ОПД.Ф.9-УМКДфизические метод исследования. Лекции 48 (час.) практические занятия 16 час семинарские занятия 0 час лабораторные работы 0 час

• Название: Лекции 48 (час.) практические занятия 16 час семинарские занятия 0 час лабораторные работы 0 час
• Дата: 04.04.2023
• Размер: 2.4 Mb.
• Имя файла: ОПД.Ф.9-УМКДфизические метод исследования.docx
• Тип: Лекции; #1037360
• страница: 2 из 5

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (РПУД)

Физические методы исследования

Специальность —020101.65 - Химия

Форма подготовки - очная

кола естественных наук ДВФУ

кафедра биоорганической химии

и биотехнологии

курс ___3____ семестр ____6____

лекции _48__ (час.)

практические занятия___16____час.

семинарские занятия____0____час.

лабораторные работы__0_____час.

контрольные работы (количество) не предусмотрены

зачет ____6______ семестр

экзамен__________семестр

• 
  Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования II поколения (№ ГОС. РЕГ 127 ЕН/СП от «_10_»__марта__2000 г.);
  
• 
  
  

Рабочая программа дисциплины обсуждена на заседании кафедры органической химии, протокол № 637 (9/11) от «24» июня 2011г.

Заведующая кафедрой: д.х.н., профессор Т.И. Акимова

Составитель : к.х.н., доцент, О.Ю. Слабко

Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:

Протокол от «__27___» ___сентября______________ 2012 г. № __652(1/13)

Заведующий кафедрой _______________________ ___Акимова Т.И._______________

(подпись) (и.о. фамилия)
Внесены изменения в список литературы.

II. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:

Протокол от «_____» _________________ 200 г. № ______

Заведующий кафедрой _______________________ __________________

(подпись) (и.о. фамилия)

Аннотация

Дисциплина «Физические методы исследования» относится к разделу Ф.9 –Профессионального цикла ОПД.

В университетской подготовке химиков одной из важнейших задач яв-ляется обучение проведению научных исследований в различных направле-ниях их специализации. Уровень исследований и ценность получаемых ре-зультатов непосредственно связаны с правильностью выбора и применением комплекса современных физических методов, которые могут помочь при ре-шении поставленных перед исследователем химических и физико-химических проблем.

Цель: формирование у студентов профессиональных научно-исследовательских навыков по использованию современных спектральных методов для установления строения и идентификации органических соединений, а также приобретения практических навыков использования основных физических методов для установления строения органических соединений.

Наибольшее внимание в курсе «Физические методы исследования» уделено широко используемым методам ЯМР-, ИК- и УФ-спектроскопиии, масс-спектрометриии.

Задачи:

1. 
   Дать студенту понимание принципиальных основ, практических возможностей и ограничений важнейших для химиков физических методов исследования;
   
2. 
   Ознакомить студентов с аппаратурным оснащением и условиями проведения эксперимента;
   
3. 
   Научить студентов интерпретировать и грамотно оценивать экспериментальные данные, в том числе публикуемые в научной литературе;
   
4. 
   Научить студентов оптимальному выбору методов для решения поставленных задач и делать заключения на основании анализа и сопоставления всей совокупности имеющихся данных.
   

На лекциях студентам даются базовые знания по основам метода, разбираются наиболее распространенные методики анализа, даются основные подходы для интерпретации спектральных данных. Во время семинарских занятий студенты разбирают типовые задачи различной сложности, учатся определять по имеющимся спектральным данным строение органических соединений.

Курсу «Физические методы исследования» предшествуют необходимые для его понимания курсы: “Физика”, “Квантовая химия и квантовая механика”, “Физическая химия”, “Органическая химия”, “Неорганическая химия”, “Кристаллохимия”.

Знания, полученные в курсе используются в научно-исследовательской работе, а также при изучении ряда специальных дисциплин, например таких как: «Механизмы органических реакций», «Стереохимия», «Органический синтез», «Координационные соединения», «Химия элементорганических соединений» и др.

• 
  Студенты, завершившие изучение данной дисциплины, должны:
  

знать:

• 
  базовую терминологию, относящуюся к физико-химическим методам исследования,
  

классификацию методов;

• 
  основные понятия и законы, лежащие в основе различных методов
  

уметь:

• 
  продемонстрировать связь между различными физико-химическими методами исследования, структурой и свойствами веществ;
  
• 
  осуществить выбор соответствующего физико-химического метода исследования в зависимости от структуры вещества и поставленной задачи;
  
• 
  использовать закономерности физико-химических процессов и физико-химические методы исследования при выполнении курсовых и дипломных работ и интерпретации экспериментальных данных.
  

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

• 
  иметь представление об устройстве и принципах работы приборов для физико-химического анализа;
  
• 
  иметь представление о физико-химических основах метода, причинах возникновения и формах проявления регистрируемого явления;
  
• 
  знать основы и способы подготовки анализируемого образца для каждого метода;
  
• 
  знать о том, как проявляются и отличаются в спектральном плане различные структурные группировки молекулы;
  
• 
  знать основные методики физико-химических методов;
  
• 
  уметь проверять на предмет соответствия структуру и имеющиеся спектральные данные;
  
• 
  уметь определять по спектральным данным функциональные группировки и заместители, входящие в состав молекулы;
  
• 
  уметь определять по характеристичным линиям состав смеси;
  
• 
  уметь пользоваться справочными данными и базами данных, включая базы данных в сети Интернет, для анализа и интерпретации спектральных данных;
  
• 
  быть способным составить план физико-химического анализа, однозначно подтверждающего структуру органического соединения.
  

1. 
   СТРУКТУРА И содержание теоретической части курса
   

Модуль 1. Введение. Обзор физических методов исследования. Метод ядерного магнитного резонанса.

Раздел I. Введение. Обзор важнейших физметодов исследования (4 час.)

История развития методов исследования вещества. Методы определения физических свойств. Общая характеристика и классификация методов. Спектроскопические методы анализа органических соединений. Основное уравнение Планка. Области электромагнитного излучения, соответствующие отдельным видам спектроскопии. Преимущества физических методов перед химическими. Методы определения электрических дипольных моментов молекул. Обзор некоторых физических методов: ядерный гамма-резонанс, рентгено-структурный анализ, методы оптической спектроскопии (электронная, колебательная, комбинационного рассеяния), микроволновая спектроскопия, масс-спектрометрия, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, спектроскопия электронного парамагнитного резонанса. , Теоретические основы масс-спектрометрических и спектроскопических методов. Магнето-химические и электрооптические методы, резонансные методы.

Раздел II. Ядерный магнитный резонанс. Теоретические основы. (6 час.).

Место ЯМР среди других физических методов исследования органических соединений. Области применения. История метода. Приборы и оборудование. Магнит, датчик, ампулы. Блок-схема спектрометра ЯМР. Эксперимент. Пробоподготовка. Дейтерорастворители.

Теоретические основы ЯМР. Основы теории ЯМР-спектроскопии, спиновое

состояние ядер, поведение магнитного момента во внешнем магнитном поле. Магнитные свойства ядер. Эффект Зеемана. Уравнение резонанса. Резонанс в макроскопическом объеме. Случай непопадения в резонанс. Ситуация нескольких магнитных моментов. Спиновое эхо. Уравнение Блоха. Спектр. Продольная релаксация. Поперечная релаксация. Время релаксации. Механизмы релаксации. Скалярное взаимодействие. Инвариантность мультиплетности. Номенклатура спиновых систем. Двухспиновые системы АВ и АХ. Скалярное взаимодействие с квадрупольными ядрами. Ядерный эффект Оверхаузера.

Раздел III. Ядерный магнитный резонанс. Особенности эксперимента ЯМР (8 час.).

Временное и частотное представление спектра. Принципы импульсной ЯМР-спектроскопии с Фурье-преобразованием. Спад свободной индукции (ССИ). Оцифровкасигнала. Частота сигнала. Цифровое разрешение. Динамический диапазон АЦП.

Соотношение сигнал/шум. Операции с ССИ. Аподизация. Линейное предсказание. Дополнение нулями. Методология обработки спектра. Понятие об основных параметрах: химический сдвиг, единицы измерения хим. сдвигов, константы спин-спинового взаимодействия (КССВ). Интенсивность сигналов. Внутренние и внешние стандарты.

Факторы, определяющие хим. сдвиги: а) Влияние электронной плотности на ядре, б) влияние электронной плотности на соседних атомах в) магнитная анизотропия атомов и групп, г) влияние водородных связей, д) эффекты растворителя. Спектр. Информация, содержащаяся в файлах, полученных на приборах фирмы Bruker.

Раздел IV. Ядерный магнитный резонанс. Спектроскопия ЯМР на ядрах 1H, 13C, 19F и др (12 час.).

Ядра 1H. Характеристики ядра. Диапазон хим. сдвигов. Стандарты. Характерныедиапазоны химсдвигов основных классов органических соединений. Таблицы хим.сдвигов. Эмпирические константы заместителей. Аддитивные схемы расчета хим. сдвиговалифатических соединений, олефинов, замещенных бензолов. Спин-спиновоевзаимодействие и химическое строение: а) геминальные КССВ, б) вицинальные КССВ, в)дальние КССВ. Уравнение Карплуса. Химическая и магнитная эквивалентность ядер.Уточнение параметров спектра. Симуляция. Экспериментальные методы спектроскопии1H-ЯМР. Специальные экспериментальные методы в спектроскопии ЯМР. Методыупрощения спектров, подавление, преднасыщение, двойной резонанс, сдвигающиереагенты (шифт-реагенты). Проблемы исследования конформаций. Обменные процессы в

спектрах ЯМР: а) внутренняя динамика органических молекул, б) межмолекулярные обменные процессы. Проблемы получения и регистрации спектров.

Ядра 13C. Характеристики ядра. Диапазон хим. сдвигов. Стандарты. Характерные диапазоны химсдвигов основных классов органических соединений. Таблицы хим. сдвигов. Эмпирические константы заместителей. Аддитивные схемы расчета хим. сдвигов замещенных бензолов. Константы спин-спинового взаимодействия. Экспериментальные методы спектроскопии 13C-ЯМР. Ядерный эффект Оверхаузера. 1D. Спектр 13С с подавлением ССВ по протонам Broad Band (BB). Спектр 13С с частичным подавлением ССВ по протонам (Off-resonance). Спектр 13С без подавления ССВ. Спектр 13С J-

модулированного спинового эхо (JMOD). С-H корреляция на ближних КССВ. С-H корреляция на дальних КССВ. Инверсная спектроскопия. С-С корреляции.

Модуль 2. Масс-спектрометрия и хромато-масс-спектрометрия высокого разрешения

Раздел I. Введение. Обзор важнейших разновидностей использования метода масс-спектрометрии. Теория метода (4 час.).

Введение. Краткие сведения о масс-спектрометрии. Образование и вид масс-спектра. Молекулярные ионы, многозарядные иметастабильные ионы. Элементный состав ионов. Принципиальная схема масс-спектрометра. Системы напуска: холодный ввод, горячий ввод, прямой ввод. Хромато-масс-спектрометрия. Методы ионизации: электронная ионизация, фотоионизация,

ионизация полем, полевая десорбция, химическая ионизация, электроспрей, лазерная десорбция, химическая ионизация при атмосферном давлении. Разделение ионов: электрический, магнитный, квадрупольный, времяпролетный анализаторы, ионная ловушка. Масс-спектрометры с двойной фокусировкой. Основные характеристики масс-спектрометра: разрешающая способность, массовая область, способ развертки масс-спектра. Способы регистрации и представления масс-спектров.

Энергетическое состояние ионов, образующихся при ионизации. Принцип Франка-Кондона, адиабатический потенциал ионизации. Основное и электронно-возбужденные состояния молекулярного иона. Процессы перегруппировки в масс-спектрометрии.

Влияние различных методов ввода и ионизации на вид масс-спектра. Модификация масс-спектра. Способы повышения летучести соединений.

Метод хромато-масс-спектрометрии. Стыковка масс-спектрометра с хроматографом. Информация, получаемая в методе хромато-масс-спектрометрии.

Современное состояние методов масс-спектрометрии и хромато-масс-

спектрометрии.

Раздел II. Обработка и анализ масс-спектра (6 час.).

Расшифровка масс-спектров. Стабильные изотопы и вычисление интенсивностейизотопных пиков. Определение молекулярного веса и элементного состава соединения помасс-спектру низкого разрешения. Определение элементного состава по масс-спектрунизкого и высокого разрешения. Формальная ненасыщенность.

Применение масс-спектрометрии для решения структурных задач органической химии. Функциональные группы, характеристические потери и пики. Анализ масс-спектров с помощью ЭВМ. Методы определения содержания изотопной метки в соединениях, меченых стабильными изотопами.

Модуль 3. Методы оптической спектроскопии и комплексное использование физических методов анализа.

Раздел I. Инфракрасная спектроскопия. (4 час.).

Введение. Молекулярная спектроскопия. Методы колебательной и вращательной спектроскопии.Уровни энергии и переходы между ними. Шкала электромагнитных волн и диапазоны спектральных методов. Длина волны, частота, волновое число, интенсивность. Спектр. Форма линии. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

Инфракрасные спектры. История метода. Приборы. Источники и приемники ИК излучения. Материалы, используемые в ИК-области спектра. Блок-схема и принцип работы двухлучевого спектрофотометра. Техника приготовления образцов для анализа. Растворители. Физические основы метода. Инфракрасные спектры двухатомных молекул.

Интенсивность поглощения. Правила отбора. Форма инфракрасных полос поглощения. Колебание многоатомных молекул. Нормальные колебания нелинейных и линейных молекул. Валентные колебания, деформационные колебания, обертоны и комбинационные полосы. Резонанс Ферми.

Характеристичность частот в колебательных спектрах молекул. Область функциональных групп и область “отпечатков пальцев”. Применение ИК-спектров для идентификации органических соединений. Атласы и каталоги инфракрасных спектров. Структурный анализ по характеристическим частотам. Корреляционные диаграммы характеристических частот. Межмолекулярные эффекты и характеристические частоты групп. Влияние растворителя и концентрации. Влияние растворителя и концентрации. Влияние внутримолекулярных факторов на характеристические частоты групп: напряжение цикла и стерические эффекты, электронные эффекты и сопряжение, дипольное и трансаннулярное взаимодействие (эффект поля), внутримолекулярная

водородная связь (ВС). Различие внутри- и межмолекулярной ВС. Влияние ВС на полосы поглощения группы донора и группы акцептора протона. Оценка энергии ВС.

Особенности ИК-спектров важнейших классов органических соединений. Спирты, амины, парафины и циклопарафины, олефины, ацетилены, ароматические углеводороды, простые эфиры, карбоновые кислоты и сложные эфиры, нитрилы, нитросоединения, кетоны, альдегиды и т.д.

Качественный и количественный анализ смеси органических веществ по ИК-

спектрам. Использование закона Ламберта-Бера для многокомпонентных растворов. Количественный анализ способом эталонов. Способ калибровочной кривой. Метод разностных спектров.

Раздел II. Спектроскопия комбинационного рассеяния (2 час.).

Спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС). Природа явления. Аппаратура для получения спектров КРС. Интенсивность полос в спектрах КРС. Сравнительная характеристика ИК- и КРС-спектров.

Знакомство с корреляционными таблицами частот в колебательных спектрах и их приложением к интерпретации спектров. Решение задач по интерпретации: ИК-спектров с помощью корреляционных таблиц.

Решение индивидуальных задач по интерпретации ИК-спектров. Установление строения неизвестных соединений по их ИК-спектрам.

Раздел III. Электронная спектроскопия (6 час.).

Методы электронной спектроскопии.Электронные уровни энергии органических соединений. Особенности ультрафиолетовых и видимых спектров поглощения. Принципиальная схема

спектрофотометра и приготовление образца. Поглощение органических соединений. Понятие о хромофоре и ауксохроме.

Классификация электронных состояний и переходов. Типы полос поглощения. Влияние растворителя: положительная и отрицательная сольватохромия. Поглощение ауксохромных групп и простых хромофорных групп. Сопряженные хромофоры: диены, α,β-ненасыщенные карбонильные соединения, полиины и др. Правила Вудворда-Физера. Бензоидные и гетероароматические соединения. Пространственные внутри- и межмолекулярные эффекты в электронных спектрах. Основные типы задач, решаемых с помощью УФ-спектроскопии для установления строения молекул. Количественный анализ по электронным спектрам поглощения.

Раздел IV. Комплексное использование физико-химических методов анализа (2 час.).

Использование данных различных физико-химических методов для определения состава и строения соединений. Разработка методики физико-химического анализа, позволяющего однозначно охарактеризовать соединение с предполагаемой структурой. Анализ состава многокомпонентной системы. Геометрия молекул и веществ.

2. 
   СТРУКТУРА И содержание практической части курса