化合物的結(jié)構(gòu)鑒定與表征

化合物的結(jié)構(gòu)鑒定與表征(碩士研究生學位課)

云南大學丁中濤、蔡樂、杜琳、周皓當前第1頁\共有50頁\編于星期五\4點第一章：概述

經(jīng)典有機定性分析方法是運用化學降解方法把化合物切成各種片段，再按化學原理邏輯地推斷結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)合成方法證明。研究方法：

化學降解反應(yīng)、有機元素分析、物理常數(shù)測定（熔點、沸點、旋光等）、官能團的特征顯色反應(yīng)、合成。缺點：操作煩瑣、費時、消耗試劑量大、不易準確甚至不能測定如：1、微量化合物

2、大分子化合物

3、不穩(wěn)定中間產(chǎn)物當前第2頁\共有50頁\編于星期五\4點二.發(fā)展歷程：上世紀中期后，儀器分析方法得到迅速發(fā)展分離方法：各種色譜分離方法分析方法：UV、IR、NMR、MS等及各種聯(lián)機技術(shù)。嗎啡（1804純品，1847分子式1925化學結(jié)構(gòu)）當前第3頁\共有50頁\編于星期五\4點三.有機波譜分析方法：紫外光譜法（UV）：UltravioletAbsorptionSpectrometry2.紅外光譜法（IR）：InfraredAbsorptionSpectrometry3.核磁共振波譜法（NMR）：NuclearMagneticResonanceSpectrometry4.質(zhì)譜法（MS）：MassSpectrometry

本課程重點介紹四譜的譜學特點、特定功能、圖譜提供的信息及其與化合物結(jié)構(gòu)的關(guān)系。核心是四譜綜合運用，即“解譜”。當前第4頁\共有50頁\編于星期五\4點四譜比較：靈敏度：MS>UV>IR>NMR2.儀器的價格高低及維持費：MS~NMR>IR>UV

3.測定技能：NMR>MS>IR>UV4.獲取信息的多寡：NMR>MS~IR>UV

5.所需的理論背景：NMR>MS>IR>UV

當前第5頁\共有50頁\編于星期五\4點1、紫外光譜睪丸酮(1,)和異丙叉丙酮（2，CH3COC=C（CH3）2）的紫外光譜當前第6頁\共有50頁\編于星期五\4點1R1=Me,R2=H4R1=H,R2=Me

化合物1的UV，紅線、蘭線為不同濃度的樣品吸收，綠色線為已加AlCl3/HCl，與樣品對照最大吸收峰及A值無變化。例：MinghuiYang，ZhongtaoDing，etal，CCL，2010,21:325-328

當前第7頁\共有50頁\編于星期五\4點在某些情況下，如香豆素類、黃酮類化合物，它們的UV光譜在加入某些診斷試劑后可因分子結(jié)構(gòu)中取代基的類型、數(shù)目及位置的不同而發(fā)生改變，故還可以應(yīng)用UV譜推斷該類化合物的精細結(jié)構(gòu)。例如:蘆丁的甲醇溶液及加入各種診斷試劑后的UV譜如下：試劑λmax譜帶II譜帶I甲醇259359甲醇鈉272410三氯化鋁275433乙酸鈉271393從上表UV數(shù)據(jù)可見:甲醇鈉是強堿,可以使所有的羥基解離,故蘆丁的譜帶I和II均發(fā)生明顯紅移.三氯化鋁可分別與B環(huán)的鄰二酚羥基、C環(huán)的羰基和A環(huán)的5位羥基形成配合物，故亦引起蘆丁的譜帶I和II的明顯紅移。乙酸鈉為弱堿，僅能使酸性較強的A環(huán)7位羥基和B環(huán)4‘位羥基解離，所以譜帶I和II所發(fā)生的明顯紅移，表明蘆丁分子結(jié)構(gòu)中存在4‘位羥基和7位羥基。由此可見，UV譜不但可用于推斷不飽和結(jié)構(gòu)骨架，而且有助于闡明在共軛系統(tǒng)中取代基的位置、種類和數(shù)目。III當前第8頁\共有50頁\編于星期五\4點定量分析與加合原則一個分子中的兩個生色團被一個或更多個隔離原子(如)分開,這個分子的紫外吸收光譜近似于這兩個生色團紫外吸收光譜之和.即一個化合物的紫外吸收光譜為該分子中幾個互相不共軛部分的結(jié)構(gòu)單元的紫外吸收的加合.例：紫外光譜法同時測定厚撲酚與和厚樸酚的含量（保志娟，丁中濤等，天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2004，16（5）：435）pH=8.93當前第9頁\共有50頁\編于星期五\4點2、紅外光譜譜圖分析三要素

當前第10頁\共有50頁\編于星期五\4點關(guān)聯(lián)峰出現(xiàn)(增加判斷可靠性)

如苯環(huán):3100-3000cm-1

芳環(huán)上C-H伸縮振動

1600-1450cm-1C=C骨架振動(常弱)

880-680cm-1C-H面外彎曲振動,定位!

1660-2000cm-1

泛頻峰

當前第11頁\共有50頁\編于星期五\4點例.一個化合物的紅外光譜如圖1,推測其結(jié)構(gòu)是Ⅰ或ⅡHOC≡NC－NH2O400030002500200017001300圖11001500T%cm-1解：是II因為圖中沒有υC＝O(1900～1650cm-1),所以排除I。2400～2100cm-1區(qū)域內(nèi)的吸收峰是υC≡N。當前第12頁\共有50頁\編于星期五\4點例:青霉素結(jié)構(gòu)的確定已知其分子式為C16H18N2SO4(IR:1700,1770cm-1)水解得的產(chǎn)物C16H20N2SO5(結(jié)構(gòu)如下B)模型化合物:1800cm-11740cm-11770cm-1當前第13頁\共有50頁\編于星期五\4點3、質(zhì)譜例

正庚酮有三種異構(gòu)體，某正庚酮的質(zhì)譜如圖所示。試確定羰基的位置：

當前第14頁\共有50頁\編于星期五\4點解:酮易發(fā)生α裂解，生成離子，穩(wěn)定，強度很大，是鑒別羰基位置的有力證據(jù)。三種庚酮異構(gòu)體的α裂解比較：圖上，m/z57為基峰，而且有m/z85峰，而無99及71峰。圖上雖有m/z43峰，但太弱，不是CH3-C+O離子而是由β裂解產(chǎn)生的C3H7+離子。因此證明該化合物是庚酮-3。當前第15頁\共有50頁\編于星期五\4點例．試解釋鬼臼毒素類化合物的質(zhì)譜峰m/z414，396，312，297，269的產(chǎn)生機理。當前第16頁\共有50頁\編于星期五\4點4、核磁共振氫譜1.圖譜提供的信息當前第17頁\共有50頁\編于星期五\4點一張譜圖可以向我們提供關(guān)于有機分子結(jié)構(gòu)的如下信息

1.由吸收峰的組數(shù)，可以判斷有幾種不同類型的H核；

2.由峰的強度（峰面積或積分曲線高度），可以判斷各類H的相對數(shù)目；

3.由峰的裂分數(shù)目，可以判斷相鄰H核的數(shù)目；

4.由峰的化學位移（δ值），可以判斷各類型H所處的化學環(huán)境；

5.由裂分峰的外形或偶合常數(shù)，可以判斷哪種類型H是相鄰的。

當前第18頁\共有50頁\編于星期五\4點環(huán)己烷上3J偶合:Jaa=10Hz左右Jae=2-4Hz左右Jee=1-3Hz左右當前第19頁\共有50頁\編于星期五\4點例、某化合物的結(jié)構(gòu)右圖所示。其核磁共振氫譜中H-3的δ在，峰寬為17Hz,由此推斷H-4處在a鍵還是e鍵上？當前第20頁\共有50頁\編于星期五\4點4、13CNMR

特點

（1）化學位移范圍寬

0-220ppm（正碳離子可達330ppm，而CI4約為－292ppm),約是1HNMR的20倍。分辨率更高。（2）13CNMR給出不與氫相連的碳的共振吸收峰季碳、C＝O、C≡C、C≡N、C＝C等基團中的碳不與氫直接相連，在1HNMR譜中能直接觀測，只能靠分子式及其對相鄰基團δ值的影響來判斷。而在13CNMR譜中，均能給出各自的特征吸收峰。

（3）

13CNMR靈敏度低，偶合復(fù)雜

當前第21頁\共有50頁\編于星期五\4點DEPT譜中，CH3顯正峰，CH2顯負峰，CH顯正峰。通過譜圖編輯，我們可以很容易辨認碳的級數(shù)。當前第22頁\共有50頁\編于星期五\4點表:不同類型碳核化學位移的大致范圍類型δ（ppm）SP3雜化碳（飽和碳）-CH3-CH2-CH-C--O-CHn(n=0-3)-N-CHn(n=0-3)

8-3015-5520-6035-70在上列數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上+15-30

在上列數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上+10-25

SP雜化碳（炔碳）≡CH65-85SP2雜化碳烯碳芳環(huán)及芳雜環(huán)碳羰基碳=CHC6H6C=O100-150110-160160-210當前第23頁\共有50頁\編于星期五\4點5、二維核磁共振譜1．二維J分解譜（2DJ-resolvedSpectroscopy,2DJ）2．二維化學位移相關(guān)譜（Two-DimesionalChemicalShiftCorrelationSpectroscopy）

1H,1H化學位移相關(guān)譜（1H,1HCOSY）

Heteronuclearmultiple-quantumcorrelation(HMQC)Heteronuclearmultibondcorrelations:HMBC2DNMR–homonuclearthroughspacecorrelations:ROESY,NOESY當前第24頁\共有50頁\編于星期五\4點1H--1HCOSY譜：是最常用的同核位移相關(guān)譜。一般反映的是鄰碳氫的偶合關(guān)系，從而可知同一自旋體系里質(zhì)子之間的偶合關(guān)系，是歸屬譜線、推導(dǎo)結(jié)構(gòu)強有力的工具。以乙酸乙酯的1H--1H相關(guān)譜（1H--1HCOSY）為例，橫軸及縱軸均為該化合物的1H–NMR譜。同一1H核信號將在對角線上相交，交點稱對角峰（diagonalpeak）。圖上對角線兩側(cè)呈對稱分布的兩個點叫相關(guān)峰（crosspeak,或correlationpeak）。相互偶合的兩個/組1H核信號將在相關(guān)峰上相交。當前第25頁\共有50頁\編于星期五\4點當前第26頁\共有50頁\編于星期五\4點(2)13C--1HCOSY譜和COLOC譜常規(guī)的13C--1HCOSY譜是反映直接鍵連的C——H間的偶合關(guān)系，對于信號的指定非常有效。一般譜圖的一軸為化合物的1H–NMR譜，另一軸為13C–NMR譜。直接鍵連的13C和1H信號會在圖中出現(xiàn)相關(guān)點。

COLOC譜，即遠程偶合的異核位移相關(guān)譜。它顯示2JCH、3JCH以上的13C-1H相關(guān)，從功能來看，其與遠程偶合13C--1HCOSY譜相近，但效果更好。當前第27頁\共有50頁\編于星期五\4點當前第28頁\共有50頁\編于星期五\4點(3)HMQC譜和HMBC譜：屬檢測1H的異核位移相關(guān)譜。HMQC把1H核和與其直接相連的13C核關(guān)聯(lián)起來，所提供的信息及譜圖與13C--1HCOSY譜完全相同。HMBC可高靈敏地檢測13C--1H遠程偶合，由此可以得到有關(guān)季碳的結(jié)構(gòu)信息及因雜原子存在而被切斷的1H偶合系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)信息。它同HMQC一樣也是通過測定靈敏度高的1H核來檢測13C--1H之間的遠程偶合相關(guān)信息，靈敏度比傳統(tǒng)的遠程偶合13C--1HCOSY高得多。當前第29頁\共有50頁\編于星期五\4點(4)NOESY譜和ROESY譜：屬NOE類的二維核磁共振譜。NOE主要用來確定兩個質(zhì)子在分子立體空間結(jié)構(gòu)中是否距離相近，若存在NOE則表示兩者接近，NOE值越大，則兩者在空間的距離就越近。NOE對確定有機化合物的結(jié)構(gòu)、構(gòu)型和構(gòu)象具有重要作用。NOESY譜采用二維方式檢測NOE，顯示1H核之間的NOE相關(guān)。ROESY是旋轉(zhuǎn)坐標系中的NOESY。當前第30頁\共有50頁\編于星期五\4點四.結(jié)構(gòu)研究的程序

1、化合物純度的測定和判斷：植物化學成分結(jié)構(gòu)的準確鑒定必須建立在該成分已經(jīng)分離純化的基礎(chǔ)之上。樣品的純度是能否獲得準確信息的關(guān)鍵，否則可能得到混亂甚至錯誤的結(jié)論。純度的檢查可以通過檢查其有無均勻一致的晶形、有無明確的熔點、熔程是否合理（一般應(yīng)小于2℃）、色澤是否均勻等來判斷，但在研究和實踐中，最常用的還是薄層層析或紙層析方法。一般要求至少選擇在三種溶劑系統(tǒng)中展開，先在可見光或紫外光下觀察，然后噴以適當?shù)娘@色劑（如10%的硫酸溶液）或在碘缸中顯色，要求樣品呈單一斑點，方可判斷其為純化合物。對于個別情況，有時需要用正、反相層析加以確認。在條件允許的情況下，也可利用氣相色譜或高效液相色譜來證實。當前第31頁\共有50頁\編于星期五\4點2、化合物類型的初步判斷：百余年來，對大量植物化學成分的研究已為我們提供了豐富的化合物結(jié)構(gòu)類型，如今分離得到的新成分絕大多數(shù)是在已有骨架類型上的變化?？赏ㄟ^對同科屬（種）植物研究信息的調(diào)研，考察樣品在提取分離過程中的行為、一般理化常數(shù)和性質(zhì)（如酸堿行為、溶解行為、層析行為）及一些特殊的顯色反應(yīng)等來對化合物的類型作初步判斷。如碘化鉍鉀（Dragendorff）試劑可用于生物堿等含氮化合物的檢測。當前第32頁\共有50頁\編于星期五\4點3、已知化合物的結(jié)構(gòu)推斷在實際工作中，并不需要測定完一個化合物的所有波譜數(shù)據(jù)才能判斷化合物的結(jié)構(gòu)，有些化合物特別是已知化合物，在化合物結(jié)構(gòu)類型初步判斷的基礎(chǔ)之上，結(jié)合文獻調(diào)研，通過與標準品的理化常數(shù)、性質(zhì)及薄層對照檢查或一些簡單的波譜（如紅外光譜、紫外光譜數(shù)據(jù)）對照比較，即可作出判斷。若為新化合物，則需提供更翔實證據(jù)，進一步對其結(jié)構(gòu)進行研究。當前第33頁\共有50頁\編于星期五\4點4、對于未知的植物化學成分的結(jié)構(gòu)分析：對于未知的植物化學成分，則需通過譜圖的綜合解析，有時也需配合適當?shù)幕瘜W、生物方法（如降解）來進行結(jié)構(gòu)研究。一般地，要判定一個化合物的準確結(jié)構(gòu)，往往需要通過其多種波譜數(shù)據(jù)及理化常數(shù)相互映證。

當前第34頁\共有50頁\編于星期五\4點一般可從以下幾個方面入手：分子量、分子式的確定

利用元素分析、質(zhì)譜的分子離子峰（M）或其同位素峰（M+1）、（M+2）的相對強度可得出最可能的分子量、分子式。由分子式可計算不飽和度，進而推測化合物的大致類型，如是否芳香化合物，有否含有雙鍵等。對于一些高極性或熱不穩(wěn)定的化合物，需用軟電離方式，才有可能得到其質(zhì)譜的分子離子峰。

高分辨質(zhì)譜測定分子的準確分子量,進而推測分子的組成(分子式)當前第35頁\共有50頁\編于星期五\4點(2)推斷分子中可能含有的官能團、結(jié)構(gòu)碎片或基本骨架

紫外光譜可以顯示化合物分子中有無共軛體系和芳香結(jié)構(gòu)；

紅外光譜能提供許多官能團的特征吸收；

質(zhì)譜的碎片離子也能提供分子結(jié)構(gòu)中可能存在的分子片斷和可能失去的分子片斷；

核磁共振譜能提供較大的信息量，能反映出組成分子的碳、氫骨架信息。另外，某些官能團還具有一些特征的化學反應(yīng)。當前第36頁\共有50頁\編于星期五\4點(3)測定分子的平面結(jié)構(gòu)綜合光譜解析及官能團定性、定量分析的結(jié)果，結(jié)合文獻調(diào)研，利用已確定的結(jié)構(gòu)單元，推斷分子的平面結(jié)構(gòu)。由此得到的化合物結(jié)構(gòu)可能不止一種，此時，應(yīng)注意與已知的、結(jié)構(gòu)類似的化合物的波譜數(shù)據(jù)進行比較，觀察各波譜數(shù)據(jù)間是否有矛盾或不合理的地方，一定要做到波譜數(shù)據(jù)間的相互映證，最終選擇出最可能的結(jié)構(gòu)。有時還需做化學降解、衍生物制備或人工合成等化學溝通工作加以證實。當前第37頁\共有50頁\編于星期五\4點(4)推斷并確定分子包括構(gòu)型、構(gòu)象在內(nèi)的主體結(jié)構(gòu)主要通過測定NOE譜、二維和三維核磁共振譜、CD譜及ORD譜等進行研究。對于結(jié)晶化合物還可以用X-射線衍射分析確定晶體結(jié)構(gòu)，最后還可通過人工全合成加以確認。綜合所有研究信息，驗證所推測結(jié)構(gòu)是否合理。

在推導(dǎo)分子結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當把各種波譜信息綜合起來，彼此佐證，同時要相當重視前人已有的研究成果，熟悉有關(guān)植物化學成分研究的中、外文文獻并熟練掌握文獻調(diào)研的方法，以利于結(jié)構(gòu)研究的順利進行并得到可靠、正確的研究結(jié)果。有時還需應(yīng)用有機反應(yīng)的知識，通過化學降解、化學溝通、化學鑒定、化學合成等手段進行判斷?？傊?，要想成為準確判斷分子結(jié)構(gòu)的能手，必須經(jīng)過相當多的親身實踐，熟悉各類化合物波譜數(shù)據(jù)的特征及其特殊的性質(zhì)和行為，不斷總結(jié)和積累研究經(jīng)驗，熟能生巧，從而形成一套適合自己的研究程序。當前第38頁\共有50頁\編于星期五\4點例:環(huán)肽的結(jié)構(gòu)鑒定當前第39頁\共有50頁\編于星期五\4點當前第40頁\共有50頁\編于星期五\4點GlyAlaSerPhe1Phe2Ile當前第41頁\共有50頁\編于星期五\4點當前第42頁\共有50頁\編于星期五\4點當前第43頁\共有50頁\編于星期五\4點1環(huán)肽的氨基酸組成化合物I為白色粉末狀固體，易溶于甲醇、吡啶。對茚三酮試劑不顯色。采用應(yīng)用茚三酮試劑顯色的薄層原位化學反應(yīng)方法，即用鹽酸（6N）水解（120℃，1小時）后，對茚三酮呈現(xiàn)陽性反應(yīng)（紅色），這一現(xiàn)象提示該化合物為一環(huán)肽。其高分辨質(zhì)譜（HRESI-MS）顯示[M+Na]+在m/z645.3079（計算值645.3007）,表明化合物的分子式為C32H42N6O7，提示分子中有15個不飽和度。1HNMR譜中，在δ8.5－10.0間示有6個酰胺質(zhì)子，表明化合物可能為環(huán)六肽。在間有10個苯環(huán)質(zhì)子信號；在δ3.9－5.0之間示有氨基酸的a-H信號；在δ0.6－1.5間示有3個－CH3信號,它們分別呈現(xiàn)為2個二重峰和1個三重峰。13CNMR及DEPT譜中，在δ172－175間，示有6個羰基信號，證實化合物為環(huán)六肽；在δ129-141，有12個碳信號，其中有2個季碳，10個次甲基信號，表明有2個單取代苯環(huán)結(jié)構(gòu)存在；在δ64.58的CH2信號,表明有-CH2OH的存在;在δ53－61有5個CH信號，它們可能是氨基酸的a-C；在δ46.36的CH2信號,表明可能有-CH2NH的存在;高場區(qū)（δ10-40）示有3個甲基C信號。HMQC譜可將碳氫信號一一對應(yīng)。當前第44頁\共有50頁\編于星期五\4點

由1H-1HCOSY相關(guān)譜中的氨基H、每一個氨基酸的a-H或甲基信號入手，可以找出同一自旋體系中相互偶合質(zhì)子，從而確定組成環(huán)肽的氨基酸殘基。經(jīng)過認真分析，證明組成環(huán)肽的氨基酸殘基有一個甘氨酸、一個丙氨酸、一個絲氨酸、一個異亮氨酸、兩個苯丙氨酸。2環(huán)肽序列的確定由HMBC相關(guān)譜的a-H找出與其相關(guān)的羰基碳（通常觀察到的是每個氨基酸的a-H與其自身的羰基的相關(guān)），從而羰基信號可歸屬于相應(yīng)的氨基酸殘基；然后由HMBC相關(guān)譜中的不同氨基酸殘基的酰胺質(zhì)子與其相鄰氨基酸殘基的羰基碳的相關(guān)性（通常觀察到的是酰胺質(zhì)子與其相鄰氨基酸中的羰基碳的相關(guān)），將一個個氨基酸殘基連起來。當前第45頁\共有50頁\編于星期五\4點在本化合物的HMBC譜中，我們觀察到以下相關(guān)點：AlaCO-GlyNHGlyCO-SerNHSerCO-IleNHIleCO-Phe1NHPhe1CO-Phe2NH

由此推斷該化合物為環(huán)（－丙－甘－絲－異亮－苯丙1－苯丙2－）.其結(jié)構(gòu)如下圖所示。當前第46頁\共有50頁\編于星期五\4點AlaHN9.44（br,s,1H）α-HCH4.60（br,s,1H）β-HCH31.56(d,J=6.8Hz,3H)GlyHN9.99（br,s,1H）α-HCH24.83(dd,J=16.2Hz,1H);3.91(br,d,J=12.6Hz,1H)SerHN9.34(d,J=8.1Hz,1H)α-HCH5.22（br,s,1H）β-HCH24.42(br,d,J=8.1Hz,1H);4.09(t,J=7.4Hz,1H)IleHN8.52（br,s,1H）α-HCH4.69(m,1H)β-HCH2.03（br,s,1H）γ-HCH21.13(m,1H);1.43(m,1H)CH30.77(d,J=6.50,3H)δ-HCH30.68(t,J=7.1Hz,3H)Phe1HN9.09（br,s,1H）α-HCH4.93（br,s,1H）β-HCH23.72(d,J=14.1Hz,1H);3.33(t,J=12.0Hz,1H)Phe2HN8.60(d,J=7.3Hz,1H)α-HCH4.69(d,J=6.2Hz,1H)β-HCH23.52(d,J=6.20Hz,2H)γ-HArHArH：1H-NMRSpectralData當前第47頁\共有50頁\編于星期五\4點13C-NMRSpectralData

C=O

α-Hβ-Hγ-Hδ-H

*數(shù)據(jù)可交換Ala175.8