《波谱原理及解析》第一章-绪论课件

绪论有机波谱分析绪论有机波谱分析1一、课程简介

《波谱分析教程》是药学、化学、应用化学及相关专业学生必修的学科基础课之一，学分为2，总学时为32。本课程主要讲授内容包括：1.绪论（2学时）2.紫外光谱（4学时）；3.红外光谱（6学时）

；4.核磁共振（氢谱和碳谱，12学时）；5.质谱（6学时）

；6.多谱综合解析（2学时）

。

一、课程简介2第一章绪论

前言：

有机化合物的结构表征(即测定)——

从分子水平认识物质的基本手段，是有机化学的重要组成部分。第一章绪论前言：318世纪天平的应用－－－定量研究19世纪初期的原子学说、原子分子论和19世纪中期原子价学说、化学结构理论、元素周期率－－－分子结构理论基础19世纪后半叶的质量作用定律和化学反应动力学－－－有机化合物系统鉴定法（定量分析、反应平衡、溶解平衡、颜色反应、降解、合成）18世纪天平的应用－－－定量研究4波谱学的理论基础：20世纪Planck的量子理论

Bohr的氢原子模型

KÖssel、Lewis的原子价电子理论

－－－初等量子论1905年Einstein的相对论－－－光的波粒二相性

deBroglie的波动方程－－－物质（电子）的波粒二相性1926年SchrÖdinger量子力学方程－－－电子等微观物质的运动状态及能级和能级跃迁选律的概念1927年Heitler、London创立量子化学，建立共价键的价键方法1928年Mulliken的分子轨道理论

Pauling的价键理论和杂化轨道理论

Hückel的简化分子轨道理论

－－－多原子分子结构的构型和键的离域20世纪50年代起Woodward-Hoffman的轨道对称守恒原理

Fukui-Hoffman的前线轨道理论

－－－协同反应中化学反应的方向、产物的立体选择性与轨道对称性的关系

波谱学的理论基础：5一、有机化合物结构测定的经典方法

（有机化合物系统鉴定法）20世纪中期以前，主要依靠化学方法进行有机化合物的结构测定，其基本过程是：其缺点是：费时、费力、费钱，需要的样品量大。一、有机化合物结构测定的经典方法

（有机化合物系统鉴定法）6例如：鸦片中吗啡碱结构的测定，从1803年开始研究，直至1952年才完全阐明，历时149年。

1803年从鸦片中离析得到纯品；1881年从吗啡的锌粉蒸馏得到菲；1925年Gulland和Robinson提出吗啡分子的结构式；1952～1956年完成吗啡的全合成。例如：鸦片中吗啡碱结构的测定，从1803年开始研究，直至197二、波谱分析

20世纪中期以后，进入以仪器（光谱）分析为主，经典化学方法为辅的阶段。现在有机化合物的结构测定所采用现代仪器分析法，其特点是：

样品用量少，仅需毫克级甚至微克级纯样；分析方法多为非破坏性过程（质谱除外）；分析速度快。二、波谱分析20世纪中期以后，进入以仪器（光谱8例如：蛇根草中利血平结构的测定，从1952年离析出纯品，到1956Woodward等用轨道对称性完成合成，历时不到5年。

利血平

波谱分析方法不仅可以研究分子的结构，而且还能探索到分子间各种集聚态的结构构型和构象的状况，对人类所面临的生命科学、材料科学的发展，是极其重要的。例如：蛇根草中利血平结构的测定，从1952年离析出纯品，到19非典的冠状病毒的测定非典的冠状病毒的测定10对有机化合物的结构表征应用最为广泛的是：紫外光谱(ultravioletspectroscopy缩写为UV)红外光谱(infraredspectroscopy缩写为IR)核磁共振谱(nuclearmagneticresonance缩写为NMR)质谱(massspectroscopy缩写为MS)？对有机化合物的结构表征应用最为广泛的是：？11苯丙烯酸的低分辨质谱、红外、60MHz核磁、紫外光谱“四谱”的产生？苯丙烯酸的低分辨质谱、红外、60MHz核磁、紫外光谱“四谱”12三.有机波谱引论1.光的本质光是一种电磁波，具有波粒二相性。波动性：可用波长(

)、频率(v)和波数()来描述。

按量子力学，其关系为：三.有机波谱引论1.光的本质按量子力学，其关13

微粒性：可用光量子的能量来描述：

分子吸收电磁波，从低能级跃迁到高能级，其吸收光的频率与吸收能量的关系。由此可见，与E，v成反比，即↓，v↑(每秒的振动次数↑)，E↑。微粒性：可用光量子的能量来描述：分子吸142.分子运动形式及对应的光谱范围(P2)

在分子光谱中，根据电磁波的波长()划分为几个不同的区域，如下图所示：

2.分子运动形式及对应的光谱范围(P2)153.分子的总能量由以下几种能量组成：3.分子的总能量由以下几种能量组成：164.“四谱”的产生带电物质粒子的质量谱（MS）

↑↗电子：电子能级跃迁（UV）分子→原子↓↘核自旋能级的跃迁（NMR）振动能级（IR）4.“四谱”的产生带电物质粒子的质量谱（MS）17波谱法及其应用

物质在光的照射下，引起分子内部某种运动,从而吸收或

散射某种波长的光。波谱法将记录的入射光或散射强度变化与光的波长、波数（频）或散射角度的关系图，用于物质结构、组成及化学变化的分析。

波谱法包括的范围很广：

紫外－可见光谱（Ultravioletand

Visible

Spectra

UV)

红外光谱

(Infrared

Spectra

IR)

核磁共振波谱（Nuclear

Magnetic

Resonance

NMR)

质谱

(Mass

Spectrum

MS)

此外，拉曼光谱、荧光光谱、旋光光谱和圆二色光谱、顺磁共振谱都属于波谱法范畴。

波谱法及其应用波谱法将记录的入射光或散射强度变化与光的波长、18咖啡因分子吸收光谱图。紫外吸收光谱分子中最外层价电子在不同能级轨道上跃迁而产生的，反映了分子中价电子跃迁时的能量变化与化合物所含发色基团之间的关系。

β-胡罗卜素

几种有机化合物咖啡因分子吸收光谱图。紫外吸收光谱分子中最外层价电子在不同能19T(%)红外吸收光谱是由分子的振动－转动能级间的跃迁而产生的。用来鉴别分子中所含有的特征官能团和化学建的类型，进而确定化合物分子的化学结构。

苯酚的红外光谱

T(%)红外吸收光谱是由分子的振动－转动能级间的跃迁而产生的20核磁共振波谱分子具有核磁矩的原子核1H、13C

、15N、19F、31P等在外磁场中，通过射频电磁波的照射，吸收一定频率的电磁波能量，由低能级跃迁到高能级，并产生核磁共振信号。

核磁共振波谱分子具有核磁矩的原子核1H、13C、15N、121相对丰度质谱分析法用具有一定能量的电子流轰击被分析物质的气态分子，使之离解成正离子，部分正离子会进一步碎裂成各种不同质荷比（m/z）的粒子，在外加静电场和磁场的作用下，按质量大小将它们逐一分离和检测。69839855412920406080100m/e

10050相对丰度质谱分析法用具有一定能量的电子流轰击被分析物质的气态22UV、IR、

NMR、

MS已成为测定有机化合物分子结构的主要工具。比较：（1）测定方法的灵敏度：MS

>

UV

>

IR

>

1H-NMR

>

13C

-

NMR（2）仪器的昂贵程度：NMR、

MS

远比UV、IR昂贵，FTIR要比普通IR昂贵。（3）获取信息的多寡程度：不仅要考虑获取信息的数量，还要考虑对获取信息的解析能力。综合比较：NMR

>

MS

>

IR

>

UV（4）实验所需的理论背景知识：NMR》

MS

>IR

～UV比较：UV、IR、NMR、MS已成为测定有机化合物分子结构的主23

二、电磁波与波谱1．电磁波的性质

光是一种电磁波，具有波粒二象性。

光的波动性可用波长λ、频率ν、光速c、波数（cm-1）

等参数描述：λν

=c波数

=

1/

λ

=

ν

/c光是由光子流组成，每个光子的能量：E=h

ν（Planck常数：h

=6.626

×

10

-34

J

.

S

)光的波动性和粒子性：

E=h

ν

=hc/

λ光的波长越短（频率越高），其能量越大。单色光：

单波长的光

(具有相同能量的光子组成)白

光：

由各种单色光组成的复合光

二、电磁波与波谱λν=c波数=1/λ=ν/c24

2、分子能级与波谱

物质分子内部有平动、转动、振动、电子跃迁、核的自

旋跃迁等运动形式。每种运动都有一定的能级。（1）平动能

Ek：分子整体的平移运动。

Ek是连续的、非量子化的，平动不会产生光谱。Ek是各

种分子运动能中最小的。随温度升高而增大。（2）核的自旋跃迁：

I=1/2的核，在外磁场的作用下，产生

磁能级的跃迁，跃迁所需的能量仅比平动能大，而小于分

子的其它运动能。

（3）转动能：分子本身绕其重心转动时的能量。

能级分布是量子化的。转动量子数J可取0，1，2…。EJ=J

(J+1)

h

4I

πh

–普朗克常数I－转动惯量 2、分子能级与波谱EJ=J(J+1)hh–普朗克25（4）振动能：分子中原子离开其平衡位置作振动具有的能量。

振动能级变化是量子化的。振动量子数V可取0，1，2…。EV

=

hν

(V+1/2)ν

-

基本振动频率

V

-

振动量子数（5）电子能：电子相对于原子核的运动所具有的能量。

能级分布是量子化的，不连续的。

电子跃迁所需的能量是上述几种跃迁中最大的。

分子的内能主要：

E＝Ee+

Ev+

Er

ΔΕe

>

ΔΕv>

ΔΕr

（4）振动能：分子中原子离开其平衡位置作振动具有的能量。EV26M

+

热M

+

荧光或磷光M

+

h

ν基态

M

*激发态E1（△E）E2

ΔE

=

E2

-

E1=

h

ν

不同能量的光

作用于分子

，引起分子内部不同的运动,得到

不同的谱图，从而对分子结构、组分含量及基团化学环境作出判断。

M+热M+hν M*E1（△E）E2 27电磁波与光谱

辐射

X射线真空紫外

紫外

可见

红外

微波无线电波

波长

0.1～10nm

10～200nm

200～400nm

400～800nm0.8～1000μm

0.1～100cm

1～1000cm

分子运动

内层电子跃迁

外层电子跃迁

外层电子跃迁

外层电子跃迁振动与转动跃迁转动、自旋跃迁

核自旋跃迁

光谱类型

X射线谱

电子光谱

电子光谱

电子光谱

红外光谱微波谱、顺磁共振

核磁共振电磁波与光谱 辐射 波长 分子运动 光谱类型28三、分子不饱和度的计算

在已知分子式的情况下，结构解析的优先步骤之一是求

出不饱和度。

U＝1+

n4

+

1/2(n3-n1)

n4

、

n3、n1

－分别为4价、

3价、1价原子的个数。稠环芳烃不饱和度：U＝4r-sr－稠环芳烃的环数s－共用边数例：r＝3s

＝2U＝4×3－2＝10C6H6C2H5NO2U＝1+6

+

1/2(0-6)

=

4

U＝1+2

+

1/2(1-5)

=

1三、分子不饱和度的计算稠环芳烃不饱和度：U＝4r-sr－稠环29四、波谱实验样品的准备1.样品量（1）首先取决于波谱法的检测灵敏度。

MS（10-12g)、

UV(10-6g）、IR、NMR(几毫克）（2）与测定目的有关。定量分析比定性鉴定需要的量要多，以保证称量误差在一定范围内。（3）与样品分子结构有关

。相对分子质量大的样品需要的量也多。另外被检测对象信号的大小也制约着取样量。（4）在UV、IR、NMR中使用微量测定装置可减少样品量。

根据样品的不同来源、不同性质、不同纯度、不同杂质组分以及不同波谱测定目的作样品的准备工作。四、波谱实验样品的准备1.样品量（1）首先取决于波谱法的检测30影响鉴定结果准确程度的关键是被测物的纯度。综合使用物理常数测定和色谱分析两种方法：（1）

通过物理常数测定判定样品纯度固体样测定熔点。

纯样品有固定的熔点和小的熔程。纯固体物质熔程

<

0.5

。C液体样测定沸点和折光率。纯样品有固定的沸点和折光率、小的沸点范围。（2）色谱法在样品纯度检验中的应用色谱法是常用的样品纯度检验手段之一，和物理常数测定结合使用。GC、HPLC、TLC是常用的手段。2.

样品的纯度影响鉴定结果准确程度的关键是被测物的纯度。（1）通过物理常31

波谱分析与诺贝尔化学奖

我们把100多年来诺贝尔化学奖的获奖项目进行了分类整理和统计分析，直接或间接地与波谱分析相关的获奖项目如下：从中可以看到波谱分析在化学、生物研究领域内的发展中的作用。

321902HERMANNEMILFISCHER(1852-1919,德国柏林大学)他在糖和嘌呤衍生物合成上的特殊贡献得到认可。1907EDUARDBUCHNER(1860-1917,德国柏林农业大学)因为他的生物化学研究和发现无细胞发酵现象。1915RICHARDMARTINWILLSTATTER(1872-1942,德国慕尼黑大学)因为他在植物色素，特别是叶绿素方面的研究1918FRITZHABER(1868-1934,德国Kaiser-Wilhelm研究所)因为他发明了工业合成氨的方法1923FRITZPREGL(1869-1930,奥地利Graz大学)因为他发明了有机化合物的微量分析方法。1902HERMANNEMILFISCHER(185331926THE(THEODOR)SVEDBERG(1884-1971,瑞典Uppsala大学)因为他在分离体系方面的研究

1927HELNRICHOTTOWIELAND(1877-1957,德国慕尼黑大学)因为他在胆汁酸与相关物质构成方面的研究

1928ADOLFOTTOREINHOLDWINDAUS(1876-1959,德国Goettingen大学)表彰他在研究固醇类成分及其与维生素关系上作出的贡献。

1929SirARTHURHARDEN(1865-1940,英国伦敦大学)、HANSKARLAUGUSTSIMONVONEULER-CHELPIN(1873-1964,瑞典斯德哥尔摩大学)因为他们在糖发酵和发酵酶类方面的研究。

1930SFISCHER(1881-1945,德国慕尼黑技术研究所)因为他在血红素成分和叶绿素成分方面的研究，特别是在血红素合成上的贡献。

1926THE(THEODOR)SVEDBERG341937SirWALTERNORMANHAWORTH(1883-1950,英国伯明翰大学)因为他在碳水化合物和维生素C方面的研究；PAULKARRER(1889-1971,瑞士苏黎世大学)因为他在类胡萝卜素、核黄素、维生素A和B2方面的研究。1938RICHARDKUHN(1900-1967,德国海德堡大学和德国Kaiser-Wilhelm研究所)表彰他在类胡萝卜素和维生素方面的研究。

1939ADOLFFRIEDRICHJOHANNBUTE-NANDT(1903-1995，德国柏林大学和德国Kaiser-Wilhelm研究所)表彰他在性激素方面的工作；LEOPOLDRUZICKA(1887-1976,瑞士联邦技术研究所)表彰他在聚亚甲基和高级萜烯方面的工作。

1937SirWALTERNORMANHAWOR351943GEORGEDEHEVESY(1885-1966,瑞典斯德哥尔摩大学)表彰他在利用同位素作为化学研究中的示踪原子方面的工作

1945ARTTURIILMARIVIRTANEN(1895-1973,芬兰赫尔辛基大学)表彰他在农业和营养化学，特别是饲料保藏方法方面的研究和发明。

1946JAMESBATCHELLERSUMNER(1887-1955,美国Cornell大学)因为他发现了酶能够结晶；JOHNHOWARDNORTHROP(1891-1987,美国洛克菲勒医学研究所)、WENDELLMEREDITHSTANLEY(1904-1971,美国洛克菲勒医学研究所)因为他们制备了纯净状态的酶和病毒蛋白质。

1943GEORGEDEHEVESY(1885-1361947SirROBERTROBINSON(1886-1975,英国牛津大学)表彰他在有关植物产品的生物价值，特别是在生物碱价值方面的研究。

1948ARNEWILHELMKAURINTISELIUS(1902-1971,瑞典Uppsala大学)表彰他在电泳和吸附分析方面的研究，特别是在血清蛋白的复杂性上的发现。

1952ARCHERJOHNPORTERMARTIN(1910-,英国国立医学研究所)、RICHARDLAU-RENCEMILLINGTONSYNGE(1914-1994,英国Rowett研究所)因为他们发明了分配色谱法。

1953HERMANNSTAUDINGER(1881-1965,德国Freiburg大学和国立大分子化学研究所)因为他开创了大分子化学研究领域。

1947SirROBERTROBINSON(18371954LINUSCARLPAULING(1901-1994,美国加州理工学院)表彰他在有关化学键本质及其应用于解释复合物结构方面的研究。1955VINCENTDUVIGNEAUD(1901-1978,美国Cornell大学)表彰他对在生化方面具有重要性的硫化物的研究，特别是首次合成了多肽激素。1957LordALEXANDERRTODD(1907-1997,英国剑桥大学)表彰他在研究核苷酸和核苷酸辅酶上的成绩。1958FREDERICKSANGER(1918-,英国剑桥大学)表彰他在蛋白质结构，特别是胰岛素结构方面的工作。1961MELVINCADVIN(1911-,美国加州大学)表彰他在研究植物的二氧化碳吸收方面取得的成绩。1954LINUSCARLPAULING(1901381962MAXFERDINANDPERUTZ(1914-,英国剑桥分子生物学实验室)、SirJOHNCOWDERYKENDREW(1917-1997,英国剑桥分子生物学实验室)表彰他们在研究球蛋白结构上取得的成绩。

1964DOROTHYCROWFOOTHODGKIN(1910-1994,英国皇家协会，牛津大学)因为她用X射线技术来确定重要生化物质的结构。

1970LUISFLELOIR(1906-1987,阿根廷布宜诺斯艾利斯生物化学研究所)因为他发现了糖核苷酸及其在碳水化合物生物合成中的作用。

1962MAXFERDINANDPERUTZ(191391972CHRISTIANBANFINSEN(1916-1995,美国国立卫生研究院)因为他在核糖核酸酶，特别是氨基酸序列和生物活性结构之间的联系上的研究；STAN-FORDMOORE(1913-1982,美国洛克菲勒大学)、WILLIAMHSTEIN(1911-1980,美国洛克菲勒大学)表彰他们对核糖核酸酶分子活性中心的化学结构与催化活动之间关系的认识。

1975SirJOHNWARCUPCORNFORTH(1917-,英国Sussex大学)表彰他在酶催化反应的立体化学方面的研究；VLADIMIRPRELOG(1906-,瑞士工业大学)表彰他在有机分子立体化学和反应方面的研究。

1978PETERD.MITCHELL(1920-1992,英国格林研究所)表彰他通过化学渗透理论公式来认识生物能量转移过程。

1972CHRISTIANBANFINSEN(1401980PAULBERG(1926-,美国斯旦福大学)因为他对核酸生化特性的基础研究，特别是对重组DNA的研究；WALTERGILBERT(1932-,美国坎布里奇生物实验室)、FREDERICKSANGER(1918-,英国剑桥医学研究协会分子生物学实验室)因为他们在核酸碱基序列确定方面的贡献。

1982SirAARONKLUG(1926-,英国剑桥医学研究协会分子生物学实验室)因为他开发了电子显微镜晶体图，并且在结构上阐述核酸-蛋白质复合体在生物学中的重要性。

1984ROBERTBRUCEMERRIFIELD(1921-,美国洛克菲勒大学)因为他开发了化学固相合成方法。

1980PAULBERG(1926-,美国斯旦福大学)411988JOHANNDEISENHOFER(1943-,联邦德国HowardHughes医学研究所和美国德克萨斯大学西南医学中心生物化学研究室)、ROBERTHUBER(1937-,联邦德国马普生物化学学院)、HARTMUTMICHEL(1948,联邦德国马普生物物理学学院)表彰他们对光合反应中心的三维结构的确定。

1989SIDNEYALTMAN(1939-,美国耶鲁大学)、THOMASRCECH(1947-,美国科罗拉多大学)表彰他们发现了RNA的催化特性。

1991RICHARDRERNST(1933-,瑞士工业大学)表彰他在高分辨核磁共振波谱学分析方法的发展上作出的贡献。

1993KARYBMULLIS(1944-,美国加州拉霍亚)表彰他发明了PCR(聚合酶链式反应)方法；MICHAELSMITH(1932-,加拿大温哥华大不列颠哥伦比亚大学)表彰他对建立寡核苷酸碱基位点直接突变并且用以研究蛋白质方面所作的重要贡献

.1988JOHANNDEISENHOFER(194421997PAULDBOYER(1918-,美国加州大学)、JOHNEWALKER(英国剑桥医学研究协会分子生物学实验室)因为他们阐明了催化ATP合成的酶学机制；JENSCSKOU(1918-,丹麦Aarhus大学)因为他第一个发现离子转运酶,Na+,K+-ATPase。2001WILLIAMSKNOWLES(1917-,美国密苏里州孟山都公司)、RYOJINOYORI(1938-,日本名古屋大学)因为他们发现手性催化的还原反应；KBARRYSHARPLESS(1941-,美国Scripps研究所)因为他发现手性催化的氧化反应2002

John．B．Fenn（美国），KoIchiTanaka（日本），KortWuthrich（瑞士）质谱与核磁共振技术加快了生命科学研究的步伐。1997PAULDBOYER(1918-,美国43钱永健1952年生于纽约，现为美国加州大学圣迭戈分校生物化学及化学系教授、美国国家科学院院士、国家医学院院士，2004年沃尔夫奖医学奖得主。主要贡献是利用水母发出绿光的化学物来追查实验室内进行的生物反应，他被认为是这方面的先驱。2008诺贝尔化学奖得主华裔科学家钱永健钱永健1952年生于纽约，现为美国加州大学圣迭戈分校生物44除了钱永健，分享该年诺贝尔化学奖的还有美国生物学家马丁·沙尔菲和日本有机化学家兼海洋生物学家下村修。他们因发现和改造绿色荧光蛋白而获奖，均分1000万瑞典克朗(约合140万美元)奖金。绿色荧光蛋白能享有今日的“尊荣”，这3人的贡献都不可或缺。首先发现绿色荧光蛋白的是生于1928年的下村修。他1962年从生活在美国西海岸近海的一种水母身上分离出了绿色荧光蛋白。瑞典皇家科学院在公报中说，在上世纪90年代，沙尔菲指出绿色荧光蛋白的发光特性在生物示踪方面有极高价值，钱永健则为理解绿色荧光蛋白怎么发光做出了贡献。除了钱永健，分享该年诺贝尔化学奖的还有美国生物学家马丁·沙尔45美籍印度科学家拉马克利什南(Venkatraman

Ramakrishnan)，美国科学家斯太茨（Thomas

A.

Steitz）

和以色列科学家雍纳斯（Ada

E.

Yonath）因其对核糖体的结构和作用的研究而获得２００９年度诺贝尔化学奖。

他们获奖的主要原因是他们对生命核心过程的一项研究：核糖体将ＤＮＡ信息转变为生命。核糖体生产蛋白质，来控制所有生物的化学成分。核糖体对生命至关重要，他们是新抗生素的主要目标。

美籍印度科学家拉马克利什南(Venkatraman

Rama46美国科学家理查德-赫克、日本科学家根岸荣一和铃木章因在有机合成领域中钯催化交叉偶联反应方面的卓越研究获奖。这一成果广泛应用于制药、电子工业和先进材料等领域，可以使人类造出复杂的有机分子。美国科学家理查德-赫克、日本科学家根岸荣一和铃木章因在有机47美国科学家罗伯特·莱夫科维茨（RoertJ.Lefkowitz）和布莱恩·克比尔卡（BrianK.Kobilka）因“G蛋白偶联受体研究”获得2012年诺贝尔化学奖。

G蛋白偶联受体是细胞表面的信号接收器，是细胞生物学、分子药理学等学科里最基础的一类传导分子。同时，很大一部分药物都以该受体为作用靶点，激活机理研究将对未来药物研发有所助益。美国科学家罗伯特·莱夫科维茨（RoertJ.Lefkow48

本章小结2.波谱分析特点：样品用量少，仅需毫克级甚至微克级纯样；分析方法多为非破坏性过程（质谱除外）；分析速度快。3.有机波谱引论光的波粒二相性1.有机化合物系统鉴定法缺点：费时、费力、费钱，需要的样品量大。

分子运动形式及对应的光谱范围

分子的总能量

“四谱”的产生4.不饱和度Ω=1+n4+1/2（n3–n1）本章小结2.波谱分析3.有机波谱引491、20世纪中期（1950年）以前，主要的分析手段以什么为主？

A、化学分析方法

B、仪器分析为主、化学手段为辅的分析方法

C、仪器分析方法

D、化学手段为主、仪器分析为辅的分析方法。课后作业：1、20世纪中期（1950年）以前，主要的分析手段以什么为主502、有机分子的结构鉴定方法大体可以分为两个阶段，即

和

分析方法。3、有机化合物的波谱分析是指在

的作用下，对有机分子的

所产生的现象加以分析，用来测定

的一种分析方法。

2、有机分子的结构鉴定方法大体可以分为两个阶段514、电磁波具有

性，是

的，不同波长的电磁波具有不同的能量。

5、分子的某些运动是

的，对应于相应的能量。当具有相应能量的

被分子吸收后，将会引起分子某种运动能级的跃迁。

6、目前有机分析研究的主要方向是

和

两部分。4、电磁波具有性52《波谱原理及解析》第一章-绪论课件53绪论有机波谱分析绪论有机波谱分析54一、课程简介

《波谱分析教程》是药学、化学、应用化学及相关专业学生必修的学科基础课之一，学分为2，总学时为32。本课程主要讲授内容包括：1.绪论（2学时）2.紫外光谱（4学时）；3.红外光谱（6学时）

；4.核磁共振（氢谱和碳谱，12学时）；5.质谱（6学时）

；6.多谱综合解析（2学时）

。

一、课程简介55第一章绪论

前言：

有机化合物的结构表征(即测定)——

从分子水平认识物质的基本手段，是有机化学的重要组成部分。第一章绪论前言：5618世纪天平的应用－－－定量研究19世纪初期的原子学说、原子分子论和19世纪中期原子价学说、化学结构理论、元素周期率－－－分子结构理论基础19世纪后半叶的质量作用定律和化学反应动力学－－－有机化合物系统鉴定法（定量分析、反应平衡、溶解平衡、颜色反应、降解、合成）18世纪天平的应用－－－定量研究57波谱学的理论基础：20世纪Planck的量子理论

Bohr的氢原子模型

KÖssel、Lewis的原子价电子理论

－－－初等量子论1905年Einstein的相对论－－－光的波粒二相性

deBroglie的波动方程－－－物质（电子）的波粒二相性1926年SchrÖdinger量子力学方程－－－电子等微观物质的运动状态及能级和能级跃迁选律的概念1927年Heitler、London创立量子化学，建立共价键的价键方法1928年Mulliken的分子轨道理论

Pauling的价键理论和杂化轨道理论

Hückel的简化分子轨道理论

－－－多原子分子结构的构型和键的离域20世纪50年代起Woodward-Hoffman的轨道对称守恒原理

Fukui-Hoffman的前线轨道理论

－－－协同反应中化学反应的方向、产物的立体选择性与轨道对称性的关系

波谱学的理论基础：58一、有机化合物结构测定的经典方法

（有机化合物系统鉴定法）20世纪中期以前，主要依靠化学方法进行有机化合物的结构测定，其基本过程是：其缺点是：费时、费力、费钱，需要的样品量大。一、有机化合物结构测定的经典方法

（有机化合物系统鉴定法）59例如：鸦片中吗啡碱结构的测定，从1803年开始研究，直至1952年才完全阐明，历时149年。

1803年从鸦片中离析得到纯品；1881年从吗啡的锌粉蒸馏得到菲；1925年Gulland和Robinson提出吗啡分子的结构式；1952～1956年完成吗啡的全合成。例如：鸦片中吗啡碱结构的测定，从1803年开始研究，直至1960二、波谱分析

20世纪中期以后，进入以仪器（光谱）分析为主，经典化学方法为辅的阶段。现在有机化合物的结构测定所采用现代仪器分析法，其特点是：

样品用量少，仅需毫克级甚至微克级纯样；分析方法多为非破坏性过程（质谱除外）；分析速度快。二、波谱分析20世纪中期以后，进入以仪器（光谱61例如：蛇根草中利血平结构的测定，从1952年离析出纯品，到1956Woodward等用轨道对称性完成合成，历时不到5年。

利血平

波谱分析方法不仅可以研究分子的结构，而且还能探索到分子间各种集聚态的结构构型和构象的状况，对人类所面临的生命科学、材料科学的发展，是极其重要的。例如：蛇根草中利血平结构的测定，从1952年离析出纯品，到162非典的冠状病毒的测定非典的冠状病毒的测定63对有机化合物的结构表征应用最为广泛的是：紫外光谱(ultravioletspectroscopy缩写为UV)红外光谱(infraredspectroscopy缩写为IR)核磁共振谱(nuclearmagneticresonance缩写为NMR)质谱(massspectroscopy缩写为MS)？对有机化合物的结构表征应用最为广泛的是：？64苯丙烯酸的低分辨质谱、红外、60MHz核磁、紫外光谱“四谱”的产生？苯丙烯酸的低分辨质谱、红外、60MHz核磁、紫外光谱“四谱”65三.有机波谱引论1.光的本质光是一种电磁波，具有波粒二相性。波动性：可用波长(

)、频率(v)和波数()来描述。

按量子力学，其关系为：三.有机波谱引论1.光的本质按量子力学，其关66

微粒性：可用光量子的能量来描述：

分子吸收电磁波，从低能级跃迁到高能级，其吸收光的频率与吸收能量的关系。由此可见，与E，v成反比，即↓，v↑(每秒的振动次数↑)，E↑。微粒性：可用光量子的能量来描述：分子吸672.分子运动形式及对应的光谱范围(P2)

在分子光谱中，根据电磁波的波长()划分为几个不同的区域，如下图所示：

2.分子运动形式及对应的光谱范围(P2)683.分子的总能量由以下几种能量组成：3.分子的总能量由以下几种能量组成：694.“四谱”的产生带电物质粒子的质量谱（MS）

↑↗电子：电子能级跃迁（UV）分子→原子↓↘核自旋能级的跃迁（NMR）振动能级（IR）4.“四谱”的产生带电物质粒子的质量谱（MS）70波谱法及其应用

物质在光的照射下，引起分子内部某种运动,从而吸收或

散射某种波长的光。波谱法将记录的入射光或散射强度变化与光的波长、波数（频）或散射角度的关系图，用于物质结构、组成及化学变化的分析。

波谱法包括的范围很广：

紫外－可见光谱（Ultravioletand

Visible

Spectra

UV)

红外光谱

(Infrared

Spectra

IR)

核磁共振波谱（Nuclear

Magnetic

Resonance

NMR)

质谱

(Mass

Spectrum

MS)

此外，拉曼光谱、荧光光谱、旋光光谱和圆二色光谱、顺磁共振谱都属于波谱法范畴。

波谱法及其应用波谱法将记录的入射光或散射强度变化与光的波长、71咖啡因分子吸收光谱图。紫外吸收光谱分子中最外层价电子在不同能级轨道上跃迁而产生的，反映了分子中价电子跃迁时的能量变化与化合物所含发色基团之间的关系。

β-胡罗卜素

几种有机化合物咖啡因分子吸收光谱图。紫外吸收光谱分子中最外层价电子在不同能72T(%)红外吸收光谱是由分子的振动－转动能级间的跃迁而产生的。用来鉴别分子中所含有的特征官能团和化学建的类型，进而确定化合物分子的化学结构。

苯酚的红外光谱

T(%)红外吸收光谱是由分子的振动－转动能级间的跃迁而产生的73核磁共振波谱分子具有核磁矩的原子核1H、13C

、15N、19F、31P等在外磁场中，通过射频电磁波的照射，吸收一定频率的电磁波能量，由低能级跃迁到高能级，并产生核磁共振信号。

核磁共振波谱分子具有核磁矩的原子核1H、13C、15N、174相对丰度质谱分析法用具有一定能量的电子流轰击被分析物质的气态分子，使之离解成正离子，部分正离子会进一步碎裂成各种不同质荷比（m/z）的粒子，在外加静电场和磁场的作用下，按质量大小将它们逐一分离和检测。69839855412920406080100m/e

10050相对丰度质谱分析法用具有一定能量的电子流轰击被分析物质的气态75UV、IR、

NMR、

MS已成为测定有机化合物分子结构的主要工具。比较：（1）测定方法的灵敏度：MS

>

UV

>

IR

>

1H-NMR

>

13C

-

NMR（2）仪器的昂贵程度：NMR、

MS

远比UV、IR昂贵，FTIR要比普通IR昂贵。（3）获取信息的多寡程度：不仅要考虑获取信息的数量，还要考虑对获取信息的解析能力。综合比较：NMR

>

MS

>

IR

>

UV（4）实验所需的理论背景知识：NMR》

MS

>IR

～UV比较：UV、IR、NMR、MS已成为测定有机化合物分子结构的主76

二、电磁波与波谱1．电磁波的性质

光是一种电磁波，具有波粒二象性。

光的波动性可用波长λ、频率ν、光速c、波数（cm-1）

等参数描述：λν

=c波数

=

1/

λ

=

ν

/c光是由光子流组成，每个光子的能量：E=h

ν（Planck常数：h

=6.626

×

10

-34

J

.

S

)光的波动性和粒子性：

E=h

ν

=hc/

λ光的波长越短（频率越高），其能量越大。单色光：

单波长的光

(具有相同能量的光子组成)白

光：

由各种单色光组成的复合光

二、电磁波与波谱λν=c波数=1/λ=ν/c77

2、分子能级与波谱

物质分子内部有平动、转动、振动、电子跃迁、核的自

旋跃迁等运动形式。每种运动都有一定的能级。（1）平动能

Ek：分子整体的平移运动。

Ek是连续的、非量子化的，平动不会产生光谱。Ek是各

种分子运动能中最小的。随温度升高而增大。（2）核的自旋跃迁：

I=1/2的核，在外磁场的作用下，产生

磁能级的跃迁，跃迁所需的能量仅比平动能大，而小于分

子的其它运动能。

（3）转动能：分子本身绕其重心转动时的能量。

能级分布是量子化的。转动量子数J可取0，1，2…。EJ=J

(J+1)

h

4I

πh

–普朗克常数I－转动惯量 2、分子能级与波谱EJ=J(J+1)hh–普朗克78（4）振动能：分子中原子离开其平衡位置作振动具有的能量。

振动能级变化是量子化的。振动量子数V可取0，1，2…。EV

=

hν

(V+1/2)ν

-

基本振动频率

V

-

振动量子数（5）电子能：电子相对于原子核的运动所具有的能量。

能级分布是量子化的，不连续的。

电子跃迁所需的能量是上述几种跃迁中最大的。

分子的内能主要：

E＝Ee+

Ev+

Er

ΔΕe

>

ΔΕv>

ΔΕr

（4）振动能：分子中原子离开其平衡位置作振动具有的能量。EV79M

+

热M

+

荧光或磷光M

+

h

ν基态

M

*激发态E1（△E）E2

ΔE

=

E2

-

E1=

h

ν

不同能量的光

作用于分子

，引起分子内部不同的运动,得到

不同的谱图，从而对分子结构、组分含量及基团化学环境作出判断。

M+热M+hν M*E1（△E）E2 80电磁波与光谱

辐射

X射线真空紫外

紫外

可见

红外

微波无线电波

波长

0.1～10nm

10～200nm

200～400nm

400～800nm0.8～1000μm

0.1～100cm

1～1000cm

分子运动

内层电子跃迁

外层电子跃迁

外层电子跃迁

外层电子跃迁振动与转动跃迁转动、自旋跃迁

核自旋跃迁

光谱类型

X射线谱

电子光谱

电子光谱

电子光谱

红外光谱微波谱、顺磁共振

核磁共振电磁波与光谱 辐射 波长 分子运动 光谱类型81三、分子不饱和度的计算

在已知分子式的情况下，结构解析的优先步骤之一是求

出不饱和度。

U＝1+

n4

+

1/2(n3-n1)

n4

、

n3、n1

－分别为4价、

3价、1价原子的个数。稠环芳烃不饱和度：U＝4r-sr－稠环芳烃的环数s－共用边数例：r＝3s

＝2U＝4×3－2＝10C6H6C2H5NO2U＝1+6

+

1/2(0-6)

=

4

U＝1+2

+

1/2(1-5)

=

1三、分子不饱和度的计算稠环芳烃不饱和度：U＝4r-sr－稠环82四、波谱实验样品的准备1.样品量（1）首先取决于波谱法的检测灵敏度。

MS（10-12g)、

UV(10-6g）、IR、NMR(几毫克）（2）与测定目的有关。定量分析比定性鉴定需要的量要多，以保证称量误差在一定范围内。（3）与样品分子结构有关

。相对分子质量大的样品需要的量也多。另外被检测对象信号的大小也制约着取样量。（4）在UV、IR、NMR中使用微量测定装置可减少样品量。

根据样品的不同来源、不同性质、不同纯度、不同杂质组分以及不同波谱测定目的作样品的准备工作。四、波谱实验样品的准备1.样品量（1）首先取决于波谱法的检测83影响鉴定结果准确程度的关键是被测物的纯度。综合使用物理常数测定和色谱分析两种方法：（1）

通过物理常数测定判定样品纯度固体样测定熔点。

纯样品有固定的熔点和小的熔程。纯固体物质熔程

<

0.5

。C液体样测定沸点和折光率。纯样品有固定的沸点和折光率、小的沸点范围。（2）色谱法在样品纯度检验中的应用色谱法是常用的样品纯度检验手段之一，和物理常数测定结合使用。GC、HPLC、TLC是常用的手段。2.

样品的纯度影响鉴定结果准确程度的关键是被测物的纯度。（1）通过物理常84

波谱分析与诺贝尔化学奖

我们把100多年来诺贝尔化学奖的获奖项目进行了分类整理和统计分析，直接或间接地与波谱分析相关的获奖项目如下：从中可以看到波谱分析在化学、生物研究领域内的发展中的作用。

851902HERMANNEMILFISCHER(1852-1919,德国柏林大学)他在糖和嘌呤衍生物合成上的特殊贡献得到认可。1907EDUARDBUCHNER(1860-1917,德国柏林农业大学)因为他的生物化学研究和发现无细胞发酵现象。1915RICHARDMARTINWILLSTATTER(1872-1942,德国慕尼黑大学)因为他在植物色素，特别是叶绿素方面的研究1918FRITZHABER(1868-1934,德国Kaiser-Wilhelm研究所)因为他发明了工业合成氨的方法1923FRITZPREGL(1869-1930,奥地利Graz大学)因为他发明了有机化合物的微量分析方法。1902HERMANNEMILFISCHER(185861926THE(THEODOR)SVEDBERG(1884-1971,瑞典Uppsala大学)因为他在分离体系方面的研究

1927HELNRICHOTTOWIELAND(1877-1957,德国慕尼黑大学)因为他在胆汁酸与相关物质构成方面的研究

1928ADOLFOTTOREINHOLDWINDAUS(1876-1959,德国Goettingen大学)表彰他在研究固醇类成分及其与维生素关系上作出的贡献。

1929SirARTHURHARDEN(1865-1940,英国伦敦大学)、HANSKARLAUGUSTSIMONVONEULER-CHELPIN(1873-1964,瑞典斯德哥尔摩大学)因为他们在糖发酵和发酵酶类方面的研究。

1930SFISCHER(1881-1945,德国慕尼黑技术研究所)因为他在血红素成分和叶绿素成分方面的研究，特别是在血红素合成上的贡献。

1926THE(THEODOR)SVEDBERG871937SirWALTERNORMANHAWORTH(1883-1950,英国伯明翰大学)因为他在碳水化合物和维生素C方面的研究；PAULKARRER(1889-1971,瑞士苏黎世大学)因为他在类胡萝卜素、核黄素、维生素A和B2方面的研究。1938RICHARDKUHN(1900-1967,德国海德堡大学和德国Kaiser-Wilhelm研究所)表彰他在类胡萝卜素和维生素方面的研究。

1939ADOLFFRIEDRICHJOHANNBUTE-NANDT(1903-1995，德国柏林大学和德国Kaiser-Wilhelm研究所)表彰他在性激素方面的工作；LEOPOLDRUZICKA(1887-1976,瑞士联邦技术研究所)表彰他在聚亚甲基和高级萜烯方面的工作。

1937SirWALTERNORMANHAWOR881943GEORGEDEHEVESY(1885-1966,瑞典斯德哥尔摩大学)表彰他在利用同位素作为化学研究中的示踪原子方面的工作

1945ARTTURIILMARIVIRTANEN(1895-1973,芬兰赫尔辛基大学)表彰他在农业和营养化学，特别是饲料保藏方法方面的研究和发明。

1946JAMESBATCHELLERSUMNER(1887-1955,美国Cornell大学)因为他发现了酶能够结晶；JOHNHOWARDNORTHROP(1891-1987,美国洛克菲勒医学研究所)、WENDELLMEREDITHSTANLEY(1904-1971,美国洛克菲勒医学研究所)因为他们制备了纯净状态的酶和病毒蛋白质。

1943GEORGEDEHEVESY(1885-1891947SirROBERTROBINSON(1886-1975,英国牛津大学)表彰他在有关植物产品的生物价值，特别是在生物碱价值方面的研究。

1948ARNEWILHELMKAURINTISELIUS(1902-1971,瑞典Uppsala大学)表彰他在电泳和吸附分析方面的研究，特别是在血清蛋白的复杂性上的发现。

1952ARCHERJOHNPORTERMARTIN(1910-,英国国立医学研究所)、RICHARDLAU-RENCEMILLINGTONSYNGE(1914-1994,英国Rowett研究所)因为他们发明了分配色谱法。

1953HERMANNSTAUDINGER(1881-1965,德国Freiburg大学和国立大分子化学研究所)因为他开创了大分子化学研究领域。

1947SirROBERTROBINSON(18901954LINUSCARLPAULING(1901-1994,美国加州理工学院)表彰他在有关化学键本质及其应用于解释复合物结构方面的研究。1955VINCENTDUVIGNEAUD(1901-1978,美国Cornell大学)表彰他对在生化方面具有重要性的硫化物的研究，特别是首次合成了多肽激素。1957LordALEXANDERRTODD(1907-1997,英国剑桥大学)表彰他在研究核苷酸和核苷酸辅酶上的成绩。1958FREDERICKSANGER(1918-,英国剑桥大学)表彰他在蛋白质结构，特别是胰岛素结构方面的工作。1961MELVINCADVIN(1911-,美国加州大学)表彰他在研究植物的二氧化碳吸收方面取得的成绩。1954LINUSCARLPAULING(1901911962MAXFERDINANDPERUTZ(1914-,英国剑桥分子生物学实验室)、SirJOHNCOWDERYKENDREW(1917-1997,英国剑桥分子生物学实验室)表彰他们在研究球蛋白结构上取得的成绩。

1964DOROTHYCROWFOOTHODGKIN(1910-1994,英国皇家协会，牛津大学)因为她用X射线技术来确定重要生化物质的结构。

1970LUISFLELOIR(1906-1987,阿根廷布宜诺斯艾利斯生物化学研究所)因为他发现了糖核苷酸及其在碳水化合物生物合成中的作用。

1962MAXFERDINANDPERUTZ(191921972CHRISTIANBANFINSEN(1916-1995,美国国立卫生研究院)因为他在核糖核酸酶，特别是氨基酸序列和生物活性结构之间的联系上的研究；STAN-FORDMOORE(1913-1982,美国洛克菲勒大学)、WILLIAMHSTEIN(1911-1980,美国洛克菲勒大学)表彰他们对核糖核酸酶分子活性中心的化学结构与催化活动之间关系的认识。

1975SirJOHNWARCUPCORNFORTH(1917-,英国Sussex大学)表彰他在酶催化反应的立体化学方面的研究；VLADIMIRPRELOG(1906-,瑞士工业大学)表彰他在有机分子立体化学和反应方面的研究。

1978PETERD.MITCHELL(1920-1992,英国格林研究所)表彰他通过化学渗透理论公式来认识生物能量转移过程。

1972CHRISTIANBANFINSEN(1931980PAULBERG(1926-,美国斯旦福大学)因为他对核酸生化特性的基础研究，特别是对重组DNA的研究；WALTERGILBERT(1932-,美国坎布里奇生物实验室)、FREDERICKSANGER(1918-,英国剑桥医学研究协会分子生物学实验室)因为他们在核酸碱基序列确定方面的贡献。

1982SirAARONKLUG(1926-,英国剑桥医学研究协会分子生物学实验室)因为他开发了电子显微镜晶体图，并且在结构上阐述核酸-蛋白质复合体在生物学中的重要性。

1984ROBERTBRUCEMERRIFIELD(1921-,美国洛克菲勒大学)因为他开发了化学固相合成方法。

1980PAULBERG(1926-,美国斯旦福大学)941988JOHANNDEISENHOFER(1943-,联邦德国HowardHughes医学研究所和美国德克萨斯大学西南医学中心生物化学研究室)、ROBERTHUBER(1937-,联邦德国马普生物化学学院)、HARTMUTMICHEL(1948,联邦德国马普生物物理学学院)表彰他们对光合反应中心的三维结构的确定。

1989SIDNEYALTMAN(1939-,美国耶鲁大学)、THOMASRCECH(1947-,美国科罗拉多大学)表彰他们发现了RNA的催化特性。

1991RICHARDRERNST(1933-,瑞士工业大学)表彰他在高分辨核磁共振波谱学分析方法的发展上作出的贡献。

1993KARYBMULLIS(1944-,美国加州拉霍亚)表彰他发明了PCR(聚合酶链式反应)方法；MICHAELSMITH(1932-,加拿大温哥华大