04.06.01 РПУД Физико-химические методы исследования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (РПУД)
Физико-химические методы исследования органических молекул
Направление подготовки / 04.06.01, Химические науки, Биоорганическая химия
Образовательная программа «Биоорганическая химия»
Форма подготовки (очная)
Школа естественных наук ДВФУ
Кафедра органической химии
курс 2 семестр 3
лекции 18 час. / 0,5 з.е.
практические занятия _______час. /____ з.е.
лабораторные работы 18 час. / 0,5 з.е.
всего часов аудиторной нагрузки 36 (час.) / 1 з.е.
самостоятельная работа 72 (час.) / 2 з.е.
контрольные работы (количество)
курсовая работа / курсовой проект _________ семестр
зачет _________ семестр
экзамен 3 семестр
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями Федерального
государственного образовательного стандарта высшего образования (уровень
подготовки кадров высшей квалификации), утвержденного приказом Министерства
образования и науки РФ от 30.07.2014 № 869
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры органической химии,
протокол № 690 17/15 от «17» декабря 2014 г.
Заведующий (ая) кафедрой: Акимова Т.И.
Составитель (ли): канд. хим. наук, доцент, доцент каф. органической химии Слабко
Г.Ю.
I. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 200 г. № ______
Заведующий кафедрой _______________________ __________________
(подпись)
(и.о. фамилия)
I. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 200 г. № ______
Заведующий кафедрой _______________________ __________________
(подпись)
(и.о. фамилия)
АННОТАЦИЯ
АННОТАЦИЯ
Дисциплина
“Физико-химические
методы
исследования
органических молекул” предназначена для аспирантов, обучающихся по
образовательной программе - «Органическая химия» и
входит в
вариативную часть учебного плана.
При разработке рабочей программы учебной дисциплины использованы
Федеральный
государственный
образовательный
стандарт
высшего
образования (уровень подготовки кадров высшей квалификации) по
направлению подготовки 04.06.01 «Химические науки», учебный план
подготовки аспирантов по профилю «Органическая химия».
Цель: формирование у аспирантов знаний по теоретическим основам и
областям применения современных спектральных методов для структурных
исследований в органической химии, а также приобретение практических
навыков использования основных физических методов для установления
строения органических соединений.
Задачи:
1. Дать аспиранту понимание принципиальных основ, практических
возможностей и ограничений важнейших для химиков физических
методов исследования;
2. Ознакомитьаспирантов с аппаратурным оснащением и условиями
проведения эксперимента;
3. Научить аспирантов интерпретировать и грамотно оценивать
экспериментальные данные, в том числе публикуемые в научной
литературе;
4. Научить аспирантов оптимальному выбору методов для решения
поставленных задач и делать заключения на основании анализа и
сопоставления всей совокупности имеющихся данных.
Интерактивные формы обучения составляют 18 часов и включают в
себя проблемные лекции и лекции-беседы.
Компетенции выпускника, формируемые в результате изучения
дисциплины.
Изучаемая дисциплина формирует основные компетенции аспирантов в
области важнейших физических методов исследования вещества:
Общепрофессиональные компетенции:
- cпособность самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую
деятельность в области химии с использованием современных
методов
исследования
и
информационно-коммуникационных
технологий (ОПК-1);
-
готовность организовать работу исследовательского коллектива в
области химии и смежных наук (ОПК-2);
Профессиональные компетенции:
-
способность
к
самостоятельному
проведению
научно-
исследовательской работы и получению научных результатов,
удовлетворяющих
установленным
требованиям
к
содержанию
диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук по
специальности биоорганическая химия (ПК-1);
-
способность
к
профессиональной
эксплуатации
современного
исследовательского оборудования и приборов (ПК-2);
Требования к уровню усвоения содержания дисциплины.
Аспиранты, завершившие изучение данной дисциплины, должны
приобрести следующие знания и умения:
знает:
- современные
способы
использования
информационно-
коммуникационных технологий в области биоорганической химии;
- основные принципы организации работы в коллективе и способы
разрешения конфликтных ситуаций;
- современное состояние науки в области биоорганической химии;
- методологию
проведения
синтеза
и
исследования
в
области
в
области
биоорганической химии;
- современное
состояние
экспериментальных
методов
биоорганической химии;
- правила эксплуатации современного исследовательского оборудования
и приборов;
- теоретические основы новейших методов исследования структуры и
функций природных соединений.
умеет:
- выбирать
и
применять
в
профессиональной
деятельности
экспериментальные и расчетно-теоретические методы исследования
- планировать научную работу, формировать состав рабочей группы и
оптимизировать
распределение
обязанностей
между
членами
исследовательского коллектива;
- определять цель и задачи исследования, планировать и осуществлять
экспериментальное исследование;
- представлять результаты НИР (в т.ч., диссертационной работы)
академическому и бизнес-сообществу;
-
осуществлять
поиск
и
выделение
индивидуальных
природных
соединений, используя современное исследовательское оборудование,
-
интерпретировать результаты физико-химических и биологических
методов исследования природных соединений.
I. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
КУРСА
МОДУЛЬ 1. Введение. Обзор физических методов исследования.
Метод ядерного магнитного резонанса (10 ч).
Раздел I. Введение. Обзор важнейшихфизметодов исследования (1 ч)
Интерактивная форма: Лекция-беседа. Происходит с использованием
презентации, сопровождаемой демонстрацией материала и обсуждением
конкретных вопросов.
Цель:
ознакомить
аспирантов
с
современными
физико-химическими
методами исследования органических и неорганических молекул.
Рассматриваемые вопросы:
1. Обзор современных физико-химических методов.
На чем основаны все физико-химические методы исследования
вещества?
2. Ядерный гамма-резонанс.
Какие параметры вещества можно исследовать с помощью этого
метода?
3. Рентгено-структурный анализ.
Какие параметры вещества можно исследовать с помощью этого
метода?
4. Методы оптической спектроскопии (электронная, колебательная,
комбинационного рассеяния).
Какие параметры вещества можно исследовать с помощью этих
методов?
5. Микроволновая спектроскопия.
Какие параметры вещества можно исследовать с помощью этого
метода?
6. Масс-спектрометрия.
Какие параметры вещества можно исследовать с помощью этого
метода?
7. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса.
Какие параметры вещества можно исследовать с помощью этого
метода?
8. Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса.
Какие параметры вещества можно исследовать с помощью этого
метода?
Раздел II. Ядерный магнитный резонанс. Теоретические основы. (3 ч).
Интерактивная форма: Лекция-беседа. Происходит с использованием
презентации, сопровождаемой демонстрацией материала и обсуждением
конкретных вопросов.
Цель: ознакомить аспирантов с теоретическими основами метода ЯМР.
Рассматриваемые вопросы:
1. Основы теории ЯМР-спектроскопии.
В чем суть ядерного магнитного резонанса?
2. Спиновоесостояние ядер, поведение магнитного момента во внешнем
магнитном поле.
Какие спиновые состояния ядер вам известны?
Что происходит с ядрами, обладающими магнитным моментом во
внешнем магнитном поле?
3. Магнитныесвойства ядер. Эффект Зеемана.
В чем состоит эффект Зеемана?
4. Уравнение резонанса. Резонанс в макроскопическомобъеме. Случай
непопадения врезонанс.
Как прокомментировать уравнение резонанса и в каком случае
происходит непопадение в резонанс?
5. Ситуация нескольких магнитных моментов.Спиновое эхо. Уравнение
Блоха.
В чем заключается эффект спинового эха?
Что описывает уравнение Блоха?
6. Спектр. Продольная релаксация. Поперечная релаксация.Время
релаксации. Механизмы релаксации.
Какие виды спин-решеточной релаксации вы знаете?
7. Скалярное взаимодействие. Инвариантностьмультиплетности.
В чем состоит инвариантность мультиплетности?
8. Номенклатура спиновых систем. Двухспиновые системы АВ и АХ.
Какие параметры спектра учитываются при определении спиновой
системы?
9. Скалярное взаимодействие с квадрупольными ядрами.
В чем заключается квадрупольный эффект и в каких случаях он используется?
10. Ядерный эффект Оверхаузера.
Что такое ЯЭО и в каких случаях он используется?
Раздел III. Ядерный магнитный резонанс. Особенности эксперимента
ЯМР (2 ч).
Интерактивная форма: Лекция-беседа. Происходит с использованием
презентации, сопровождаемой демонстрацией материала и обсуждением
конкретных вопросов.
Цель: ознакомить аспирантов с особенностями эксперимента ЯМР.
Рассматриваемые вопросы:
1. Соотношение сигнал/шум. Операции с ССИ. Аподизация. Линейное
предсказание.Дополнение нулями.
Какие параметры обработки спектров наиболее важны?
2. Методология обработки спектра.
В чем состоит последовательность действий по обработке спектра?
3. Понятие об основных параметрах:химический сдвиг, единицы измерения
хим. сдвигов, константы спин-спиновоговзаимодействия (КССВ).
Какие параметры спектра ЯМР вы знаете?
4. Интенсивность сигналов.
Какую информацию несет интенсивность сигналов?
5. Внутренние и внешние стандарты.
Что используется в качестве внутренних и внешних стандартов в ЯМР?
6. Спектр. Информация,содержащаяся в файлах, полученных на приборах
фирмы Bruker.
Раздел IV. Ядерный магнитный резонанс. Спектроскопия ЯМР на
ядрах 1H, 13C (4 ч).
Интерактивная форма: Лекция-беседа. Происходит с использованием
презентации, сопровождаемой демонстрацией материала и обсуждением
конкретных вопросов.
Цель: ознакомить аспирантов с особенностями обработки спектра ЯМР на
ядрах 1H, 13C.
Рассматриваемые вопросы:
1. Ядра 1H. Симуляция. Экспериментальные методы спектроскопии1H-ЯМР.
Какие особенности экспериментальных методов спектроскопии ЯМР на
ядрах 1H вы знаете?
2. Специальные
экспериментальные
методы
в
спектроскопии
ЯМР.
Методыупрощения спектров, подавление, преднасыщение, двойной
резонанс, сдвигающиереагенты (шифт-реагенты).
Для чего используются изученные экспериментальные методы?
3.
Проблемы исследования конформаций.
Каким образом происходит конформационный анализ с помощью ЯМР?
4. Обменные
процессы
вспектрах
ЯМР:
а)
внутренняя
динамика
органических молекул, б) межмолекулярныеобменные процессы.
Для чего используются обменные процессы в спектроскопии ЯМР?
5. Ядра 13C. Экспериментальныеметоды спектроскопии 13C-ЯМР.
Какие особенности экспериментальных методов спектроскопии ЯМР на
ядрах 13C вы знаете?
6. Ядерный эффект Оверхаузера.
Каковы особенности использования ЯЭО в спектроскопии ЯМР13C?
7. Спектр 13С сподавлением ССВ по протонам BroadBand (BB).
Какую информацию несетспектр 13С с подавлением ССВ по протонам?
8. Спектр 13С с частичным подавлениемССВ по протонам (Off-resonance).
Какую информацию несет спектр 13С с частичным подавлением ССВ по
протонам?
9. Спектр 13С без подавления ССВ.
В каком случае используется спектр 13С без подавления ССВ?
10. Спектр 13С J-модулированного спинового эха (JMOD).
В чем сутьJ-модуляции и какую информацию она несет?
11. С-H корреляция на ближних КССВ.
В каком случае используется С-H корреляция на ближних КССВ?
12. С-Hкорреляция на дальних КССВ.
В каком случае используется С-H корреляция на дальних КССВ?
13. Инверсная спектроскопия. С-С корреляции.
В каком случае используется С-С корреляция и инверсная спектроскопия?
МОДУЛЬ 2. Масс-спектрометрия и хромато-масс-спектрометрия
высокого разрешения (2 ч).
Интерактивная форма: Лекция-беседа. Происходит с использованием
презентации, сопровождаемой демонстрацией материала и обсуждением
конкретных вопросов.
Цель: ознакомить аспирантов с особенностями методами масс-спектрометрии
и хромато-масс-спектрометрии.
Рассматриваемые вопросы:
1. Энергетическое состояние ионов, образующихся при ионизации.
Какова зависимость интенсивности масс-пиков от стабильности
осколочных ионов?
2. Принцип
Франка-Кондона,
адиабатический
потенциал
ионизации.
Основное и электронно-возбужденныесостояния молекулярного иона.
Чем отличаются основное и электронно-возбужденные состояния
молекулярного иона?
3. Процессы перегруппировки в масс-спектрометрии.
Какое
практическое
значение
имеют
процессы
перегруппировки
фрагментных ионов?
4. Метод хромато-масс-спектрометрии. Стыковка масс-спектрометра с
хроматографом.
Какое
преимущество
дает
стыковка
масс-спектрометра
с
хроматографом?
5. Информация, получаемая в методе хромато-масс-спектрометрии.
Какая ценная информация о веществе получается в методе хроматомасс-спектрометрии?
6. Современное состояние методов масс-спектрометрии и хромато-массспектрометрии.
Задачи, стоящие перед этими методами?
7. Применение масс-спектрометрии для решения структурных задач
органическойхимии.
Какие задачи решаются с помощью этого метода?
8. Методы определения содержания изотопной метки всоединениях,
меченых стабильными изотопами.
В чем практическая ценность метода изотопной метки?
МОДУЛЬ 3. Инфракрасная и фотоэлектронная спектроскопии и
комплексное использование физико-химических методов
(6 час).
Интерактивная форма: Лекция-беседа. Происходит с использованием
презентации, сопровождаемой демонстрацией материала и обсуждением
конкретных вопросов.
Цель: ознакомить аспирантов с особенностями применения методов
оптической спектроскопии. Обсудить комплексное использование физикохимических методов.
Рассматриваемые вопросы:
1. Применение ИК-спектров для идентификации органических соединений.
Структурный анализ по характеристическим частотам. Корреляционные
диаграммы характеристических частот.
Какая структурная задача стоит перед ИК-спектроскопией?
2. Межмолекулярные эффекты и характеристические частоты групп.
Влияние растворителя и концентрации.
Каким образом влияют растворитель и концентрация раствора на
внешний вид спектра?
3. Влияние внутримолекулярных факторов на характеристические частоты
групп: напряжение цикла и стерические эффекты, электронные эффекты
и сопряжение, дипольное и трансаннулярное взаимодействие (эффект
поля).
Какая зависимость существует между указанными параметрами и
положением функциональных групп в ИК спектре?
4. Внутримолекулярнаяводородная
связь
(ВС).
Различие
внутри-
и
межмолекулярной ВС. Влияние ВС на полосы поглощения группы
донора и группы акцептора протона. Оценка энергии ВС.
Каким образом с помощью ИК спектроскопии можно изучать
внутримолекулярную водородную связь?
5. Качественный и количественный анализ смеси органических веществ по
ИК-спектрам.
Использование
закона
Ламберта-Бера
для
многокомпонентных растворов.
Как использовать ИК спектроскопию для изучения многокомпонентных
растворов?
6. Количественный анализ способом эталонов. Способ калибровочной
кривой.
Какие задачи количественного анализа можно решать с помощью ИК
спектроскопии?
7. Методразностных спектров.
В чем суть разностных ИК спектров?
8. Комбинационное рассеяние света, механизмы рассеяния квантов в
стоксовой и антистоксовой областях спектра.
На чем основано явление комбинационного рассеяния?
9. Применение спектроскопии комбинационного рассеяния света для
исследования строения органических молекул. Правило интенсивностей
для молекул с центром симметрии.
Приведите примеры использования спектроскопии КР для решения
структурных задач.
10. Аппаратура для регистрации спектров рассеяния света.
Из чего состоит принципиальная блок-схема прибора для спектроскопии
КР?
11. Основы метода фотоэлектронной спектроскопии.
На чем основана фотоэлектронная спектроскопия?
12. Электронные и колебательные уровни молекул. Потенциалы ионизации
молекул.
Какие параметры используются в фотоэлектронной спектроскопии?
13. Определение положения уровня Ферми и распределения электронной
плотности. Изучение атомных и молекулярных орбиталей.
Какие задачи структурного анализа призвана решать фотоэлектронная
спектроскопия?
14. Использование данных различных физико-химических методов для
определениясостава и строения соединений.
Перечислите последовательность применяемых методов в структурном
анализе.
15. Разработка
методики
физико-химического
анализа,позволяющего
однозначно охарактеризовать соединение с предполагаемой структурой.
Какова методология использования
различных физико-химических
методов в структурном анализе?
16. Анализ состава многокомпонентной системы.
II. СТРУКТУРА
И
СОДЕРЖАНИЕ
ПРАКТИЧЕСКОЙ
КУРСА
Лабораторные занятия (18 ч)
ЧАСТИ
Занятия 1,2.Принципы использования метода одномерного ЯМР в
установлении строения органических соединений (5ч).
Решение структурных задач повышенной сложности с использованием
метода одномерной спектроскопии ЯМР. Использование ядерного эффекта
Оверхаузера, двойного резонанса (импульсного декаплинга) для анализа
сложных структур.Гомоядерныйдекаплинг.
Метод ЯМР 13С и его использование в структурном анализе.
Широкополосныйгетероядерныйдекаплинг и методы DEPT в анализе
сложных структур методом ЯМР 13С.
Занятия 3,4.Принципы использования метода двумерного ЯМР в
установлении строения органических соединений (5ч.).
Применение методов корреляционной спектроскопии – COSY, NOESY,
HМQC, HMBC. Последовательность корреляционных методов 2Dспектроскопии в анализе сложных молекул.
Занятия5, 6. Использование метода масс-спектрометрии в структурном
анализе (3 час.)
Задачи по определению элементного состава соединения по массспектру низкого ивысокого разрешения. Анализ масс-спектров смеси
соединений. Расчет содержанияизотопной метки.Задачи по определению
строения неизвестного соединения по его масс-спектру.
Работа с хромато-масс-спектрограммами, записанными на хромато-массспектрометреAgilent 6890N с масс-анализатором Agilent 5973N: выяснение
количественного
икачественного
состава
анализируемого
образца.Самостоятельное решение задач.
Занятие 7. Методы ИК и КР спектроскопии в структурном анализе (3
час.).
Решение
задач
по
интерпретацииИК-спектров
спомощью
корреляционных таблиц.Установлениестроения неизвестных соединений
поих
ИК-спектрам.Взаимодополнение
ИК-и
КР
спектроскопии
в
доказательстве структуры органических молекул.
Занятие 8.Комплексное использование физических методов для решения
структурных задач (2 ч).
Решение
спектральных
задач
по
совместному
изучаемых физических методов.
III. КОНТРОЛЬ ДОСТИЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ КУРСА
Фонд оценочных средств прилагается.
использованию
IV. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература:
1.Преч, Э. Определение строения органических соединений./ Э. Преч, Ф.
Бюльман, К. Аффольтер. Москва: Мир, 2006. – 440с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:277679&theme=FEFU
2.Сильверстейн,
Р.
Спектрометрическая
идентификация
органических
соединений./ Р. Сильверстейн, Ф. Вебстер, Д. Кимл. Москва: Бином.
Лаборатория знаний, 2011. – 557с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:668036&theme=FEFU
3. Ельяшевич, М.А. Молекулярная спектроскопия / М.А. Ельяшевич. – М.:
Либроком, 2009. – 528с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:284128&theme=FEFU
4. Шабаров, Ю.С. Органическая химия / Ю.С. Шабаров. – СПб.: Лань, 2011.
– 848с.
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=4037
Дополнительная литература.
1. Браун, Д. Спектроскопия органических веществ./ Д.Браун, А.Флойд, М.
Сейнбери – М.: Мир, 1992. – 300с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:37790&theme=FEFU
2. Миронов, В.А. Спектроскопия в органической химии. / В.А.Миронов,
С.А. Янковский. Москва: Химия, 1985. – 230с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:52139&theme=FEFU
3. Иоффе,
Б.В.
Новые
физические
и
физико-химические
методы
исследования органических соединений: учебное пособие / Б. В. Иоффе,
И. Г. Зенкевич, М. А. Кузнецов [и др.]; под ред. Б. В. Иоффе. - Ленинград:
изд-во ЛГУ, 1984. -240с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:249514&theme=FEFU
4. Лундин, А.Г.ЯМР-спектроскопия / А. Л. Лундин, Э. И. Федин. – М.:
Наука, 1986. – 223с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:668371&theme=FEFU