[ Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
А.Л. Толстик
(подпись)
(дата утверждения) Регистрационный № УД-/р.
ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
(название дисциплины) Учебная программа для специальности:1-31 05 01 Химия (по направлениям) Направления специальности 1-31 05 01-01 Химия (научно-производственная деятельность) (код специальности) (наименование специальности) Химический факультет (название факультета) Кафедра органической химии Курс (курсы) Семестр (семестры) Лекции 50 Экзамен (количество часов) (семестр) Зачет Практические (семинарские) (семестр) занятия (количество часов) Лабораторные Курсовой проект (работа) (семестр) занятия (количество часов) КСР (количество часов) Всего аудиторных часов по дисциплине (количество часов) Всего часов Форма получения высшего по дисциплине _296_ образования очная (количество часов) Составил А.Н. Рябцев, к.х.н., доцент (И.О.Фамилия, степень, звание) Минск 2013 г.
Учебная рабочая программа составлена на основе базовой учебной программы «Физические методы исследования органических соединений».
Дата утверждения _ Регистрационный номер _ Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры органической химии Дата Номер протокола Заведующий кафедрой Ю.Ю. Козырьков (подпись) Одобрена и рекомендована к утверждению Учебно-методической (методической) комиссией химического факультета (дата, номер протокола) Председатель Е.И. Василевская (подпись) (И.О.Фамилия)
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Курс «Физические методы исследования органических соединений» базируется на всех дисциплинах, входящих в учебный план подготовки химиков в университетах, и изучавшихся студентами на протяжении предыдущих семестров, прежде всего математики, физики, квантовой механики и квантовой химии, строения молекул, неорганической, органической и физической химии.Преподавание данного курса имеет целью дать студенту понимание принципиальных основ и теоретической базы, практических возможностей и ограничений физических методов исследования, которые наиболее важны для химиков-органиков, знакомство с их аппаратурным оснащением и условиями проведения эксперимента, умение интерпретировать и грамотно оценивать экспериментальные данные.
Главное внимание в данном курсе уделяется спектроскопическим методам исследования, не только вследствие их исключительной важности для получения аналитических и структурных данных о молекулах вещества, а также изучения химических реакций и других взаимодействий, но и по той причине, что их объединяет общая теоретическая база, основанная на квантовой механике молекул и взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Из методов, не относящихся к спектроскопическим, особое значение придается масс-спектрометрии.
Лекционный курс сопровождается проведением ряда практических занятий, на которых студенты должны решать определенные задачи, связанные с получением важных молекулярных параметров и установлением структуры молекул по спектрам.
Кроме этого, студенты должны выполнить несколько лабораторных работ в одноименном практикуме - в целях освоения практических приемов работы на приборах, имеющихся на кафедре, а также навыков самостоятельной обработки данных и их анализа.
В результате изучения курса студент должен знать:
- Физические принципы явлений, лежащих в основе каждого из изучаемых методов исследования.
- Теоретические аспекты, позволяющие связать физические явления, лежащие в основе изучаемых методов со структурой органических соединений.
- Типы приборов, применяемых для изучения структуры органических соединений.
- Информацию о молекулярной структуре можно получить с помощью каждого из изучаемых методов.
Студент должен уметь:
- Анализировать информацию, получаемую с помощью каждого из изучаемых методов.
- Делать оптимальный выбор методов для решения поставленных задач.
- Делать заключения на основании анализа и сопоставления всей совокупности имеющихся данных.
Общее число аудиторных часов: 150.
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
Масс-спектрометрия Вращательная спектроскопия Колебательная спектроскопия Электронная спектроскопия в Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) Применение спектроскопии электронного парамагнитного органических свободных * Высшие учебные заведения имеют право перераспределять аудиторные часы между разделами и темами типовой учебной программы Номер раздела, темы, занятия Инструментальные методы исследования, применяемые в химической Альтернативные способы ионизации. Химическая ионизация..Двойная фокусировка. Разрешающая сила масс-спектрометра. Массправильности спектрометрия высокого разрешения. Времяпролетный масс-спектрометр.
Хромато/масс-спектрометры. Основные факторы, влияющие на формирование масс-спектра: потенциалы ионизации, потенциалы появления осколков, характер фрагментации, метастабильные ионы.
Правило Стивенсона-Одье.Таблицы массовых чисел. Перегруппировки, сопровождающие фрагментацию. Влияние изотопного состава исходной молекулы на тонкую структуру масс-спектров (изотопный рисунок) и его Корреляция между молекулярной структурой и масс-спектрами. Области Основы молекулярной спектроскопии Спектроскопические колебательные, электронные состояния, их относительные зеселенности.
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом: поглощение, рассеяние, эмиссия. Условие Бора. Связь различных областей электромагнитного спектра с переходами между энергетическими Вращательные состояния и вращательные спектры двухатомных молекул в Правила отбора. Вращательная постоянная. Вращение многоатомных молекул; классификация молекул по типу волчка (сферический, симметричный, асимметричный). Вращательные состояния и вращательные спектры симметричных волчков (вытянутого и сплюснутого).
Относительные заселенности вращательных состояний и влияние этого параметра на вид вращательного спектра. Получение вращательных Применение вращательной спектроскопии для структурных исследований (определение межатомных расстояний, валентных углов, изотопного состава, дипольных моментов) Колебания двухатомных молекул в приближении гармонического колебательные состояния. Ангармонические колебания. Кривая Морзе.
Постоянная ангармоничности. Квантованные колебательные состояния ангармонического осциллятора. Заселенности колебательных состояний.
Переходы между колебательными состояниями. Правила отбора. Обертоны.
констант ангармоничности, энергий диссоциации) из колебательных спектров двухатомных молекул.
Колебательно вращательные спектры двухатомных молекул.
Колебания многоатомных молекул. Естественные и нормальные координаты.
Нормальные колебания. Форма и симметрия нормальных колебаний.
Понятие об анализе нормальных колебаний.
Вид колебательного спектра многоатомной молекулы (число полос и интенсивность). Симметрия и правила отбора в ИК-спектроскопии.
Составные и разностные частоты. Приближение групповых колебаний, его обоснования. Типы групповых колебаний. Характеристичные групповые частоты. Принципы анализа ИК-спектров на основании приближения групповых колебаний.
Характерные особенности ИК-спектров основных классов органических соединения, галогенпроизводные, спирты, альдегиды и кетоны, карбоновые кислоты, простые с сложные эфиры, амины, амиды, нитрилы, нитросоединения и т.д.). Структурные и сольватационные эффекты в ИКИнструкция к решения задач.
спектроскопии. Ограничения приближения групповых колебаний.
детекторы, монохроматоры, оптические материалы, кюветы, техника приготовления образцов. Техника Фурье-спектроскопии в дальней ИКработе.
области. Техника с использованием явления нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) и ее применение Спектроскопия комбинационного рассеяния. Явление комбинационного и антистоксовы полосы. Источники излучения, оптические материалы, приготовление образцов. Правила отбра в КР-спектроскопии; использование симметрии для предсказания ожидаемого числа полос в спектре. Правило альтернативного запрета. Вид КР-спектра и принципы его анализа.
характеристика возможностей ИК и КР-спектроскопии.
Применение колебательной спектроскопии (идентификация, определение структуры, определение функциональных групп, комплексообразования, внутри- и межмолекулярных взаимодействий, количественный анализ)..
Электронные энергетические состояния молекул, их квантово-механическое молекулами вещества. Диаграмма Яблонского Электронная спектроскопия простых двухатомных молекул, ионов и радикалов. Принцип Франка-Кондона и колебательная структура Абсорбционная спектроскопия в видимой и УФ-областях как метод исследования многоатомных молекул. Симметрия и номенклатура электронных состояний многоатомных молекул. Различные виды классификации электронных переходов. Концепция хромофоров и ауксохромов. Критерии отнесения полос к различным переходам.
Вероятность перехода, правила отбора и интенсивность полос в электронных спектрах. Матричный элемент перехода и сила осциллятора. Использование соображений симметрии в электронной спектроскопии. Нарушения правил отбора, их причины и следствия.
Специфика электронных спектров поглощения различных классов ароматических систем. Эмпирические правила для расчета положения максимумов полос для некоторых классов соединений (спряженные полиены,,-ненасыщенные карбонильные соединения, ароматические карбонильные соединения и ароматические нитрилы).
Пространственные и сольватационные эффекты в электронных спектрах поглощения. Комплексы с переносом заряда. Применение спектров поглощения для качественного, структурного и количественного анализа.
Спектры флуоресценции и фосфоресценции.
Техника и методики спектроскопии поглощения в УФ и видимой области:
аппаратура, оптические материалы, приготовление образцов.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
магнитном поле. Относительная заселенность Зеемановских спиновых состояний. Ларморова прецессия ядерного магнитного момента. Явление ядерного магнитного резонанса и его интерпретация в классической и квантово-механический форме.
спиновая релаксация. Уравнения Блоха. Ширина сигнала в спектрах ЯМР.
Принципиальная схема устройства классического ЯМР-спектрометра с непрерывной разверткой, его основные узлы. Техника и методика проведения эксперимента. Характер образцов, растворители.
Интегрирование сигнала. Условия, необходимые для получения качественных ЯМР-спектров. Современные ЯМР-спектрометры с использованием сверхпроводящих магнитов. Импульсная ЯМРспектроскопия с преобразованием Фурье.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
Протонный магнитный резонанс (ПМР). Химический сдвиг в спектрах ПМР, эквивалентности ядер. Факторы, определяющие величину химического сдвига (локальное диамагнитное и локальное парамагнитное экранирование, влияние анизотропии соседней группы, межатомные кольцевые токи).
Относительный химический сдвиг, его измерение. Эталоны. Использование химического сдвига для идентификации структурных групп спинового взаимодействия. Спиновые системы. Понятие магнитной характерные признаки: мультиплетность сигналов, распределение интенсивностей в спиновых мультиплетах. Спектры высших порядков (на Общие принципы расшифровки спектров ПМР при проведении структурного анализа. Гомотопные, энантиотопные и диастереотопные протоны и их проявление в спектрах ПМР. Характерные особенности спектров ПМР различных классов органических соединений.
Изучение динамических эффектов (протонный обмен, таутомерия, конформационные равновесия) методом ПМР.
Методы двойного резонанса. Применение шифт-реагентов.
Природа химического сдвига в спектрах ЯМР на ядрах 13С и их связь со химических сдвигов в спектрах ЯМР на ядрах 13С. Спин-спиновое взаимодействие в спектрах ЯМР на ядрах 13С. Полная и частичная протонная развязка в ЯМР на ядрах 13С.
Ядерный эффект Оверхаузера и его применение в спектроскопии. ЯМР.
Специальные технические приемы для получения дополнительной спектроскопии ЯМР (спин-эхо, INEPT, DEPT).
Двухмерная (2D) спектроскопия ЯМР. Получение гомоядерных и гетероядерных 2D -спектров с J-корреляцией, а также 2D-спектров с корреляциий по химическому сдвигу (COSY).
резонанса (ЭПР) для изучения органических свободных Объекты, исследуемые методом ЭПР. Принципы спектроскопии ЭПР.
Условие резонанса. Процессы релаксации. Принципиальное устройство g-Фактор и его значение в ЭПР. Сверхтонкое взаимодействие (СТВ) в ЭПР при взаимодействии с магнитными ядрами. Число компонент в мультиплетах, распределение интенсивностей. Константа СТВ и ее связь с электронным строением парамагнитной частицы. Спиновая плотность.
Соотношение Мак-Коннела для органических свободных радикалов.
Примеры использования метода ЭПР.
ИНФОРМАЦИОННАЯ ЧАСТЬ
ЛИТЕРАТУРА
Основная Бахшиев Н.Г.. Введение в молекулярную спектроскопию. Изд.ЛГУ, Л., 1974.Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии, М. Мир, 1985.
Браун Д.. Флойд А.. Сейнсбери М. Спектроскопия органических веществ. М. Мир., 1992.
Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии. М. Мир, 2003.
Герсон Ф. Спектроскопия ЭПР высокого разрешения. М. Мир. 1973.
Гюнтер Х. Введение в курс спектроскопии ЯМР - М. Мир, 1984.
Дероум Э.Современные методы ЯМР для химических исследований. М. Мир, 1992.
Ельяшевич М.А.. Общие вопросы спектроскопии. Комкнига, М..2007.
Ельяшевич М.А.. Атомная и молекулярная спектроскопия: Молекулярная спектроскопия.
Книжный дом Либроком, М.2009.
10. Иоффе Б.В., Костиков Р.Р., Разин В.В. Физические методы определения строения органических соединений - М. ВШ, 1984.
11. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК-, ЯМР-спектроскопии и массспектрометрии в органической химии, М, МГУ, 1977.
12. Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии - М. Бином., 2010.
13. Наканиси К. Инфракрасные спектры и строение органических соединений - М., Мир, 1965.
14. Преч Э., Бюльманн Ф., Аффольтер К. Определение строения органических соединений.. М.
Мир. Бином. 2006.
15. Свердлова О.В. Электронные спектры в органической химии.Л. Химия. 1985.
16. Сергеев Н.М. Спектроскопия ЯМР - М., Мир, 1981.
17. Штерн Э, Тиммонс К. Электронная абсорбционная спектроскопия в органической химии М., Мир, 1974.
18. Breitmaier E., Structure elucidation by NMR in Organic chemistry, J.Wiley &Sons, Chichester Дополнительная 19. Бейнон Дж. Масс-спектрометрия и ее применение в органической химии. М. Мир, 20. Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул -М, ИЛ, 1963.
21. Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР. М. Мир, 1975.
22. Грибов П.А.. Колебания молекул. Книжный дом Либроком, М.2009.
23. Драго Р. Физические методы исследования в химии. М. Мир, 1981, тт.1-2.
24. Ельяшевич М.А.. Атомная спектроскопия. Книжный дом Либроком, М.2009.
25. Мальцев А.А. Молекулярная спектроскопия. М. Изд.МГУ, 1980.
26. Сильверстейн Р. и др. Спектрометрическая идентификация органических соединений - М.
27. Установление структуры органических соединений физическими и химическими методами.
(под ред А. Вайсбергера) т. 1. М. Химия, 1967.
28. Щербина А.Э., Антоневич И.П., Толкач О.А. Органическая химия. Идентификация и системный анализ органических соединений. Минск.. 2005.
«