现代仪器在有机合成中的应用

1、专业：有机化学专业：有机化学主讲：主讲：组员：组员：自自18281828年德国科学家年德国科学家 Wohler Wohler 首次合成了尿素后，有首次合成了尿素后，有机合成就成了一个十分活跃的研究领域。迄今，已经合成机合成就成了一个十分活跃的研究领域。迄今，已经合成出了几千万中的有机化合物，并应用于生活的方方面面。出了几千万中的有机化合物，并应用于生活的方方面面。设计合成路线设计合成路线（关键）合成目标化合物合成目标化合物结构正确，大量合成结构正确，大量合成结构不正确结构不正确（反思）明确目标化合物的结构明确目标化合物的结构（思路）有机合成的一般过程结构鉴定，性结构鉴定，性质和功能测定。质和功

2、能测定。 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）-从分子水平认识物质的基本手段，是有机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。化学的重要组成部分。 过去主要依靠过去主要依靠化学方法化学方法进行有机化合进行有机化合物的结构测定。物的结构测定。缺点缺点：费时、费力、费钱、：费时、费力、费钱、需要样品量大且信息量是有限，结论不一定需要样品量大且信息量是有限，结论不一定正确。正确。 例如：鸦片中吗啡碱结构的测定，例如：鸦片中吗啡碱结构的测定，从从18051805年开始研究，直到年开始研究，直到19521952年才完全阐明，年才完全阐明，历时历时147147年年。

3、有机化合物的结构鉴定有机化合物的结构鉴定 现代主要用现代主要用仪器分析法仪器分析法对有机化合物进对有机化合物进行结构分析和测定行结构分析和测定-波普分析波普分析。 波谱分析方法主要是波谱分析方法主要是以光学理论为基础以光学理论为基础，以物，以物质与光相互作用为条件，建立物质分子结构与电磁辐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的分析和鉴定。体异构、构象异构和分子结构的分析和鉴定。波普分波普分析已经成为现代进行物质分子结构分析和鉴定的主要析已经成为现代进行物质分子结构分析

4、和鉴定的主要方法之一方法之一。随着科技的发展，技术的革新和计算机的。随着科技的发展，技术的革新和计算机的应用，波谱分析也得到迅速发展。波普分析具有优点应用，波谱分析也得到迅速发展。波普分析具有优点突出，广泛应用等特点，是诸多科研和生产领域不可突出，广泛应用等特点，是诸多科研和生产领域不可或缺的工具。随着科技发展和分析要求的不断提高，或缺的工具。随着科技发展和分析要求的不断提高，使得科研工作者对波谱分析法也在不断创新。使得科研工作者对波谱分析法也在不断创新。 优点优点：省时、省力、快速、灵敏、准确、重：省时、省力、快速、灵敏、准确、重现好、现好、样品用量是微克级的，甚至更少样品用量是微克级的，甚

5、至更少。它不仅可。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以研究分子的结构，而且还能探索到分子间各种集聚态结构构型和构想的状况，对人类所面临的生命聚态结构构型和构想的状况，对人类所面临的生命科学、材料科学的发展，是极其重要的。科学、材料科学的发展，是极其重要的。 吗啡碱吗啡碱 NMR NMR谱图可谱图可提供有机分子中氢和碳以及由它提供有机分子中氢和碳以及由它们构成的官能团、结构单元和它们彼此的连接们构成的官能团、结构单元和它们彼此的连接方式和顺序的准确结构信息方式和顺序的准确结构信息，堪称定性剖析中，堪称定性剖析中分子结构的分子结构的“总装配师总装配师”。在。在NMRNMR谱图中的

6、每个谱图中的每个峰都可找到而且必须找到确切的归属。对于一峰都可找到而且必须找到确切的归属。对于一个拟定的分子结构，可以从理论上很好地预见个拟定的分子结构，可以从理论上很好地预见其出现的谱峰位置、形状和强度等。其出现的谱峰位置、形状和强度等。 核磁共振二维谱核磁共振二维谱图，图，提供提供未知未知化合物氢核与化合物氢核与氢核或氢核与碳核之间的相关关系，测定细微氢核或氢核与碳核之间的相关关系，测定细微结构。结构。 ( 1 ) ( 1 ) 质子的类型质子的类型 ( 2( 2) ) 氢分布氢分布 ( 3) ( 3) 核间关系核间关系: : 峰的数目、共振信号的数目、峰的数目、共振信号的数目、峰的裂分数、

7、偶合常数、结构异构与立体峰的裂分数、偶合常数、结构异构与立体异构。异构。 核磁共振碳谱核磁共振碳谱( (1313C NMR)C NMR)与氢谱类似，与氢谱类似，也可提供化合物中碳核的类型、碳的分布、碳也可提供化合物中碳核的类型、碳的分布、碳核间的关系三方面结构信息。主要提供化合物核间的关系三方面结构信息。主要提供化合物的碳的碳“骨架骨架”信息。碳谱的各条谱线一般都有信息。碳谱的各条谱线一般都有它的惟一性，能够它的惟一性，能够迅速迅速、正确正确地否定所拟定的地否定所拟定的错误结构式。碳谱对错误结构式。碳谱对立体异构体立体异构体比较灵敏，能比较灵敏，能给出细微结构信息。给出细微结构信息。 偏共振谱

8、可提供碳的类型。偏共振谱可提供碳的类型。DEPTDEPT谱谱大大提高了对大大提高了对1313C C核的观测灵敏度；可利用异核的观测灵敏度；可利用异核间的偶合对核间的偶合对1313C C信号进行调制的方法来确定信号进行调制的方法来确定碳原子的类型，定量性较强，不仅可鉴别碳原碳原子的类型，定量性较强，不仅可鉴别碳原子的类型，而且可判断碳原子的数目子的类型，而且可判断碳原子的数目。 紫外吸收光谱主要用于紫外吸收光谱主要用于确定化合物的确定化合物的类型及共轭情况类型及共轭情况。由未知物的紫外吸收光谱上由未知物的紫外吸收光谱上吸收峰的位置与强度。推测共轭情况吸收峰的位置与强度。推测共轭情况(p-(p-与

9、与- -共轭、长与短共轭、官能团与母体共轭的共轭、长与短共轭、官能团与母体共轭的情况情况) )及未知物的类别及未知物的类别( (芳香族、不饱和脂肪族芳香族、不饱和脂肪族) )。 我们应该我们应该注意注意的是紫外吸收光谱虽的是紫外吸收光谱虽然可以反映分子结构中发色团和助色团的特性然可以反映分子结构中发色团和助色团的特性信息，但信息，但特征性差特征性差，且，且不能完全反映整个分子不能完全反映整个分子的特性的特性。它只能作为结构鉴定的一种辅助工具，。它只能作为结构鉴定的一种辅助工具，主要用于主要用于定量分析定量分析。 红外吸收光谱主要是红外吸收光谱主要是通过测定分子通过测定分子中化学键的振动频率来确

10、定官能团中化学键的振动频率来确定官能团。红外。红外光谱有时也可提供未知物的细微结构。光谱有时也可提供未知物的细微结构。 IR IR在未知在未知物组成与结构表征中具有物组成与结构表征中具有独特的优势，应用傅里叶变换红外光谱独特的优势，应用傅里叶变换红外光谱(FTIR)(FTIR)上的特征吸收峰可以推断未知物的结构。上的特征吸收峰可以推断未知物的结构。 解析解析IRIR谱图谱图时应遵循时应遵循“先特征先特征( (区区) )、后指纹后指纹( (区区) )；先最强；先最强( (峰峰) )、后次强、后次强( (峰峰) )；先粗；先粗查、后细找；先否定、后肯定；解析一组相关查、后细找；先否定、后肯定；解析

11、一组相关峰峰”的的顺序与原则顺序与原则。 质谱主要提供有关分子的质谱主要提供有关分子的分子量分子量 、元素元素组成组成、由裂解碎片推导结构单元等、由裂解碎片推导结构单元等结构信息结构信息，质谱质谱的另一个主要功能是在综合光谱解析后，验证所推的另一个主要功能是在综合光谱解析后，验证所推测的未知物结构的正确性测的未知物结构的正确性。 气相色谱气相色谱- -质谱联用技术对小分子混合质谱联用技术对小分子混合物样品的分析极为方便。物样品的分析极为方便。碎片离子的质量是质谱碎片离子的质量是质谱图解析的根本依据图解析的根本依据；碎片峰的相对丰度提供了被；碎片峰的相对丰度提供了被测物质的结构信息；谱图峰形的分

12、布为有机组分测物质的结构信息；谱图峰形的分布为有机组分的化学组成提供了概略的宏观信息。的化学组成提供了概略的宏观信息。 在实际有机化合物的结构测定中，在实际有机化合物的结构测定中，单用一单用一种谱图方法往往难以得出明确的结论，所以需种谱图方法往往难以得出明确的结论，所以需要综合利用多种波谱联合解析要综合利用多种波谱联合解析。相互说明，互。相互说明，互为佐证。为佐证。当然，当然，这也是这也是一个实践经验积累的过一个实践经验积累的过程，平时见的越多，解的越多，量的积累就会程，平时见的越多，解的越多，量的积累就会产生质的飞跃，综合解谱会越来越顺利。产生质的飞跃，综合解谱会越来越顺利。分析各种谱图综合

13、谱图信息再分析谱图再综合谱图信息确定化合物结构 计算机辅助结构解析主要有三种方法：计算机辅助结构解析主要有三种方法：1.1.波谱数据库波谱数据库：通过尽可能多地采集已知化合通过尽可能多地采集已知化合物的谱图来解析未知化合物。但谱图库的维物的谱图来解析未知化合物。但谱图库的维护成本太高，直接与谱图库中化合物的数目护成本太高，直接与谱图库中化合物的数目成正比。成正比。2.2.波谱模拟波谱模拟：主要用于结构解析系统中，对于主要用于结构解析系统中，对于给定的候选化合物，按照一定的规则得到其给定的候选化合物，按照一定的规则得到其模拟谱图，然后与测试谱图相比，计算其相模拟谱图，然后与测试谱图相比，计算其相

14、似度，并由相似度大小对候选化合物进行排似度，并由相似度大小对候选化合物进行排序。序。3.3.人工智能人工智能：是一个边缘科学，推理、学习和是一个边缘科学，推理、学习和联想是人工智能系统的三大功能。联想是人工智能系统的三大功能。 专家系统是计算机辅助结构解析专家系统是计算机辅助结构解析的的一个重一个重要分支，要分支，包括包括谱图输入谱图输入、结构生成结构生成和和结构验证结构验证三个三个部分部分。1.1.谱图输入谱图输入：把未知化合物的各种谱图信息如把未知化合物的各种谱图信息如NMRNMR、 IRIR、MSMS等与系统知识库结合，推断出可能的片断。等与系统知识库结合，推断出可能的片断。2.2.结构生成结构生成：在已