂分、谱图的简化、谱图的解释。
第五章质谱法：
质谱的基本原理、进样的方式和离子源的种类、质谱中的离子类型、离子的断裂机理、常见有机化合物的质谱。
三、试题类型、题量及分值分配
填空题：
约10题，约20%；
名词解释或简答题：
约4题，约20%；
单谱图解析及计算题：
约4题，约40%；
综合谱图解析：
1题，约20%。
四、考试用时、满分和合格标准
考试用时：
120分钟；满分：
100分；合格标准：
60分。
五、考试形式和答题要求
考试形式：
闭卷，笔试；
答题要求：
独立完成；
出题方法：
A卷B卷C卷。
成绩评定：
总成绩＝70%的卷面成绩＋30%平时成绩（实验成绩占10%）
合格成绩为60分。
盐城工学院课程教学进度表
（08—09学年度第1学期）
课程《波谱分析》专业及班级B应化051班
授课主讲教师严金龙徐加应职称副教授助教所在院（系、部）化生学院
辅导教师徐加应上课时间周二第3大节、周四第3大节上课教室东区3J2A201、3J2C509
教材（注明主编及出版社）波谱分析教程刘芹英刘岚邓慧敏编著，科学出版社
教学参考书《ContemporaryInstrumentalAnalysis（现代仪器分析）影印版》,
KennethA.Rubinson,JudithF.Rubinson，科学出版社;
《分析化学》现刊，汪尔康主编，中国化学会、中国科学院长春应用化学研究所
上课周数3-10周周学时数4总学时数48
讲授课时数32实验、实践课时数16其它
制订日期08年8月31日
周次/起讫日期
讲课时数
实验时数
讲课章节和题目
教学方式、教改措施（习题、课堂讨论、测验、电教手段等）
课外作业题号
第3周
9月14日—9月20日
4
绪论
波谱分析特点与发展
第1章紫外光谱
1.1紫外光谱基本原理
1.2紫外光谱仪
1.3各类化合物的紫外吸收光谱
ppt
1.名词解释：
生色团、红移与蓝移、增色效应
2．紫外光谱仪组成
第4周
9月21日—9月27日
4
1.4紫外光谱应用
第2章红外光谱
2.1红外光谱基本原理
2.2影响红外光谱吸收频率的因素
ppt
1.P29：
4
（2）、（4）5;
2.举例说明酸碱对UV的影响。
第5周
9月28日—10月4日
4
2.3红外光谱仪及样品制备技术
2.4各类化合物的红外特征光谱
习题课
ppt
1.简述影响红外光谱吸收频率的因素；
2．P91：
3
第6周
10月5日—10月11日
4
2.5红外谱图解析
2.7红外光谱技术的进展及应用
ppt
1.简述红外谱图区域？
2.P92：
7、12
第7周
10月12日—10月18日
4
第3章核磁共振氢谱
3.1核磁共振基本原理
3.2核磁共振仪与实验方法
ppt
习题课
1.化学位移含义？
2.标准物TMS的优点？
周次/起讫日期
讲课时数
实验时数
讲课章节和题目
教学方式、教改措施（习题、课堂讨论、测验、电教手段等）
课外作业题号
第8周
10月19日—10月25日
4
3.31H化学位移
3.4各类质子的化学位移
3.5自旋偶合和自旋裂分
ppt
P150：
1；
P156：
10
第9周
10月26日—11月1日
4
3.7核磁共振氢谱的解析
第4章质谱
4.1质谱的基本知识
4.2离子裂解的机理
ppt
1．同位素离子峰的意义及强度计算？
2.示意离子单分子裂解机理。
第10周
11月2日—11月8日
4
4.3有机质谱中的裂解反应
4.4有机质谱中的解析和应用
第5章综合解析
ppt
习题课
P305：
综合解析6.2
专业系主任（签名）：
院（系、部）负责人（签名）：
注：
本教学进度表一式三份,一份交教务处教学档案室，一份交院（系、部）档案室，一份授课教师留存。
绪论
学习本章主要应掌握下述内容：
1．紫外光谱、红外光谱、核磁共振和质谱的概况
2．四大谱在有机化学发展中的作用及其发展的新趋势。
学时：
1学时
波谱分析法是由紫外吸收光谱法（UV:
UltravioletAbsorptionSpectrometry）、红外吸收光谱法（IR:
InfraredAbsorptionSpectrometry）、核磁共振波谱法（NMR:
NuclearMagneticResonanceSpectroscopy）和质谱分析法（MS:
MassSpectrometry）组成的用于鉴别有机化合物结构的定性分析方法。
经典的有机定性分析方法主要通过有机元素分析、物理常数（熔点、沸点、折光指数等）的测定和官能团的特征显色化学反应来判别有机化合物的类型，其操作繁琐、费时且不易准确决定有机化合物的结构。
第二次世界大战结束以后，仪器分析方法获得迅速发展，特别在60年代以来，由于石油化学工业和高分子工业的发展，大大促进了有机分析的发展；当前色谱分析法（包括气相色谱法、高效液相色谱法、薄层色谱法）已成为有机成分分析的有力工具，而波谱分析法（UV、IR、NMR、MS）已成为有机结构分析中最常使用的有效手段。
根据发展的趋向，色谱分析法和波谱分析法已成为现代有机分析的两大支柱，是今后发展的主流。
由于色谱分析法具有高效的分离能力，可把组成复杂的有机混合物分离成单一的纯组分，从而为波谱分析法提供纯样品，这就解决了在有机结构分析中需要纯样品的难题。
在应用UV、IR、NMR、MS进行结构分析时，由于实现了样品的微量化，测定速度快，谱图解析的结果准确，重复性好，从而使有机化合物的结构鉴定工作达到了新水平，这也是经典有机定性分析方法所不能比拟的。
近30年来由于在有机化合物结构分析中广泛使用了UV、IR、NMR、MS各种方法，尤其是把这些方法组合起来应用，可提供相互补充的信息，大大提高了在使用中的总有效性。
对需要掌握波谱分析的化学工作者来讲，必须首先掌握UV、IR、NMR、MS各种测定方法的基本原理、操作要点、谱图解析的方法和特点，进而掌握应用多种谱图综合解析未知物的能力。
总之，要想成为精通谱图解析和准确判定分子结构的能手，必须经过相当多的亲身实践，培养对图谱外形的敏感，牢记关键数据，不断总结剖析的经验，逐步积累解析谱图技术的关键，最终才能达到所期望的目标。
第一章紫外吸收光谱法
学习本章主要应掌握下述内容：
1.分子中电子能级及电子跃迁规律,σ、π、n轨道及σ→σ﹡、n→σ﹡、π→π﹡、n→π﹡跃迁与分子结构的关系，电子跃迁产生的吸收带波长及其光谱特征；
2.分子结构变化及取代基对吸收光谱的影响，共轭体系对吸收波长的影响；
3.各类有机化合物的紫外吸收光谱特征、共轭二烯、α、β不饱和羰基化合物及酰基苯衍生物的K吸收带波长计算方法；
4.紫外吸收光谱测定有机化合物结构的方法。
学时：
5学时
第一节概述
一、电磁波与辐射能
光是一种电磁波，它具有波动性和微粒性两重性质。
电磁波是能量存在的一种形式，它的传播也是能量的传播。
式中h为普朗克常数，它等于6.626×10-34J·S。
表1-1电磁波谱
注：
能量单位也可用eV（电子伏特，leV≈l.6021892×10-19J）。
二、吸收光谱的产生
分子也具有吸收一定波长电磁波的特性，并能导致分子从低能级向高能级跃迁而产生分子吸收光谱。
分子内部运动包括分子内外层电子相对于原子核的运动、分子内原子在其平衡位置的振动以及分子本身绕其质心的旋转运动。
因此，当不同波长的光辐射作用于分子时，分子的电子能级、振动能级和转动能级都可能发生改变，并相应地产生紫外及可见吸收光谱、红外吸收光谱和远红外吸收光谱或微波谱。
根据量子理论，原子或分子中各种运动状态所对应的能级是量子化的，即能级的能量变化是不连续的。
只有当电磁波的能量与原子或分子中两能级之间的能量差相等时，原子或分子才可能吸收该电磁波的能量，并从较低的能级跃迁到较高的能级。
如果用△E表示两个能级E1和E2之间的能量差，当电磁波的频率与△E符合下述关系时，电磁波才能为原子或分子所吸收：
△E=E2-E1=hυ
第二节紫外吸收光谱的基本原理
一、紫外吸收光谱的产生
图1茴香醛的紫外吸收光谱图2分子能级的跃迁
n：
电子能级；V：
振动能级；J：
转动能级
二、分子轨道与电子跃迁的类型
（一）分子轨道
图3σ分子轨道示意图图4π分子轨道示意图
（二）电子跃迁的类型
图5σ、π、n轨道及电子跃迁
表2某些化合物的电子结构和跃迁类型
三、发色基团、助色基团和吸收带
（一）发色基团和助色基团
凡是能导致化合物在紫外及可见光区产生吸收的基团，不论是否显出颜色都称为发色基团。
例如，分子中含有π键的C＝C、C≡C、苯环以及C＝O、－N＝N一、＞S＝O等不饱和基团都是发色基团。
表3典型发色基团的吸收带
助色基团是指那些本身不会使化合物分子产生颜色或者在紫外及可见光区不产生吸收的一些基团，但这些基团与发色基团相连时却能使发色基团的吸收带波长移向长波，同时使吸收强度增加。
通常，助色基团是由含有孤对电子的元素所组成，例如一NH2、一NR2、一OH、－OR、－Cl等。
这些基团借助p-π共轭使发色基团增加共轭程度，从而使电子跃迁的能量下降。
各种助色基团的助色效应，以O-为最大，F为最小。
助色基团的助色效应强弱大致如下列顺序。
F＜CH3＜Cl＜Br＜OH＜SH＜OCH3＜NH2＜NHR＜NR2＜O-
（二）红移、蓝移、增色效应和减色效应
由于有机化合物分子中引入了助色基团或其他发色基团而产生结构的改变，或者由于溶剂的影响使其紫外吸收带的最大吸收波长向长波方向移动的现象称为红移。
与此相反，如果吸收带的最大吸收波长向短波方向移动，则称为蓝移。
与吸收带波长红移及蓝移相似，由于化合物分子结构中引入取代基或受溶剂的影响．使吸收带的强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象称为增色效应或减色效应。
（三）吸收带
1.R吸收带
2.K吸收带
3.B吸收带
4.E吸收带
四、共轭体系与吸收带波长的关系
表4某些共轭烯烃的吸收特征
共轭使吸收带波长红移，可以认为是由于共轭形成了包括共轭碳原子之间的离域π键，π电子更容易被激发而跃迁到反键π轨道上去。
图6共轭双键能级图图7羰基与烯双键共轭能级图
第三节影响紫外吸收光谱的主要因素
一、溶剂的影响
溶剂对紫外吸收光谱的影响较为复杂，一般来说，改变溶剂的极性会引起吸收带波长发生变化。
增加溶剂的极性能使π→π﹡跃迁的吸收带波长红移，而n→π﹡跃迁的吸收带波长蓝移。
表5溶剂对异丙叉丙酮吸收带的影响
图8溶剂极性对轨道能级的影响
二、分子结构改变的影响
α异构体，λmax=227nmβ异构体，λmax=299nm
三、分子离子化的影响
苯胺盐的吸收带从230nm和280nm蓝移到203nm和254nm。
苯酚在碱性介质中能形成苯酚阴离子，其吸收带将从210nm和270nm红移到235nm和287nm：
四、取代基的影响
第四节有机化合物的紫外吸收光谱
一、简单分子的紫外吸收光谱
（一）烷烃、烯径和炔烃
（二）羰基化合物
（三）醇、醚、含氮、含硫化合物及卤代物
二、含共轭双键化合物的紫外吸收光谱
（一）共轭二烯
例1计算共轭二烯化合物
的吸收波长。
基本值217nm
烷基取代4×5nm
环状双键5nm
计算值242nm
测定值243nm
例2计算松香酸
π→π﹡跃迁的吸收波长。
基本值（异环二烯）214nm
烷基取代4×5nm
环外双键5nm
计算值239nm
测定值238nm
例3.计算化合物
跃迁的吸收波长。
基本值（同环二烯）253nm
烷基取代3×5nm
环外双键5nm
增加一个共轭双键30nm
酰基取代0
计算值303nm
测定值306nm
（二）α、β不饱和羰基化合物
例4计算胆甾-2,4-二烯-6-酮
π→π﹡跃迁的吸收波长。
基本值215nm
增加一个双键30nm
同环二烯39nm
环外双键5nm
α烷基取代10nm
δ烷基取代18nm
计算值317nm
测定值314nm
例5计算环庚烯1-羧酸
π→π﹡跃迁的吸收波长。
α、β二烷基取代基本值217nm
七员环内双键5
计算值222nm
测定值222nm
按伍德沃德计算方法计算值为220nm，与尼尔森方法一致。
（三）共轭多烯
含五个以上共轭双键的多烯烃，其吸收带波长和摩尔吸光系数可用下述公式计算：
m2·mol-1
式中A——取代基数目；
N——共轭双键数；
R——末端含双键的环数；
E——环外双键数。
例6计算全反式番茄红素（C40H56）的吸收波长和摩尔吸光系数。
全反式番茄红素结构为：
该化合物含有11个共轭双键，8个烷基取代，其λmax和εmax计算如下：
m2·mol-1=1.91×104m2·mol-1
测定值：
λmax=474nm，εmax=1.86×104m2·mol-1。
三、芳族化合物的紫外吸收光谱
苯是最简单的芳族化合物，它的紫外吸收光谱有三个吸收带，其吸收带波长分别为184nm（E1带）、203nm（E2或K带）和256nm（B带）。
B带的吸收强度比较弱，在非极性溶剂中或呈气体状态时出现精细结构。
当苯的一个氢原子或两个氢原子被其它基团取代时，吸收带波长将发生变化。
除个别取代基外，绝大多数取代基都能使吸收带向长波移动，E1带将移到185～220nm、E2带将移到205～250nm、B带将移到260～290nm。
当取代基含有n电子时,则在275～330nm范围将出现R吸收带。
表单取代苯的紫外吸收光谱特征
表酰基苯衍生物K吸收带波长的计算方法
例7计算4-乙酰氨基苯甲醛
的K吸收带波长。
基本值250nm
对位NHAc取代45nm
计算值295nm
测定值292nm
例8计算6-甲氧基萘满酮
的K吸收带波长。
基本值246nm
对位OR取代25nm
邻位烷基取代3nm
计算值274nm
测定值276nm
（四）稠环化合物
第五节紫外分光光度计结构与实验技术
图10紫外分光光度计原理图
第六节紫外吸收光谱的应用
一、有机化合物定性鉴定的一般方法
如果化合物的紫外光谱在220～400nm范围内没有吸收带，则可以判断该化合物可能是饱和的直链烃、脂环烃或其它饱和的脂肪族化合物或只含一个双键的烯烃等。
若化合物只在270～350nm有弱的吸收带，则该化合物必含有n电子的简单非共轭发色基团，如羰基、硝基等。
若化合物在210～250nm范围有强吸收带，ε≥103m2·mol-1，这是K吸收带的特征，则该化合物可能是含有共轭双键的化合物。
如果强吸收带出现在260～300nm范围内，则表明该化合物存在3个或3个以上共轭双键。
如吸收带进入可见光区，则该化合物是长共扼发色基团的化合物或是稠环化合物。
若化合物在250～300nm范围内有中等强度吸收带，ε=102～103m2·mol-1，这是苯环B吸收带的特征，因此该化合物很可能含有苯环。
按上述规律可以初步确定该化合物的归属范围。
将该化合物的光谱与标准化合物的谱图进行对照，如果两者吸收光谱的特征完全相同，则可考虑两者可能是同一化合物，或者它们具有相同的分子骨架和发色基团。
也可以与一已知的模型化合物的紫外光谱相对比后作出判断。
二、有机化合物结构的测定
（一）共轭体系的判断
（二）分子骨架的推定
（三）构型、构
升级会员 