波谱分析教程：波谱绪论再编
《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勺解析方法。
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1/ I一.基本要求' * 一一一—（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1 _ 一\ I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。
1-波谱分析法(自1-绪论)
称之为
摩尔消光系数， 摩尔消光系数，用ε表示
C = 1m
摩尔吸收系数） = ε （摩尔吸收系数）
l = 1cm
所以Lambert—Beer公式可写成： 所以Lambert—Beer公式可写成： 公式可写成 A =εc l =log I0 /I ②、把 I / I0
λ 小） （ 宇宇宇宇 λ 大） （ 宇 γ 宇宇 χ-宇宇 紫紫 可可 红紫 微微 无宇无微 -宇
紫紫紫紫 远 10~200nm 近 200~400nm
可可紫紫
红紫紫紫 近 0.7~2.5 µm 中 2.5~25 µm 远 25~1000 µm
核核核核
400~800nm
1m~5m
2.5µm
25µm
主要讲六章
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 绪论 UV） 紫外吸收光谱 （UV） 红外吸收光谱 （IR） IR） NMR） 核磁共振光谱 （NMR） 质谱 四谱综合解析 （MS） MS）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ一章
绪 论
有机化合物的结构表征(即测定) 有机化合物的结构表征(即测定) —— 是从分子 结构表征 水平认识物质的基本手段， 水平认识物质的基本手段，是有机化学的重要组成部 化学方法进行有机化合物的结构 分。过去，主要依靠化学方法进行有机化合物的结构 过去，主要依靠化学方法 测定。 测定。 其缺点是： 费时、费力、费钱， 其缺点是： 费时、费力、费钱， 需要的样品量大。 需要的样品量大。 例如：鸦片中吗啡碱结构的测定 吗啡碱结构的测定， 例如：鸦片中吗啡碱结构的测定， 1805年开始研究 直至1952 年开始研究， 1952年 从1805年开始研究，直至1952年 才完全阐明，历时147年 才完全阐明，历时147年。 147
波谱分析教程 第2章 红外再编
第二章红外吸收光谱【基本要求】Ø理解红外吸收光谱（简称红外光谱）的基本原理Ø掌握红外光谱与有机化合物分子结构之间的关系Ø熟悉基团特征频率及其影响因素Ø掌握运用红外光谱解析分子结构的方法【重点难点】Ø红外光谱与有机化合物分子结构之间的关系Ø基团特征频率及其影响因素Ø红外光谱解析分子结构的方法第二章红外吸收光谱红外吸收光谱Infrared absorption Spectra是物质的分子吸收红外光区的电磁波而产生的吸收光谱，简称红外光谱( I nfra r ed Spectra，IR)。
2.1 红外光及红外光谱2.1.1 红外光区域2.1.2 红外光谱仪红外分光光度计1. 色散型红外光谱仪2. 傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）2.1.3 红外光谱的测量1. 气体2. 液体液膜法稀溶液法3. 固体糊状法石蜡油或氟油调糊薄膜法切片熔融或溶解压片法KBr晶体2.1.4 红外光谱的表示方法A. 红外光谱图横坐标：纵坐标：红外光的波长（λ，µm）或波数（，cm-1）吸光度A或透射百分率（T %）B. 红外光谱数据2-苯基丙醛的红外光谱§2.2 基本原理红外光谱分子的振动红外光光子的能量与分子振动能级的能量差相当，物质分子吸收红外光导致振动能级发生跃迁，产生红外光谱。
所以，红外光谱又叫做振动光谱。
2.2.1 双原子分子的振动X——Y 1. 谐振子模型A. 双原子分子的振动频率Hoocke定律k —键的力常数μ—两个原子的折合质量B. 振动能级及其跃迁谐振动能级的能量：相邻振动能级的能量差：谐振子能级跃迁的选律：：基频倍频2. 振动形式和振动简并伸缩振动(ν)：弯曲振动(δ)：沿着键轴方向伸、缩的振动，只改变键长，不改变键角。
垂直于键轴方向的振动，只改变键角而不影响键长。
例如、水（H2O）分子的三种振动形式：对称伸缩振动不对称伸缩振动弯曲振动CO2分子的四种振动形式振动简并亚甲基（CH2）的六种振动形式3. 多原子分子的振动光谱基频：倍频：合频：每一个简正振动都有一基频，对应于振动基态到第一激发态（v = 1）的跃迁。
波谱分析 绪论
本课程内容，目的及要求
介绍四谱与各种有机化合物结构的关系，各谱的
解析技术以及运用四谱综合进行有机化合物的结构测定 能解析一般的图谱，掌握各谱原理、各种化合物谱图的 特点及应用各谱解析未知化合物。应了解各谱的长处及 解决的结构类型 应用多种谱图，互相取长补短
质与光相互作用为条件，建立物质分子结构与电磁辐射之间 的相互关系，从而进行物质分子几何异构、立体异构、构象 异构和分子结构分析及鉴定的方法。该法主要包括: 紫外吸收光谱法(UV) Ultraviolet absorption spectrometry 红外吸收光谱法(IR) 吸收光谱 Infrared absorption spectrometry 核磁共振波谱法(NMR) Nuclear Magnetic Resonance spectrometry 质谱分析法(MS) Mass spectrometry
波谱分析
有机结构波谱分析
物质与电磁辐射相互作用时，能够引起分子内部某种 运动，从而吸收某种波长的电磁辐射，将电磁辐射信号强 度对波长或波数记录下来就得到所谓的光谱，用于物质结 构的分析，称为有机化合物波谱解析。
有机分子 ＋ 电磁辐射源自选择性吸收 仪器记录光谱
波谱分析原理概述
《有机化合物波谱解析》主要是以光学理论为基础，以物
200－800nm——电子运动能级跃迁——紫外及可见光谱； 2.5-25μm——分子振、转能级跃迁——红外光谱； 60-600MHz——核在外加磁场中取向能级跃迁——核磁共振谱。
波谱分析法一般包括紫外光谱分析、红外光谱分 析、核磁共振波谱分析和质谱分析法。基于光吸 收原理进行分析。
质谱分析：基于化合物分子在真空条件下受电子 流轰击或其它方法形成离子，同时发生某些化学 键有规律的断裂形成离子碎片。
波谱分析绪论
OH O HO NCH3 吗 啡 碱
而现在的结构测定，则采用现代仪器分析 法，其优点是：省时、省力、省钱、快速、 准确，样品消耗量是微克级的，甚至更少。 它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。
红外拉曼光谱仪
核磁共振波谱
在外磁场中，具有核磁矩的原子核与磁场相 互作用而裂分为能量不同的核磁能级，吸收射频 能量，产生核自旋能级的跃迁，产生核磁共振波 谱。 斯坦福大学的布洛赫和玻赛尔（哈佛）首先 发现核磁共振现象，获得1952年诺贝尔物理学 奖。其在有机化合物的结构鉴定，特别是天然产 物结构的阐明中起着极为重要的作用。 现今利用1H—NMR和13C—NMR的化学位 移和裂分常数以及2DNMR等来获取有机物的结 构信息已是常规分析方法。
1.4 现代分析化学的内容及本门 课程主要学习内容
（1）分离分析：色谱，膜技术 （2）结构分析：主要是各种光谱法 （3）表面及状态分析：x射线光谱、光电 子能谱法等
（1）分离分析：色谱，膜技术
（2）结构分析：主要是各种光 谱法
随着现代仪器分析方法的不断发展和 普遍应用，由紫外—可见光谱、红外光谱、 核磁共振波谱、和（有机）质谱等为主的 四种光波谱分析方法（合成四大谱）相互 配合，是对有机化合物的结构表征应用最 为广泛的一整套的有机结构分析方法。
气质联用仪
1.6 光吸收的基本定律—朗伯比 尔定律
成立的前提：（1）入射光为单色光； （2）吸收发生在均匀介质中； （3）在吸收过程中，吸收物质相互 不发生作用。 偏离线性的原因 物理因素；化学因素
1.7 有机光波谱图的基本构成三 要素
谱峰的位置：定性指标，能量 谱峰的强度：定量指标，跃迁概率 谱峰的形状
绪论+波谱分析详解
二、分子振动与红外光谱的产生
1. 分子中基团的基本振动形式
▪ 原子沿键轴方向伸缩使键长变化——伸缩振动 对称伸缩振动/非对称伸缩振动
聚乙烯中亚甲基的伸缩振动
原子垂直键轴方向振动使键角变化——弯曲振动 面内弯曲振动（平面振动/剪式振动） 面外弯曲振动（非平面摇摆/弯曲摇摆）
聚乙烯中亚甲基的弯曲振动
频率/cm-1 4000-3000 3300-2700 2500-1900 1900-1650 1675-1500 1500-1300 1300-1000
主要基团 O-H、N-H伸缩振动 C-H伸缩振动 -C≡C-、 -C≡N、-C＝C ＝C-、 -N＝C ＝C-伸缩振动 ＞C＝O伸缩振动 芳环、 ＞C＝C＜、 ＞C＝N-伸缩振动 C-H面内弯曲振动 C-O、C-F、Si-O伸缩振动,C-C骨架振动
聚合物材料测试方法
材工系 高分子材料教研室 任伊锦
聚合物材料表征测试意义
聚合物结构的表征——了解聚合物的微观结构、亚微观 结构和宏观结构。
聚合物性能的测定——评价和应用新材料、控制产品的 质量、研究聚合物结构与性能的关系。
聚合物分子运动的测定——分子运动方式不同会导致聚 合物所处的力学状态发生改变——转变。研究聚合物的 松弛与转变可以帮助人们了解聚合物的结构，建立结构 与性能之间的关系
▪ 教学方法
以课堂讲授为主，结合观摩使用仪器
▪ 成绩评定
作业及平时表现30%； 期末考试70%。
第一章 波谱分析在聚合物研究 中的应用
电磁辐射与波粒二象性
电磁辐射是指在空间传播的交变电磁场。电磁辐射也可称 为电磁波（有时也将部分谱域的电磁波泛称为光）。
根据量子理论，电磁波具有波粒二象性。
描述电磁波波动性的主要物理参数有：波长（）或波数 （或K）、频率（）及相位（）等。
波谱分析绪论最新PPT课件[文字可编辑]
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分子转动光谱：引起分子同一电子能级同一振动能级内转动 能级跃迁的光谱。远红外和微波区（25500μm）线光谱。
4.“四谱”的产生
带电物质粒子的质量谱（ MS） ↑ ↗核外层电子能级跃迁 (UV) 分子 → 原子 ↓ ↘核自旋能级的跃迁（ NMR）
振(转)动能级跃迁（ IR）
4.不饱和度（unsaturated number ）
（index of hydrogen deficiency ） 根据分子式计算不饱和度，其经验公式为：
式中：Ω—代表不饱和度；n 、n 、n 分别代表分
1
3
4
子中一价、三价和四价原子的数目。
双键及饱和环状结构的 Ω为1、三键为2、苯环为4。
OH O HO
NCH3 吗啡碱
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。
历 时 149
二、波谱分析
20世纪中期以后 ，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。
“四谱”的产生？
苯丙烯酸的低分辨质谱、红外、 60MHz核磁、紫外光
三.电磁辐射与谱学基础
1.电磁辐射基础
电磁辐射是高速通过空间传播的光子流，具有 波动性和微粒 性。辐射能的发射和吸收是量子化的，其能量的最小单位为
“光子”。每个E光子=所h具v有=的能h(量c/(?E)L)=为：hc L
波谱分析讲稿--第一章 绪论
第一章绪论教学内容：1.1有机分析的发展阶段。
1.2有机波谱主要研究内容。
1.3有机分析的发展趋势重点和难点：有机化合物分子结构表征的基本原理。
教学要求：了解有机波谱学的学科性质、基本内容和学习意义。
掌握有机化合物分子结构表征的基本原理。
了解本门课程的教学要求和学习方法。
本章用1学时波谱分析主要是利用纯样品进行有机化合物结构的鉴定。
由于其具有微量、快速、灵敏、准确等特点，早已成为研究与确证化合物结构的强有力手段，因此波谱分析是化学工作者必须掌握的一门工具学科。
本课程开课目的：1. 较深入理解波谱学知识，学会运用所学波谱知识解析有机化合物的结构。
2. 硕士研究生考试3. 本科毕业论文4.为日后从事应用化学研究奠定基础5.分析问题和解决问题的方法本课程教学内容及安排：第一章绪论（1学时）第二章紫外-可见光谱分析（5学时）第三章红外光谱分析（6学时）第四章核磁共振波谱分析（9学时）第五章质谱分析（7学时）第六章波谱综合分析（4学时）本课程主要介绍上述四谱与各种有机化合物结构的关系、各谱的解析技术以及综合利用四谱进行有机化合物结构鉴定的方法。
有机分子的种类众多，结构复杂，因此有机化合物分子的结构的分析和鉴定一直以来是化学家需要和必须做的一项工作。
大体可以分为两个阶段，即经典的化学分析方法和仪器（光谱）分析为主、化学手段为辅的分析方法。
1.1 有机分析的发展阶段1.1.1 20世纪中期（1950年）以前主要的分析手段为化学分析方法为主。
化学法测定有机化合物的结构主要是通过元素分析( 如对碳、氢、氮、氧、卤素、硫、磷等元素的分析)、物理常数的测定(如测定相对分子质量、熔点、沸点、折光率、旋光度等)、有机官能团的化学反应及衍生物的制备等方法来进行。
但由于经典的化学分析操作繁琐、耗时，且有时不能准确地确定有机化合物的结构。
【以吗啡分子结构式的确定为例】1.1.2 20世纪中期以后以仪器分析为主，经典化学方法为辅.主要是采用仪器，从光谱学的角度来确定化合物的结构，例如红外、紫外、核磁共振、质谱以及X单晶衍射等手段。
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Bruker 300 MHz 超导核磁共振仪26
有机质谱
依据构成物质分子或其碎片的原子种类、数目 及其相对质量。 反映物质分子 或其碎片的组成
主要用于 确定分子量和 分子式
6200 Series Time-of-Flight
LC/MS Systems
【基本要求】
➢明确有机波谱学的学科性质、基本内容 和学习意义
➢掌握有机化合物分子结构表征的基本原 理
➢了解本门课程的教学要求和学习方法
【重点难点】
➢有机化合物分子结构表征的基本原理
10
一.有机化合物的研究程序与波谱分析的作用
为什么要分析有机化合物的结构？
发现、分离得到一个天然产物 合成一个新的有机化合物
波谱分析教程
(谱图综合解析)
开课目的
1. 深入了解确定有机分子结构的现代物理 方法
2. 掌握分析、解决问题的基本思路和方法 3. 掌握学习与科研工作的基本知识与技能 4. 奠定工作中复杂样品剖析与鉴定的基础
2
教学安排
绪论 第一章 紫外-可见吸收光谱 第二章 红外吸收光谱 第三章 核磁共振氢谱 第四章 核磁共振碳谱 第五章 有机质谱 第六章 波谱综合解析
4
参考书目
➢《有机波谱分析》 ➢孟令芝，龚淑玲，何永
炳 ➢武汉大学出版社
5
➢ 原著： Robert M. Silverstein, Francis X. Webster, David J. Kiemle
➢ 药明康德新药开发有限公司 分析部译
➢ 华东理工大学出版社
6
➢宁永成著 ➢科学出版社 ➢特点：着重解析， 内容详尽。 ➢可 与 另 一 本 书 《 有 机化合物结构鉴定与 有机波谱学》配合使 用。（原理交待清楚， 可作为工具书）
离出菲 1925年，Gulland 和 Robinson
提出吗啡分子的结构式
1952-1956年，Gates 完成吗啡 的全合成，最终确定 吗啡的分子结构
历时一个半世纪 20
例三、利血平的全合成
Reserpine利血平
1952年，分离提纯，Nears通过紫外光谱解 析，确定主要结构；
1956年，Woodward等全合成。
7
➢ 《波谱解析法》 ➢ 苏克曼 潘铁英 张
玉兰 ➢ 华东理工大学出版
社 ➢ 特点：简明扼要，
重点突出
8
➢《波谱数据表——有机 化合物的结构解析》
➢E.Pretsch, P.Bhlmann, C.Affolter 著；
➢荣国斌 译 朱士正 校 ➢华东理工大学出版社 ➢特点：手册类工具书，
详细
9
绪论
官能团 分子构造和构型
发表文献要求给出的数据：NMR: 详细、 MS: 分子量、IR:主要官能团、一般无 UV数据
27
元素分析仪 C H N S/O analyzer 德国元素分析系统公司
Vario EL III
X-Ray 单晶衍射仪 Bruker AXS公司 SMART APEXⅡCCD28
问题：化学方法是否不再需要了呢？ 是否可以完全由现代物理（仪 器分析）方法来代替呢？
29
二. 发展历史
20世纪三十年代 UV 20世纪四十年代 IR 20世纪五十年代 NMR、MS
(B)
14
实验一、1 当量的乙醇只与 1 当量的金属 钠反应, 放出 0.5 当量的氢气
2 C2H6O + 2 Na 2 C2H5ONa + H2 C2H5O(H)
15
实验二、乙醇可与三氯化磷反应
3 C2H5O(H) + PCl3 3 C2H5Cl + P(OH)3
C2H5(OH)
16
乙醇的结构
HH
HCC
和
OH
HH
HH HCCOH
HH
17
甲醚与金属钠不起反应； 但可与氢碘酸反应
C2H6O + 2 HI 2 CH3I + H2O
(CH3)2O
18
甲醚的结构
H HC 和 O 和
H
H CH H
H
H
HCOCH
H
Hห้องสมุดไป่ตู้
19
例二、吗啡的结构鉴定
1803年，从鸦片中分离得到纯品 1881年，从吗啡的锌粉蒸馏中分
该化合物的性质与 功能？与结构的关 系如何？
结构与合成设计、预想的 一致吗？
如何测定有机化合物的结构？
11
基本程序
天然产物或人工合成有机化合物
分离纯化
纯有机化合物
元素分析
分
元素组成
子 量
测
实验式
定
分子式
化学方法 或物理 （仪器分 析）方法
官能团与原子排列
分子结构
12
物质的结构决定性质 性质是其结构的反映
化学方法——根 据 有 机 物 的 化 学 反 应 所 表
现出来的结构信息，来确定其 结构
物理方法 ——利用有机物的光谱学、电学、
磁学等物理性质所表现出来 的结构信息, 来确定其结构
13
化学方法
例一：分子式同为 C2H6O 的乙醇和甲醚分 子结构的确定
HH HCCOH
HH (A)
H
H
HCOCH
H
H
现代物理方法
样品用量少、不需化学反应、省时、省力、 准确性高、分析简单
22
现代物理方法
紫外-可见吸收光谱 红外吸收光谱 核磁共振谱 质谱 ......
现代有机化学、生命科学、材料科学等 不可或缺的工具
23
紫外–可见吸收光谱
依据物质对紫外-可见光的吸收性质。反映分子 中成键电子的运 动与紫外-可见 光的作用
“The Art and Science of Total Synthesis at the Dawn of the Twenty-First Century” Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 44~122
科学技术是第一生产力，也是第一破坏力
21
化学方法
样品用量大、反应多样复杂、费时、费力 、准确性差、分析困难
2 课时 3 课时 7 课时 12 课时 8课时 10 课时 6 课时
3
考试及成绩
期末考试 考试形式：闭卷 考试时间：课程结束后第二至第三周(商定) 试卷结构：了解、 理解题占20%， 应用题占 80%，题型以解析题为主，题目 难易比例60:40
总评成绩 平时成绩占20%，作业、考勤 期末考试占80%
主要用于 表征分子中的 共轭体系
U-3010 型 紫外-可见分光光谱仪24
红外吸收光谱
依据物质对红外光的吸收性质。反映分子中键 的振动与红外光的作用
主要用于 表征分子中的 官能团
VECTORTM 22 型 傅立叶红外光谱仪25
核磁共振谱
依据物质在强磁场中对无线电波的吸收性质。 反映分子中原子核的自旋磁矩与无线电波的作用