1、有機化合物波譜解析教案 一、前言 有機化合物波譜解析是應用四種譜學方法（紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜和質譜）研究和鑒定有機化合物結構相關知識的一門課程。 本課程要求學生掌握四種譜學的基本操作技能，應用提供的信息與化合物結構的對應關系進行相應的結構解析和信號歸屬。熟悉化合物結構解析的一般方法和程序。了解光譜學發展的最新動態和技術。理論課授課30學時。教材選用姚新生、吳立軍主編有機化合物波譜分析，中國醫藥科技出版社2004年出版。實驗教材選用李發美主編分析化學實驗，人民衛生出版社2004年出版。二、 教學目的1.掌握四種譜學的基本操作技能，應用提供的信息與化合物結構的對應關系進行相應的結構解析

2、和信號歸屬。2.熟悉化合物結構解析的一般方法和程序。3.了解光譜學發展的最新動態和技術。三、教學重點和難點1. 教學重點(1).紅外、紫外光譜的解析方法。(2).質譜的解析方法。(3).1H-NMR、13C-NMR的解析方法。2. 教學難點(1).四種譜學的原理和規律。(2).四種光譜學的綜合解析。四、 教學方法與手段1.教學方法能采用啟發式，談話式、討論式等一些先進教學方法。并能采取靈活多樣的方式教學，注重創新能力培養。全部課程實現了多媒體教學。2.教學手段采用多媒體、幻燈、實物投影、分子模型模擬等輔助教學手段。五、 教學內容與要求第一章 紫外光譜 （第1-4節）課時安排：4學時基本內容 吸

3、收光譜的基礎知識。紫外光譜的基本知識，與分子結構的關系，以及在結構研究中的應用。基本要求 掌握：紫外-可見光譜與化合物結構間的相互關系，以及為結構鑒定提供的信息。熟悉：紫外光譜在解析中尤其是立體結構鑒定中的主要應用。了解：紫外-可見光譜分類和最新發展技術。（一）、概述1.化合物光譜解析的目的和意義.是藥物化學的基本研究方法.是中藥研究實現現代化的需要.我國原創新藥發展的需要.學科交叉共同發展的需要2.學習結構解析的方法和注意事項.熟悉結構解析的方法和原理.注意各光譜學方法的特點及注意事項.掌握各種常見化合物的光譜規律.學會總結和歸納不同類型化合物的光譜規律.學會模擬各類化合物的光譜圖.勤學多練

4、（二）紫外光譜（ultraviolet spectra）1.紫外光譜的定義2.對結構解析提供的信息；2.1.電子躍遷的類型及能量(1).*躍遷：軌道上的電子由基態到激發態屬于*躍遷。需要較高的能量，所以能吸收短波長的紫外線，一般其吸收發生在低于150nm的遠紫外區。 (2).*躍遷：雙鍵或叁鍵中軌道的電子躍遷到* 。能量較*躍遷的小，孤立雙鍵或叁鍵吸收一般在小于200nm的紫外區。例如，乙烯在165nm處有吸收。(3). n*躍遷：在-CO-、-CHO、-COOH、-CONH2、-CN等基團中，不飽和鍵一端直接與具有未用電子對的雜原子相連，將產生n*躍遷。所需能量最小，吸收強度弱，但對有機化合

5、物結構分析很有用，例如飽和酮在280 nm出現的吸收就是n*躍遷。(4). n*躍遷：含有未共用電子對的基團，如-OH、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-I等，未共用電子對將產生n*躍遷，吸收多小于200 nm的紫外區。 2.2不同類型化合物產生的電子躍遷類型(1).飽和烴類化合物(2).不飽和烴類化合物(3).含有雜原子的有機化合物3.紫外吸收光譜常用術語(1).允許躍遷/禁阻缺欠(2).發色團(3).助色團(4).紅移（長移）(5).藍（紫）移(6).增色效應和減色效應4.影響紫外吸收光譜的主要因素(1).共軛效應延長共軛系統（- 、p- 、超共軛），紅移。.共軛：使*、n*躍遷峰紅移，

6、共軛雙鍵數目越多，吸收峰紅移越顯著。 . p-共軛：體系越大，助色基團的助色效應越強，吸收帶越向長波方向移動 .超共軛效應（-超共軛）：烷基取代雙鍵碳上的氫以后，通過烷基的CH鍵和體系電子云重疊引起的共軛作用，使*躍遷紅移，但影響較小。(2).立體效應.生色團之間、生色團與助色團之間空間過于擁擠，則導致共軛程度降低, 吸收峰位紫移。.順反異構：因反式異構體空間位阻較小，能有效地共軛，則峰位位于長波端，吸收強度也較大。.跨環效應：在環狀體系，分子中兩個非共軛生色團處于一定的空間位置，產生的光譜，既非兩個生色團的加合，亦不同于二者共軛的光譜。 (3).溶劑效應.溶劑極性的改變對吸收峰位置和強度都有

7、影響。 *躍遷：溶劑極性的增大，長移。 n*躍遷：溶劑極性的增大，短移。.酸性、堿性或兩性物質時，溶劑的pH值對光譜的影響很大，(4).含雜原子的雙鍵化合物.羰基化合物.硫羰基化合物5.紫外光譜的應用(1).主要用于判斷結構中的共軛系統、結構骨架（如香豆素、黃酮等）(2).確定未知化合物是否含有與某一已知化合物相同的共軛體系。(3).可以確定未知結構中的共軛結構單元。(4).確定構型或構象(5).測定互變異構現象6.分析紫外光譜的幾個經驗規律(1).在200800nm區間無吸收峰，結構無共軛雙鍵。(2).220250nm，強吸收(emax在1042´104之間)，有共軛不飽和鍵（共軛

8、二烯，a,b-不飽和醛、酮）(3).250290nm，中等強度吸收(emax 100010000) ，通常有芳香結構。(4).250350nm，中低強度吸收 (e10 100)，且200 nm以上無其他吸收，則含有帶孤對電子的未共軛的發色團。（羰基或共軛羰基）(5).有多個吸收峰，有的在可見區，則結構中可能有長鏈共軛體系或稠環芳香發色團。如有顏色，則至少有45個共軛的發色團。(6).利用溶劑效應、pH影響：增加溶劑極性：K帶紅移、R帶紫移，emax變化大時，有互變異構體存在。pH變化：堿化后譜帶紅移，酸化后又恢復，則有酚羥基、烯醇存在；酸化后譜帶紫移，有芳胺存在。第二章 紅外光譜 （第1-4節

9、）課時安排：4學時基本內容 紅外光譜的基礎知識、重要吸收區段和在結構解析中的應用。紅外光譜應用技術進展和拉曼光譜。基本要求掌握：紅外光譜提供的信息與化合物結構間的相互關系以及重要吸收區段。熟悉：紅外光譜在化合物結構平面解析和立體結構解析中的應用。了解：拉曼光譜和普通紅外光譜的區別，紅外光譜的最新發展技術。（一）紅外光譜（ultraviolet spectra）1. 基礎知識(1).紅外光譜：引起分子振動能級和轉動能級的躍遷, 所以又稱振-轉光譜。.近紅外區：0.8nm2.5mm，分子O-H、N-H、C-H鍵的振動倍頻與組頻。.中紅外區：4000400cm-1(2.525mm)，大部分有機化合物

10、的振動基頻。.遠紅外區：40025cm-1(251000mm)，分子的轉動光譜以及重原子成鍵的振動等。(2).紅外光譜原理分子中鍵的振動頻率：分子的固有性質，它隨著化學鍵力常數(K)的增大而增加，同時也隨著原子折合質量()的增加而降低。 2. 多原子分子的振動圖示(1).分子振動自由度(2).振動類型.伸縮振動(stretching vibration)，以n表示.彎曲振動(bending vibration)，也叫變角振動，以表示(3).振動圖示 (4).影響（減少）峰數的因素峰數往往少于基本振動數目(振動自由度).振動過程中分子無偶極矩變化，不引起紅外吸收。.頻率完全相同的振動彼此發生簡并

11、。.強寬峰往往覆蓋與其頻率相近的弱而窄的吸收峰。.吸收峰有時落在中紅外區域(4000400cm-1)以外。.吸收強度太弱，以致無法測定。3.影響IR吸收的因素(1).電子效應（electronic effect）.誘導效應（inductive effect）.共軛效應（conjugative effect）(2).空間效應（steric effect）.場效應（field effect）.空間障礙.跨環效應（transannular effect）.環張力(3).氫鍵效應（hydrogen bond effect）(4).互變異構：峰位移(5).振動偶合效應（vibrational coupl

12、ing effect）(6).費米共振（Fermi resonance）(7).樣品的物理狀態的影響(8).溶劑等外部因素的影響4.紅外光譜的測定樣品的制備：(1).KBr壓片 (2).Nujol法5.紅外光譜的重要吸收區段波長(m)波數(cm1)鍵的振動類型2.73.337503000nOH, nNH3.03.333003000CH, =CH，CH，ArH)(極少數可到2900cm1 )3.33.730002700nCH (CH3, CH2 ，-CHO)4.24.924002100nCC ,nCN ,nCCCC 5.36.119001650nC O (酸、醛、酮、酰胺、酯、酸酐)6.06.7

13、16801500nC C (脂肪族及芳香族), nC N6.87.714751300CH (面內) , nXY 10.015.41000650C CH , ArH (面外)6.紅外光譜在結構解析中的應用 (1).確定官能團(2).確定立體化學結構的構型(3).區分構象異構體 (4).區分互變異構體與同分異構體 7.拉曼光譜(Raman spectra) 紅外光譜和拉曼光譜都是研究分子振動和轉動能級躍遷的分子光譜。紅外光譜為吸收光譜，拉曼光譜為散射光譜。紅外吸收譜帶強度正比于偶極矩的變化，而拉曼譜帶強度取決于極化率變化。極化率可以認為是分子中電子云形狀受原子核影響的難易程度，因此拉曼譜帶強度取決

14、于平衡前后電子云形狀差別的大小。對于具有對稱中心的分子，若振動與對稱中心有關，則紅外光譜不可見，拉曼光譜可見；若振動與對稱中心無關則紅外光譜可見，拉曼光譜不可見，二者可以互補。紅外光譜和Raman光譜是相互搭配的工具，在有機化學中的應用日益廣泛。 第三章 核磁共振 （第1-3節）課時安排12學時基本內容核磁共振(NMR)基礎知識。氫核核磁共振和結構解析的程序。碳核核磁共振和結構解析的程序。1H-NMR和13C-NMR圖譜的特征。1H- 1H COSY、HMQC、HMBC、NOESY和DEPT等二維譜的解析方法等。基本要求掌握：氫核核磁共振和碳核核磁共振在結構解析的一般程序和應用；簡單化合物的信

15、號歸屬。熟悉：原子基團在1H-NMR和13C-NMR譜的大致峰位；13C-NMR譜的類型以及在結構測定中的意義。了解：1H-NMR和13C-NMR在譜圖測定中的注意事項以及最新發展測試技術；1H- 1H COSY、HMQC、HMBC、NOESY等其它二維譜的測定技術和解析程序。1.基本原理核的自旋與核磁矩 核的自旋量子數（I）與質量數（A）及原子序數（Z）的關系質量數（A）原子序數（Z）自旋量子數（I）例奇數奇數或偶數半整數(1/2, 3/2, 5/2,)13C，1H，19F，31P，15N17O，35Cl，79Br，125I偶數偶數零12C，16O，32S偶數奇數整數(1, 2, 3,)2H

16、，14N屏蔽效應2.1H-NMR（氫核磁共振）(1).化學位移的定義(2).常見結構類型的質子化學位移Ar-H C=CH CH RH CH CH2 CH3 7.28 5.28 2.88 1 1.55 1.20 0.87-COOH -CHO ArOH ROH (RNH2)1012 910 4 8 0.5 5(3).化學位移的影響因素.電負性.磁各向異性(4).1H-NMR譜的解析程序.檢查信號是否正常，如TMS、溶劑峰、積分比例。.根據積分計算各氫信號對應的H數。.計算各信號的化學位移、偶合常數。.按化學位移大小順序列表，d (nH, m, J=?Hz).根據化學位移判斷氫核的類型; 根據J值判

17、斷偶合關系。.加D2O，判斷是否為活潑氫信號。3.核磁共振（NMR spectroscopy）碳譜（13C-NMR）(1).為結構解析提供的信息化學位移（1250）；分辨率高，譜線簡單，可觀察到不含質子基團；馳豫時間對碳譜是重要參數，可識別季碳，可給出化合物骨架信息。缺點：測定需要樣品量多，測定時間長，而吸收強度一般不代表碳原子個數，與種類有關。(2).常見一些基團的化學位移d值.脂肪C: d<50.連雜原子C: C-O, C-N, C-S d:50-100.C-OCH3: d 55;.糖端基C : d 95-105.芳香碳,烯碳: d 98-160.連氧芳碳: d 140-165.C=

18、O: d 168-220(3).影響化學位移因素.碳的雜化方式：dsp3 < d sp < d sp2.碳核的電子云密度：電子云密度­，¯d 高場位移.取代基的誘導效應和數目：取代基數目­, 影響­，­d，誘導效應隨相隔鍵的數目增加而減弱; 隨取代基電負性­，d ­ .g效應(-旁式,-gauch）效應：較大基團對-位碳上的氫通過空間有一種擠壓作用，使電子云偏向碳原子，使碳化學位移向高場移動，這種效應稱為-效應。其中-順效應更強。.共軛效應：與雙鍵共軛,原雙鍵端基 C2 ¯d，內側C1 ­d，

19、與羰基共軛, C=O的¯d.分子內部作用：分子內氫鍵使C=O的­d(4).取代基位移規律.甲基取代位移（C-methylation shift）.羥基取代位移（hydroxylation shift.甲氧基取代位移（O-methylation shift）.乙酰化位移（acetylation shift）(5).常見的13C-NMR譜的類型及二維譜.全氫去偶譜(COM)或噪音去偶譜(PND)或質子寬帶去偶譜(BBD)特點: 圖譜簡化, 所有信號均呈單峰.偏共振去偶譜(OFR)特點: 由于部分保留1H的偶合影響,可識別伯、仲、叔、季碳。.DEPT譜特點：不同類型13C信號呈單

20、峰分別朝上或向下,可識別CH3，CH2，CH，C.脈沖寬度 q=135°CH3, CH ­, CH2（常用）q=90°CH ­, q=45°CH3, CH2 , CH ­, 季碳不出現.選擇氫去偶譜（SPD）選擇性照射特定氫核，分別消除相關碳信號，使峰簡化，增高。.1H-1H COSY(相互偶合的氫核給出交叉峰).NOESY(空間相近的氫核的關系).HMQC(13C-1H COSY) 13C,1H 直接相關譜1JCH.HMBC(遠程13C-1H COSY) 13C,1H 遠程相關譜 2JCH, 3JCH第四章 質譜 （第1-6節）課時

21、安排6學時基本內容 質譜的基本知識、類型和電離過程。基本有機化合物的質譜。質譜解析的一般程序等。基本要求熟悉：質譜的電離過程，基本有機化合物的質譜特征；質譜解析的一般程序。了解：質譜的質量分析器種類和場解析法、快原子轟擊法和電噴霧電離法等的原理；最新的質譜分析和測試技術。1.質譜在有機化合物結構測定中的應用(1).測定正確的分子量(2).推斷分子式(3).已知化合物的結構鑒定(4).未知化合物的結構鑒定2.電子轟擊質譜（EI-MS）(1).基本原理利用具有一定能量的電子束使氣態的樣品分子或 原子電離的離子源稱為電子轟擊離子源(Electron Impact Ion Source，簡稱EI)。電

22、子轟擊離子源能電離氣體、揮發性化合物和金屬蒸氣。因其結構簡單、電離效率高、通用性強、性能穩定、操作方便，是質譜儀器中廣泛采用的電離源。(2).開裂方式及開裂類型開裂方式.均裂：兩個電子構成的鍵開裂后，每個碎片各留一個電子。.異裂：兩個電子構成的鍵開裂后，兩個電子都留在其中一個碎片上。.半異裂：已失掉一個電子的鍵開裂時，電子轉向其中一個碎片。開裂類型.開裂.開裂.逆狄爾斯-阿爾德反應（Retro-Diels-Alder reaction, RDA）.復雜開裂.雙重重排(3).基本有機化合物質譜及開裂規律3.原子轟擊質譜（FAB-MS）(1).基本原理與離子轟擊型離子源相似，原子轟擊型離子源也是利

23、用濺射使樣品電離的，所不同的是用于轟擊的粒子是快速的中性原子，因此一般稱為快速原子轟擊電離法(Fast Atom Bombardment，FAB-MS)(2).特點.靈敏度高.樣品制備容易（FD-MS較難，費時費力）.常溫下電離樣品，排除了強極性物質難揮發，熱不穩定等困難（FD-MS有時對極性很強的化合物,難于測出M+） .配有陰粒子捕獲器, 還可給出相應的陰離子質譜（需要特別說明，一般只給出陽離子質譜）與陽離子質譜相互補充，大大增加了信息來源及可信程度。.給出的碎片峰比FD-MS多，不只限于測定分子量。.當所用溶劑含有不穩定的H原子時（例如甘油），在譜中常可看到 M+H+, 2M+H+, 2

24、M+H+ -H2O, M-H-, M+S+H+, M+S+H+ -H2O , M+Na+，M+Li+，M+K+，同時一些核苷在甘油中產生M+2H+, M+3H+等，碎片也同樣，所以解析時要注意用了什么溶劑。間硝基芐醇受粒子轟擊可被氧化為醛，若樣品中有氨基可繼續反應形成Schiff堿，出現M+133H+ 碎片。 .可用TLC的斑點直接用FAB-MS, 測 M+H+。FAB探針用雙面屏蔽帶包上，并放在斑點上，加12ul甘油潤濕吸附劑，使它能粘附在探針上，然后按常規方法測定。4.場致電離和場解析電離質譜(1).基本原理.場致電離法（Field Ionization, FI)陽極，陰極近1mm, 兩極

25、之間施加幾千伏上萬伏直流電壓，陽極尖端附近產生107V/cm強電場，強電場可把尖端附近不到1mm處樣品分子中的電子拉走，形成M+ ，然后加速聚焦成粒子束, M+離子太少.場解析電離法（Field Desorption Ionization, FD)1969年Beckey 發明的（原理同FI，樣品引入不同），將樣品稀溶液直接涂在陽極上，加10KV高電壓使樣品電離M+比FI還大。(2).特點場致電離是一種溫和的離子化方法，譜圖以分子離子或準分子離子強、碎片離子少為特征。FI主要用于測定有機化合物的分子量，對于那些在電子轟擊條件下不生成或只生成很弱的分子離子峰的樣品，FI是一個極有用的補充。由于大部

26、分場致電離質譜相當簡單，這種方法也被用于混合物的分析。5.電噴霧電離質譜(1).基本原理電噴霧電離質譜（Electro Spray Ionization，ESI），是一種使用靜電場的電離技術，內襯彈性石英管的不銹鋼毛細管被加以35KV的正電壓，與相距約1cm接地的反電極形成強靜電場。被分析的樣品溶液從毛細管流出時在電場作用下形成高度荷電的霧狀小液滴；在向質量分析器移動的過程中，液滴因溶劑的揮發逐漸縮小，其表面上的電荷密度不斷增大。當電荷的排斥力足以克服表面張力時，液滴發生裂分；經過這樣反復的溶劑揮發-液滴裂分過程，最后產生單個多電荷離子。(2).特點ESI在大氣壓力和環境溫度下進行，被分析物的

27、分子在電離過程中通常產生多重質子化的離子。電噴霧通常要選擇合適的溶劑。除了考慮對樣品的溶解能力外，溶劑的急性也需考慮。一般來說，極性溶劑（如甲醇、乙腈、丙酮等）更適合于電噴霧。ESI-MS既可分析大分子也可分析小分子。對于分子量在1000Da以下的小分子。會產生M+H+或M-H-離子，選擇相應的正離子或負離子形式進行檢測，就可得到物質的分子量。而分子量高達20，000Da的大分子在ESI-MS中生成一系列多電荷離子，通過數據處理系統能夠得到樣品的分子量。6.基質輔助激光解吸離子化質譜(1).基本原理60年代后期，激光技術開始應用于質譜分析中，這主要包括兩個方面：一是多光子技術，包括多光子電離和

28、光致解離，通過激光光子與氣相中的分子或離子的作用使其電離或解離；所研究的是相對較小的分子。另一方面是激光解吸技術，通過激光束與固相樣品的作用使其產生分子離子和具有結構信息的碎片；所研究的是結構較為復雜、不易氣化的大分子。(2).特點.使一些難電離試樣電離，且有較少碎片，易獲得分子電離產物。對高分子化合物的測定十分有利。.因使用的是脈沖式激光，適與飛行時間質譜(TOF-MS)聯用7.化學電離源質譜(1).正離子化學電離質譜在EI-MS中，樣品分子直接與具有一定能量的電子作用（70ev），產生M+，M+具有較高的熱力學能，從而進一步發生碎裂，使有些樣品M+峰低或難于得到M+。(2).負離子化學電離

29、質譜70年代后期是NCI-MS發展盛期，人們研究了一系列反應氣，測試這些反應氣對樣品分子的M+或偽分子離子的產生率，進行環境、生物或醫藥中痕量物質測定，從混合物中得到特征離子。測試未知物結構，特別是在食品、草藥中農藥殘留量的測定等進行了廣泛的應用。8.其它質譜(1).大氣壓化學電離質譜大氣壓電離（Atmospheric Pressure Ionization, API），主要是應用于高效液相色譜（HPLC）和質譜計聯機時的電離方法。試樣的離子化在處于大氣壓下的離子化室中進行。它包括電噴霧電離（Electrospray Ionization, ESI）和大氣壓化學電離（Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI）。(2).二次離子質譜快原子轟擊（Fast Atom Bombardment，FAB）液體二次離子質譜（Liquid Secondary Ion Mass Spectrometry，LSI-MS）FAB-MS使用中性原子束LSI-MS使用離子束第五章 綜合解析（第1-3節）課時安排6學時基本內容 圖譜解析應注意的問題和一般過程。解析實例分析。基本要求熟悉：圖譜解析的一般過程。了解：圖譜解析應注意的問題。1