rp_spektroskopiya_v_idetif.organich

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Институт химии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической работе CГУ,
проф., д.ф.н. Елина Е.Г.
___________________________
"__" __________________20__ г.
Рабочая программа дисциплины
Спектроскопия в идентификации органических веществ
Направление подготовки
020100 – Химия
Профиль подготовки
Органическая и биоорганическая химия
Квалификация выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов,
2011год
1. Цели освоения дисциплины «Спектроскопия в идентификации
органических веществ».
Целями освоения дисциплины «Спектроскопия в идентификации
органических веществ» являются развитие у студентов личностных качеств,
а так же формирование общекультурных и профессиональных компетенций в
соответствии с требованиями ФГОС ВПО по данному направлению
подготовки.
Так, освоение студентами теоретических основ, методических
подходов,
техники
эксперимента,
возможностей
практического
использования ряда спектроскопических методов (электронной и
колебательной спектроскопии, спектроскопии ЯМР 1Н, 13С) и массспектрометрии позволит профессионально, на современном научнотехническом уровне, получить и использовать информацию о молекулярных
характеристиках, химическом и пространственном строении, динимике
превращений изомерных форм, реакционной способности органических
соединений.
2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Спектроскопия в идентификации органических веществ»
входит в вариативную часть математического и естественнонаучного цикла
(Б.2) ООП бакалавриата профиля подготовки: «Органическая и
биоорганическая химия» по направлению подготовки 020100-Химия.
Изучение данного модуля базируется на материале предшествующих
дисциплин, а именно различных разделов курсов «Физика» (механика,
оптика, колебания и волны, электричество и магнетизм, статическая физика),
«Строение вещества, квантовая химия», «Органическая химия»,
«Теоретические основы органической химии». В свою очередь, данная
дисциплина активизирует фундаментальные знания студентов-химиков по
физике, математике, статистике и информатике, способствует более
глубокому пониманию идей квантовой теории строения вещества.
Практические навыки определения структуры органических молекул по
спектральным характеристикам необходимы студентам при выполнении
выпускной квалификационной работы и самостоятельных научных
исследований.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения дисциплины «Спектроскопия в идентификации органических
веществ».
В результате освоения данной дисциплины формируются следующие
компетенции:
- использование основных законов естественно-научных дисциплин
(классической и квантовой механики, химии, оптики, взаимодействия
вещества электромагнитным излучением, потоком заряженных частиц) в
профессиональной деятельности, знакомится с элементами статического
анализа и моделирования, методами теоретического и экспериментального
анализа спектров (ОК-6);
- умение работать с компьютером на уровне пользователя в
профессиональной деятельности (ОК-7);
- владение основными методами, способами и средствами получения,
хранения, переработки информации, в том числе, навыками работы с
компьютером как средством получения и управления информацией (ОК-9);
- способность применять основные законы химии при обсуждений
полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз
данных (ПК-3);
- владение навыками работы на современной учебно-научной аппаратуре при
проведений спектральных экспериментов (ИК-спектрометр ФСМ 1201) (ПК6);
- ознакомление с методиками работы на серийной аппаратуре применяемой в
спектральных исследованиях (ЯМР 1Н, 13С спектрометр Varian MSL-400,
хроматомасс-спектрометр TRACE DSQ (Thermo finnigun)) (ПК-7);
- владение навыками регистрации и обработки спектральных экспериментов
(ПК-8).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать:
- сущность физических и физико-химических явлений, лежащих в основе
методов исследования органических веществ;
- теоретические основы методов ИК, ЯМР 1Н, 13С спектроскопии и массспектрометрии;
- критерии и принципы идентификации органической молекулы по
спектральным характеристикам.
•Уметь:
- идентифицировать органическое соединение известного брутто-состава по
спектральным характеристикам с учетом особенностей тонкой структуры
альтернативного, химического и пространственного строения.
•Владеть:
- основами методики и техники спектрального эксперимента, методами
получения и обработки спектральной информации.
4. Структура и содержание дисциплины «Спектроскопия в
идентификации органических веществ»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц (216
часов).
4.1. Структура дисциплины «Спектроскопия в идентификации органических
веществ»
№
п/
п
1
1
2
3
4
5
Раздел дисциплины
Сем
естр
Нед
еля
семе
стра
Виды учебной работы,
включая
самостоятельную работу
студентов и
трудоемкость (в часах)
Лекции
Лаб
орат
.
раб.
СРС
Всего
Формы
текущего
контроля
успеваемости
(по неделям
семестра)
Формы
промежуточно
й аттестации
(по семестрам)
9
Коллоквиум (2).
2
1.Молекулярная
оптическая
спектроскопия.
Значение спектральных методов
в исследовании органических
соединений.
Теоретические
основы
оптической
спектроскопии.
Условия
наблюдения
спектров
поглощения.
2.Электронные спектры
поглощения
органических
молекул. Основные положения
теории электронных спектров.
Основные типы хромофоров.
Электронные
спектры
отдельных классов соединений,
идентификация
по
УФ
спектрам.
Техника
записи
спектров.
3.Колебательная
спектроскопия.
Основные
положения
теории
колебательных
спектров.
Колебательные
модели,
основные
виды
колебаний,
факторы,
влияющие
на
положение полос в ИК спектре.
Спектральная
аппаратура.
Получение ИК спектров и их
идентификация.
4. Спектроскопия ЯМР.
3
6
4
1,2
5
4
6
12
7
2
8
10
6
3-5
6
18
6
28
Программиров.
отчет (5).
6
6-9
8
24
8
40
Программиров.
отчет
(8).
Контрольная
работа (9).
4.1. Основы теории
ЯМР 1Н спектров. Основное
6
1012
6
18
10
46
Программиров.
отчет
(11).
Контрольная
работа (12).
уравнение ЯМР, магнитное
экранирование
ядер,
химический
сдвиг,
спинспиновое
взаимодействия
6
7
8
протонов. Анализ спиновых
систем. Эксперимент ЯМР.
Расшифровка ЯМР 1Н спектров
первого и второго порядка.
4.2. Спектроскопия ЯМР
13С. Особенности спектроскпии
на ядрах 13С, методы развязки от
протонов.
Аналитические
критерии спектров ЯМР 13С.
Структурный
анализ
органических
молекул
по
13
спектрам ЯМР С.
5.
Комплексная
идентификация органических
соединений по данным ИК,
1Н,
13С
УФ
и
ЯМР
спектроскопии.
6.
Масс-спектроскопия
органических
соединений.
Теоретические основы метода.
Основы
закономерности
фрагментации
молекулярных
ионов. Техника эксперимента.
Примеры расшифровки массспектров.
Промежуточная аттестация.
Итого: часов (зачетных единиц
трудоемкости)
6
13,
14
4
12
6
28
6
15
2
6
-
6
6
1618
6
18
4
22
6
18
36
108
36
216
Коллоквиум
(14).
Коллоквиум
(18).
Экзамен.
36
Лабораторные работы
Лекционный курс «Спектроскопия в идентификации органических
веществ» сопровождается проведением лабораторных работ, целью которых
является закрепление теоретических знаний и овладение современными
спектральными методами исследования химического и пространственного
строения органических соединений.
Работа обучающихся при проведении лабораторных работ реализуется
по тематике основных разделов изучаемой дисциплины в виде решения задач
индивидуального и коллективного характера, выполнения работ. Для
успешного выполнения учебного плана студенты активно работают с
периодической литературой, используют Интернет, привлекаются
физические методы исследования для установления структуры органических
соединений (УФ-, ИК-, ЯМР-спектроскопия и др.), полученных в результате
научного исследования.
Темы лабораторных работ соответствует темам разделов
рассматриваемых в лекционном курсе.
Перечень лабораторных работ
Знакомство с устройством и правилами эксплуатации спектральных
приборов (ИК спектрометр Фурье ФСМ, ЯМР спектрометр Varian 400).
2. Определение характеристик поглотительной способности вещества по
спектрам поглощения в оптическом диапазоне.
3. Проверка закона Бугера-Ламберта-Бера.
4. Изучение кето-енольной таутомерии ацетилацетона методами
оптической спектроскопии.
5. Определение концентрации органического вещества по оптической
плотности раствора.
6. Изучение методики и техники введения вещества в ИК-спектрометр
(капиллярный слой, таблетирование с KBr).
7. Определение функционального состава органического вещества по ИКспектру.
8. Изучение водородной связи методом ИК-спектроскопии.
9. Определение типа замещения в ароматическом кольце по анализу
деформационных колебаний.
10. Запись и интерпретация спектра ЯМР1Н этилбензола.
11. Определение константы спин-спинового взаимодействия по спектру
ЯМР1Н.
1.
4.2 Содержание учебной дисциплины
идентификации органических веществ»
«Спектроскопия
в
Раздел
1. Молекулярная оптическая спектроскопия. Значение
физических
методов в исследовании органических
соединении. Теоретические основы молекулярной оптической
спектроскопии.
Раздел 2. Электронные спектры поглощения органических молекул.
2.1. Основные
положения теории электронных спектров.
Классификация электронных переходов. Симметрия электронных состояний.
Характеристика положения и интенсивности полос поглощения.
2.2. Основные типы хромофоров. Соединения, содержащие
изолированные двойные и тройные связи: С=С, С=О, С=С, C=N, C=S, C=N,
N=N, N=O, NO2, O-NO2. Хромофоры и ауксохромы, сопряженные
хромофоры. Правила Вудворда для алкилзамещенных диенов, полиенов,
непредельных альдегидов, кетонов и кислот.
2.3. Электронные спектры отдельных классов органических
соединений. Прозрачные соединения. Насыщенные углеводороды и их
производные. Спектры поглощения бензола и
его производных, их
зависимость от характера замещения в кольце. Поглощение ароматических,
пяти- и шестичленных гетероциклических соединений.
2.4. Техника записи спектров. Растворители, влияние их природы на
спектр растворенного вещества. Приборы, используемые в УФспектроскопии.
2.5. Электронные спектры в идентификации и определении структуры
органических соединений. УФ-спектроскопия в качественном и
количественном анализе. Применение электронных спектров при
исследовании химических превращений, таутомерного, кислотно-основного
равновесий, комплексообразования.
Раздел 3. Колебательная спектроскопия органических молекул.
3.1. Природа колебательных спектров. Инфракрасные спектры и
спектры комбинационного рассеяния света органических молекул,
сииметрия молекулы и правила отбора. Альтернативный запрет. Нормальные
колебания. Составные
частоты,
обертоны
и
резонанс
Ферми.
Характеристические групповые частоты.
3.2. Колебательные спектры и строение органических молекул.
Алканы. Характеристичность по частоте и форме колебаний С-Н связи.
Алкены. Характеристичность колебаний, зависимость положений полос
валентных и деформационных колебаний от геометрии молекулы, характера
замещения при двойной связи. Колебательные спектры ацетиленовых,
ароматических и гетероциклических соединений. Вещества, содержащие
гидроксильную группу. Водородные связи. Внутри- и межмолекулярные
взаимодействия, их проявления в РЖ-спектрах. Поглощение карбонильной
группы в альдегидах, кетонах, кислотах и их производных. Поглощение
аминогруппы. Валентные и деформационные колебания NH-, свободные и
связанные аминогруппы. Аммонийные, амидные полосы.
3.3. Факторы, влияющие на смещение полос в ИК-спектрах.
Мезомерный и индуктивный эффекты, изменение массы заместителя,
изотопный
эффект,
агрегатное
состояние,
молекулярные
и
внутримолекулярные
взаимодействия.
Приборы,
используемые
в
колебательной спектроскопии. Техника записи спектров.
3.4. Применение колебательной спектроскопии для идентификации
органических соединений в целях структурного, качественного и
количественного анализа.
Раздел 4. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса в
исследовании органических соединений. Метод ЯМР в ряду других
физических методов.
4.1. Основные положения теории спектров ЯМР. Магнитный момент
ядер. Уровни энергии, условия резонансного поглощения энергии.
4.2. Метод ПМР. Магнитное экранирование ядер электронами.
Химический сдвиг, единицы химического сдвига: шкала с и шкала т.
Химические
сдвиги
алифатических,
этиленовых,
ацетиленовых,
ароматических и альдегидных протонов. Изменение химических сдвигов в
результате электронного влияния заместителей. Диамагнитная анизотропия.
Константа экранирования и аддитивная схемы для расчета химических
сдвигов. Интегральная интенсивность. Природа тонкого расщепления линий.
Мультиплетность спектров. Константа спин-спинового взаимодействия и ее
значение для для изучения конфигураций и конформаций органических
соединений. Классификация спиновых систем. Спектры первого порядка.
4.3. Анализ спектров ПМР второго порядка. Методы, используемые
для упрощения спектров высшего порядка: изменение рабочей частоты
прибора, дейтерирование, замена растворителя, применение сдвигающих
реагентов. Пример расшифровки спектра второго порядка.
4.4. Спектропия ЯМР 13С. Особенности метода. Накопление сигналов.
Импульсная Фурье-спектроскопия. Химический сдвиг, диапазон, эталоны.
Спин-спиновое взаимодействие 13С - 1Н. Константы ССВ. Способы
повышения чувствительности метода. Развязка от протонов. Полная и
селективная спиновая развязка. Ядерный эффект Оверхаузера.
Спектроскопия ЯМР 13С - {1Н}. Аддитивные схемы в спектрах ЯМР 13С.
Пространственные эффекты, а, в, у-эффекты. у-Эффект в гетероциклических
соединениях. Число сигналов и симметрия молекулы.
4.5. Использование спектров ЯМР в органической химии для
определения структуры органических соединений в качественном и
количественном анализе, в исследовании обменных процессов.
Раздел 5. Комплексная идентификация органических
соединений по данным ИК, УФ, ЯМР 1Н, 13С спектроскопии.
Принципы и алгоритм расшифровки спектров. Примеры
использования.
Раздел 6. Масс-спектрометрия.
6.1 Теоретические основы метода. Процессы, происходящие
при ионизации органической молекулы.
6.2 Основные закономерности фрагментации молекулярных ионов
предельных,
непредельных,
алициклических,
ароматичесских
углевородоров, аминов, спиртов, карбонильных соединений, кислот и их
производных, гетероциклических соединений.
6.3 Использование
масс-спектров
для
идентификации
органических соединений,
определения
молекулярной
массы,
выявления типа молекулярного иона, изучения перегруппировок.
5. Образовательные технологии
В целях повышения эффективности усвоения учебного материала,
усиления мотивации дидактической составляющей учебного процесса в
рамках данного модуля используются активные и интерактивные формы
проведения занятий. Так, наряду с традиционными видами учебной работы
по данной дисциплине (лекции, консультации, лабораторные занятия,
коллоквиумы, индивидуальные отчеты) предусматривается проведение
ролевой игры, сценарий которой предполагает моделирование деловой
ситуации по установлению структуры сложнопостроенного органического
соединения на основе спектральных данных. Формированию научного
мышления и развитию профессиональных навыков студентов способствует
внеаудиторная самостоятельная работа по решению спектральных задач,
возникших у студентов в ходе выполнения ими собственных научных
исследований.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Виды самостоятельной работы обучающихся.
1.
Работа с электронным или печатным изданием «Атлас спектров
органических
и
гетероорганических
соединений».
Сопоставление
спектральных характеристик с химической и пространственной структурой
органических молекул. Установление корреляций и закономерностей
структура-вещество (Определение строения карбо- и гетероциклических
соединений спектральными методами / Авт.колл., - Саратов, ИЦ «Наука»,
2010.-234с.)
2. Работа с изданием «Сборник задач по курсу «Масс-спектрометрия в
органической химии». Анализ расшифровки масс-спектров модельных
органических соединений. Самостоятельное решение масс-спектральной
задачи по выбор у студента. (Сборник задач по курсу «Масс-спектрометрия в
органической химии». Под ред. И.Н. Клочковой. - Саратов, ИЦ «Наука»,
2009,-60с.)
3. Выявление характеристических полос поглощения, сигналов и других
спектральных характеристик новых органических соединений, полученных
студентом в ходе выполнения научной работы.
Контроль за выполнением самостоятельной работы студента
осуществляется в форме коллоквиумов с предоставлением и анализом
спектральных данных (14, 18 недели).
Виды текущего контроля
1. Темы контрольных работ:
1.1 Молекулярная оптическая спектроскопия в исследовании
органических молекул.
1.2 ЯМР спектроскопия в структурном анализе органических
соединений.
2. Программированный экспресс-контроль по темам:
2.1 УФ спектроскопия.
2.2 ИК спектроскопия.
2.3 ЯМР 1Н спектроскопия.
3. Программированный контроль занятий на тему: «Введение в технику и
методы оптической спектроскопии».
Промежуточная аттестация по итогам освоения дисциплины – экзамен.
7.
Учебно-методическое
и
информационное
обеспечение
дисциплины «Спектроскопия в идентификации органических веществ».
а) основная литература:
1. Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. М.:
«Мир», 2009. 688 с.
2. Пентин Ю.А., Курамшина Г.М. основы молекулярной спектроскопии. М.:
«Мир» БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. 400 с.
3. Вершинин В.И., Дерендяев В.Г., Лебедев К.С. Компьютерная
идентификация органических соединений: М.: Академкнига, 2002. 197с.
4. Лебедев А.Т. Масс-спектроскопия в органической химии. М.: Бином,
2003. 494 с.
б) дополнительная литература:
1. Прэч Э., Бюльманн Ф., Аффольмер К. Определение строения
органических соединений. М.: «Мир», 2006. 440 с.
2. Определение строения карбо- и гетероциклических соединений
спектральными методами/Авт.колл. Саратов: ИЦ «Наука», 2010. 234 с.
3. Сборник задач по курсу «Масс-спектрометрия в органической химии» /
под ред. И.Н. Клочковой. Саратов: ИЦ «Наука», 2009. 60с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1. Обучающе-контролирующая программа «Введение в технику и методы
оптической спектроскопии».
2. Программа экспресс-контроля по темам:
УФ спектроскопия;
ИК спектроскопия;
ЯМР 1Н спектроскопия.
3. Электронный атлас спектров органических и гетероциклических
соединений.
www.sgu.ru.
8.Материально-техническое
обеспечение
дисциплины
«Спектроскопия в идентификации органических веществ».
1. Спектральные приборы (ИК спектрометр Фурье ФСМ, ЯМР
спектрометр Varian 400).
2. Пресс для таблетирования образцов ИКС.
3. Мультимедийный проектор и ноутбук.
4. Проектор Оверхэд.
5. Персональные компьютеры.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю
подготовки 020100 - Химия.
Автор: д.х.н., проф. Клочкова И.Н.
Программа одобрена на заседании кафедры органической и биоорганической
химии
от 18.03.2011 года, протокол № 7
Подписи:
Зав. кафедрой органической
и биоорганической химии
проф. Федотова О.В.
Директор Института химии СГУ
проф. Федотова О.В.