《波谱分析》教案

波谱分析教案一、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max 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max 峰位的经验规则、共轭系统的max 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max 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max 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). * 跃迁： 轨道上的电子由基态到激发态属于* 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). * 跃迁：双键或叁键中轨道的电子跃迁到*。能量较*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*跃迁：在 -co- 、-cho 、-cooh 、-conh 2、-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*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 280 nm 出现的吸收就是n*跃迁。(4). n* 跃迁：含有未共用电子对的基团，如-oh 、-nh 2、-sh、-cl、-br 、-i 等，未共用电子对将产生n*跃迁，吸收多小于200 nm 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（- 、p- 、超共轭），红移。. 共轭：使* 、n* 跃迁峰红移，共轭双键数目越多，吸收峰红移越显著。. p- 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.超共轭效应（ -超共轭）：烷基取代双键碳上的氢以后，通过烷基的c h 键和 体系电子云重叠引起的共轭作用，使*跃迁红移，但影响较小。(2). 立体效应.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。.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。.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.溶剂极性的改变对吸收峰位置和强度都有影响。*跃迁：溶剂极性的增大，长移。n*跃迁：溶剂极性的增大，短移。.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.羰基化合物.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 200800nm 区间无吸收峰，结构无共轭双键。(2).220250nm，强吸收 ( max 在 1042104 之间)，有共轭不饱和键（共轭二烯，, -不饱和醛、酮）(3).250290nm，中等强度吸收( max 100010000) ，通常有芳香结构。(4).250350nm，中低强度吸收( 10 100)，且 200 nm 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45 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。.近红外区： 0.8nm2.5m，分子 o-h 、n-h 、c-h 键的振动倍频与组频。(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 ).振动过程中分子无偶极矩变化，不引起红外吸收。.频率完全相同的振动彼此发生简并。.强宽峰往往覆盖与其频率相近的弱而窄的吸收峰。.吸收峰有时落在中红外区域(4000400cm-1)以外。.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（ electronic effect）.诱导效应（ inductive effect）.共轭效应（ conjugative effect） (2).空间效应（ steric effect）.场效应（ field effect ）.空间障碍.跨环效应（ transannular effect）.环张力(3).氢键效应（ hydrogen bond effect） (4).互变异构：峰位移(5). 振动偶合效应（vibrational coupling effect ）(6). 费米共振（ fermi resonance） (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 (m)波数 (cm1)键的振动类型2.73.33750 3000oh,nh3.03.33300 3000ch,=ch ，ch ，ar h)(极少数可到2900cm1 )3.33.73000 2700ch ( ch 3, ch 2 ， -cho)4.24.92400 2100cc, cn, cc cc 5.36.11900 1650c o ( 酸、醛、酮、酰胺、酯、酸酐)6.06.71680 1500c c (脂肪族及芳香族),c n6.87.71475 1300c h ( 面内 ) ,x y10.0 15.41000 650c 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 (raman spectra)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.基本原理偶数偶数零偶数屏蔽效应奇数整数 (1, 2, 3,)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=chchrhchch 2ch 37.285.282.88 11.551.200.87-cooh-choarohroh (rnh 2) 10 129 104 80.5 5(3). 化学位移的影响因素.电负性.磁各向异性(4).1h-nmr谱的解析程序.检查信号是否正常，如tms 、溶剂峰、积分比例。.根据积分计算各氢信号对应的h 数。.计算各信号的化学位移、偶合常数。.按化学位移大小顺序列表，(nh, m, j=?hz).根据化学位移判断氢核的类型; 根据 j 值判断偶合关系。.加 d 2o ，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（ nmr spectroscopy） 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.脂肪 c:50.连杂原子c: c-o, c-n, c-s:50-100.c-och 3:55;.糖端基 c :95-105.芳香碳 ,烯碳 :98-160.连氧芳碳 :140-165.c=o:168-220(3). 影响化学位移因素.碳的杂化方式：sp3 sp sp2.碳核的电子云密度：电子云密度，高场位移 .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，.效应 (-旁式 ,-gauch）效应：较大基团对-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-效应。其中-顺效应更强。.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.分子内部作用：分子内氢键使c=o 的(4). 取代基位移规律.甲基取代位移（c-methylation shift）.羟基取代位移（hydroxylation shift.甲氧基取代位移（o-methylation shift ）.乙酰化位移（ acetylation shift） (5).常见的 13c-nmr 谱的类型及二维谱.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.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。.dept 谱特点：不同类型13c 信号呈单峰分别朝上或向下,可识别ch 3， ch 2， ch ， c.脉冲宽度=135ch 3, ch, ch 2（常用）=90 ch,=45 ch 3, ch2 , ch, 季碳不出现.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。.1h- 1h cosy( 相互偶合的氢核给出交叉峰).noesy( 空间相近的氢核的关系).hmqc( 13c-1h cosy) 13c,1h直接相关谱1jch.hmbc( 远程 13c-1h cosy) 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(electron impact ion source ，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.均裂：两个电子构成的键开裂后，每个碎片各留一个电子。.异裂：两个电子构成的键开裂后，两个电子都留在其中一个碎片上。.半异裂：已失掉一个电子的键开裂时，电子转向其中一个碎片。开裂类型.开裂.开裂.逆狄尔斯 -阿尔德反应（ retro-diels-alder reaction, rda ）.复杂开裂.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(fast atom bombardment ， fab-ms)(2).特点.灵敏度高.样品制备容易（fd-ms 较难，费时费力）.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+ ）.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。.给出的碎片峰比fd-ms 多，不只限于测定分子量。 .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 + -h 2o, 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+133h + 碎片。.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.场致电离法（ field ionization, 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.场解析电离法（field desorption ionization, 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（electro spray ionization， 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 .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。.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（ atmospheric pressure ionization, 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（electrospray ionization, esi ）和大气压化学电离 （ atmospheric pressure chemical ionization,apci ） 。(2). 二次离子质谱快原子轰击（ fast atom bombardment ，fab ）液体二次离子质谱（liquid secondary ion mass spectrometry， lsi-m