天然产物化学刘湘版 天然产物的结构鉴定技术

1、1第三章第三章 天然产物的结构鉴定技术天然产物的结构鉴定技术2因此有机分析被称为有机合成者的眼睛。因此有机分析被称为有机合成者的眼睛。 确定化合物分子的结构是有机化学的一项确定化合物分子的结构是有机化学的一项重要任务。因为：重要任务。因为： 1 、从生物体内提取的天然产物若不知道它、从生物体内提取的天然产物若不知道它的结构就难以对它的性质和作用做深入的了解的结构就难以对它的性质和作用做深入的了解, 更无法对它进行仿制合成或改造合成；更无法对它进行仿制合成或改造合成； 2 、在实验室合成的化合物若不测定它的结构、在实验室合成的化合物若不测定它的结构就无法证明你的合成成功与否；就无法证明你的合成成

2、功与否；3化学方法化学方法 ( 降解法降解法) 确定化合物的结构确定化合物的结构: 周期短、操作简便、周期短、操作简便、 样品用量少、且准确度高。样品用量少、且准确度高。“相当于间接地给化合物分子照相相当于间接地给化合物分子照相” 周期长、操作复杂、周期长、操作复杂、 样品用量多、还容易出错。样品用量多、还容易出错。物理方法物理方法 ( 波谱法波谱法) 测定化合物的结构测定化合物的结构:4l由于现代科学技术进步，特别是将由于现代科学技术进步，特别是将波谱解析方法波谱解析方法（NMR、MS、IR、UV）用于推导化合物的结构，甚至用用于推导化合物的结构，甚至用X X晶体晶体衍射来确定化合物结构的发

3、展，以及分衍射来确定化合物结构的发展，以及分离手段的进步，天然产物化学的发展速离手段的进步，天然产物化学的发展速度大为加快，发现的新化合物数目大为度大为加快，发现的新化合物数目大为增加。增加。5有机化学中常用的四大谱有机化学中常用的四大谱 紫外光谱紫外光谱 (紫外线紫外线): E=145 627 KJ.mol-1 =200 800 nm 由电子能级的跃迁产生由电子能级的跃迁产生, 主要用于揭示分主要用于揭示分子中的共轭体系。子中的共轭体系。红外光谱红外光谱 (IR): E=4 63 KJ.mol-1 =2 15 m 由分子振动能级的跃迁产生由分子振动能级的跃迁产生, 用来确定分用来确定分子中的

4、官能团。子中的官能团。6核磁共振谱核磁共振谱 (NMR): E=1.2 10-2 4 10-6 KJ.mol-1 =1cm 1 m由核自旋能级的跃迁产生，用来确定化合物由核自旋能级的跃迁产生，用来确定化合物分子的骨架。分子的骨架。质谱质谱 (MS): 不属于吸收光谱，用来确定分子量不属于吸收光谱，用来确定分子量和分子骨架。和分子骨架。7第一节第一节 核磁共振谱核磁共振谱1 核磁共振概述核磁共振概述2 核磁共振基本原理核磁共振基本原理3 化学位移化学位移4 自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分5 核磁共振图谱核磁共振图谱 8概述概述核磁共振的分类核磁共振的分类l1 1固体核磁共振固体核磁共振用于

5、不溶性的高分子材料，膜蛋白，金用于不溶性的高分子材料，膜蛋白，金属材料的研究属材料的研究; ;2. 2. 液体核磁共振液体核磁共振用于有机化合物，天然产物，生物大分用于有机化合物，天然产物，生物大分子的研究；子的研究；3. 3. 核磁共振成像核磁共振成像临床诊断的成像仪，动植物实验、研究临床诊断的成像仪，动植物实验、研究用的成像仪用的成像仪 9核磁共振波谱分析的特点核磁共振波谱分析的特点l1 样品无损；样品无损；l2 结构信息丰富；结构信息丰富；l3 新的分析测试技术不断出现。新的分析测试技术不断出现。 102 2 核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理一、核的自旋与磁性一、核的自旋与磁性 原子

6、核与电子类似，也有自旋现象。原子核与电子类似，也有自旋现象。核的自旋可以用自旋量子数核的自旋可以用自旋量子数 (I) 来描来描述。自旋量子数述。自旋量子数 (I) 的取值取决于原子的取值取决于原子序数序数 (Z) 和原子的质量数和原子的质量数(A)。11自旋量子数（自旋量子数（I）的取值）的取值原子序数原子序数 质量数质量数 自旋量子数自旋量子数 自旋现象自旋现象 (Z) (A) (I) 偶数偶数 偶数偶数 零零 无无12 C6、16 O8奇数或奇数或 奇数奇数 1/2,3/2,5/2, 半整数半整数 有有偶数偶数1 H1 、 13 C6、19 F9 奇数奇数 偶数偶数 1,2,3, 整数整数

7、 有有2 H1、14 N7121 1 H H1 1置于外磁场中时产生的能量裂分置于外磁场中时产生的能量裂分无外磁场H0在在外外磁磁场场中中E00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0能能级级简简并并E=+H0E=-H0E=+HE=+H0 0-(- H-(- H0 0)=2H)=2H0 0: 核磁矩核磁矩 (常数常数1 H1=2.79278) H0: 外加磁场强度外加磁场强度13高能自旋态与低能自旋态的能量之差高能自旋态与低能自旋态的能量之差E=+H0E=-H0高低自旋态能量的差值高低自旋态能量的差值（ E ）与外加磁场的强度成正比。与外加

8、磁场的强度成正比。E1E3E2E0H0E14二、核磁共振的条件与核磁共振二、核磁共振的条件与核磁共振核自旋能级的能量差核自旋能级的能量差: E=2H0电磁波的能量电磁波的能量: E=hv0核磁共振的条件核磁共振的条件: hv0=2H0核磁共振：核磁共振： 当电磁波的能量与核自旋能级的能量差相等当电磁波的能量与核自旋能级的能量差相等时，处于低能态的自旋核吸收一定频率的电磁波时，处于低能态的自旋核吸收一定频率的电磁波跃迁到高能态上去的这种现象就叫跃迁到高能态上去的这种现象就叫核磁共振核磁共振。15从该式可以看出，使共振发生可以采取两种方法：从该式可以看出，使共振发生可以采取两种方法： 固定固定 V

9、0 改变改变 H0 更方便更方便, 故现在大多数仪器是故现在大多数仪器是采取扫场的方式。采取扫场的方式。将上式变形得：将上式变形得：(1) 固定磁场强度固定磁场强度 H0, 改变无线电频率改变无线电频率 V0 。(2) 固定无线电频率固定无线电频率 V0, 改变磁场强度改变磁场强度 H0 。（扫频）（扫频）（扫场）（扫场）002hH 002Hh16三、弛豫过程三、弛豫过程l饱和饱和l弛豫弛豫17四、核磁共振波谱仪四、核磁共振波谱仪 1永久磁铁：提供外磁永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。一。扫场线圈。2 射

10、频振荡器：线圈垂射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。率的电磁辐射信号。60MHz或或100MHz。183 射频信号接受器（检射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级在感应线圈中产生毫伏级信号。信号。4样品管：外径样品管：外径5mm的的玻璃管玻璃管,测量过程中旋转测量过程中旋转, 磁场作用均匀。磁场作用均匀。19核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪连续波NMR仪: 扫频/扫场20傅立叶变换核磁共振波谱仪傅立叶变换核磁共振波谱仪

11、 不是通过扫场或扫不是通过扫场或扫频产生共振；频产生共振； 恒定磁场，施加全恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。般核磁共振谱图。（类似于一台多道仪）（类似于一台多道仪）21BRUKER AV 500 MHz核磁共振波谱仪 223 3 化学位移化学位移 2v0=H0h一、化学位移产生的原因一、化学位移产生的原因根据根据 NMR 的条件的条件:H H = = 2.79278 2.79278 h = h = 6.626.621010-27-27eg.seg.s-1-1似乎所有的氢核

12、都应在相同的磁场强度下发似乎所有的氢核都应在相同的磁场强度下发生共振，生共振，事实不是如此，我们来看用低分辨事实不是如此，我们来看用低分辨率的核磁共振仪对乙醚分子所做的率的核磁共振仪对乙醚分子所做的 NMR 图：图：扫场：固定扫场：固定V023乙醚的低分辨率乙醚的低分辨率 NMR 谱谱24 感应磁场对质子的屏蔽作用感应磁场对质子的屏蔽作用25 质子外围的电子云密度稍有不同质子外围的电子云密度稍有不同,质子的共振吸收位置就不同质子的共振吸收位置就不同, 这就给测这就给测定有机物的结构提供了有用的信息定有机物的结构提供了有用的信息, 我我们就是根据这些信息来推测有机化合们就是根据这些信息来推测有机

13、化合物的结构。物的结构。26在外磁场作用下，质子外围价电子环流产在外磁场作用下，质子外围价电子环流产生的感应磁场对外磁场有干扰作用：生的感应磁场对外磁场有干扰作用：屏蔽效应：屏蔽效应：HN=H0 H去屏效应：去屏效应： HN= H0+ HHN ：质子真正感受到的磁场强度：质子真正感受到的磁场强度 H0：外加磁场的强度：外加磁场的强度 H : 感应磁场的强度感应磁场的强度27分子中的质子真正感受到的磁场强度是分子中的质子真正感受到的磁场强度是:HN = H0H0 = H0(1 )HN: 质子真正感受到的场强质子真正感受到的场强H0:外加磁场的强度外加磁场的强度: 屏蔽常数随质子外围的电子环境而异

14、屏蔽常数随质子外围的电子环境而异屏蔽效应:质子外围价电子产生的感应磁场对抗外磁场的现象就就叫叫做做屏蔽效应.去屏加强去屏28。）（120Hh核磁共振的条件改写为：核磁共振的条件改写为： 因通常是固定无线射频进行扫场因通常是固定无线射频进行扫场, 上式上式又可改写为：又可改写为：(1 C )20=hH0物理意义物理意义:质子发生共振的磁场强度质子发生共振的磁场强度 H0 取决于其外围的电子环境。取决于其外围的电子环境。29化学位移化学位移: 由于感应磁场的屏蔽或去屏效应，由于感应磁场的屏蔽或去屏效应，使得化学环境不同的质子在不同的磁场使得化学环境不同的质子在不同的磁场强度下发生共振吸收的现象就叫

15、做强度下发生共振吸收的现象就叫做化学化学位移位移。30 二、化学位移的表示二、化学位移的表示 不同质子间化学位移的差值约在不同质子间化学位移的差值约在115/百万，百万，用磁场强度（用磁场强度（H）或电磁波频率（）或电磁波频率（）表示都不）表示都不方便，因而规定用一个相对的量方便，因而规定用一个相对的量来表示，单位来表示，单位是是ppm（百万分之一）。（百万分之一）。 )(1060ppmTMS样品吸收频率标样四甲基硅烷的共振样品的共振吸收频率样品:TMS：所用仪器的频率031规定：规定： 化学位移：任意质子的共振吸收位置与四化学位移：任意质子的共振吸收位置与四甲基硅烷共振吸收位置的相对距离。甲

16、基硅烷共振吸收位置的相对距离。1 、结构对称，质子数目多只加入少量就可给、结构对称，质子数目多只加入少量就可给出很强的单峰信号。出很强的单峰信号。2、Si 的电负性小质子外围电荷密度高屏蔽效的电负性小质子外围电荷密度高屏蔽效应强应强, 在高场发生共振吸收。绝大多数有机物在高场发生共振吸收。绝大多数有机物的吸收场强比它低。的吸收场强比它低。3 、化学性质稳定，且沸点低易于回收。、化学性质稳定，且沸点低易于回收。SiCH3CH3CH3CH3 四甲基硅烷（四甲基硅烷（TMS)的的= 0ppm（仪器的零点）（仪器的零点）32用用表示化学位移可以消除同一质子使用表示化学位移可以消除同一质子使用不同仪器测

17、定所造成的差别：不同仪器测定所造成的差别：仪器频率仪器频率 位移频率位移频率 化学位移化学位移 ( )60兆赫兆赫 120 HZ100兆赫兆赫 200 HZppmppmHZHZ210106012066ppmppmHZHZ210101002006633TMS123456789100123456789100:( =10 )化学位移的表示化学位移的表示34三、常见质子的化学位移三、常见质子的化学位移: 质子类型质子类型 (ppm) RCH3 0.9 R2CH2 1.3 R3CH 1.5质子类型质子类型 (ppm) C CH 2 3 RCH2F 4 RCH2CI 34 RCH2Br 3.5 RCH2I

18、 3.2RO CH3 3.5 4C = CH 2 4.5 _ 5.9Ar _ H 6.5 _ 8.5_H 7.335质子类型质子类型 (ppm)R-OH 0.55.5Ar-CH3 2 _ 3C=C-CH3 1.7 1.8R-C-OCH3 3.7 4O=R-C-H 9 10O=R-C-OH 10 12O=R-C-CH3 22.7O=364 4 自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分37质子感受到的磁场受两种因素的影响质子感受到的磁场受两种因素的影响: (1)质子外围价电子产生的感应磁场的影响。质子外围价电子产生的感应磁场的影响。 (2)邻近质子自旋产生的感应磁场的影响。邻近质子自旋产生的感应磁场的

19、影响。自旋自旋自旋偶合自旋偶合: 在外磁场作用下，相互邻近的碳上质子自在外磁场作用下，相互邻近的碳上质子自旋产生的小磁场，通过键的传递产生的相互影旋产生的小磁场，通过键的传递产生的相互影响叫自旋响叫自旋自旋偶合。自旋偶合。自旋自旋自旋裂分自旋裂分: 由于自旋偶合而引起吸收峰数目增多的现由于自旋偶合而引起吸收峰数目增多的现象叫自旋象叫自旋自旋裂分。自旋裂分。一、自旋偶合与自旋裂分的含义一、自旋偶合与自旋裂分的含义381 、被一个质子所裂分、被一个质子所裂分二、一级谱中的常见裂分形式二、一级谱中的常见裂分形式392 、被二个质子所裂分、被二个质子所裂分403 、被三个质子所裂分、被三个质子所裂分4

20、1三、裂分峰的取值与偶合常数三、裂分峰的取值与偶合常数 、两裂分峰之间的距离（、两裂分峰之间的距离（ J ）叫偶合常数。）叫偶合常数。、裂分后化学位移值取每组峰的中点。、裂分后化学位移值取每组峰的中点。偶合常数（偶合常数（ J ）是质子间偶）是质子间偶合效率的量度与合效率的量度与 H0 无关无关,它它取决于分子本身的性质（分取决于分子本身的性质（分子的几何构型及质子周围的子的几何构型及质子周围的电子环境）单位：赫兹。电子环境）单位：赫兹。42偶合类型偶合类型l1J: 单键偶合单键偶合 1J13C-1Hl2J: 同碳偶合同碳偶合 2J H-C-Hl3J: 邻位偶合邻位偶合 3JH-C-C-Hl4

21、J - :长程耦合长程耦合 (1)H-C=C-C-H(烯丙体系烯丙体系)(2)共轭体系共轭体系(3)含有累积不饱和键的体系含有累积不饱和键的体系(4)芳环氢与侧链氢的偶合芳环氢与侧链氢的偶合43(1)、裂分峰的数目比参与偶合的质子数目多一、裂分峰的数目比参与偶合的质子数目多一 裂分峰的数目裂分峰的数目= （n+1 ） n ：参与偶合的质子数目：参与偶合的质子数目2、 ClCH2- CH2- CHBr2 裂分峰的数目裂分峰的数目=(2+1)(1+1)=6 重重邻近的氢不相同时：邻近的氢不相同时： 裂分峰的数目裂分峰的数目=(n+1)(n,+1)(n,+1)例例: 1、 Cl2CH- CH2- C

22、HBr2 裂分峰的数目裂分峰的数目=(1+1)(1+1)=4 重重四、一级谱的裂分规律四、一级谱的裂分规律44S: 单峰单峰(Singelet)d：双重峰：双重峰(doublt)t：三重峰：三重峰(triplet)q： 四重峰四重峰(quartet)m：多重峰：多重峰(multipet)45(2)、裂分峰的强度等于二项式展开项的系数、裂分峰的强度等于二项式展开项的系数( a + b)n n:参与偶合的质子的数目参与偶合的质子的数目 n 峰的强度峰的强度 1 1 2 1 ： 2 ： 1 3 1 ： 3 ： 3 ： 1 4 1 ： 4 ： 6 ： 4 ： 146遵循此规律的谱叫遵循此规律的谱叫“初

23、级谱初级谱”或或“一级一级谱谱”J6当： 时，峰的裂分数目及强度时，峰的裂分数目及强度遵循遵循(n + 1)及及( a + b)n 规律规律：相互邻近氢化学位移的差值：相互邻近氢化学位移的差值47一级谱的特点一级谱的特点非一级谱（二级谱）非一级谱（二级谱） v一般情况下，谱峰数目超过一般情况下，谱峰数目超过n+1规律所计算的数目规律所计算的数目v组内各峰之间强度关系复杂组内各峰之间强度关系复杂v一般情况下，一般情况下， 和和J不能从谱图中可直接读出不能从谱图中可直接读出 裂分峰数符和裂分峰数符和n+1规律规律q峰组内各裂分峰强度比峰组内各裂分峰强度比(a+1)n的展开系数的展开系数q从谱图中可

24、直接读出从谱图中可直接读出 和和J，化学位移，化学位移 在裂分峰的对称中心，在裂分峰的对称中心，裂分峰之间的距离（裂分峰之间的距离（Hz）为偶合常数）为偶合常数J48五、化学等价质子与磁等价质子五、化学等价质子与磁等价质子1 、化学等价质子：具有相同化学位移的、化学等价质子：具有相同化学位移的质子叫化学等价（性）质子。质子叫化学等价（性）质子。 吸收峰的数目等于分子中不等性质子的数吸收峰的数目等于分子中不等性质子的数目；换言之：有多少组吸收峰就表示分子中目；换言之：有多少组吸收峰就表示分子中有多少种不同类型的质子。有多少种不同类型的质子。一组峰一组峰一组峰一组峰一组峰一组峰CH3CCH3=OH

25、HHHHHC C H H3 3C C H H3 349两组峰两组峰两组峰两组峰两组峰两组峰aabbcc三组峰三组峰CH3CH2CH3CH3_ CH_ CH_ CH3CH3H3CHHHHCH3CH3H3CCH3HHHH502 、磁等价质子：化学环境相同、化学位移、磁等价质子：化学环境相同、化学位移相同相同, 并且对组外任何一个质子并且对组外任何一个质子 ( 原子核原子核) 的的偶合作用都相同的一组质子叫磁等价质子。偶合作用都相同的一组质子叫磁等价质子。甲基氢是化学等价质子，但不是磁等价质子。甲基氢是化学等价质子，但不是磁等价质子。所有的磁等价质子都是化学等价质子，而所有的磁等价质子都是化学等价质

26、子，而化化学等价质子不一定是磁等价质子。学等价质子不一定是磁等价质子。例:顺式偶合顺式偶合反式偶合反式偶合两组峰两组峰C CaH3CbH3CHaHbJaH3CaH = JaH3CbH51 图谱分析图谱分析521 1 H H1 1 NMR NMR 谱图谱图1 H1 NMR 谱可以给出如下信息：谱可以给出如下信息：1 、峰的数目：分子中有多少种不同类型的氢。、峰的数目：分子中有多少种不同类型的氢。2 、峰的位置：分子中氢的类别。、峰的位置：分子中氢的类别。3 、峰的强度：每种氢的数目。、峰的强度：每种氢的数目。4 、峰的裂分数目：邻近碳上氢原子的个数。、峰的裂分数目：邻近碳上氢原子的个数。53质子

27、数目的确定质子数目的确定: 积分曲线法积分曲线法依据：吸收峰的面积与产生吸收的质子数目成正比。依据：吸收峰的面积与产生吸收的质子数目成正比。积分积分曲线的高度之比等于每组峰的质子数目之比曲线的高度之比等于每组峰的质子数目之比 积分曲线法：积分曲线法： 各组质子峰各组质子峰积分曲线的高度之和积分曲线的高度之和除以除以质子的总数质子的总数，得，得到每个质子所占有的积分曲线高度，用其除每组积分曲线到每个质子所占有的积分曲线高度，用其除每组积分曲线的高度，就得到每组峰质子的数目。的高度，就得到每组峰质子的数目。峰面积用电子积分仪来测量，在谱图上通常用阶梯曲线峰面积用电子积分仪来测量，在谱图上通常用阶梯

28、曲线来表示，阶梯曲线就是积分曲线来表示，阶梯曲线就是积分曲线。54234 H6 HOCH3OCH3（ 2+3 ） 10=0.52 0.5=4 （ H ）3 0.5=6 （ H ）55CH3-CH2Brab溴乙烷的溴乙烷的NMR谱图谱图C2H5Br56一、一、13 C NMR 的特点的特点1 、位移值范围广，分辨率高。、位移值范围广，分辨率高。碳的化学环境稍有不同，谱图就有明显的碳的化学环境稍有不同，谱图就有明显的差别。更能反映出分子的精细结构。差别。更能反映出分子的精细结构。 1H1 NMR: H = 0 10ppm 5ppm 13C NMR：C = 0 250ppm 100ppm1313C

29、NMRC NMR谱谱573、在、在1H谱中谱中,必须考虑相互邻近氢核之间的偶必须考虑相互邻近氢核之间的偶 合作用；在合作用；在13C谱中谱中,由于由于13C的相对丰度仅的相对丰度仅 为为1.1一般情况下偶合机会极少，可以忽一般情况下偶合机会极少，可以忽 略不记略不记,但是但是13C与自身连接的与自身连接的H和邻位和邻位C上上 的的H之间有偶合作用。之间有偶合作用。2、1H谱中峰的强度（面积）与产生吸收的质谱中峰的强度（面积）与产生吸收的质 子的子的 数目成正比，数目成正比，13C谱中峰的强度与碳谱中峰的强度与碳 原子的数目之间没有定量关系。原子的数目之间没有定量关系。 5813C NMR的的去

30、偶处理去偶处理 由于自身连接的由于自身连接的H和邻位和邻位C上的上的H的偶合作用，的偶合作用，使得使得13C谱显的非常复杂难以辨认，故常常采用谱显的非常复杂难以辨认，故常常采用去偶的方法，除去去偶的方法，除去H核对核对13C共振吸收的干扰。共振吸收的干扰。常采用的方法如下：常采用的方法如下：1、质子去偶（也叫宽带去偶）、质子去偶（也叫宽带去偶） 用于确定分子中有多少种碳核用于确定分子中有多少种碳核 将所有将所有1H对对13C的偶合作用都消除掉，使的偶合作用都消除掉，使13C的信号都变成单峰，即：使所有的的信号都变成单峰，即：使所有的13C都有自己都有自己单独的信号。如：单独的信号。如：59CH

31、3COCH3 的质子去偶谱的质子去偶谱JCCH=5.5HZJCH3=125.5HZ羰基碳羰基碳甲基碳甲基碳（a)偶合谱偶合谱 (b)质子去偶谱质子去偶谱602 、质子偏共振去偶（又称部分去偶）、质子偏共振去偶（又称部分去偶） 用于确定每个碳上连有几个氢用于确定每个碳上连有几个氢bc只消除相邻碳上的只消除相邻碳上的H对对13C的偶合，而保留与的偶合，而保留与13C直接相连的直接相连的H对对13C的偶合。的偶合。2丁酮的偏共振去偶丁酮的偏共振去偶CH3-CH2-C-CH3=Ob acdadbC611 、 3 丁二醇的质子去偶和偏共振去偶丁二醇的质子去偶和偏共振去偶（a) 质子去偶（宽带去偶）谱质子

32、去偶（宽带去偶）谱 (b) 偏共振去偶（部分偶）谱偏共振去偶（部分偶）谱62DEPT谱（无畸变极化转移增益法）： 通过改变照射1H核的脉冲宽度（）或设定不同的弛豫时间，使不同类型的13C在图谱上呈现单峰并分别呈现正向峰或倒置峰。63 = 45 时 季C信号消失，其它都向上 = 90 时 季C信号消失 CH3 , CH2信号消失 CH = 135 时 季C信号消失 CH3, CH CH2 646513C的化学位移的化学位移 与氢核的化学位移一样，与氢核的化学位移一样，13C的化学位移也是由的化学位移也是由碳自旋核周围的电子屏蔽所造成的。对碳核周围碳自旋核周围的电子屏蔽所造成的。对碳核周围电子云密

33、度有影响的任何因素都会影响碳核的化电子云密度有影响的任何因素都会影响碳核的化学位移。构型、构象及各种电子效应学位移。构型、构象及各种电子效应.等。等。烷烷 C：0 100ppm烯烯 C：100 150ppm 炔炔 C：65 85ppm 羰基羰基C：170 210ppm66核磁共振谱图解析步骤核磁共振谱图解析步骤i.由分子式求不饱合度由分子式求不饱合度ii.由积分曲线求由积分曲线求1H核的相对数目核的相对数目iii. 解析各基团解析各基团 首首 先解析：先解析：再解析：再解析： H3CO,H3CNAr,H3CCO,H3CC,H3C( 低场信号低场信号 ) 最后解析：最后解析：芳烃质子和其它质子芳

34、烃质子和其它质子COOH,CHO67分子不饱和度的计算分子不饱和度的计算l不饱和度不饱和度“环加双键环加双键”数数l u= /2 /2 1l 、分别代表一、三、四价原子的数分别代表一、三、四价原子的数目。目。l例例: C12H17O2N 5l 当当N为五价时：为五价时：l CH3CH2NO2 l(u= /2 3/2 1)2p36685223化合物化合物 C10H12O28 7 6 5 4 3 2 1 069结构确定步骤结构确定步骤正确结构：正确结构： =1+10+1/2(-12)=5 2.1单峰三个氢，单峰三个氢，CH3峰峰 结构中有氧原子，可能具有：结构中有氧原子，可能具有：COCH3 7.

35、3芳环上氢，单峰烷基单取代芳环上氢，单峰烷基单取代CH2CH2OCOCH3abc3.0 4.302.1 3.0和和 4.30三重峰和三重峰三重峰和三重峰 OCH2CH2相互偶合峰相互偶合峰 70化合物化合物 C8H8O2，推断其结构推断其结构98765431071化合物化合物 C8H8O2， =1+8+1/2(-8)=5 =7-8芳环上氢，芳环上氢，四个峰四个峰对位取代对位取代 = 9-10 醛基上醛基上氢氢低低= 3.87 CH3上上氢，低场移动，与电负性强的元素氢，低场移动，与电负性强的元素相连：相连： OCH3正确结构：正确结构：COHH3COCOH72第二节第二节 二维核磁共振谱二维核

36、磁共振谱一维核磁共振谱：一维核磁共振谱：时畴信号（时畴信号（FID信号）信号）FT频畴谱（峰强度频畴谱（峰强度 vs 频率）频率）只有一只有一个变量个变量73二维核磁共振谱概述二维核磁共振谱概述什么是什么是二维核磁共振谱？二维核磁共振谱？二维核磁共振谱：二维核磁共振谱： 是有两个时间变量，经两次傅利叶变换得到是有两个时间变量，经两次傅利叶变换得到的两个独立的频率变量的谱图。一般用第二个时的两个独立的频率变量的谱图。一般用第二个时间变量间变量 t2 表示采样时间，第一个时间变量表示采样时间，第一个时间变量 t1 则是则是与与 t2 无关的独立变量，是脉冲序列中的某一个变无关的独立变量，是脉冲序列

37、中的某一个变化的时间间隔。化的时间间隔。74 2t1 2 1S(t1, t2)S(t1, 2)S( 1, 2)FTFTt2t1751）J分辨谱分辨谱（J resolved spectroscopy） 也叫也叫J谱或谱或 -J谱，它把谱，它把 和耦合作用分辨开来。和耦合作用分辨开来。2）化学位移相关谱）化学位移相关谱（Chemical shift correlation spectroscopy）也叫也叫 - 谱，是二维核磁共振谱的核心谱，是二维核磁共振谱的核心。3）多量子谱）多量子谱（Multiple quantum spectroscopy） 用脉冲序列检测出用脉冲序列检测出多量子跃迁多量子

38、跃迁，得到的，得到的多量子多量子二维谱二维谱。二维核磁共振谱的表现形式二维核磁共振谱的表现形式1）堆积图（）堆积图（stacked trace plot）2）等高线图）等高线图（contour plot）3）其它）其它(单一行或单一列图单一行或单一列图)二维核磁共振谱的分类二维核磁共振谱的分类76化学位移相关谱化学位移相关谱共价键的标量偶合（同核异核相关谱）共价键的标量偶合（同核异核相关谱）空间偶极相互作用（空间偶极相互作用（NOE效应）效应）为什么为什么2D-NMR特别适宜解决新颖有机分子的结构问题？特别适宜解决新颖有机分子的结构问题？天然产物化学导论天然产物化学导论，2006，28-29两

39、个作用：两个作用：相关与连接相关与连接77对角峰对角峰交叉峰交叉峰同核位移相关谱同核位移相关谱 （Homonuclear Shift Correlation Spectroscopy）1 H, H- COSY揭示质子与质子揭示质子与质子间的偶合关系间的偶合关系:2JHH 3JHH 4JHH 缺点:无法确定种类重叠信号78 异核位移相关谱异核位移相关谱 （Heteronuclear Shift Correlation Spectroscopy）2 H, C-COSY (HETCOR)13C化学位移出现在x轴，1H化学位移出在y轴，交叉峰出现在相应的13C和1H的垂直和水平边线的交叉点上。揭示相应

40、的13C和1H核是通过1JCH相互关联的。频率不同，H, C-COSY不出现对角峰。798081同核同核NOE相关谱相关谱 （Homonuclear Nuclear Overhauser Enchancement Correlation Spectroscopy ）3 H, H- NOESYNOE：选择照射一种质子使其饱和，则与该质子：选择照射一种质子使其饱和，则与该质子在立体空间位置上接近的另一个或数个质子信号在立体空间位置上接近的另一个或数个质子信号强度增高的效应称核的强度增高的效应称核的Overhauser效应，简称效应，简称NOE。它主要用来确定两种质子在分子立体空间。它主要用来确定两

41、种质子在分子立体空间结构中是否距离相近。结构中是否距离相近。NOESY谱与谱与H, H- COSY谱相似，是方形的。对谱相似，是方形的。对角线上有对角峰，对角线外显示相关峰。角线上有对角峰，对角线外显示相关峰。相关峰揭示质子间在空间的相互接近关系相关峰揭示质子间在空间的相互接近关系,并非质并非质子与质子通过键的标量偶合。子与质子通过键的标量偶合。功能：空间连接；构象与构型功能：空间连接；构象与构型82NOESY(H-3,H-2)83 远程偶合相关谱远程偶合相关谱 (Correlated Spectroscopy via Long Range Coupling ） , H- COLOC 13C,

42、 1H远程异核化学位移相关谱与13C, 1H异核化学位移相关谱相似，一般也是以相关信号强度的等高线平面图表示，二维平面的两个轴分别是以化学位移为标度的1H谱和13C谱，通常呈长方形，在图谱中能够给出相隔2键或3键的非直接连接的C与H之间由于远程偶合产生的交叉峰信号，是结构解析中关联由季碳或杂原子隔离的结构片段和准确归属季碳的主要波谱方法。 8485反检测核磁共振谱反检测核磁共振谱HMQC: 检出检出1H的异核多量子相干的异核多量子相干, 用用H检测异核检测异核化学位移相关。化学位移相关。检测检测C, H之间的之间的1JCH;优点：相当于优点：相当于H, C-COSY, 但样品用量少；不同之但样

43、品用量少；不同之处是处是H, C-COSY谱是通过检测谱是通过检测C获得获得C-H相关谱，相关谱，而而HMQC则是通过检测则是通过检测H获得获得C-H相关谱。相关谱。缺点：缺点：F1方向的分辨率低（原因：数据点少、会显方向的分辨率低（原因：数据点少、会显示示1H- 1H裂分）裂分）5 HMQC (1H-detected heteronuclear multiple-quantum coherence)86876 HMBCHMBC: 检出检出1H的异核多键相干的异核多键相干 (1H-detected heteronuclear multiple-bond correlation)检测检测C, H

44、之间的之间的2JCH; 3JCH；优点：相当于长程优点：相当于长程H, C-COSY或或COLOC, 但样品用但样品用量少；量少；缺点：缺点：F1方向的分辨率低方向的分辨率低8889一般未知物的一般未知物的NMR解析步骤如下：解析步骤如下：通过通过DEPT谱把谱把13C共振信号分类为共振信号分类为CH、CH2 、CH3和和季碳原子。季碳原子。通过通过1H, 13C-COSY（HMQC）建立）建立C-H组合单元。组合单元。通过通过1H, 1H COSY谱解析分子内的谱解析分子内的H自旋偶合骨架，并自旋偶合骨架，并把它进一步转变为碳骨架部分构造。把它进一步转变为碳骨架部分构造。采用采用NOESY(

45、ROESY)谱解决分子的相对构型或构象问谱解决分子的相对构型或构象问题，得到分子的三维结构。题，得到分子的三维结构。通过通过13C-NMR确定碳原子数目。确定碳原子数目。通过异核多键远程相关谱通过异核多键远程相关谱HMBC,将可能的单元连接。将可能的单元连接。对分子结构进行全面确认。对分子结构进行全面确认。902D-NMR相比相比1D-NMR的优越性的优越性：n结构结构连接连接n信号信号分辨力分辨力n解析解析方法方法天然产物化学导论天然产物化学导论，2006，33 质谱法在鉴定有机物的四大重要工具质谱法在鉴定有机物的四大重要工具NMR、MS、IR、UV中，是灵敏度最高（可中，是灵敏度最高（可达

46、达10-5），也是唯一可以确定分子式的方法），也是唯一可以确定分子式的方法（测定精度达（测定精度达10-4）. 质谱的发明者质谱的发明者被誉为现代质谱学之被誉为现代质谱学之父的英国科学家父的英国科学家.J.Thomson(1906年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖)以离子的相对丰度为纵坐标，质荷比（以离子的相对丰度为纵坐标，质荷比（m/e）为横坐标，所得谱图即为）为横坐标，所得谱图即为质谱图。不同的质谱峰代表有不同质荷比的离子，峰的高低表示产生该质谱图。不同的质谱峰代表有不同质荷比的离子，峰的高低表示产生该峰的离子数量的多少。图中最高的峰称为基峰。基峰的相对丰度常定为峰的离子数量的多少。图中最高

47、的峰称为基峰。基峰的相对丰度常定为100%，其它离子峰的强度按基峰的百分比表示。，其它离子峰的强度按基峰的百分比表示。有机化合物的蒸气在高真空下受到高能电子束的轰击，有机化合物的蒸气在高真空下受到高能电子束的轰击，失去一个电子成为分子离子（带正电荷的离子），失去一个电子成为分子离子（带正电荷的离子），分分子离子的质量等于化合物的分子量子离子的质量等于化合物的分子量。分子离子可继续。分子离子可继续形成碎片离子，碎片离子可继续形成新的碎片离子，形成碎片离子，碎片离子可继续形成新的碎片离子，这样，一种化合物在离子室内可以产生若干质荷比不这样，一种化合物在离子室内可以产生若干质荷比不同的离子。这些正离

48、子进入一个具有几千伏电压的区同的离子。这些正离子进入一个具有几千伏电压的区域受到加速，然后在强磁场作用下，沿着弧形轨道前域受到加速，然后在强磁场作用下，沿着弧形轨道前进。进。进行扫描时，可以变动磁场强度，使不同质荷比的正离进行扫描时，可以变动磁场强度，使不同质荷比的正离子依次达到收集器，通过电子放大器放大成电流以后，子依次达到收集器，通过电子放大器放大成电流以后，用记录装置记录下来。不带电荷或带负电荷的质点不能用记录装置记录下来。不带电荷或带负电荷的质点不能到达收集器。到达收集器。m / z大大的的正离子轨道弯曲程度小，正离子轨道弯曲程度小， m / z小的正离子，轨小的正离子，轨道弯曲程度大

49、。这样不同质荷比的正离子就被分开。道弯曲程度大。这样不同质荷比的正离子就被分开。A B气体分子气体分子+e高能电子高能电子A B分子离子分子离子+e2分子离子分子离子 M+，分子离子峰的，分子离子峰的m/z就是分子量。就是分子量。M+1、M+2等是分子离子峰的同位素峰。等是分子离子峰的同位素峰。分子离子峰一般处于质荷比最高值。有分子离子峰一般处于质荷比最高值。有些化合物分子离子些化合物分子离子 较稳定，峰的强度大，在较稳定，峰的强度大，在质谱图中容易找到，但有些化合物分子离子质谱图中容易找到，但有些化合物分子离子不够稳定，易生成碎片，此时分子离子峰很不够稳定，易生成碎片，此时分子离子峰很弱或不

50、存在。弱或不存在。1006 质谱仪质谱仪进样系统离子源质量分析器检测器 质谱仪的操作主要通过其三个基本功能来实施。首先必须使分子离子化，它通过在离子源离子源中进行电子电离、快速原子/离子轰击、基体辅助激光解吸或电喷雾来实现；其次，带电分子的离子及其碎片必须根据其质荷比来得到分离，这往往在质量分析器质量分析器中进行；最后，分离的带电荷的碎片必须通过检测器检测器检测。基体辅助激光解吸/电离飞行时间质谱仪 （Matrix-assisted laser desorption / ionization time-of-flight mass spectrometry） 具有灵敏、快速、准确、测定质量范围

51、大等特点，在测定生物大分子和合成高聚物应用方面有特殊的优越性。 102GC-MS联用仪器联用仪器SampleSample 58901.0 DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMass Selective DetectorDCBA ABCDGas Chromatograph (GC)Mass SpectrometerSeparationIdentificationBACDADBCMS动态分析器采用变化的电磁场，按照时间和空间动态分析器采用变化的电磁场，按照时间和空间来区分质量不同的离子。这一类的仪器有：飞行来区分质量不同的离子。这一类的仪器有：飞行时间

52、质谱仪、四极滤质器等。时间质谱仪、四极滤质器等。 由直流和射频叠加的四极场构成的质量分析器。不同质荷比的离子在给定场参数下，在其中作轨道稳定或不稳定的运动，稳定的离子被收集，不稳定的离子被滤除。7例： 分子式为C6H12O的酮(A)，其质谱图如下，试确定结构。 110l 红外吸收光谱是物质的分子吸收了红外辐射后，引起分红外吸收光谱是物质的分子吸收了红外辐射后，引起分子的子的振动振动- -转动能级的跃迁转动能级的跃迁而形成的光谱，因为出现在红而形成的光谱，因为出现在红外区外区( (中红外：中红外：400-4000 cm400-4000 cm-1-1) )，所以称之为红外光谱。，所以称之为红外光谱

53、。利用红外光谱进行定性定量分析的方法称之为利用红外光谱进行定性定量分析的方法称之为红外吸收红外吸收光谱法光谱法。l红外辐射是在红外辐射是在1800年由英国的威廉年由英国的威廉.赫谢尔赫谢尔(Willian Hersher) 发现的。发现的。1903年，有人年，有人开始研究纯物质的红外吸收光谱。二次世界大战期间，由于对合成橡胶的迫切需求而开始研究纯物质的红外吸收光谱。二次世界大战期间，由于对合成橡胶的迫切需求而迅速发展。随着计算机的发展，以及红外光谱仪与其它大型仪器的联用，其在结构分迅速发展。随着计算机的发展，以及红外光谱仪与其它大型仪器的联用，其在结构分析、化学反应机理研究以及生产实践中发挥着

54、极其重要的作用，析、化学反应机理研究以及生产实践中发挥着极其重要的作用，是是“四大波谱四大波谱”中应中应用最多、理论最为成熟的一种方法。用最多、理论最为成熟的一种方法。 第四节第四节 红外吸收光谱红外吸收光谱111l 红外光谱法的特点：红外光谱法的特点：1）气态、液态和固态样品均可进行红外光谱测定；）气态、液态和固态样品均可进行红外光谱测定；2）每种化合物均有红外吸收，并显示了丰富的结构）每种化合物均有红外吸收，并显示了丰富的结构信息；能揭示分子中的特征官能团；信息；能揭示分子中的特征官能团；3）常规红外光谱仪价格低廉，易于购置；）常规红外光谱仪价格低廉，易于购置；4）样品用量少：可减少到微克

55、级；）样品用量少：可减少到微克级；5）针对特殊样品的测试要求，发展了多种测量新技）针对特殊样品的测试要求，发展了多种测量新技术，如：衰减反射光谱（术，如：衰减反射光谱（ATR），漫反射，红外显），漫反射，红外显微镜等。微镜等。 112红外吸收光谱的产生红外吸收光谱的产生 红外光谱是由于分子振动转动能级跃迁（同时伴有红外光谱是由于分子振动转动能级跃迁（同时伴有转动能级跃迁）而产生的。转动能级跃迁）而产生的。 物质吸收辐射应满足两个条件：物质吸收辐射应满足两个条件：1 1）辐射光子的能量与发生振动和转动能级间的跃迁所辐射光子的能量与发生振动和转动能级间的跃迁所需的能量相等；需的能量相等；2 2）分

56、子振动必须伴有偶极矩的变化，辐射与物质间必分子振动必须伴有偶极矩的变化，辐射与物质间必须有相互作用。须有相互作用。 用连续改变频率的红外光照射某样品，用仪器记录用连续改变频率的红外光照射某样品，用仪器记录吸收情况，就得到该试样的红外吸收光谱图。吸收情况，就得到该试样的红外吸收光谱图。 113红外光谱的一般特征红外光谱的一般特征 1 吸收峰的位置：多用波长（或波数）为横坐标以表示吸收峰的位置。吸收峰的位置：多用波长（或波数）为横坐标以表示吸收峰的位置。波长单位：微米波长单位：微米m; 波数（波数（）cm1 。 2 吸收峰的强度：吸收百分率（吸收峰的强度：吸收百分率（A%）为纵坐标表示吸收强度时，

57、吸收）为纵坐标表示吸收强度时，吸收带向上带向上 为峰。为峰。透射百分率（透射百分率（T%T%）为纵坐标表示吸收强度时，吸收带向下为纵坐标表示吸收强度时，吸收带向下 为峰。为峰。114 不同基团在红外频区的特征吸收不同基团在红外频区的特征吸收若某一未知物的红外图谱的指纹区与某一标准若某一未知物的红外图谱的指纹区与某一标准样品完全相同，可判断它们是同一化合物。样品完全相同，可判断它们是同一化合物。 测定范围：测定范围：500-4000cm-1667 1000 cm-1 C-H的弯曲振动；的弯曲振动；,1000 1300 cm-1 C-C, C-O, C-N,C-F等单键区；等单键区；1300 20

58、00 cm-1 C=O，C=N，C=C,N=O等双键区；等双键区；2000 2500 cm-1 三键振动区；三键振动区；2500 3750 cm-1 O-H,N-H氢键区。氢键区。115常见基团的红外吸收带常见基团的红外吸收带特征区特征区指纹区指纹区500100015002000250030003500C-H，N-H，O-HN-HC NC=NS-HP-HN-O N-NC-FC-XO-HO-H（氢键）（氢键）C=OC-C，C-N，C-O=C-HC-HC CC=C116红外光谱仪类型与结构红外光谱仪类型与结构Nicolet公司的AVATAR 360 FT-IR117目前有光栅色散型红外光谱仪和傅立

59、叶变换红外光谱仪两种目前有光栅色散型红外光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪两种. .光栅色散型红外光谱仪：与紫外可见分光光度计类似，也是由光源、单色器、吸收池、检测器和记录系统等部分组成。但红外光与紫外可见的工作波段范围不同，因此，光源、透光材料及检测器等有很大差异。傅立叶变换红外光谱仪：20世纪70年代出现的新一代红外光谱测量技术及仪器。没有色散元件，主要由光源、迈克尔逊干涉仪、探测器和计算机等组成。特点是：分辨率高、波数精度高、扫速快、光谱范围宽、灵敏度高等，将取代色散型红外光谱仪。118色散型红外光谱仪工作原理图色散型红外光谱仪工作原理图单色器单色器光源光源检测器检测器参比池参比池试样池试样池

60、记录器记录器放大器放大器机械装置机械装置 从光源发出的红外辐射，单色器将复色光分解成单色从光源发出的红外辐射，单色器将复色光分解成单色光。经检测器将红外辐射转换成电信号。用放大器将输出光。经检测器将红外辐射转换成电信号。用放大器将输出的电信号放大。进入带动记录笔的机械装置。最后得到透的电信号放大。进入带动记录笔的机械装置。最后得到透视比对波数（波长）的红外光谱吸收曲线（光谱图）。视比对波数（波长）的红外光谱吸收曲线（光谱图）。119定性分析定性分析 每一化合物都具有特异的红外吸收光谱，其谱带数目、位置、每一化合物都具有特异的红外吸收光谱，其谱带数目、位置、形状和强度均随化合物及聚集态不同而不同