化学分子结构分析课件系列

化学分子结构分析精品课件系列欢迎学习化学分子结构分析精品课件系列，本课程专为化学专业高年级学生及研究生精心设计通过系统学习结构分析方法的原理与应用，您将全面掌握从经典到现代的分析技术，建立坚实的分子结构分析基础本系列课件由北京化工大学化学学院联合编著，融合了多位专家学者的研究经验和教学智慧，旨在帮助学生构建完整的分子结构分析理论体系，培养实际操作能力，为未来的科研工作奠定基础课程概述分子结构分析的重要性课程内容设置分子结构分析是现代化学研究本课程共设计大模块，涵盖5的核心，它为我们理解物质性种主要分析技术，从基础理15质、预测反应行为和设计新材论到实际应用，循序渐进地引料提供了关键依据掌握这一导您掌握分子结构分析的完整技能，将使您在科研和工业领体系域获得显著优势先修知识要求学习本课程需要有机化学、物理化学的基础知识，对量子力学和光谱学有初步了解将更有助于深入学习第一部分分子结构基础化学键理论回顾分子构型与构象本模块将回顾价键理论、分子轨深入探讨分子的空间排布，包括道理论等基础知识，从量子力学键长、键角、二面角等几何参视角理解化学键的本质我们将数，以及它们与分子性质的关讨论共价键、离子键、配位键等系我们将分析各种异构现象，不同类型化学键的形成机制与特特别是立体异构体的特性及其鉴征，为后续的结构分析奠定理论别方法基础电子结构与化学性质关系探索电子结构如何决定分子的反应活性、光谱特性和物理性质通过前线轨道理论、共振理论等，建立结构与性质之间的联系，培养预测分子行为的能力分子结构的基本概念分子间作用力决定分子聚集状态与性质三维空间构型影响分子的立体效应化学键类型σ键与π键的形成与特性原子与分子轨道电子分布的基本描述分子结构的理解始于原子轨道与分子轨道理论，通过杂化轨道概念解释σ键、π键的形成分子的三维空间构型是由价层电子对互斥理论决定的，对应不同的分子形状如线型、平面三角形、四面体等不同类型的分子间作用力（范德华力、氢键、离子相互作用等）在决定分子聚集状态与物理化学性质方面起着至关重要的作用这些基础概念构成了理解复杂分子结构的框架分子对称性与群论对称元素识别学习识别分子中的对称面、对称轴、反演中心等对称元素，这是分类点群的基础点群分类掌握点群符号体系（如C2v、D3h、Oh等），学会根据对称性将分子归类到相应点群特征表应用理解群论特征表的构造与使用，预测分子的振动模式、跃迁选择定则等光谱性质预测利用分子对称性预测红外、拉曼活性，解释核磁共振光谱中的等价原子分子对称性是理解分子结构与性质的强大工具通过群论，我们可以将复杂的分子简化为对称操作集合，从而预测其物理化学性质例如，水分子属于C2v点群，这决定了它的振动模式和红外光谱特征构型与构象构型与构象的区别手性分子分析构型（）是通过破坏化学键才能相互转化的手性是分子不能与其镜像重合的性质，通常由手性中心（如configuration立体异构体关系，如顺反异构体、对映异构体等构型一旦四面体碳原子）产生手性分子的对映体具有相同的物理性确定，在常温下不会自发转化质，但在生物系统中往往表现出不同的活性构象（）是分子通过单键旋转可以相互转化手性分子分析涉及构型标记、旋光性质测定、对映选择conformation R/S的空间排布，如反式、偏蚁式、正蚁式等，在溶液中往往快性合成等技术，在药物开发中尤为重要速平衡构象分析在理解分子的物理化学性质中至关重要例如，环己烷的椅式构象比船式构象能量低，在室温下占主导地位氢键和其他非共价相互作用常常影响分子的优势构象，从而决定生物分子如蛋白质的三级结构第二部分光谱分析基础早期光谱学（世纪）19最初的光谱研究由牛顿的棱镜实验开始，弗劳恩霍费尔线的发现奠定了光谱分析的基础基尔霍夫和本生发展了火焰光谱法，开创了元素分析的新纪元量子理论时期（世纪初）20量子力学的发展彻底改变了光谱解释，玻尔模型解释了氢原子光谱，薛定谔方程为分子光谱提供了理论基础这一时期建立了光谱与分子能级关系的基本框架仪器发展时期（世纪中期）20计算机和电子学的进步极大地提高了光谱仪器的性能傅里叶变换技术彻底改变了红外光谱学，脉冲技术和超导磁体推动了核磁共振技术的飞跃发展现代集成技术（世纪）21当代光谱技术强调高灵敏度、高分辨率和高通量联用技术、成像技术和原位分析成为发展趋势，数据处理和人工智能在光谱解析中的作用日益重要电磁辐射基本原理电磁波特性波长、频率、能量关系吸收与发射过程能量转换与量子化散射与衍射弹性与非弹性相互作用分辨率与灵敏度仪器性能关键参数电磁辐射是光谱分析的基础，其性质由频率（ν）、波长（λ）和能量（E）三个相互关联的参数描述根据普朗克-爱因斯坦关系，E=hν，辐射能量与频率成正比从高能的γ射线到低能的无线电波，电磁波谱跨越了广阔的能量范围分子与电磁辐射的相互作用主要表现为吸收、发射和散射不同能量区域的辐射可以引起分子的不同响应紫外-可见光引起电子跃迁，红外光引起振动跃迁，微波引起转动跃迁这些跃迁的量子化特性是分子光谱的理论基础分子与电磁辐射的相互作用分子能级结构分子能级包括电子、振动、转动三个主要层次，它们的能量差距依次减小基态分子主要存在于较低能级，遵循玻尔兹曼分布分子能级的精确计算需要考虑各种相互作用和微扰效应跃迁过程与选择定则光谱跃迁需满足特定选择定则，如振动光谱中偶极矩必须随振动变化禁阻跃迁的概率极低，但在特殊条件下（如对称性破缺）可以观察到选择定则源于量子力学中的跃迁矩阵元非零条件弛豫过程与线宽激发态分子通过辐射和非辐射过程返回基态，这些弛豫过程决定了光谱线的自然线宽实际光谱线宽还受到多普勒效应、压力展宽、仪器因素等影响线宽信息可用于研究分子动力学过程第三部分红外光谱分析仪器原理振动模式红外光谱技术基于分子对特定频率红分子振动包括伸缩、弯曲、摇摆等多1外光的吸收，反映分子振动能级之间种模式，每种模式对应特定能量的红的跃迁外吸收谱图解析特征谱带通过比对标准谱图库，分析吸收强度不同官能团有独特的吸收频率范围，和位置，确定分子中存在的官能团构成分子的指纹区，用于结构鉴定红外光谱是分子结构分析的基础工具，通过测量分子对不同频率红外光的吸收，可以获取分子中化学键振动的信息这种技术特别适合有机分子官能团的快速鉴定，是化学实验室必不可少的分析手段红外光谱基础伸缩振动弯曲振动技术FTIR分子中原子沿键轴方键角周期性变化的振傅里叶变换红外光谱向周期性靠近和远离动模式，包括剪式弯技术利用迈克尔逊干的运动可分为对称曲、摇摆、扭转和翘涉仪和数学转换，大伸缩（分子对称性保曲等形式弯曲振动大提高了信噪比和分持）和反对称伸缩通常需要较低能量，辨率与传统色散型（分子对称性周期变频率一般低于伸缩振仪器相比，具有FTIR化）典型的伸缩振动，多出现在扫描速度快、能量通动频率较高，如以下量高的优势C-H1500cm⁻¹键约在附3000cm⁻¹近红外光谱中的吸收峰反映了分子的振动能级结构除了基频吸收外，还可能观察到倍频（基频的整数倍）和合频（两个或多个基频的和）傅里叶变换红外光谱仪的核心是迈克尔逊干涉仪，它将宽带红外辐射转换为干涉图，再通过傅里叶变换得到光谱特征吸收频率分析官能团频率范围cm⁻¹强度特点O-H醇3200-3650强，宽受氢键影响明显中等伯胺有两个峰N-H3300-3500中等通常窄而尖锐C≡N2210-2260很强官能团环境敏感C=O1630-1780C=C芳香1450-1600变化大常有多个峰红外光谱中的特征吸收频率是官能团鉴定的重要依据羰基（C=O）通常在1630-1780cm⁻¹区间有强吸收，其精确位置受分子结构影响醛类约1740cm⁻¹，酮类约1715cm⁻¹，酯类约1735cm⁻¹，酰胺约1690cm⁻¹氢键形成常导致羰基频率红移（向低波数方向移动）指纹区（1400-400cm⁻¹）包含大量复杂的吸收带，虽然难以逐一指认，但整体模式对特定分子具有唯一性，可用于结构确认在实际分析中，我们通常先关注高频区的特征吸收，再利用指纹区进行确认红外光谱实例解析乙醇红外光谱特征酯类红外光谱特征酰胺红外光谱特征乙醇分子的红外光谱显示附酯类分子如乙酸乙酯的特征是酰胺如二甲基甲酰胺在3300cm⁻¹N,N-1650-近的宽峰（伸缩），附附近的强伸缩峰，以及显示羰基伸缩峰，频率低于O-H2900cm⁻¹1735cm⁻¹C=O1700cm⁻¹近的中强峰（伸缩），区域的两个伸缩酯和酮若存在键（如甲酰胺），C-H1050cm⁻¹1000-1300cm⁻¹C-O N-H附近的强峰（伸缩）羟基的存在峰与醇不同，酯类缺少伸缩峰，则在附近出现伸缩峰C-O O-H3300cm⁻¹N-H使伸缩振动带变宽，这是氢键作用这是区分它们的关键特征此外，的伸缩也O-H1400-1430cm⁻¹C-N的结果是酰胺的特征现代红外技术应用衰减全反射技术红外显微成像时间分辨红外近红外应用ATR-FTIR利用全反射界面产生的将红外光谱与显微镜结合，实现微监测毫秒至飞秒尺度的分子动态变利用倍频和合频信号，实现非破坏消逝波与样品相互作用无需复杂区化学组成分析广泛应用于微小化过程在化学反应机理研究、生性、高通量分析在农产品质量控样品制备，适用于液体、粉末、薄颗粒、多层膜和细胞组织的空间分物分子构象变化分析中具有重要应制、制药过程监测中有显著优势膜等多种样品形态布研究用现代红外技术已超越传统的KBr压片和液膜法，向着更快速、更方便、更高通量的方向发展衰减全反射技术（ATR）的出现极大简化了样品制备流程，尤其适合于难以制备透射样品的材料红外显微成像技术则为非均匀样品和微小样品的分析提供了有力工具第四部分紫外可见光谱分析-180-380nm380-780nm远紫外区可见光区主要观察σ→σ*跃迁和某些n→σ*跃迁，需人眼可见的电磁辐射范围，许多共轭体系在要特殊光源和光学系统此区域有吸收10^4-10^6摩尔吸光系数范围从弱的禁阻跃迁到强的允许跃迁，反映跃迁概率紫外-可见光谱分析是基于分子中电子从基态跃迁到激发态时对特定波长光的吸收这种跃迁主要发生在有机分子的不饱和键、芳香环和含有孤对电子的原子上吸收峰的位置、强度和形状提供了分子电子结构的重要信息在有机化学中，UV-Vis光谱特别适合研究共轭体系，如多烯、芳香化合物和有机染料电子吸收带的位置与共轭程度直接相关共轭程度越高，吸收波长越长此外，紫外-可见光谱也是进行定量分析的重要工具，基于比尔-朗伯定律建立浓度与吸光度的线性关系紫外可见光谱原理-光谱解析技术UV-Vis基线校正方法高级解析技术紫外可见光谱的准确分析需要良好的基线校正常用方法包差分光谱法通过测量样品在两种不同条件下（如不同、pH括两点校正法、多点校正法和数学模型校正法对于含有散不同温度）的光谱差异，放大微小变化，常用于研究蛋白质射颗粒的样品，如生物组织或悬浊液，可能需要额外的散射构象变化和配体结合导数光谱则通过计算吸收谱图的数学校正导数增强分辨率现代光谱仪软件通常提供自动基线校正功能，但在分析复杂多组分分析中，常采用多元校准方法如偏最小二乘法样品时，人工判断和干预仍然必不可少对于连续监测实（）和主成分回归（）处理光谱数据，无需完全分PLS PCR验，基线漂移校正尤为重要离各组分吸收带即可实现准确定量第五部分核磁共振波谱分析一60-600MHz0-12ppm常见仪器磁场强度氢谱常见化学位移范围转换为质子共振频率表示，高场提供更好分辨受电子环境影响，提供结构信息率

0.5-15Hz典型耦合常数范围反映键角和空间排布关系核磁共振波谱分析是现代结构鉴定最强大的工具之一，它利用原子核在磁场中的自旋特性提供分子结构信息¹H-NMR（氢谱）是最常用的核磁共振技术，几乎所有有机分子都含有氢原子，且氢核的天然丰度高（

99.98%），信号灵敏度好NMR提供的信息极其丰富化学位移反映原子核的电子环境；信号积分比例反映各类氢的数量比；自旋偶合分裂模式反映氢原子间的连接关系和空间排布与其他光谱方法相比，NMR具有非破坏性、高度专一性和结构信息丰富等优点核磁共振原理磁场中的自旋共振激发具有自旋的原子核在外磁场中能级分裂，射频脉冲使磁化矢量偏离平衡位置，在拉高低能级之间的布居差导致宏观磁化2莫尔频率处发生共振吸收信号检测弛豫过程4自由感应衰减信号通过傅里叶变换激发后通过纵向弛豫和横向弛豫FID T₁T₂转换为频域谱图过程回到平衡状态核磁共振现象基于核自旋在磁场中的量子行为自旋量子数不为零的原子核（如、、）在外加磁场中发生能级分裂，能级差与磁¹H¹³C³¹P场强度成正比当施加特定频率的射频辐射时，低能级的核自旋可吸收能量跃迁至高能级，产生共振现象化学位移的本质是电子云对外磁场的屏蔽效应原子核周围的电子云产生感应磁场，减弱核感受到的有效磁场，从而影响共振频率电子密度越高，屏蔽效应越强，化学位移值越小这一原理使成为研究分子电子结构的有力工具NMR氢谱解析基础化学位移分析积分分析确定各峰的化学位移值（，以为单位），通过与标准图表测量各信号的积分面积，确定不同类型氢的相对数量比例积分δppm比对，初步判断各类氢的化学环境电负性原子（、、等）比例通常与分子中相应氢原子的数量成正比，是分子式验证的重O NCl附近的氢通常向低场移动（值增大）要依据δ裂分模式分析耦合常数测量3分析信号的分裂模式（单峰、双峰、三峰等），根据规则推测量多重峰中相邻峰之间的间距（值，以为单位），推断分n+1J Hz断邻位氢的数量复杂系统中可能出现二级耦合，导致信号形式子的立体结构例如，反式烯烃的值（）通常大于顺式J14-16Hz偏离简单规则烯烃（）8-10Hz光谱解析实例¹H-NMR乙醇氢谱特征芳香化合物特征乙醇（CH₃CH₂OH）的氢谱展示三组特征芳香环氢通常出现在δ

6.5-

8.5区域，特征信号模式包括•δ

1.2左右的三重峰，对应CH₃基团，•单取代苯典型的三组信号（邻位、被邻位CH₂的两个氢裂分间位、对位氢）•δ

3.6左右的四重峰，对应CH₂基团，•对称多取代苯简化的信号模式，如被一侧CH₃的三个氢和另一侧OH的一对二取代苯仅显示一个单峰个氢裂分•杂环芳香化合物氮、氧等杂原子邻•δ

4.8左右的单峰（可能宽化），对应位的氢通常向低场移动OH基团，易受温度、浓度和溶剂影响结构推断技巧根据饱和度指数和氢谱特征确定分子骨架•饱和度指数=C+1-H/2+N/2（C、H、N为原子数）•指数值反映分子中环和多重键的总数•结合官能团特征信号，可快速确定可能的结构类型第六部分核磁共振波谱分析二核磁共振技术的发展使我们能够获取比传统一维氢谱更丰富的结构信息（碳谱）虽然灵敏度低于氢谱，但直接提¹³C-NMR供碳骨架信息，适合研究含碳官能团二维技术如、、则通过揭示原子间的相关性，帮助确定复杂NMR COSYHSQC HMBC分子中的连接关系和立体构型现代分析通常采用多种技术组合策略，从简单的一维谱开始，逐步增加二维和特殊实验，构建完整的分子结构图像这NMR种系统方法特别适用于天然产物、药物分子等复杂体系的结构解析光谱特点¹³C-NMR碳类型化学位移范围ppm特征烷基C（CH₃,CH₂,CH）0-60取代基效应明显烯烃/芳香C100-170杂原子取代影响大羰基C160-220官能团类型决定位置炔基C65-90三键碳原子屏蔽效应强醚/醇/胺C40-80与杂原子直接相连¹³C-NMR提供的是碳骨架信息，其主要优势在于信号分散在较宽的化学位移范围（0-220ppm），减少了信号重叠的可能性由于¹³C的天然丰度仅为

1.1%，信号灵敏度较低，通常需要使用较多的样品量或较长的采集时间现代¹³C-NMR实验多采用质子去耦技术，使每个碳原子只产生单一信号，简化谱图解析DEPT（极化转移畸变增强）系列实验可区分CH₃、CH₂、CH和季碳，进一步提高结构解析的准确性碳谱与氢谱结合使用，构成了有机结构鉴定的强大工具组合二维技术原理NMR相关谱的基本概念常见二维实验NMR二维技术记录两个频率维度上的信号关联，通过交叉（相关谱）显示通过化学键耦合的氢原子之间的相关NMR COSY峰揭示原子间的相互作用它基于复杂的射频脉冲序列，包性，主要反映偶合常数键的关系（全相关2-3TOCSY括制备期、演化期、混合期和检测期等关键步骤演化期的谱）则显示整个自旋系统内的所有相关性，特别适合分析糖时间增量创造了间接维度，混合期允许磁化在不同核之间转类等复杂分子和利用核奥弗豪泽效应NOESY ROESY移（）检测空间接近的原子，是确定立体构型的关键工NOE具二维谱中的对角峰代表常规一维谱信息，而交叉峰则反映相关原子间的耦合或空间接近关系交叉峰的强度与相互作用异核相关实验如直接关联氢原子与其连接的碳氮原HSQC/强度相关，可用于估计原子间距离或耦合常数大小子，而则可检测键远程耦合，弥补无法检HMBC2-4HSQC测季碳的缺陷这些技术组合使用，可以构建完整的分子骨架信息高级技术应用NMR动态研究固体技术NMR NMR通过改变温度观察信号变固体样品中分子运动受限，导NMR化，研究分子内部运动在低致各向异性相互作用显著，谱温下，不同构象可能表现为分线严重展宽魔角旋转离的信号；随温度升高，信号（）技术通过特定角度MAS逐渐合并，通过信号合并点可（）旋转样品，平均化

54.7°估算转化能垒这一技术广泛各向异性效应，获得高分辨率应用于研究环糊化合物构象转谱图交叉极化（）技术增CP换、阻旋异构体和化学交换过强信号灵敏度，使固体成NMR程为研究不溶性材料、生物膜和固态催化剂的有力工具磁共振成像是技术在医学诊断领域的重要应用通过梯度磁场编码空间信MRI NMR息，结合多种脉冲序列采集不同加权图像，实现对软组织的无创成像功能性磁共振成像（）进一步拓展到大脑活动研究，成为认知神经fMRI科学的关键工具复杂分子解析策略NMR实验设计与数据收集根据样品特性和问题复杂度设计NMR实验序列通常从简单的一维实验开始，如¹H和¹³C谱，再根据需要增加二维实验样品制备方面，需考虑浓度、溶剂选择和内标添加等因素分子骨架构建利用HSQC确定直接连接的H-C对，通过HMBC建立远程连接关系，特别是季碳位置COSY和TOCSY提供氢原子连接网络，帮助确认分子片段结合MS数据验证分子量和元素组成立体构型确定分析偶合常数确定相对构型，如烯烃顺反、环己烷衍生物的axial/equatorial位置NOESY或ROESY提供空间接近信息，帮助确定三维结构手性中心的绝对构型可能需要结合其他技术如圆二色性结构验证将解析结果与相似结构的文献数据比对，或利用计算化学预测谱图进行验证对于新化合物，应进行全面表征，确保结构解析无误必要时结合X射线晶体衍射等其他技术进行交叉验证第七部分质谱分析技术离子化与质量分析离子化技术发展质谱技术通过将样品分子离子化，早期的电子轰击离子化适用于EI然后根据质荷比进行分离和检测，挥发性小分子，现代技术如电喷雾提供分子量和结构信息随着仪器和基质辅助激光解吸ESI发展，质谱已从简单的分子量测定扩展到生物大分子和聚合MALDI发展为结构解析、定量分析和代谢物离子化技术的多样化大大拓展组学等领域的核心技术了质谱的应用范围碎片化规律分子离子在质谱仪中发生特征性断裂，产生碎片离子谱图，形成分子的指纹图谱通过分析碎片离子的质量和相对丰度，可以推断分子的结构特征和官能团信息质谱分析在现代化学和生物学研究中占据核心地位，高分辨质谱可精确测定分子式，串联质谱可获取详细结构信息，定量质谱则可检测超低浓度的目标物质随着技术发展，质谱已成为药物开发、临床诊断和环境监测的重要工具质谱基本原理离子化质量分析将中性样品分子转变为带电离子，是质谱根据质荷比对离子进行分离，常用分m/z分析的第一步析器有四极杆、飞行时间等数据处理检测与记录通过分子离子峰、同位素模式和碎片离子将分离的离子转化为电信号并记录，得到3推断分子结构质谱图质谱的核心是测量离子的质荷比，通过分子离子峰确定分子量，通过碎片峰推断结构质谱分辨率是区分接近质量的离子的能力，高分m/z辨质谱可精确测定质量至小数点后位，用于确定分子式准确质量测量与理论值的偏差通常以为单位，高精度仪器可控制在以4-6ppm5ppm内同位素模式分析是质谱解析的重要手段自然界中元素常有多种同位素，如碳、氯分子中含氯、溴等元素时，会产生¹²C,¹³C³⁵Cl,³⁷Cl特征性同位素峰图案，帮助确定分子组成同位素峰相对强度可用于验证推测的分子式，提高结构解析的准确性离子化技术比较质谱碎片化规律断裂机理重排同分异构体区分α-McLafferty断裂是指电荷位点相邻的键断重排是含羰基化合物的特不同结构的同分异构体通常表现出不同α-C-C McLafferty裂，是脂肪族化合物最常见的裂解方征重排反应，涉及六元环过渡态中的氢的碎片化模式如正己烷和甲基戊烷2-式如醛酮中羰基位键断裂形成转移和断裂例如，丁酮经重排产在谱图中的碎片离子分布有明显差αC-Cβ-2-EI酰基正离子，醇中断裂形成含生的特征峰这种重排需要位异分支烷烃倾向于在支链位置断裂，RCO⁺αm/z58β氧烷基离子这种断裂优先发生在能够氢原子与羰基处于适当的空间排布，是而直链烷烃则表现出规律性的碳链逐段稳定碎片离子的位置，如第三碳位鉴别长链醛酮和酯类的重要依据断裂结合保留时间和碎片模式，可靠地区分同分异构体串联质谱技术MS/MS前体离子选择第一级质量分析器选择特定m/z的离子碰撞活化在碰撞室内与惰性气体碰撞产生碎片碎片离子分析3第二级质量分析器对碎片离子进行质量分析结构解析4通过碎片模式确认分子结构串联质谱MS/MS结合了两次或多次质量分析，大大增强了结构解析和痕量分析能力在复杂混合物分析中，MS/MS可选择性地研究特定组分，无需完全色谱分离另一优势是提高信噪比，降低基质干扰，使检测限达到皮克甚至飞克水平MS/MS有多种扫描模式产物离子扫描选择特定前体离子产生的所有碎片；前体离子扫描寻找能产生特定碎片的所有前体；中性丢失扫描检测具有特定质量损失的离子对多反应监测MRM模式同时监测多对前体-碎片离子对，是高灵敏度定量分析的首选技术，广泛应用于药物代谢、环境污染物和临床生物标志物分析质谱联用技术系统系统高级联用技术LC-MS GC-MS液相色谱质谱联用系统结合了的分离能气相色谱质谱联用是分析挥发性和半挥发现代分析挑战推动了更复杂联用技术的发-LC-力和的鉴定能力，特别适合分析极性、性有机物的经典技术接口相对简展毛细管电泳质谱结合了MS GC-MS-CE-MS CE不挥发和热不稳定化合物接口技术是单，通常直接将柱末端连接到离子的高效分离和的高灵敏检测，适合分析LC-GC MSMS的关键，从早期的移动带、粒子束发展源离子化产生高度可重复的碎片模极微量样品二维色谱联用质谱如MS EI到现代的电喷雾和大气压化学电离式，结合保留时间和质谱库可靠地鉴定未和大幅提高了分ESI GCxGC-MS LCxLC-MS已成为药物代谢、蛋白质知物在环境监测、食品安全和法辨能力，可处理极其复杂的样品如原油、APCI LC-MS GC-MS组学和环境分析的核心平台医毒理学领域有广泛应用中草药提取物和环境样品这些技术为组学研究提供了强大工具第八部分射线晶体学X

0.1-100Å

0.01-

0.001Å射线波长范围原子位置精度X与原子间距相匹配的电磁波高分辨率晶体结构分析可达种230空间群数量描述晶体三维周期性排列方式X射线晶体学是分子结构研究的金标准，通过分析X射线在晶体中的衍射模式，直接揭示分子的三维空间结构，包括键长、键角和二面角等精确几何参数这项技术特别适合确定立体化学和分子堆积方式，为理解分子间相互作用提供直接证据与光谱方法相比，X射线晶体学的独特优势在于直接给出分子结构的照片，无需通过间接证据推断然而，获得高质量单晶样品是应用这一技术的关键挑战现代衍射仪配备先进的X射线源和探测器，大大缩短了数据采集时间，提高了结构解析的成功率和精度射线晶体学基础X晶体学基本概念射线衍射原理X晶体是原子、离子或分子在三维空间中按规则排列形成的固射线衍射基于布拉格方程，其中是射X nλ=2d·sinθλX体基本结构单元是晶胞，通过平移操作可构建整个晶体线波长，是晶面间距，是入射角，是衍射级数当射dθn X晶胞由六个参数描述三个轴长（）和三个轴间角度线照射晶体时，晶格中规则排列的原子形成三维光栅，导a,b,c（）根据对称性可将晶体分为七大晶系和个空致特定方向上的衍射增强α,β,γ230间群衍射图像中每个衍射点的位置与晶格几何构型有关，而强度晶体的对称性是理解衍射模式和结构解析的关键空间群描则取决于原子的种类和排布通过测量大量衍射点的位置和述了原子在空间中排列的对称性质，包括平移、旋转、反演强度，结合相位信息，可以重建晶体中电子密度分布，进而等对称操作高对称性晶体通常有较少的独立原子位置需要确定原子位置现代检测器如和大大提高了数CCD CMOS确定，简化了结构解析过程据收集效率晶体结构解析方法相位问题解决策略X射线衍射实验只能测量衍射波的强度，而失去了相位信息，这就是著名的相位问题没有相位，无法直接从衍射图重建电子密度解决相位问题的主要方法包括直接法、Patterson函数法、同晶置换法和异常散射法直接法利用电子密度非负性和原子性质，通过统计关系推断相位，适用于小分子；Patterson函数不需要相位信息，可直接计算原子间矢量，适合含重原子的结构结构精修过程初步结构模型确定后，需要通过精修过程优化原子坐标和热振动参数精修采用最小二乘法，最小化观测结构因子与计算结构因子之间的差异常用的精修软件包括SHELX、REFMAC和PHENIX精修质量通过R因子评估，理想情况下，R因子应小于

0.05精修过程中需要注意化学合理性，包括键长、键角、平面性和手性等约束绝对构型确定对于含有手性中心的分子，确定绝对构型（或绝对构形）是晶体结构分析的重要任务传统方法依赖于异常散射效应，需要晶体中含有重原子（如S、Cl、Br）现代方法如Bijvoet差异配对和连续旋转波动分析提高了轻原子结构的绝对构型确定能力结构解析通常给出Flack参数，用于评估绝对构型的可靠性，理想值应接近0射线晶体学应用实例X射线晶体学在各个领域都有广泛应用在药物研发中，药物分子与靶蛋白复合物的晶体结构为理性药物设计提供了原子级分X辨率的信息分析药物分子本身的晶体结构则有助于了解多晶型现象，这对药物可制造性和生物利用度有重要影响双DNA螺旋结构的发现是射线晶体学的经典成就，为分子生物学奠定了基础X在材料科学中，晶体结构决定了许多物理性质例如，金属有机框架（）材料的孔径和表面性质直接影响其气体吸附和MOF催化性能通过晶体工程，科学家可以设计具有特定结构和功能的新型晶态材料多晶型现象是同一化合物以不同晶体结构存在的现象，不同晶型往往表现出不同的溶解度、稳定性和生物活性，这在药物开发中尤为重要第九部分波谱联用技术联用优势波谱联用技术结合多种分析方法的优点，提供更全面的结构信息不同谱学方法相互补充，克服单一技术的局限性联用系统大大提高了复杂样品的分析效率和准确性，已成为现代分析实验室的标准配置应用范围联用技术广泛应用于药物代谢研究、天然产物分析、环境监测和生物标志物发现等领域复杂样品中的微量组分可以通过色谱分离后直接进行结构鉴定，无需繁琐的分离纯化步骤数据整合现代数据处理软件能够整合不同谱学数据，实现多维数据可视化和结构自动解析机器学习算法的应用进一步提高了数据解析的准确性和效率，特别是在处理大规模数据集时波谱联用技术通过将色谱分离与多种光谱检测结合，创建了强大的分析平台这种方法特别适合处理复杂混合物，如生物样品、环境样品和天然产物提取物传统分析往往需要先分离纯化目标化合物，再进行逐一表征，而联用技术允许在一次实验中同时完成分离和鉴定，大大提高了效率联用技术的另一优势是提供互补信息例如，MS提供分子量和碎片信息，UV提供发色团信息，NMR提供详细结构信息这些互补数据增强了结构确证的可靠性，减少了错误解析的可能性随着仪器微型化和自动化程度提高，联用平台正逐渐向便携式和现场分析方向发展波谱联用基本原理多维数据解析联用数据的综合处理与可视化数据采集同步多检测器信号的时间对准与校准接口技术连接分离与检测系统的关键部件样品制备兼容多种检测技术的样品处理色谱-质谱联用系统的核心是接口技术，它必须有效地将色谱流出物转化为适合质谱分析的形式早期的GC-MS接口相对简单，因为GC出口的气态样品可直接进入MS离子源而LC-MS接口则面临更大挑战，需要去除大量溶剂并将液相样品转化为气相离子现代LC-MS接口如ESI和APCI已经很好地解决了这一问题联用系统的数据采集需要精确的时间同步，确保不同检测器的信号可以正确关联在线联用中，样品直接从分离系统进入检测器；而离线联用则将分离的组分收集后再进行分析，适用于需要较长检测时间的技术如NMR无论哪种方式，联用数据的整合都需要专门的软件工具，将各种谱图与保留时间关联，形成多维数据集联用应用GC-MS挥发性组分分析GC适合分离沸点约350°C以下的挥发性化合物，结合MS的高灵敏度可检测微量组分保留指数与质谱匹配结合色谱保留特性和质谱特征，提高化合物识别可靠性复杂混合物解析适用于环境监测、食品安全、代谢组学等领域的复杂样品分析痕量分析能力可检测ppb甚至ppt级别的污染物和代谢物，满足监管需求GC-MS联用是分析挥发性和半挥发性有机化合物的强大工具在环境样品分析中，GC-MS可同时筛查数百种持久性有机污染物（POPs）、多环芳烃（PAHs）和挥发性有机物（VOCs）通过衍生化技术，如硅烷化和酰化，可将一些极性化合物转化为挥发性衍生物，进一步拓展GC-MS的应用范围保留指数系统，特别是Kovats指数，提供了与柱温和流速无关的保留参数，便于实验室间数据比对将保留指数与EI质谱库匹配相结合，可大大提高未知化合物鉴定的准确性现代GC-MS系统配备高分辨质谱仪，可提供分子式层面的确认，而串联质谱则提供结构确证的额外证据在代谢组学研究中，GC-MS特别适合分析小分子代谢物，如氨基酸、有机酸和糖类联用技术LC-MS液相色谱-质谱联用技术LC-MS在分析非挥发性、热不稳定和高分子量化合物方面具有显著优势电喷雾离子化ESI接口的出现是LC-MS发展的里程碑，它实现了液体样品到气相离子的高效转换，特别适合极性和离子化化合物大气压化学电离APCI和大气压光电离APPI则扩展了LC-MS对中低极性化合物的适用性综合波谱解析案例一初步结构推测1通过高分辨质谱确定分子式C₁₅H₁₇NO₃，双键当量数DBE为8，提示存在环系或多重键UV-Vis光谱在280nm处有强吸收，暗示存在共轭系统，可能是苯环结构官能团识别2IR谱显示1730cm⁻¹处的强吸收带确认羰基存在，3300cm⁻¹处的宽峰表明存在N-H或O-H键3000cm⁻¹附近的吸收指示芳香C-H伸缩，而1600-1400cm⁻¹的多重峰进一步支持芳香环结构碳骨架确认3¹³C-NMR显示15个碳信号，包括1个酯羰基δ

170、6个芳香碳δ120-

140、多个脂肪碳和1个含氧亚甲基δ65¹H-NMR中δ

7.2-

7.4的多重峰证实单取代苯环，δ

4.1的四重峰对应含氧亚甲基立体化学确定通过NOE实验和耦合常数分析确定相对构型手性HPLC分离显示这是单一对映异构体旋光度测量结果为[α]D²⁰=+45°（c

1.0,CHCl₃），与文献报道一致，确认为R构型综合波谱解析案例二相关谱分析结构片段拼接立体结构确认通过确定直接连接关系，识将数据中确认的分子片段如双环通过实验检测空间接近的氢原HSQC C-H NMRNOESY别出个亚甲基、个次甲基和个甲基萜烯骨架、羟基取代位点和侧链结构进子，确定了关键立体中心的相对构型435碳显示的远程耦合帮助连接分行合理拼接碎片化模式支持环系氢原子的耦合常数表明刚性双环结HMBC MS/MS子片段，特别是确定了季碳的连接位了这一连接方式，尤其是观察到特征性构中的融合方式通过比旋光度trans-置谱显示氢原子间的耦合网的逐步脱水和侧链断裂通过比对已知与文献比对，结合光谱数据，最终COSY CD络，确认了各片段的连接顺序相关化合物的光谱数据，进一步验证了确定了这一新型倍半萜烯的绝对构型结构推断第十部分计算化学辅助结构分析量子化学计算基础光谱预测技术计算化学通过求解薛定谔方程或其近似现代计算化学可准确预测多种光谱数形式，预测分子的能量、结构和性质据，包括NMR化学位移、IR振动频率和从半经验方法到精确的密度泛函理论UV-Vis吸收波长将计算结果与实验DFT，不同级别的理论方法适用于不数据比对，有助于结构确认和指认，特同规模的分子系统基组选择同样重别是对新合成或分离的化合物计算方要，大基组提高精度但增加计算成本法通常需要应用经验校正因子以匹配实验值•常用方法HF、MP

2、B3LYP、M06-2X等•NMR预测GIAO方法结合溶剂模型•常用基组3-21G、6-31G*、cc-pVDZ等•IR预测考虑非谐性校正的振动分析构象分析应用构象搜索是确定分子优势构象的计算方法，通过系统旋转单键或随机扰动结构，寻找能量最低点对于柔性分子，多构象平衡是常态，影响其光谱性质和生物活性采用分子动力学模拟可研究分子在溶液中的动态行为和构象转换•构象搜索方法系统搜索、随机搜索、遗传算法•溶剂效应模型PCM、COSMO、显式溶剂模型计算化学基础概念量子化学方法层次基组与计算精度计算化学方法形成一个精度与计算成本平衡的层次结构最基组是描述分子轨道的数学函数集合，直接影响计算结果的底层是分子力学方法，利用经典力场描述分子，计算速度快准确性最小基组如只包含最基本轨道，而扩展基STO-3G但准确性有限半经验方法如和通过参数化简化组如通过添加极化函数和弥散函数提高灵活性相AM1PM66-31G**计算，适合中等大小分子从头计算方法如关一致基组如系统地改进电子相关处理，适合高Hartree-cc-pVTZ求解薛定谔方程但忽略电子相关精度计算FockHF更高级的方法包括微扰理论、组态相互作用和耦基组收敛是评估计算结果可靠性的关键通过逐步增大基组MP2CI合簇方法，准确度逐步提高但计算成本急剧增加密直至结果不再显著变化，可确定计算已达到基组极限基CC度泛函理论在准确性和效率之间取得良好平衡，组叠加误差是计算分子间相互作用时的常见问题，DFT BSSE等杂化泛函已成为计算化学的主流选择可通过反基组校正方法处理B3LYP CP溶剂化效应在分子结构计算中至关重要，特别是对极性和带电分子隐式溶剂模型如极化连续体模型将溶剂视为连续PCM介质，计算效率高显式溶剂模型则直接考虑溶剂分子，更为精确但计算成本高两种方法的结合使用日益普遍，尤其是研究溶剂化结构和反应机理光谱数据计算与预测化学位移计算NMRNMR化学位移计算通常采用规范独立原子轨道GIAO方法，考虑外磁场对电子云的扰动计算流程包括结构优化、构象分析和磁屏蔽张量计算对于柔性分子，需要计算多个构象的加权平均值，以匹配溶液中的实验结果常用的DFT方法如B3LYP和核独立化学位移NICS特别适合芳香性研究计算结果通常需要线性回归校正，以补偿系统误差振动频率预测IR振动频率计算基于分子的力常数矩阵，反映势能面的曲率谐振子近似下计算的频率通常高于实验值，需要应用经验校正因子（约

0.96-

0.98）考虑非谐性效应的方法如VPT2可进一步提高准确性，但计算成本显著增加IR强度计算依赖于偶极矩导数，而拉曼强度则与极化率导数相关这些计算有助于指认复杂光谱中的振动模式和预测未知化合物的特征吸收碎片化路径模拟MS质谱碎片化过程可通过量子化学方法模拟，计算不同断裂路径的能量变化对离子化后的分子进行结构优化，然后探索势能面上可能的断裂通道这种方法可以解释特定碎片的形成机理，预测相对丰度，并帮助识别结构异构体的特征碎片对于复杂分子，可结合分子动力学模拟断裂过程的动态行为，提供更全面的碎片化机理解释结构优化与构象分析构象搜索技术势能面分析分子动力学模拟构象搜索是系统探索分子可势能面PES描述分子能量分子动力学MD通过求解能构象的计算方法系统搜与结构参数的关系，是理解牛顿运动方程，模拟分子随索通过旋转每个单键，生成分子行为的基础一维势能时间的运动轨迹经典MD完整的构象集；随机搜索则扫描通过固定特定键或角使用力场描述原子间相互作随机扰动分子结构，通过能度，研究能量变化；二维势用，适合大分子系统；而量量筛选保留合理构象；能图则同时变化两个参数，子力学/分子力学QM/MMMonte Carlo方法根据能量可视化能量景观鞍点对应混合方法则在关键区域应用差异概率性接受新构象；分过渡态结构，是研究反应机量子计算，提高精度增强子动力学模拟则通过力场方理的关键最新的机器学习采样技术如伞形采样和亚线程模拟分子随时间演化对方法如神经网络势能面，大性扩展法可加速探索稀有事于复杂分子，遗传算法和模大加速了势能面构建和探索件，如构象转换和分子识别拟退火等高级方法可更高效过程过程地探索构象空间构象分析对理解分子性质至关重要，尤其是对药物分子和生物大分子分子的生物活性通常依赖于其与受体结合时的构象，而不一定是能量最低构象因此，生物活性构象的识别是药物设计的关键步骤现代构象分析方法可整合实验数据（如NOE约束和J耦合常数）与计算模型，提供更可靠的结构预测第十一部分新兴分子结构分析技术分子结构分析技术正经历前所未有的创新冷冻电子显微镜技术突破了晶体制备限制，能够直接观察接近原生状Cryo-EM态的生物大分子，分辨率已达亚埃级单分子光谱学摆脱了传统集体平均的局限，观察单个分子的行为和异质性，为理解分子机器工作机制提供了新视角超高分辨显微技术如受激发射损耗和光激活定位显微镜打破了衍射极限，实现纳米尺度的光学成像这些技STED PALM术与人工智能数据分析的结合，正在革新我们理解分子世界的方式计算机视觉和机器学习算法可自动从海量数据中提取结构信息，加速科学发现过程前沿分析技术发展超高分辨结构分析单分子技术冷冻电镜分辨率突破

1.2Å，接近X射线晶体学水平，且无需晶体超高场NMR（1GHz以上）提光镊技术测量分子间作用力，研究蛋白质折叠和酶催化力学单分子FRET监测生物分子构象变供更高信噪比和分辨率，解析更复杂的生物大分子电子衍射技术MicroED可分析微小晶体，化，揭示隐藏在集体平均中的动态过程扫描隧道显微镜实现单分子化学反应的实时成像和操填补晶体学和EM的空白控，为原子级精确合成开辟道路123超快动态技术飞秒激光光谱可观察化学键断裂和形成的实时过程，捕捉反应中间体时间分辨X射线衍射利用X射线自由电子激光，观察分子构象变化的原子级细节泵浦-探测技术结合多种光谱方法，提供反应动力学的多维信息现代分析技术正从静态结构向动态过程转变，从集体平均向单分子分辨发展超快光谱学将时间分辨率推进到飞秒尺度，能够捕捉化学键振动和断裂的实时过程这些技术揭示了传统静态照片无法展现的分子动态行为，为理解生物过程和设计新催化剂提供了关键信息同时，多模态和原位分析成为新趋势将不同分析技术整合到同一平台，实现对同一样品的多角度观测；而原位分析则直接在反应环境中进行测量，避免样品处理过程中的结构变化这些技术突破正在改变我们理解分子世界的方式，推动化学、材料和生物医学领域的创新发展跨学科分析技术融合材料科学应用生物医学研究分子结构分析技术在材料研发中发挥关结构生物学技术解析蛋白质配体相互作-键作用，建立结构性能关系原位-XRD用机制，指导药物设计高通量筛选结和电子显微镜技术跟踪材料合成过程的合计算模拟加速靶向药物开发成像质结构演变，指导可控合成固体和NMR谱技术可视化组织中的分子分布，无需等表面分析技术揭示功能材料的原XPS标记，直接观察代谢物和药物在体内的子排布和电子状态，解释其特殊性能分布和转化食品与农业环境科学应用多组学方法全面表征食品成分，确保质高分辨质谱和多维色谱技术分析环境样量和安全光谱成像技术无损检测农产品中的复杂混合物，识别新型污染物品品质和污染气味分析系统结合人工同位素分析追踪污染物来源和转化途智能，模拟人类感官评价，实现食品风径原位和便携式光谱技术实现现场快味的客观评估速检测，提高环境监测效率总结与展望大种515核心分析模块主要分析方法本课程涵盖光谱、质谱、衍射、计算和新兴技从经典红外到前沿冷冻电镜，系统介绍关键技术五大核心模块术原理与应用张50精心设计课件每张课件聚焦特定主题，由浅入深，循序渐进分子结构分析已发展成为一个多学科交叉的综合体系，各种技术相互补充，共同构建了解析分子结构的完整工具箱我们不再依赖单一方法，而是根据问题特点选择合适的技术组合未来发展趋势包括多维、多尺度表征，原位、实时分析以及智能化数据处理，技术革新将持续推动分子科学的进步建议学生在学习本课程后，针对自己的研究方向进行深入专业化训练，掌握至少一种核心技术的实际操作同时保持开放心态，关注交叉领域的新方法，不断更新知识体系结构分析能力是化学研究的基础技能，也是创新思维的重要工具，将伴随科研人员的整个职业生涯。