現(xiàn)代儀器在有機(jī)合成中的應(yīng)用

1、專業(yè)：有機(jī)化學(xué)專業(yè)：有機(jī)化學(xué)主講：主講：組員：組員：自自18281828年德國科學(xué)家年德國科學(xué)家 Wohler Wohler 首次合成了尿素后，有首次合成了尿素后，有機(jī)合成就成了一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域。迄今，已經(jīng)合成機(jī)合成就成了一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域。迄今，已經(jīng)合成出了幾千萬中的有機(jī)化合物，并應(yīng)用于生活的方方面面。出了幾千萬中的有機(jī)化合物，并應(yīng)用于生活的方方面面。設(shè)計(jì)合成路線設(shè)計(jì)合成路線（關(guān)鍵）合成目標(biāo)化合物合成目標(biāo)化合物結(jié)構(gòu)正確，大量合成結(jié)構(gòu)正確，大量合成結(jié)構(gòu)不正確結(jié)構(gòu)不正確（反思）明確目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)明確目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)（思路）有機(jī)合成的一般過程結(jié)構(gòu)鑒定，性結(jié)構(gòu)鑒定，性質(zhì)和功能測(cè)定。質(zhì)和功

2、能測(cè)定。 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)表征（即測(cè)定）有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)表征（即測(cè)定）-從分子水平認(rèn)識(shí)物質(zhì)的基本手段，是有機(jī)從分子水平認(rèn)識(shí)物質(zhì)的基本手段，是有機(jī)化學(xué)的重要組成部分?；瘜W(xué)的重要組成部分。 過去主要依靠過去主要依靠化學(xué)方法化學(xué)方法進(jìn)行有機(jī)化合進(jìn)行有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)測(cè)定。物的結(jié)構(gòu)測(cè)定。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢、：費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢、需要樣品量大且信息量是有限，結(jié)論不一定需要樣品量大且信息量是有限，結(jié)論不一定正確。正確。 例如：鴉片中嗎啡堿結(jié)構(gòu)的測(cè)定，例如：鴉片中嗎啡堿結(jié)構(gòu)的測(cè)定，從從18051805年開始研究，直到年開始研究，直到19521952年才完全闡明，年才完全闡明，歷時(shí)歷時(shí)147147年年。

3、有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定 現(xiàn)代主要用現(xiàn)代主要用儀器分析法儀器分析法對(duì)有機(jī)化合物進(jìn)對(duì)有機(jī)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和測(cè)定行結(jié)構(gòu)分析和測(cè)定-波普分析波普分析。 波譜分析方法主要是波譜分析方法主要是以光學(xué)理論為基礎(chǔ)以光學(xué)理論為基礎(chǔ)，以物，以物質(zhì)與光相互作用為條件，建立物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與電磁輻質(zhì)與光相互作用為條件，建立物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與電磁輻射之間的相互關(guān)系。從而進(jìn)行物質(zhì)分子幾何異構(gòu)、立射之間的相互關(guān)系。從而進(jìn)行物質(zhì)分子幾何異構(gòu)、立體異構(gòu)、構(gòu)象異構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)的分析和鑒定。體異構(gòu)、構(gòu)象異構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)的分析和鑒定。波普分波普分析已經(jīng)成為現(xiàn)代進(jìn)行物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)分析和鑒定的主要析已經(jīng)成為現(xiàn)代進(jìn)行物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)分析

4、和鑒定的主要方法之一方法之一。隨著科技的發(fā)展，技術(shù)的革新和計(jì)算機(jī)的。隨著科技的發(fā)展，技術(shù)的革新和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，波譜分析也得到迅速發(fā)展。波普分析具有優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用，波譜分析也得到迅速發(fā)展。波普分析具有優(yōu)點(diǎn)突出，廣泛應(yīng)用等特點(diǎn)，是諸多科研和生產(chǎn)領(lǐng)域不可突出，廣泛應(yīng)用等特點(diǎn)，是諸多科研和生產(chǎn)領(lǐng)域不可或缺的工具。隨著科技發(fā)展和分析要求的不斷提高，或缺的工具。隨著科技發(fā)展和分析要求的不斷提高，使得科研工作者對(duì)波譜分析法也在不斷創(chuàng)新。使得科研工作者對(duì)波譜分析法也在不斷創(chuàng)新。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：省時(shí)、省力、快速、靈敏、準(zhǔn)確、重：省時(shí)、省力、快速、靈敏、準(zhǔn)確、重現(xiàn)好、現(xiàn)好、樣品用量是微克級(jí)的，甚至更少樣品用量是微克級(jí)的，甚

5、至更少。它不僅可。它不僅可以研究分子的結(jié)構(gòu)，而且還能探索到分子間各種集以研究分子的結(jié)構(gòu)，而且還能探索到分子間各種集聚態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)型和構(gòu)想的狀況，對(duì)人類所面臨的生命聚態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)型和構(gòu)想的狀況，對(duì)人類所面臨的生命科學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展，是極其重要的。科學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展，是極其重要的。 嗎啡堿嗎啡堿 NMR NMR譜圖可譜圖可提供有機(jī)分子中氫和碳以及由它提供有機(jī)分子中氫和碳以及由它們構(gòu)成的官能團(tuán)、結(jié)構(gòu)單元和它們彼此的連接們構(gòu)成的官能團(tuán)、結(jié)構(gòu)單元和它們彼此的連接方式和順序的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)信息方式和順序的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)信息，堪稱定性剖析中，堪稱定性剖析中分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)的“總裝配師總裝配師”。在。在NMRNMR譜圖中的

6、每個(gè)譜圖中的每個(gè)峰都可找到而且必須找到確切的歸屬。對(duì)于一峰都可找到而且必須找到確切的歸屬。對(duì)于一個(gè)擬定的分子結(jié)構(gòu)，可以從理論上很好地預(yù)見個(gè)擬定的分子結(jié)構(gòu)，可以從理論上很好地預(yù)見其出現(xiàn)的譜峰位置、形狀和強(qiáng)度等。其出現(xiàn)的譜峰位置、形狀和強(qiáng)度等。 核磁共振二維譜核磁共振二維譜圖，圖，提供提供未知未知化合物氫核與化合物氫核與氫核或氫核與碳核之間的相關(guān)關(guān)系，測(cè)定細(xì)微氫核或氫核與碳核之間的相關(guān)關(guān)系，測(cè)定細(xì)微結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 ( 1 ) ( 1 ) 質(zhì)子的類型質(zhì)子的類型 ( 2( 2) ) 氫分布?xì)浞植?( 3) ( 3) 核間關(guān)系核間關(guān)系: : 峰的數(shù)目、共振信號(hào)的數(shù)目、峰的數(shù)目、共振信號(hào)的數(shù)目、峰的裂分?jǐn)?shù)、

7、偶合常數(shù)、結(jié)構(gòu)異構(gòu)與立體峰的裂分?jǐn)?shù)、偶合常數(shù)、結(jié)構(gòu)異構(gòu)與立體異構(gòu)。異構(gòu)。 核磁共振碳譜核磁共振碳譜( (1313C NMR)C NMR)與氫譜類似，與氫譜類似，也可提供化合物中碳核的類型、碳的分布、碳也可提供化合物中碳核的類型、碳的分布、碳核間的關(guān)系三方面結(jié)構(gòu)信息。主要提供化合物核間的關(guān)系三方面結(jié)構(gòu)信息。主要提供化合物的碳的碳“骨架骨架”信息。碳譜的各條譜線一般都有信息。碳譜的各條譜線一般都有它的惟一性，能夠它的惟一性，能夠迅速迅速、正確正確地否定所擬定的地否定所擬定的錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)式。碳譜對(duì)錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)式。碳譜對(duì)立體異構(gòu)體立體異構(gòu)體比較靈敏，能比較靈敏，能給出細(xì)微結(jié)構(gòu)信息。給出細(xì)微結(jié)構(gòu)信息。 偏共振譜

8、可提供碳的類型。偏共振譜可提供碳的類型。DEPTDEPT譜譜大大提高了對(duì)大大提高了對(duì)1313C C核的觀測(cè)靈敏度；可利用異核的觀測(cè)靈敏度；可利用異核間的偶合對(duì)核間的偶合對(duì)1313C C信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的方法來確定信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的方法來確定碳原子的類型，定量性較強(qiáng)，不僅可鑒別碳原碳原子的類型，定量性較強(qiáng)，不僅可鑒別碳原子的類型，而且可判斷碳原子的數(shù)目子的類型，而且可判斷碳原子的數(shù)目。 紫外吸收光譜主要用于紫外吸收光譜主要用于確定化合物的確定化合物的類型及共軛情況類型及共軛情況。由未知物的紫外吸收光譜上由未知物的紫外吸收光譜上吸收峰的位置與強(qiáng)度。推測(cè)共軛情況吸收峰的位置與強(qiáng)度。推測(cè)共軛情況(p-(p-與

9、與- -共軛、長與短共軛、官能團(tuán)與母體共軛的共軛、長與短共軛、官能團(tuán)與母體共軛的情況情況) )及未知物的類別及未知物的類別( (芳香族、不飽和脂肪族芳香族、不飽和脂肪族) )。 我們應(yīng)該我們應(yīng)該注意注意的是紫外吸收光譜雖的是紫外吸收光譜雖然可以反映分子結(jié)構(gòu)中發(fā)色團(tuán)和助色團(tuán)的特性然可以反映分子結(jié)構(gòu)中發(fā)色團(tuán)和助色團(tuán)的特性信息，但信息，但特征性差特征性差，且，且不能完全反映整個(gè)分子不能完全反映整個(gè)分子的特性的特性。它只能作為結(jié)構(gòu)鑒定的一種輔助工具，。它只能作為結(jié)構(gòu)鑒定的一種輔助工具，主要用于主要用于定量分析定量分析。 紅外吸收光譜主要是紅外吸收光譜主要是通過測(cè)定分子通過測(cè)定分子中化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率來確

10、定官能團(tuán)中化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率來確定官能團(tuán)。紅外。紅外光譜有時(shí)也可提供未知物的細(xì)微結(jié)構(gòu)。光譜有時(shí)也可提供未知物的細(xì)微結(jié)構(gòu)。 IR IR在未知在未知物組成與結(jié)構(gòu)表征中具有物組成與結(jié)構(gòu)表征中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)(FTIR)上的特征吸收峰可以推斷未知物的結(jié)構(gòu)。上的特征吸收峰可以推斷未知物的結(jié)構(gòu)。 解析解析IRIR譜圖譜圖時(shí)應(yīng)遵循時(shí)應(yīng)遵循“先特征先特征( (區(qū)區(qū)) )、后指紋后指紋( (區(qū)區(qū)) )；先最強(qiáng)；先最強(qiáng)( (峰峰) )、后次強(qiáng)、后次強(qiáng)( (峰峰) )；先粗；先粗查、后細(xì)找；先否定、后肯定；解析一組相關(guān)查、后細(xì)找；先否定、后肯定；解析

11、一組相關(guān)峰峰”的的順序與原則順序與原則。 質(zhì)譜主要提供有關(guān)分子的質(zhì)譜主要提供有關(guān)分子的分子量分子量 、元素元素組成組成、由裂解碎片推導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元等、由裂解碎片推導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元等結(jié)構(gòu)信息結(jié)構(gòu)信息，質(zhì)譜質(zhì)譜的另一個(gè)主要功能是在綜合光譜解析后，驗(yàn)證所推的另一個(gè)主要功能是在綜合光譜解析后，驗(yàn)證所推測(cè)的未知物結(jié)構(gòu)的正確性測(cè)的未知物結(jié)構(gòu)的正確性。 氣相色譜氣相色譜- -質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)小分子混合質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)小分子混合物樣品的分析極為方便。物樣品的分析極為方便。碎片離子的質(zhì)量是質(zhì)譜碎片離子的質(zhì)量是質(zhì)譜圖解析的根本依據(jù)圖解析的根本依據(jù)；碎片峰的相對(duì)豐度提供了被；碎片峰的相對(duì)豐度提供了被測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息；譜圖峰形的分

12、布為有機(jī)組分測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息；譜圖峰形的分布為有機(jī)組分的化學(xué)組成提供了概略的宏觀信息。的化學(xué)組成提供了概略的宏觀信息。 在實(shí)際有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)測(cè)定中，在實(shí)際有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)測(cè)定中，單用一單用一種譜圖方法往往難以得出明確的結(jié)論，所以需種譜圖方法往往難以得出明確的結(jié)論，所以需要綜合利用多種波譜聯(lián)合解析要綜合利用多種波譜聯(lián)合解析。相互說明，互。相互說明，互為佐證。為佐證。當(dāng)然，當(dāng)然，這也是這也是一個(gè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累的過一個(gè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累的過程，平時(shí)見的越多，解的越多，量的積累就會(huì)程，平時(shí)見的越多，解的越多，量的積累就會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，綜合解譜會(huì)越來越順利。產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，綜合解譜會(huì)越來越順利。分析各種譜圖綜合

13、譜圖信息再分析譜圖再綜合譜圖信息確定化合物結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)解析主要有三種方法：計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)解析主要有三種方法：1.1.波譜數(shù)據(jù)庫波譜數(shù)據(jù)庫：通過盡可能多地采集已知化合通過盡可能多地采集已知化合物的譜圖來解析未知化合物。但譜圖庫的維物的譜圖來解析未知化合物。但譜圖庫的維護(hù)成本太高，直接與譜圖庫中化合物的數(shù)目護(hù)成本太高，直接與譜圖庫中化合物的數(shù)目成正比。成正比。2.2.波譜模擬波譜模擬：主要用于結(jié)構(gòu)解析系統(tǒng)中，對(duì)于主要用于結(jié)構(gòu)解析系統(tǒng)中，對(duì)于給定的候選化合物，按照一定的規(guī)則得到其給定的候選化合物，按照一定的規(guī)則得到其模擬譜圖，然后與測(cè)試譜圖相比，計(jì)算其相模擬譜圖，然后與測(cè)試譜圖相比，計(jì)算其相

14、似度，并由相似度大小對(duì)候選化合物進(jìn)行排似度，并由相似度大小對(duì)候選化合物進(jìn)行排序。序。3.3.人工智能人工智能：是一個(gè)邊緣科學(xué)，推理、學(xué)習(xí)和是一個(gè)邊緣科學(xué)，推理、學(xué)習(xí)和聯(lián)想是人工智能系統(tǒng)的三大功能。聯(lián)想是人工智能系統(tǒng)的三大功能。 專家系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)解析專家系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)解析的的一個(gè)重一個(gè)重要分支，要分支，包括包括譜圖輸入譜圖輸入、結(jié)構(gòu)生成結(jié)構(gòu)生成和和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)驗(yàn)證三個(gè)三個(gè)部分部分。1.1.譜圖輸入譜圖輸入：把未知化合物的各種譜圖信息如把未知化合物的各種譜圖信息如NMRNMR、 IRIR、MSMS等與系統(tǒng)知識(shí)庫結(jié)合，推斷出可能的片斷。等與系統(tǒng)知識(shí)庫結(jié)合，推斷出可能的片斷。2.2.結(jié)構(gòu)生成結(jié)構(gòu)生成：在已