有机波谱分析课件一.绪论

波谱分析2011年秋季应化选修课绪论随着科学技术的发展，新的仪器分析方法不断出现，应用也越来越广泛。近二十年来，紫外或紫外-可见光谱，红外光谱，核磁共振波谱以及质谱等构成现代仪器分析的重要内容。这些方法与经典的分析方法相比不仅具有快速、灵敏、准确等优点，还具有样品用量少，不破坏样品等优点，现已成为化学工作者测定有机化合物结构及定性、定量不可缺少的重要手段之一。人们通常将UV（UV-vis），IR，NMR和MS称为“波谱分析”，也有称为有机仪器分析。一．波谱分析的发展由于近代物理学，电子学和计算机的发展，产生了许多新的仪器分析方法，如变换红外光谱法，脉冲变换核磁共振，色谱-质谱联用等大型精密仪器并已应用于科研和生产中。仪器实现了自动化、数字化、计算机化。电子计算机提高了仪器分析的灵敏度、准确度和分辨率，并可进行连续自动分析、自动检索等。各种分析方法互相渗透，联用。如：具有高度分离能力的气相色谱、液相色谱与具有强的鉴别能力的质谱，红外光谱联用，可以达到快速剖析样品，分析的目的。二．波谱分析的内容：波谱分析主要包括：UV，IR，NMR和MS。由于近年来有机化学的快速发展，要求先进的分析方法跟踪反应过程，确定化合物结构以及定性、定量分析，因而自然地形成了波谱分析的分析方法。三．波谱分析的特点：快速：获得正确的情报比经典化学分析方法快得多。样品用量少：一般只需几微克到几十毫克（一般5-20mg）。准确、重复性好。有机化合物结构鉴定与有机波谱学结构鉴定:紫外可见光谱(UV-VIS);红外（拉曼）光谱(IR，Raman);质谱(MS);核磁共振谱(NMR);X线衍射;折射率;电诱导率;熔点;

UV-VIS;IR(Raman);MS;NMR有机波谱学：CharacteristicsofImportantSpectrometricMethodsH-1C-13MSIR/RAMANUV-VISORD/CDX-RAYRadiationtypeRFRF—IRUVtoVisUVtoVisX-raySpectralscale0-150-22050-4000400-4000200-800185-600—Typicalunitsppmppmamucm-1nmnmAveragesample1mg5mg<1mg<1mg<1mg<1mgMolecularformulaPartialPartialYesNoNoNoYesFunctionalgroupsYesYesLimitedYesVerylimitedVerylimitedYesSubstructuresYeslimitedYeslimitedlimitedNoYesCarbonconnectivityYesYesNoNoNoNoYesSubstituteYesYesNoLimitedNoNoYesregiochemistrySubstituteYesYesNoLimitedNoNoYesstereochemistryAnalysisofYesYesYesYesNoNoYesisomermixtures(GC,LC/MS)(GC/IR)(ifseparate)PurityinformationYesYesYesYesLimitedLimitedLimitedSinglecrystalStepsinestablishingamolecularstructurePurecompound

MolecularformulaFunctionalgroupsSubstructuresVerysecure3DmolecularstructureUnsaturationnumberWorking2DstructuresListofworking2DstructuresNew2DmolecularstructureKnownmolecularstructureReasonable3DmolecularstructureMS,NMRNMR,IRNMRUVX-RAYDereplicatebyMFDrawallisomersDereplicatebystructureNMRORDMolecularmodelingTotalsynthesisNMR,MS,IR,UV波谱分析法被广泛地应用于各科研生产中，本校化学化工学院实验室具有：HP6890/5973GC/MS产于美国PE公司GC-14B产于日本岛津公司HPLC产于美国Waters公司FT-IR产于美国PE,伯乐公司UN-Vis产于日本岛津公司

诺贝尔化学奖享有世界最高荣誉，设有物理、化学、生物或医学、文学和和平五项奖。1901年，瑞典皇家科学学院成立，根据诺贝尔遗愿，诺贝尔奖金委员会首次颁奖。截止到2003年，诺贝尔奖的颁发已有一百多年的历史了。期间共颁发化学奖94次，8年因第一、二次世界大战末颁奖。波谱分析与诺贝尔化学奖

从最近几十年来诺贝尔化学奖颁奖的情况来看，化学科学逐渐出现了和生命科学相融合的趋势。在20世纪的最后25年里，诺贝尔化学奖有三分之一左右给予化学与分子生物学领域研究的成果。其中大部分获得项目往往直接或间接地在波谱分析方面获得了突破.如：2002年诺贝尔化学奖由在质谱和核磁共振这两个重要领域的科学家们分享。获奖者，质谱领域的John．B．Fenn和KoIchiTanaka(田中耕一)，核磁共振领域的KortWuthrich，对生物化学领域的进一步发展作出了贡献。把波谱分析测试手段和设计合成方法应用于生命科学领域中的物质组成和结构的分析、新物质的设计与合成以及生命活动的反应机理的研究，将化学科学理论、技术和生命科学技术、应用逐步融合，将是未来一个非常重要的趋势和这两个学科发展的必然导向。

质谱是根据质量迅速鉴定一个物质。这一技术很久以来被化学家们用来分析小分子和中等大小的分子，这个方法非常灵敏，以至于每种含量极微的分子都有可能被检测到。毒品和药物的检测、食品控制和环境分析等都是目前常规使用质谱技术的领域。质谱—鉴定分子的方法质谱技术早在十九世纪末就出现了，最早用于小分子分析是由JosephJ.Thompson在1912年报道的。二十世纪有许多诺贝尔奖直接依赖于质谱分析。例如，HaroldUrey发现氘(获得1934年诺贝尔化学奖)，富勒烯，“足球碳”的发现使RobertCarl,SirHaroldKroto和RichardSmalley获得1996年诺贝尔化学奖。将质谱用于大分子分析这一目标同样长期吸引着科学家们。二十世纪70年代，在气相中将大分子转化为离子获得了许多成功，这种技术称为“解吸”技术，形成了在过去二十年里这一领域革命的基础。大分子相对于其它分子来说或许是大的，但是在这里我们还是认为它具有小的不可思议的结构。例如血红蛋白分子，它的质量是10-19克，如何去称这么小的重量。秘诀就是使单个的蛋白质分子与其它分子分离，扩散成一簇自由飞行、带电的蛋白质离子。接下来测量这些离子的质量—并因此而鉴定这个蛋白质的常用方法是让它们在一个真空室内加速并测量它们的飞行时间。它们按顺序到达目的地，这一顺序是由它们的电荷和它们的质量决定的，最快到达的是那些最轻的，带有最高电荷的离子。

目前，有两种原理可以使蛋白质在不破环结构和构型的状态下转移到气相，正是这些方法背后的发现将要共同获得诺贝尔化学奖金的一半。其中一个由JohnB．Fenn发明的方法中，样品由很强的电场导致喷雾并产生小的，带电荷的自由飞行的离子。另一种方法是用一束强激光脉冲使样品离子化。如果处在合适的条件下(如能量，样品的结构和化学环境)，分子吸收部分激光脉冲能量并成为自由离子被释放。第一个表明这种“软激光解吸”现象可能被用于分析蛋白质这样的大分子的是KoIchiTanaka。

在1988年，JohnB．Fenn发表了两篇有关大分子的电喷雾现象的论文，对质谱技术具有突破性意义。在第一篇论文里，对未知质量的聚乙二醇的分析表明这一方法可以使大分子带高电荷。第二篇文章报道了用这一方法分析中等大小的完整蛋白质。离子的产生是通过电场使样品喷雾形成带电液滴，随着水分子逐渐从液滴蒸发，仅留下“光秃秃”自由飞行的蛋白质分子。这一方法被称为电喷雾离子化(ESI)。当分子带有很强的电荷时，质量／电荷比变得很小，这样该物质就可以用普通的质谱仪进行分析。另一个好处是同一个分子会产生一系列峰，因为每一个峰都带有不同数目的电荷。虽然这一复杂的谱图在最初使研究者深感迷惑，但它给出的信息使鉴定更容易了。

JohnB．Fenn的贡献：(通过喷雾飞行)

与此同时，在日本京都岛津仪器公司，一个年轻的日本工程师报道了一种完全不同的技术进行了这一研究。即在1987年的一个讨论会及1988年发表的论文中，表述了蛋白质分子应该可以通过软激光解吸(SLD)的方法被离子化。一束激光脉冲打在样品上，与喷雾的方法不同样品是处在固相或粘液相中，当样品从激光脉冲中吸收能量，被爆破成很小的单位，分子一个接一个被释放，以带低电荷的完整的分子离子形式飞行，这些离子被一个电场加速并用上面提到的记录它们的飞行时间的方式检测。Tanaka第一个报道了激光技术对生物大分子分析应用的可能性。这一原理是今天多种有力的激光解吸方法的基础，特别是简称为MALDI(基质辅助激光解吸离子化)，SELDI(表面增强激光解吸离子化)，DLOS(直接芯片离子化)的技术。Tanaka的贡献：(通过爆破飞行)

质谱能够回答诸如“是什么”和“有多少种”蛋白质这样的问题，而核磁共振则回答这种蛋白质“是什么样子”的问题。对任何一种显微镜而言，即使是最大的蛋白质都显得太小而不能获得足够的分辨率。因此，要想能够获得一个蛋白质真正的图像，必须采用其他手段。核磁共振就是这样一种方法。通过对核磁共振谱图中的谱峰进行解释，人们可以得到所研究的分子的三维结构。核磁共振所用的样品是处于溶液状态，类似于蛋白质在细胞内的环境。核磁共振在生物大分子中的应用

早在1945年，物理学家Felix和EdwardPurcell就发现把有些原子核放在强磁场下，由于所谓核自旋的作用，它们能够吸收特定波长的电磁波，即发生共振。这项发现使他们赢得了1952年的诺贝尔物理学奖。随后，人们发现核共振的频率不仅依赖于磁场的强度和原子类别，还依赖于原子所处的环境。而且，不同核的核自旋能够相互影响，从而产生精细结构，即在核磁共振谱图中产生更多的谱峰。最初，核磁共振的应用受到其低灵敏度的限制，因而需要浓度极高的样品。但是在1966年，瑞士化学家RichardErnst(1991年诺贝尔化学奖得主)认为，如果用非常短而强的射频脉冲来照射样品，以取代缓慢改变照射频率的方法，将会极大地提高灵敏度。在上世纪70年代，他还在发展核磁共振方法学上作出了贡献，如寻找怎样确定分子中相邻核(例如由化学键相连的原子)的方法。

通过对核磁共振谱图中的信号进行解释，人们能够获得分子结构的信息。这种方法被成功地应用于小分子。但对大分子而言，要想将不同原子核的共振信号区分开来是非常困难的。一张大分子的核磁共振谱图有数千个谱峰，看起来就象一片片的草坪，根本不能确定哪个峰属于哪个原子。最终解决这个问题的科学家是瑞士的化学家KurtWuthrich。

在20世纪80年代初，KurtWuthrich发展了一套怎样将核磁共振方法延伸到生物大分子领域的思路。他发明了一套系统方法：将每一个核磁共振信号与大分子中的氢核(质子)一一对应起来。这种方法叫做“序列指认”，目前已经成为所有核磁共