波譜分析SpectrumAnalysis授課教師：羊曉東云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)科基礎(chǔ)課第一章緒論第二章紫外光譜第三章紅外光譜第四章核磁共振（氫譜/碳譜）第五章質(zhì)譜第六章多譜解析一、課程簡(jiǎn)介：

《有機(jī)波譜分析》是化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的學(xué)科基礎(chǔ)課之一，學(xué)分為2，總周學(xué)時(shí)為36。本課程主要講授內(nèi)容包括：1.紫外光譜；2.紅外光譜；3.核磁共振（氫譜和碳譜）；4.質(zhì)譜；5.多譜綜合解析。本課程重點(diǎn)介紹有機(jī)化合物的波譜與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，有機(jī)化合物的波譜信息在測(cè)定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用和意義，同時(shí)系統(tǒng)地講授各種譜學(xué)的基本原理、儀器構(gòu)造工作原理、樣品處理實(shí)驗(yàn)方法及圖譜解析應(yīng)用等內(nèi)容，使學(xué)生在學(xué)后能對(duì)科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)際中常用的微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定方法有一個(gè)較全面、系統(tǒng)的了解。第一章緒論波譜學(xué)技術(shù)是當(dāng)代化學(xué)研究的重要手段，本課程是以國(guó)內(nèi)外最新教材為主要參考書，并融入了本課程教師多年的教學(xué)與科研經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)過程中使用多媒體課件教學(xué)，基本理論、原理主要采用板書，同時(shí)兼有課堂討論和課后輔導(dǎo)等多種教學(xué)手段相結(jié)合的方式。二、教學(xué)目的與基本要求：波譜學(xué)技術(shù)是當(dāng)代化學(xué)研究的重要手段，自80年代以來，波譜學(xué)分析方法獲得了相當(dāng)大的進(jìn)展。在有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)領(lǐng)域中，許多原來只能定性描述的問題，經(jīng)過波譜學(xué)分析獲得了定量的結(jié)果。通過本課程的學(xué)習(xí),要求學(xué)生掌握各類波譜學(xué)方法的基本知識(shí),基本原理,基本的解析方法,理解儀器的構(gòu)造和測(cè)量原理,掌握每一譜中各類有機(jī)化合物的波譜信息及影響因素，運(yùn)用波譜信息，推導(dǎo)并闡明化合物的結(jié)構(gòu)。在掌握每一譜各類有機(jī)化合物波譜信息的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用波譜信息，解決較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問題,提高學(xué)生解決化學(xué)問題的能力。

三、本課程的意義

波譜法——從分子水平認(rèn)識(shí)物質(zhì)的基本手段，是有機(jī)化學(xué)的重要組成部分。過去，主要依靠化學(xué)方法進(jìn)行有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)測(cè)定,其缺點(diǎn)是：費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢，需要的樣品量大。例如：鴉片中嗎啡堿結(jié)構(gòu)的測(cè)定，從1805年開始研究，直至1952年才完全闡明，歷時(shí)147年。

而現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)測(cè)定，則采用現(xiàn)代儀器分析法，其優(yōu)點(diǎn)是：省時(shí)、省力、省錢、快速、準(zhǔn)確，樣品消耗量是微克級(jí)的，甚至更少。它不僅可以研究分子的結(jié)構(gòu)，而且還能探索到分子間各種集聚態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型和構(gòu)象的狀況，對(duì)人類所面臨的生命科學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展，是極其重要的。半天，幾個(gè)小時(shí)C17H19NO3

四、波譜學(xué)分析方法：

波譜分析法（SpecturmAnalysis）是由:

紫外光譜(ultravioletspectroscopy，縮寫為UV)、

紅外光譜(infraredspectroscopy，縮寫為IR)、

核磁共振譜(nuclearmagneticresonance，縮寫為NMR)

質(zhì)譜(massspectroscopy，縮寫為MS)

組成的用于鑒別有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的分析方法。半個(gè)多世紀(jì)以來，由于量子力學(xué)、電子及光學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的興起和發(fā)展，波譜分析方法得到了迅速發(fā)展，并逐漸成為人類認(rèn)識(shí)分子的最重要的手段之一。

四種波譜分析法：

紫外吸收光譜(UV)

是分子中最外層價(jià)電子在不同能級(jí)軌道上躍遷而產(chǎn)生的。

它反映了分子中價(jià)電子躍遷時(shí)的能量變化與化合物所含發(fā)色基團(tuán)之間的關(guān)系。(共軛體系)

紅外光譜(IR)

是一種分子振動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，它是由分子的振動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷而產(chǎn)生的。

它反映整個(gè)分子的特性，由IR譜圖中顯示的特征吸收譜帶的位置，可以鑒別分子中所含有的特征官能團(tuán)和化學(xué)鍵的類型。

核磁共振波譜(NMR)

的原理是分子中具有核磁矩的原子核在外加磁場(chǎng)中，通過射頻電磁波的照射，吸收一定頻率的電磁波能量，又低能量的能級(jí)躍遷到高能量的能級(jí)，并產(chǎn)生核磁共振信號(hào)。由NMR圖譜可以確定相互作用的磁性核的數(shù)目、類型和相對(duì)位置等結(jié)構(gòu)信息。（最重要）

質(zhì)譜(MS)

分析法是用具有一定能量的電子流去轟擊被分析物質(zhì)的氣態(tài)分子，使之電離成正離子，部分正離子會(huì)進(jìn)一步碎裂成不同質(zhì)核比的粒子，在外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下，按質(zhì)量大小將它們逐一分離和檢測(cè)。在質(zhì)譜圖上，由各碎片離子的質(zhì)核比和其相對(duì)豐度，可推斷被測(cè)物的分子結(jié)構(gòu)，并確定其分子量、構(gòu)成元素的種類和分子式。四大波譜分析法中，不屬于吸收光譜的是

。A、UVB、IRC、NMRD、MS四種波譜分析法的比較：1、測(cè)定的靈敏度：

MS>UV>IR>1H-NMR>13C-NMR2、儀器的昂貴程度：

MS和NMR遠(yuǎn)比IR和UV昂貴，且隨著儀器價(jià)格的升高也相應(yīng)增加了維護(hù)費(fèi)用。3、測(cè)定技能：

在常規(guī)分析中使用的UV、IR、簡(jiǎn)易的NMR比較簡(jiǎn)單，而精密的聯(lián)用儀器如GC-MS、HPLC-MS等操作比較復(fù)雜。4、獲取信息量的程度：

不僅要考慮獲取信息的數(shù)量，還要考慮對(duì)獲取信息的解析能力。綜合起來比較，按下述順序遞降：NMR>MS>IR>UV1945年P(guān)urcell（哈佛大學(xué)）和Bloch（斯坦福大學(xué)）發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象，他們獲得1952年Nobel物理獎(jiǎng)。

1991年瑞士科學(xué)家R.R.Ernst教授因發(fā)明了傅里葉變換核磁共振分光法和對(duì)二維核磁共振譜（2D-NMR）的貢獻(xiàn)而獲得Nobel化學(xué)獎(jiǎng)。

R.R.

Ernst，1933年生于瑞士，1962年他以物理化學(xué)中的核磁共振規(guī)律的博士論文獲得蘇黎世著名的瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院的博士學(xué)位。1963年他加入瓦里安(Varian

Associates)公司從事傅立葉變換核磁共振的研究。

波譜學(xué)方面的代表性諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)撸═heNobelPrizeinChemistry

）

日本科學(xué)家田中耕一出生于日本，1983年獲日本東北大學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)任職于京都市島津制作所，為該公司研發(fā)工程師，他對(duì)化學(xué)的貢獻(xiàn)類似于約翰·芬恩，得到了1／4的獎(jiǎng)金。美國(guó)科學(xué)家約翰·芬恩1917年出生于美國(guó)，1940年獲耶魯大學(xué)化學(xué)博士學(xué)位，1994年起任弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)教授。他因?yàn)椤鞍l(fā)明了對(duì)生物大分子進(jìn)行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法”和“發(fā)明了對(duì)生物大分子的質(zhì)譜分析法”而獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1／4的獎(jiǎng)金。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼亍ぞS特里希1938年生于瑞士，1964年獲博士學(xué)位，從1980年起擔(dān)任瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等理工學(xué)校的分子生物物理學(xué)教授。他因“發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測(cè)定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法”而獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金。2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者表彰他們?cè)诓粚?duì)稱合成方面所取得的成績(jī)，三位化學(xué)獎(jiǎng)獲得者的發(fā)現(xiàn)則為合成具有新特性的分子和物質(zhì)開創(chuàng)了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。

“現(xiàn)在，像抗生素、消炎藥和心臟病藥物等，都是根據(jù)他們的研究成果制造出來的?！?001年－美國(guó)科學(xué)家威廉·諾爾斯日本科學(xué)家野依良治美國(guó)科學(xué)家巴里·夏普萊斯補(bǔ)充2005年－法國(guó)科學(xué)家伊夫·肖萬美國(guó)科學(xué)家羅伯特·格拉布美國(guó)科學(xué)家理查德·施羅克在有機(jī)化學(xué)的烯烴復(fù)分解反應(yīng)研究方面作出了貢獻(xiàn)。烯烴復(fù)分解反應(yīng)廣泛用于生產(chǎn)藥品和先進(jìn)塑料等材料，使得生產(chǎn)效率更高，產(chǎn)品更穩(wěn)定，而且產(chǎn)生的有害廢物較少。

“這是重要基礎(chǔ)科學(xué)造福于人類、社會(huì)和環(huán)境的例證?！毖a(bǔ)充2008年－美國(guó)科學(xué)家錢永健

美國(guó)科學(xué)家馬丁·沙爾菲

美國(guó)科學(xué)家下村修

主要貢獻(xiàn)是利用水母發(fā)出綠光的化學(xué)物來追查實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的生物反應(yīng)。

“這一技術(shù)徹底改變了醫(yī)學(xué)研究。研究人員第一次能在活體細(xì)胞和活生生的動(dòng)物身上同時(shí)研究基因與蛋白。”補(bǔ)充2009年－英國(guó)萬卡特拉曼·萊馬克里斯南美國(guó)托馬斯·施泰茨以色列阿達(dá)·尤納斯研究核糖體的三維結(jié)構(gòu)和功能展示了各種抗生素是如何阻斷殺死細(xì)菌核糖體的過程。該研究為我們以后開發(fā)新藥，與細(xì)菌進(jìn)行無休無止的對(duì)抗提供了方法。補(bǔ)充TheNobelPrizeInChemistry2010有機(jī)合成過程中鈀催化反應(yīng)為紀(jì)念化學(xué)學(xué)科所取得的成就以及對(duì)人類文明的貢獻(xiàn)，聯(lián)合國(guó)將2011年定為“國(guó)際化學(xué)年”。

2011年適值居里夫人獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)100周年，也恰逢國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)的前身國(guó)際化學(xué)會(huì)聯(lián)盟(IACS)成立100周年。2008年底，聯(lián)合國(guó)決議將2011年定為“國(guó)際化學(xué)年”。2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給瑞士洛桑大學(xué)的雅克·杜波切特(JacquesDubochet),美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的阿希姆·弗蘭克(JoachimFrank)和英國(guó)劍橋大學(xué)的理查德·亨德森(RichardHenderson)，表彰他們發(fā)展了冷凍電子顯微鏡技術(shù)，以很高的分辨率確定了溶液里的生物分子的結(jié)構(gòu)。一個(gè)發(fā)給了物理學(xué)家的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，獎(jiǎng)勵(lì)他們幫助了生物學(xué)家。2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予得州大學(xué)奧斯汀分校約翰·古迪納夫(JohnB.Goodenough)、紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校M·斯坦利·威廷漢(M.StanleyWhittingham)和日本化學(xué)家吉野彰(AkiraYoshino)，以表彰其在鋰電池發(fā)展上所做的貢獻(xiàn)，創(chuàng)造了一個(gè)可再充電的世界。分享900萬瑞典克朗（約合人民幣647萬元）的獎(jiǎng)金。E.Charpentier，法國(guó)生物化學(xué)家，就職于德國(guó)柏林馬克斯·普朗克病原學(xué)研究室；J.A.Doudna，美國(guó)生物學(xué)家，加州大學(xué)伯克利分校。以表彰她們?cè)凇皯{借開發(fā)基因組編輯方法”方面作出的貢獻(xiàn)，兩位獲獎(jiǎng)?wù)邔⒎窒?000萬瑞典克朗獎(jiǎng)金（約合760萬人民幣）。2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)馬克斯-普朗克煤研究所本杰明·李斯特（1968-）和美國(guó)普林斯頓大學(xué)戴維·麥克米倫（1968-），兩位獲獎(jiǎng)?wù)叻窒?000萬瑞典克朗獎(jiǎng)金（約合732萬人民幣）。以表彰他們?cè)凇皩?duì)不對(duì)稱有機(jī)催化的發(fā)展所作出的貢獻(xiàn)”方面作出的貢獻(xiàn)。在20世紀(jì)90年代分別開發(fā)了一種新型的催化技術(shù)。這種技術(shù)，即不對(duì)稱有機(jī)催化，今天被廣泛用于生產(chǎn)藥物和其他化學(xué)制品。至關(guān)重要的是，兩人開發(fā)的催化劑能夠合成不同于其鏡像的分子。

這也是20年后，“不對(duì)稱催化”領(lǐng)域再次斬獲諾獎(jiǎng)殊榮。這兩名科學(xué)家?guī)淼娜禄瘜W(xué)合成工具，在新藥開發(fā)和制造上有極為重要的應(yīng)用價(jià)值，為全球病患帶來了實(shí)實(shí)在在的改變。DavidMacMillanBenjaminList2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)美國(guó)化學(xué)家卡羅琳·貝爾托西（CarolynR.Bertozzi）丹麥化學(xué)家摩頓·梅爾達(dá)爾（MortenMeldal）美國(guó)化學(xué)家卡爾·巴里·夏普利斯（K.BarrySharpless）。

2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)的是簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)的過程，以表彰他們?cè)凇包c(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)研究方面的貢獻(xiàn)”方面作出的貢獻(xiàn)。BarrySharpless和MortenMeldal為一種分子功能化—點(diǎn)擊化學(xué)（clickchemistry）—奠定了基礎(chǔ)?！包c(diǎn)擊”就是指兩個(gè)東西像積木扣在一起一樣