ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химический факультет

 

Кафедра органической химии

 

 

 

УТВЕРЖДАЮ

 

Проректор по учебной работе

 

________________В.П. Гарькин

 

«____»_______________ 2006 г.

 

 

 

 

 

 

 

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

 

Физико-химические методы исследования

органических соединений

 

(блок «Специальные дисциплины и дисциплины специализации»;

раздел «Вузовский компонент»; основная образовательная программа специальности

020101 Химия)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самара

2006

Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования специальности 020101 Химия, утвержденного 10.03.2000 г. (номер государственной регистрации 127 ЕН/СП).

 

Составитель рабочей программы: к.х.н., ассистент Осянин В.А.

Рецензент: зав.кафедрой, д.х.н., профессор Пурыгин П.П.

 

Рабочая программа утверждена на заседании кафедры органической химии

(протокол №    1   от «  31  »  августа    2006 г.)

 

 

Заведующий кафедрой

²_01_² ___09________ 2006 г.  _______________   П.П. Пурыгин

 

 

СОГЛАСОВАНО

 

Декан

факультета

²__29² ____09_______ 2006 г.  _______________   С.В. Курбатова

 

 

СОГЛАСОВАНО

 

Начальник

методического отдела

²_29_² ___09________ 2006 г.      _______________ Н.В. Соловова

 

ОДОБРЕНО

Председатель

методической

комиссии факультета

 

²_28_² ___09________ 2006 г.  _______________   И.В. Лобачева

1. Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе, требования к уровню освоения содержания дисциплины

 

1.1. Цели и задачи изучения дисциплины

Цель дисциплины – изучение основных современных физико-химических методов установления структуры органических соединений.

Задачи дисциплины: приобретение знаний и умений в области методов исследования строения органических соединений для подготовки к научно-исследовательской работе.

 

1.2. Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение данной дисциплины

Студенты, завершившие изучение данной дисциплины, должны:

-        иметь представление: о принципиальных возможностях физических методов в решении химических проблем вне зависимости от их практических возможностей.

-        знать: основы методов ультрафиолетовой, инфракрасной спектроскопии, спектроскопии ядерного магнитного резонанса (на ядрах  1Н и  13С) и масс-спектрометрии.

-        уметь: проводить структурный анализ органических соединений по данным УФ, ИК, ЯМР и масс-спектрометрии.

 

1.3. Связь с предшествующими дисциплинами

Для успешного усвоения курса «Физико-химические методы исследования органических соединений» студентам необходимо знать основы неорганической и органической химии, физической химии, квантовой химии, теория строения вещества, методы органического синтеза, химию природных соединений и  теорию реакционной способности органических соединений.

 

1.4. Связь с последующими дисциплинами

Полученные знания в курсе «Физико-химические методы исследования органических соединений» будут применены при изучении дисциплин «Химия нуклеиновых кислот», «Теоретические основы органической химии», а также при выполнении дипломных работ по специальности «Органическая химия»

 

2. Содержание дисциплины

2.1. Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах)

 

Дневная форма обучения (9 семестр, экзамен)

 

Вид учебных занятий

Количество часов

 9 семестр

Всего часов аудиторных занятий

40

Лекции

18

Практические занятия (семинары)

22

Лабораторные занятия

-

Всего часов самостоятельной работы

60

Подготовка к практическим занятиям

20

Изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку (рефераты)

5

Ознакомление и работа с программами для ЭВМ

5

Подготовка к экзамену

30

Всего часов по дисциплине

100

2.2. Разделы дисциплины и виды занятий

№

п/п

Название раздела
дисциплины

Количество часов

лекции

практические занятия

лабораторные

занятия

 

Введение. Общая характеристика спектроскопических методов исследования

1

-

-

1

Масс-спектрометрия

4

4

-

2

Электронная спектроскопия

2

2

-

3

Колебательная спектроскопия

2

2

-

4

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ПМР, ЯМР 13С)

 

8

 

8

-

5

Спектрометрическая идентификация органических соединений (совместное использование масс-спектрометрии, УФ, ИК, ПМР и ЯМР 13С спектроскопии)

1

6

-

 

Итого:

18

22

-

 

2.3. Лекционный курс

 

ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика спектроскопических методов исследования.

Возникновение и развитие физических методов исследования строения органических соединений. Спектроскопические методы. Комплексное использование спектроскопических методов в целях идентификации веществ и установления их химического строения.

 

РАЗДЕЛ 1. Масс-спектрометрия

Физические основы метода: принцип работы масс-спектрометра, его разрешающая сила, образование масс-спектра, основное уравнение масс-спектрометрии, типы регистрируемых ионов (молекулярные, осколочные, метастабильные, многозарядные). Определение молекулярной брутто-формулы по масс-спектру: метод точного измерения масс молекулярных ионов, метод измерения интенсивностей пиков ионов, изотопных молекулярному иону. Качественные теории масс-спектрометрии органических соединений: теория локализации заряда, теория устойчивости продуктов фрагментации. Масс-спектрометрические правила: азотное, “четно-электронное”, затрудненный разрыв связей, прилежащих к ненасыщенным системам. Основные типы реакций распада органических соединений под электронным ударом: простой разрыв связей (α-разрыв, бензильный и аллильный разрывы), ретро-реакция Дильса-Альдера, перегруппировка Мак-Лафферти, скелетные перегруппировки, ониевые реакции. Термические реакции в масс-спектрометре. Установление строения органических соединений: метод функциональных групп, метод характеристических значений m/z. Основные направления фрагментации органических соединений под электронным ударом (углеводородов и их галогенпроизводных, спиртов, фенолов, простых эфиров, альдегидов, кетонов, аминов, карбоновых кислот и их производных). Понятие о методе химической ионизации и хроматомасс-спектрометрии. Примеры структурного анализа органических соединений по масс-спектру низкого разрешения.

 

РАЗДЕЛ 2. Электронная УФ спектроскопия

Физические основы метода: электронные состояния молекул, классификация электронных переходов в молекулах, правила отбора. Взаимосвязь электронных спектров и структуры органических молекул: хромофоры и ауксохромы, сопряжение хромофоров, неспецифическое и специфическое влияние растворителей, батохромный и гипсохромный сдвиги, гипохромный и гиперхромный эффекты, классификация полос поглощения в электронных спектрах. Избирательное поглощение важнейших ауксохромных и хромофорных групп: насыщенные гетероатомные ауксохромы, карбонильный хромофор, диеновый хромофор, еноновый хромофор, бензольный хромофор, правила Вудворда-Физера. Прицип работы УФ спектрофотометра. Условия измерения УФ спектров. Примеры структурного анализа ненасыщенных органических соединений по спектру поглощения в ближней области УФ спектра.

 

РАЗДЕЛ 3. Колебательная ИК спектроскопия

Физические основы метода: частота и интенсивность поглощения в колебательных спектрах двухатомных молекул, основные колебания многоатомных молекул. Взаимосвязь инфракрасных спектров и структуры органических молекул: валентные и деформационные колебания, характеристичность колебаний и ее физические причины, факторы, вызывающие сдвиг полос поглощения и изменение их интенсивности. Характеристическое поглощение важнейших структурных фрагментов и функциональных групп органических соединений: C–C, C=C, C≡C, Cаром–Саром, Сsp3–H, Сsp2–H, Сsp–H, C–O, C–N, O–H, N–H, S–H, C=O, CHO, COOH, COOR, COHal, NO2, C≡N. Cтруктурные области ИК спектра. Принципы отнесения полос поглощения. Последовательность проведения структурного анализа. Количественная ИК спектроскопия. Принцип работы ИК спектрофотометра. Условия измерения ИК спектров. Примеры структурного анализа органических соединений по ИК спектру (область 4000 – 650 см-1).

 

РАЗДЕЛ 4. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Физические основы метода: магнитные свойства ядер, основное уравнение ядерного магнитного резонанса, взаимодействия магнитных моментов ядер (тонкая и сверхтонкая структура сигналов ядер). Выбор резонансного ядра при изучении строения органических соединений. Принцип работы ЯМР спектрометра. Анализ спектров ядерного магнитного резонанса ядер со спиновым квантовым числом I=1/2: химическая и магнитная эквивалентность ядер, номенклатура ядерных систем, А2, АХ, АВ и А2В системы, индекс связывания, спектры первого и второго порядка, основные правила анализа спектров первого порядка, расшифровка простейших спектров второго порядка, приемы упрощения сложных спектров. Спектроскопия протонного магнитного резонанса: шкала химических сдвигов протонов, их характеристичность, закономерности в изменении значений химических сдвигов; константы спин-спинового взаимодействия JН – Н. Двойной резонанс. Спектроскопия углеродного магнитного резонанса: шкала химических сдвигов ядер 13С, их характеристичность, закономерности в изменении значений химических сдвигов, константы спин-спинового взаимодействия JC–H, полное и частичное подавление спин-спинового взаимодействия ядер 13С и протонов. Ядерный эффект Оверхаузера. Понятие о спектроскопии ядерного магнитного резонанса динамических систем (обменные процессы). Двумерная спектроскопия ЯМР. Примеры структурного анализа органических соединений по спектрам ПМР и ЯМР 13С.

 

РАЗДЕЛ 5. Спектрометрическая идентификация органических соединений (совместное использование масс-спектрометрии, УФ, ИК, ПМР и ЯМР 13С спектроскопии)

Особенности структурного анализа органических соединений при совместном использовании спектральных методов. Алгоритм структурного анализа Примеры решения задач структурного анализа, имеющих различную степень сложности.

 

2.4. Практические (семинарские) занятия

 

№ п/п

Номер раздела

Кол-во

часов

Тема практического занятия

1

1

2

Установление брутто-формулы соединения, исходя из интенсивностей пиков изотопных ионов

2

1

2

Установление по масс-спектру структурной формулы соединения. Фрагментация органических соединений под электронным ударом.

3

2

2

Расчет максимума полосы поглощения с использованием правил Вудворда-Физера. Определение наличия сопряженных фрагментов в структуре органических соединений по УФ спектрам. Влияние растворителя на величину и интенсивность максимума полосы поглощения.

4

3

2

Определение наличия функциональных групп в структуре органических соединений по ИК спектрам.

5

4

2

Расчет химических сдвигов по инкрементам. Расшифровка ПМР спектров первого порядка.

6

4

2

Спектры ПМР высшего порядка.

7

4

2

Совместное использование спектров ПМР и ЯМР 13С для идентификации органических соединений

8

4

2

Использование компьютерных программ, моделирующих ЯМР спектры

9

5

2

Определение структуры соединения по данным элементного анализа, масс-спектрам, ИК спектрам и спектрам ЯМР

10

5

4

Решение структурных задач повышенной сложности

 

2.5. Лабораторный практикум  (не предусмотрен планом)

 

3.Организация текущего и промежуточного контроля знаний

 

3.1. Контрольные работы

Тематика  контрольных работ

Сроки проведения

(№ недели)

Разделы и темы дисциплины

1. Масс-спектрометрия

4

Раздел 1

2. ИК- и УФ-спектроскопия

7

Раздел 2,3

3. ЯМР спектроскопия

10

Раздел 4

3.2. Комплекты тестовых заданий

Имеются комплекты тестовых заданий

 

3.3. Самостоятельная работа

 

3.3.1. Поддержка самостоятельной работы (сборники тестов, задач, упражнений и др.)

·        Варианты задач по спецкурсу «Физико-химические методы исследования органических соединений».

·        Гарькин В.П. Физико-химические методы исследования органических соединений. Лабораторный практикум. Куйбышев, 1987.

 

3.3.2. Тематика рефератов (не предусмотрены планом)

 

3.4.  Курсовая работа (не предусмотрена планом)

 

Итоговый контроль проводится в виде экзамена.

 

4. Технические средства обучения и контроля, использование ЭВМ

·        Система – WINDOWS 98/ME/NT/2000/XP/2003 

·        Программы-симуляторы ЯМР спектров: NMR Simulator v.1.0 и HIPPO-CNMRS v.1.2

·        Демо-версии из пакета сервисных программ ACD Labs (ACD/CNMR, ACD HNMR) фирмы Advanced Chemistry Development Inc. (Канада)

·        Работа с ресурсами Internet

-         База спектроскопических данных органических соединений SDBS (Integrated Spectral Data Base System for Organic Compounds) National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) (Япония) (http://www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/menu-e.html).

- Поиск учебной информации по дисциплине

 

5.Активные методы обучения (деловые игры, научные проекты)

 

·        Решение каждым студентом итоговой задачи повышенной сложности под руководством преподавателя и с использованием ЭВМ. Варианты итоговых заданий взяты из сборников задач, изданных в ФРГ (Pretsch E., Seibl J., Manz A., Simon W. Aufgabensammlung zur Strukturaufklarung organischer Verbindungen mit spektroskopischen Methoden. - Berlin, Springer-Verlag, 1985) и Великобритании (Whittaker D. Interpreting Organic Spectra. – RSC, 2000).

 

6. Материальное обеспечение дисциплины

 

·        Персональный компьютер IBM PC AT с операционной системой семейства Windows (Windows 98SE/ME/2000/XP)

·        Кодоскоп

·        Мультимедийный проектор

·        Рефрактометр Аббе

·        Спектрофотометр СФ-46

·        Инфракрасный спектрометр ИКС-40

·        Роторный испаритель

·        Водоструйный и масляный насосы

·        Технохимические весы

·        Аналитические весы

·        Дистиллятор

·        Комплект специальной химической посуды

 

7. Литература

 

7.1. Основная (одновременно изучают дисциплину 25 человек)

 

1. Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии: Учебник. М.: Мир, 2003.

2. Breitmaier E. Structure Elucidation by NMR in Organic Chemistry. Jonn Wiley & Sons, LTD, 2002. (www.chemister.da.ru)

 

7.2. Дополнительная

 

1. Иоффе Б.В., Костиков Р.Р., Разин В.В. Физические методы определения строения органических молекул. М.: Высшая школа, 1984.

2. Сильверстейн Р., Басслер Г., Моррил Т. Спектроскопическая идентификация органических соединений. М.: Мир, 1977.

3. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. М.: Высшая школа, 1971.

4. Бранд Дж., Эглинтон Г. Применение спектроскопии в органической химии. М.: Мир, 1967.

5. Браун Д., Флойд А., Сейнзбери М. Спектроскопия органических веществ.  М.: Мир, 1992.

6. Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. Резонансные и электрооптические методы: Учебник для вузов - М.: Высшая школа, 1989 - 287с.

7. Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. Структурные методы и оптическая спектроскопия: Учебник для хим. спец. вузов - М.: Высшая школа, 1987 - 367с.

7.3. Учебно-методические материалы по дисциплине

 

1. Гарькин В.П. Физико-химические методы исследования органических соединений. Лабораторный практикум. Куйбышев, 1987.