2. Мета та завдання навчальної дисципліни

Мета: Курс є базовим для наступного вивчення дисциплін, що користуються фізичними методами дослідження для розвязання своїх проблем. Головна мета курсу – навчити студентів користуватися спектральними даними для ідентифікації речовин, встановлення їх структури, визначення кінетичних та термодинамічних характеристик хімічних процесів та для розв’язання інших проблем.

Завдання: дати теоретичні основи фундаментальних фізичних методів, їх апаратурне оформлення, показати області їх застосування, розглянути коло задач та проблем, що розв’язуються кожним методом, обмеження кожного методу. В курсі відзначається роль фізичних методів дослідження та аналізу у створенні безвідходних автоматизованих виробництв, підкреслюється роль спектральних методів у фундаментальних наукових дослідженнях, в організації контролю за станом довкілля. Теоретичні знання є основою для досягнення головного завдання – дати практичні навички роботи зі спектрами.

У результаті вивчення навчальної дисципліни студент повинен

знати: теорію фізичних основ кожного методу, знати основні блоки апаратури та принципи їх дії, області застосування методів, коло вирішуваних ними задач, їх обмеження, чітко засвоїти матеріал із спектрометрії ЯМР, мас-спектрометрії, ІЧ- та УФ-спектрометрії.

вміти: працювати зі спектрами, визначати необхідні параметри спектра, їх розшифровувати, встановлювати будову речовини та визначати кінетичні та термодинемічні параметри.

3. Програма навчальної дисципліни

Змістовний модуль 1. Методи ЯМР.

Тема 1. Вступ.

Завдання курсу. Корпускулярно-хвильова природа електромагнітного випромінювання. Одиниці виміру довжин хвиль та частоти. Блок-схема спектральних приладів. Типи випромінювання. Пряма та зворотна задача фізичних методів дослідження.

Тема 2. Теорія ямр.

Вступ. Магнітні властивості ядер. Взаємодія магнітного моменту ядер із зовнішнім магнітним полем та його енергія. Умови спостереження ЯМР. Фактори, що визначають частоту резонансу. Класична модель ЯМР. Система координат, що обертаються. Принципи реєстрації сигналів ЯМР. Імпульсний метод ЯМР з Фур’є перетворенням. Стаціонарний метод спостереження: частотна та польова розгортка спектра для спектрометра з повільним проходженням частоти резонансу. Попередній розгляд проблеми форми сигналу ЯМР.

Тема 3. ПМР. Ефекти оточення в ЯМР.

Оточення електронів та ядер. Хімічний зсув. Природа хімічного зсуву. Правила адитивності хімічних зсувів. Мультиплетність. Константа спін-спінової взаємодії магнітних ядер та фактори, що їх визначають. Спінові системи ядер. Число сигналів: спінові системи AX_n та A_nM_zX_m.

Тема 4. Фактори, що визначають форму сигналу ЯМР.

Спін-гратчаста та спін-спінова релаксації. Ширина сигналу в ЯМР. Ефекти обміну в ЯМР.

Тема 5. Застосування ПМР.

Можливості та обмеження методу. Визначення структури речовини за спектрами ПМР. Кінетичні дослідження повільних реакцій. Кінетичні та термодинамічні дослідження швидких реакцій перегрупувань та обміну.

Змістовний модуль 2. Методи мас-спектрометрії :

Тема 6. Теорія мас-спектрометрії.

Значення методу для хімії і фармацевтичної хімії та його суть. Іонізація молекул, формування іонного пучка, розділення іонів за масою та їх визначення. Методи іонізації: електронний удар, дія фотонів, іонізація сильним електричним полем, високою температурою, хімічна іонізація. Блок-схема мас-спектрометра. Прилади з високою та низькою розрізнювальною здатністю. Можливості та обмеження методу.

Тема 7. Застосування мас-спектрометрії.

Визначення молекулярної формули речовини. Структурний аналіз за мас-спектрами низької розрізнювальної здатності. Фармакокінетика та фармакодинаміка.

Змістовний модуль 3. Область оптичних спектрів:

Тема 8. Загальні положення.

Оптичні методи розкладання випромінювання. Прилади однопроменеві та двохпроменеві. Блок-схема двохпроменевого приладу. Фур’є ІЧ-спектрометрія. Діапазони випромінювання. Взаємодія випромінювання з речовиною. Види спотворення спектрів.

Тема 9. Теорія коливання атомів в молекулах.

Гармонічний осцилятор: класичне та квантово-механічне розв’язання. Ангармонічний осцилятор. Коливання багатоатомних молекул: ступені свободи руху молекул, нормальні коливання. Заселеність коливальних рівнів.

Тема 10. Інфра-червона спектроскопія (ІЧС).

Суть абсорбційної ІЧ-спектроскопії. Правила добору в ІЧС: по симетрії коливальних функцій, по квантовому числу, по числу збуджуваних коливань. Групові коливання. Виконання правил добору. Резонанс Фермі. Розв’язання зворотної коливальної задачі. ІЧ-спектри окремих класів сполук. Застосування ІЧС. Задачі, що розв’язуються методами ІЧС: ідентифікація сполук, визначення функціональних груп, дослідження водневих зв’язків, кількісні виміри, визначення геометричних ізомерів. Обмеження методів ІЧС.

Тема 11. Спектрометрія комбінаційного розсіювання (СКР).

Сутність методу. Класична теорія розсіяного випромінювання. Квантово-механічний підхід. Правила добору. Порівняння ІЧС та СКР.

Тема 12. Теорія електронної спектрометрії.

Сутність методу. Теорія МО ЛКАО. Теорія електронної спектрометрії. Інтенсивність електронних переходів. Правила добору: по симетрії електронних орбіталей, по локальній симетрії, по кількості збуджуваних електронів, по спіну електронів. Врахування коливальної складової хвильової функції. Ідентифікація електронних переходів.

Тема 13. Застосування електронної спектрометрії.

Електронні спектри окремих класів органічних сполук. Застосування електронної спектрометрії: кількісний аналіз, кінетичні дослідження повільних хімічних процесів. Визначення основності органічних сполук. Колірність барвників. Водневі зв’язки. Структурні дослідження.

Змістовний модуль 4. Комплексне використання спектра-них методів:

Тема 14. Розв’язання спектральних задач комплексом спектральних методів.

Встановлення будови речовини за допомогою комплексного використання методів ІЧС, мас-, УФ- та ПМР спектрометрії.