化合物的结构鉴定与表征

化合物的结构鉴定与表征(硕士研究生学位课)

云南大学丁中涛、蔡乐、杜琳、周皓本文档共50页；当前第1页；编辑于星期二\10点44分第一章：概述

经典有机定性分析方法是运用化学降解方法把化合物切成各种片段，再按化学原理逻辑地推断结构，最后经合成方法证明。研究方法：

化学降解反应、有机元素分析、物理常数测定（熔点、沸点、旋光等）、官能团的特征显色反应、合成。缺点：操作烦琐、费时、消耗试剂量大、不易准确甚至不能测定如：1、微量化合物

2、大分子化合物

3、不稳定中间产物本文档共50页；当前第2页；编辑于星期二\10点44分二.发展历程：上世纪中期后，仪器分析方法得到迅速发展分离方法：各种色谱分离方法分析方法：UV、IR、NMR、MS等及各种联机技术。吗啡（1804纯品，1847分子式1925化学结构）本文档共50页；当前第3页；编辑于星期二\10点44分三.有机波谱分析方法：紫外光谱法（UV）：UltravioletAbsorptionSpectrometry2.红外光谱法（IR）：InfraredAbsorptionSpectrometry3.核磁共振波谱法（NMR）：NuclearMagneticResonanceSpectrometry4.质谱法（MS）：MassSpectrometry

本课程重点介绍四谱的谱学特点、特定功能、图谱提供的信息及其与化合物结构的关系。核心是四谱综合运用，即“解谱”。本文档共50页；当前第4页；编辑于星期二\10点44分四谱比较：灵敏度：MS>UV>IR>NMR2.仪器的价格高低及维持费：MS~NMR>IR>UV

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

5.所需的理论背景：NMR>MS>IR>UV

本文档共50页；当前第5页；编辑于星期二\10点44分1、紫外光谱睾丸酮(1,)和异丙叉丙酮（2，CH3COC=C（CH3）2）的紫外光谱本文档共50页；当前第6页；编辑于星期二\10点44分1R1=Me,R2=H4R1=H,R2=Me

化合物1的UV，红线、兰线为不同浓度的样品吸收，绿色线为已加AlCl3/HCl，与样品对照最大吸收峰及A值无变化。例：MinghuiYang，ZhongtaoDing，etal，CCL，2010,21:325-328

本文档共50页；当前第7页；编辑于星期二\10点44分在某些情况下，如香豆素类、黄酮类化合物，它们的UV光谱在加入某些诊断试剂后可因分子结构中取代基的类型、数目及位置的不同而发生改变，故还可以应用UV谱推断该类化合物的精细结构。例如:芦丁的甲醇溶液及加入各种诊断试剂后的UV谱如下：试剂λmax谱带II谱带I甲醇259359甲醇钠272410三氯化铝275433乙酸钠271393从上表UV数据可见:甲醇钠是强碱,可以使所有的羟基解离,故芦丁的谱带I和II均发生明显红移.三氯化铝可分别与B环的邻二酚羟基、C环的羰基和A环的5位羟基形成配合物，故亦引起芦丁的谱带I和II的明显红移。乙酸钠为弱碱，仅能使酸性较强的A环7位羟基和B环4‘位羟基解离，所以谱带I和II所发生的明显红移，表明芦丁分子结构中存在4‘位羟基和7位羟基。由此可见，UV谱不但可用于推断不饱和结构骨架，而且有助于阐明在共轭系统中取代基的位置、种类和数目。III本文档共50页；当前第8页；编辑于星期二\10点44分定量分析与加合原则一个分子中的两个生色团被一个或更多个隔离原子(如)分开,这个分子的紫外吸收光谱近似于这两个生色团紫外吸收光谱之和.即一个化合物的紫外吸收光谱为该分子中几个互相不共轭部分的结构单元的紫外吸收的加合.例：紫外光谱法同时测定厚扑酚与和厚朴酚的含量（保志娟，丁中涛等，天然产物研究与开发，2004，16（5）：435）pH=8.93本文档共50页；当前第9页；编辑于星期二\10点44分2、红外光谱谱图分析三要素

本文档共50页；当前第10页；编辑于星期二\10点44分关联峰出现(增加判断可靠性)

如苯环:3100-3000cm-1

芳环上C-H伸缩振动

1600-1450cm-1C=C骨架振动(常弱)

880-680cm-1C-H面外弯曲振动,定位!

1660-2000cm-1

泛频峰

本文档共50页；当前第11页；编辑于星期二\10点44分例.一个化合物的红外光谱如图1,推测其结构是Ⅰ或ⅡHOC≡NC－NH2O400030002500200017001300图11001500T%cm-1解：是II因为图中没有υC＝O(1900～1650cm-1),所以排除I。2400～2100cm-1区域内的吸收峰是υC≡N。本文档共50页；当前第12页；编辑于星期二\10点44分例:青霉素结构的确定已知其分子式为C16H18N2SO4(IR:1700,1770cm-1)水解得的产物C16H20N2SO5(结构如下B)模型化合物:1800cm-11740cm-11770cm-1本文档共50页；当前第13页；编辑于星期二\10点44分3、质谱例

正庚酮有三种异构体，某正庚酮的质谱如图所示。试确定羰基的位置：

本文档共50页；当前第14页；编辑于星期二\10点44分解:酮易发生α裂解，生成离子，稳定，强度很大，是鉴别羰基位置的有力证据。三种庚酮异构体的α裂解比较：图上，m/z57为基峰，而且有m/z85峰，而无99及71峰。图上虽有m/z43峰，但太弱，不是CH3-C+O离子而是由β裂解产生的C3H7+离子。因此证明该化合物是庚酮-3。本文档共50页；当前第15页；编辑于星期二\10点44分例．试解释鬼臼毒素类化合物的质谱峰m/z414，396，312，297，269的产生机理。本文档共50页；当前第16页；编辑于星期二\10点44分4、核磁共振氢谱1.图谱提供的信息本文档共50页；当前第17页；编辑于星期二\10点44分一张谱图可以向我们提供关于有机分子结构的如下信息

1.由吸收峰的组数，可以判断有几种不同类型的H核；

2.由峰的强度（峰面积或积分曲线高度），可以判断各类H的相对数目；

3.由峰的裂分数目，可以判断相邻H核的数目；

4.由峰的化学位移（δ值），可以判断各类型H所处的化学环境；

5.由裂分峰的外形或偶合常数，可以判断哪种类型H是相邻的。

本文档共50页；当前第18页；编辑于星期二\10点44分环己烷上3J偶合:Jaa=10Hz左右Jae=2-4Hz左右Jee=1-3Hz左右本文档共50页；当前第19页；编辑于星期二\10点44分例、某化合物的结构右图所示。其核磁共振氢谱中H-3的δ在，峰宽为17Hz,由此推断H-4处在a键还是e键上？本文档共50页；当前第20页；编辑于星期二\10点44分4、13CNMR

特点

（1）化学位移范围宽

0-220ppm（正碳离子可达330ppm，而CI4约为－292ppm),约是1HNMR的20倍。分辨率更高。（2）13CNMR给出不与氢相连的碳的共振吸收峰季碳、C＝O、C≡C、C≡N、C＝C等基团中的碳不与氢直接相连，在1HNMR谱中能直接观测，只能靠分子式及其对相邻基团δ值的影响来判断。而在13CNMR谱中，均能给出各自的特征吸收峰。

（3）

13CNMR灵敏度低，偶合复杂

本文档共50页；当前第21页；编辑于星期二\10点44分DEPT谱中，CH3显正峰，CH2显负峰，CH显正峰。通过谱图编辑，我们可以很容易辨认碳的级数。本文档共50页；当前第22页；编辑于星期二\10点44分表:不同类型碳核化学位移的大致范围类型δ（ppm）SP3杂化碳（饱和碳）-CH3-CH2-CH-C--O-CHn(n=0-3)-N-CHn(n=0-3)

8-3015-5520-6035-70在上列数据基础之上+15-30

在上列数据基础之上+10-25

SP杂化碳（炔碳）≡CH65-85SP2杂化碳烯碳芳环及芳杂环碳羰基碳=CHC6H6C=O100-150110-160160-210本文档共50页；当前第23页；编辑于星期二\10点44分5、二维核磁共振谱1．二维J分解谱（2DJ-resolvedSpectroscopy,2DJ）2．二维化学位移相关谱（Two-DimesionalChemicalShiftCorrelationSpectroscopy）

1H,1H化学位移相关谱（1H,1HCOSY）

Heteronuclearmultiple-quantumcorrelation(HMQC)Heteronuclearmultibondcorrelations:HMBC2DNMR–homonuclearthroughspacecorrelations:ROESY,NOESY本文档共50页；当前第24页；编辑于星期二\10点44分1H--1HCOSY谱：是最常用的同核位移相关谱。一般反映的是邻碳氢的偶合关系，从而可知同一自旋体系里质子之间的偶合关系，是归属谱线、推导结构强有力的工具。以乙酸乙酯的1H--1H相关谱（1H--1HCOSY）为例，横轴及纵轴均为该化合物的1H–NMR谱。同一1H核信号将在对角线上相交，交点称对角峰（diagonalpeak）。图上对角线两侧呈对称分布的两个点叫相关峰（crosspeak,或correlationpeak）。相互偶合的两个/组1H核信号将在相关峰上相交。本文档共50页；当前第25页；编辑于星期二\10点44分本文档共50页；当前第26页；编辑于星期二\10点44分(2)13C--1HCOSY谱和COLOC谱常规的13C--1HCOSY谱是反映直接键连的C——H间的偶合关系，对于信号的指定非常有效。一般谱图的一轴为化合物的1H–NMR谱，另一轴为13C–NMR谱。直接键连的13C和1H信号会在图中出现相关点。

COLOC谱，即远程偶合的异核位移相关谱。它显示2JCH、3JCH以上的13C-1H相关，从功能来看，其与远程偶合13C--1HCOSY谱相近，但效果更好。本文档共50页；当前第27页；编辑于星期二\10点44分本文档共50页；当前第28页；编辑于星期二\10点44分(3)HMQC谱和HMBC谱：属检测1H的异核位移相关谱。HMQC把1H核和与其直接相连的13C核关联起来，所提供的信息及谱图与13C--1HCOSY谱完全相同。HMBC可高灵敏地检测13C--1H远程偶合，由此可以得到有关季碳的结构信息及因杂原子存在而被切断的1H偶合系统之间的结构信息。它同HMQC一样也是通过测定灵敏度高的1H核来检测13C--1H之间的远程偶合相关信息，灵敏度比传统的远程偶合13C--1HCOSY高得多。本文档共50页；当前第29页；编辑于星期二\10点44分(4)NOESY谱和ROESY谱：属NOE类的二维核磁共振谱。NOE主要用来确定两个质子在分子立体空间结构中是否距离相近，若存在NOE则表示两者接近，NOE值越大，则两者在空间的距离就越近。NOE对确定有机化合物的结构、构型和构象具有重要作用。NOESY谱采用二维方式检测NOE，显示1H核之间的NOE相关。ROESY是旋转坐标系中的NOESY。本文档共50页；当前第30页；编辑于星期二\10点44分四.结构研究的程序

1、化合物纯度的测定和判断：植物化学成分结构的准确鉴定必须建立在该成分已经分离纯化的基础之上。样品的纯度是能否获得准确信息的关键，否则可能得到混乱甚至错误的结论。纯度的检查可以通过检查其有无均匀一致的晶形、有无明确的熔点、熔程是否合理（一般应小于2℃）、色泽是否均匀等来判断，但在研究和实践中，最常用的还是薄层层析或纸层析方法。一般要求至少选择在三种溶剂系统中展开，先在可见光或紫外光下观察，然后喷以适当的显色剂（如10%的硫酸溶液）或在碘缸中显色，要求样品呈单一斑点，方可判断其为纯化合物。对于个别情况，有时需要用正、反相层析加以确认。在条件允许的情况下，也可利用气相色谱或高效液相色谱来证实。本文档共50页；当前第31页；编辑于星期二\10点44分2、化合物类型的初步判断：百余年来，对大量植物化学成分的研究已为我们提供了丰富的化合物结构类型，如今分离得到的新成分绝大多数是在已有骨架类型上的变化。可通过对同科属（种）植物研究信息的调研，考察样品在提取分离过程中的行为、一般理化常数和性质（如酸碱行为、溶解行为、层析行为）及一些特殊的显色反应等来对化合物的类型作初步判断。如碘化铋钾（Dragendorff）试剂可用于生物碱等含氮化合物的检测。本文档共50页；当前第32页；编辑于星期二\10点44分3、已知化合物的结构推断在实际工作中，并不需要测定完一个化合物的所有波谱数据才能判断化合物的结构，有些化合物特别是已知化合物，在化合物结构类型初步判断的基础之上，结合文献调研，通过与标准品的理化常数、性质及薄层对照检查或一些简单的波谱（如红外光谱、紫外光谱数据）对照比较，即可作出判断。若为新化合物，则需提供更翔实证据，进一步对其结构进行研究。本文档共50页；当前第33页；编辑于星期二\10点44分4、对于未知的植物化学成分的结构分析：对于未知的植物化学成分，则需通过谱图的综合解析，有时也需配合适当的化学、生物方法（如降解）来进行结构研究。一般地，要判定一个化合物的准确结构，往往需要通过其多种波谱数据及理化常数相互映证。

本文档共50页；当前第34页；编辑于星期二\10点44分一般可从以下几个方面入手：分子量、分子式的确定

利用元素分析、质谱的分子离子峰（M）或其同位素峰（M+1）、（M+2）的相对强度可得出最可能的分子量、分子式。由分子式可计算不饱和度，进而推测化合物的大致类型，如是否芳香化合物，有否含有双键等。对于一些高极性或热不稳定的化合物，需用软电离方式，才有可能得到其质谱的分子离子峰。

高分辨质谱测定分子的准确分子量,进而推测分子的组成(分子式)本文档共50页；当前第35页；编辑于星期二\10点44分(2)推断分子中可能含有的官能团、结构碎片或基本骨架

紫外光谱可以显示化合物分子中有无共轭体系和芳香结构；

红外光谱能提供许多官能团的特征吸收；

质谱的碎片离子也能提供分子结构中可能存在的分子片断和可能失去的分子片断；

核磁共振谱能提供较大的信息量，能反映出组成分子的碳、氢骨架信息。另外，某些官能团还具有一些特征的化学反应。本文档共50页；当前第36页；编辑于星期二\10点44分(3)测定分子的平面结构综合光谱解析及官能团定性、定量分析的结果，结合文献调研，利用已确定的结构单元，推断分子的平面结构。由此得到的化合物结构可能不止一种，此时，应注意与已知的、结构类似的化合物的波谱数据进行比较，观察各波谱数据间是否有矛盾或不合理的地方，一定要做到波谱数据间的相互映证，最终选择出最可能的结构。有时还需做化学降解、衍生物制备或人工合成等化学沟通工作加以证实。本文档共50页；当前第37页；编辑于星期二\10点44分(4)推断并确定分子包括构型、构象在内的主体结构主要通过测定NOE谱、二维和三维核磁共振谱、CD谱及ORD谱等进行研究。对于结晶化合物还可以用X-射线衍射分析确定晶体结构，最后还可通过人工全合成加以确认。综合所有研究信息，验证所推测结构是否合理。

在推导分子结构时，应当把各种波谱信息综合起来，彼此佐证，同时要相当重视前人已有的研究成果，熟悉有关植物化学成分研究的中、外文文献并熟练掌握文献调研的方法，以利于结构研究的顺利进行并得到可靠、正确的研究结果。有时还需应用有机反应的知识，通过化学降解、化学沟通、化学鉴定、化学合成等手段进行判断。总之，要想成为准确判断分子结构的能手，必须经过相当多的亲身实践，熟悉各类化合物波谱数据的特征及其特殊的性质和行为，不断总结和积累研究经验，熟能生巧，从而形成一套适合自己的研究程序。本文档共50页；当前第38页；编辑于星期二\10点44分例:环肽的结构鉴定本文档共50页；当前第39页；编辑于星期二\10点44分本文档共50页；当前第40页；编辑于星期二\10点44分GlyAlaSerPhe1Phe2Ile本文档共50页；当前第41页；编辑于星期二\10点44分本文档共50页；当前第42页；编辑于星期二\10点44分本文档共50页；当前第43页；编辑于星期二\10点44分1环肽的氨基酸组成化合物I为白色粉末状固体，易溶于甲醇、吡啶。对茚三酮试剂不显色。采用应用茚三酮试剂显色的薄层原位化学反应方法，即用盐酸（6N）水解（120℃，1小时）后，对茚三酮呈现阳性反应（红色），这一现象提示该化合物为一环肽。其高分辨质谱（HRESI-MS）显示[M+Na]+在m/z645.3079（计算值645.3007）,表明化合物的分子式为C32H42N6O7，提示分子中有15个不饱和度。1HNMR谱中，在δ8.5－10.0间示有6个酰胺质子，表明化合物可能为环六肽。在间有10个苯环质子信号；在δ3.9－5.0之间示有氨基酸的a-H信号；在δ0.6－1.5间示有3个－CH3信号,它们分别呈现为2个二重峰和1个三重峰。13CNMR及DEPT谱中，在δ172－175间，示有6个羰基信号，证实化合物为环六肽；在δ129-141，有12个碳信号，其中有2个季碳，10个次甲基信号，表明有2个单取代苯环结构存在；在δ64.58的CH2信号,表明有-CH2OH的存在;在δ53－61有5个CH信号，它们可能是氨基酸的a-C；在δ46.36的CH2信号,表明可能有-CH2NH的存在;高场区（δ10-40）示有3个甲基C信号。HMQC谱可将碳氢信号一一对应。本文档共50页；当前第44页；编辑于星期二\10点44分

由1H-1HCOSY相关谱中的氨基H、每一个氨基酸的a-H或甲基信号入手，可以找出同一自旋体系中相互偶合质子，从而确定组成环肽的氨基酸残基。经过认真分析，证明组成环肽的氨基酸残基有一个甘氨酸、一个丙氨酸、一个丝氨酸、一个异亮氨酸、两个苯丙氨酸。2环肽序列的确定由HMBC相关谱的a-H找出与其相关的羰基碳（通常观察到的是每个氨基酸的a-H与其自身的羰基的相关），从而羰基信号可归属于相应的氨基酸残基；然后由HMBC相关谱中的不同氨基酸残基的酰胺质子与其相邻氨基酸残基的羰基碳的相关性（通常观察到的是酰胺质子与其相邻氨基酸中的羰基碳的相关），将一个个氨基酸残基连起来。本文档共50页；当前第45页；编辑于星期二\10点44分在本化合物的HMBC谱中，我们观察到以下相关点：AlaCO-GlyNHGlyCO-SerNHSerCO-IleNHIleCO-Phe1NHPhe1CO-Phe2NH

由此推断该化合物为环（－丙－甘－丝－异亮－苯丙1－苯丙2－）.其结构如下图所示。本文档共50页；当前第46页；编辑于星期二\10点44分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本文档共50页；当前第47页；编辑于星期二\10点44分13C-NMRSpectralData

C=O

α-Hβ-Hγ-Hδ-H

*数据可交换Ala17