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1、 1 第四节植物化学成分结构研究方法 一 结构研究的一般程序与方法1 推断化合物结构类型注意观察样品在提取 分离过程中的行为 测定有关物理化学性质 如不同pH 不同溶剂中的溶解度及层析行为 化学定性反应等 结合文献调研2 测定分子式及计算不饱和度 1 元素定量分析和相对分子质量测定 2 高分辨质谱 highresolutionmassspetrometry HR MS 法不饱和度 degreeofunsaturation C 1 H 2 X 2 N 2C 化合物中C原子的数目H 化合物中H原子的数目X 化合物中卤素原子的数目N 化合物中三价N原子的数目 3 推断分子中可能含有的官能团 结构片段
2、或基本骨架官能团定性及定量 测定并解析化合物有关光谱 如UV IR MS 1HNMR 13CNMR等 4 推断并确定分子的平面结构 1 结合文献调研 2 结合光谱解析及官能团定性 定量分析结果 3 与已知化合物进行比较或采用化学方法 化学降解 衍生物制备或人工合成 5 推断并确定化合物的立体结构 1 测定CD或ORD谱 2 测定NOE NOESY或2DNMR谱 3 进行X晶体衍射分析或人工合成 纯度鉴定 推测母体结构类型功能基情况 分子量分子式的确定 波谱 化学方法推测出结构式 人工合成进行确认 结构测定的程序 纯度确定 最基本的条件 检查纯度的方法 外观 颜色 形态是否均一 测定各种物理常数
3、 如熔点 沸点 比旋光度 折光率等 这些物理常数都反映了化合物的纯度 如果可能是已知物 用已知结构的对照品进行对照测定或测定它们的共熔点等 也可对照文献报导值 注意各种测定条件的一致性 薄层层析 三种展开系统和三种显色方法 高效液相层析 某些成分或功能基 可以和一些特定试剂产生各种颜色或沉淀 有助于判断化合物类型和功能基 生物碱类大都能和生物碱沉淀试剂产生沉淀 羟基蒽醌类遇碱呈红色 盐酸一镁粉试剂能和许多黄酮类化合物呈色 化学方法 辅助手段 鉴别功能基的化学反应 三氯化铁反应 三氯化铝反应等等 利用在酸水或碱水中的溶解度情况 提示该化合物碱性功能基或酸性功能基的存在以及有无内酯 内酰胺结构 化
4、学降解法 将复杂分子通过氧化 还原等化学反应 降解为几个结构比较简单又稳定的小分子化合物 通过对降解产物的结构鉴定 再按降解机理合理地推导出原来可能的化学结构式 特点 需用化合物量大 反应剧烈 主要产物得率少又费时 现在较少应用 仅保留一些比较简单规律性又较强的降解反应 衍生物制备 用化学方法研究结构的一种常用手段 对结构推定有一定意义 波谱方法 主要手段 11 光谱法的特点 样品用量少 几微克 几十毫克 除质谱外多数能回收 对结构复杂的天然化合物在较短的时间内 就能完成结构的测定 且不改变混合体系的组成 对构象 构型 异构体判别等方面的研究已显示出巨大的潜力 灵敏 准确 重现性好 紫外光谱用
5、波长在200 400nm之间的连续光扫描记录下来的图谱 吸收带比较宽 红外光谱用波长在800nm 20 m之间的连续光扫描记录下来的图谱 谱线比较尖锐 光谱 岛津2450 2550PC 傅立叶变换红外光谱仪 光谱仪器 核磁共振仪 质谱仪 测定范围 波数200 400nm之间作用 提供基本骨架信息 样品中杂质的测定 定量分析特点 液态样品才能测定 常规紫外光谱仪价格低廉 样品用量少 只需5 10 g 紫外光谱 Ultra Violet UV 生色团产生紫外吸收的不饱和基团 如C C C O O N O等 助色团 其本身是饱和基团 常含有杂原子 它连到生色团上时 能使后者吸收波长变长或吸收强度增加
6、 如 OH NH2 Cl等 深色位移 由于基团取代或溶剂效应 最大吸收波长变长 也叫红移 redshift 浅色位移 由于基团取代或溶剂效应 最大吸收波长变短 也叫蓝移 blueshift 具有相同基本骨架化合物的UV光谱相同 但并非是同一化合物 测定范围波数600 4000cm 1之间 其中1600cm 1以上为化合物的特征基团区 1000 500cm 1为指纹区 作用主要用于定性分析 功能基的确认 芳环取代类型的判断等 优点 任何气态 液态 固态样品均可测定 每种化合物都有红外吸收 常规红外光谱仪价格低廉 样品用量少 只需5 10 g 红外光谱 Infra Red IR 19 红外光谱 I
7、nfraredspectraIR 为结构解析提供各种官能团的信息 IR相同者为同一化合物 如 芳香环 1600 1480cm 1 OH 3000cm 1 C O 1700cm 1 三要素 位置 强度 峰形 如果被测定物是已知物 只要和已知对照品做一张共红外光谱图 二者红外光谱完全一致则为同一物质 如无对照品也可检索有关红外光谱数据图谱文献 1945年 F Bloch和E M Purcell几乎同时发现了核磁共振现象 获得1952年诺贝尔物理奖 核磁共振仪器的发展 40 60 90 100 300 500 600 750MHz 核磁共振 天然药物化学成分以有机物为主 分子结构中必然有C H原子
8、它们的结合类型 化学环境不同 均可用NMR测定 是天然化合物结构测定的重要手段 氢核磁共振 1H NMR 谱 碳核磁共振 13C NMR 谱 核磁共振谱 NuclearMagneticResonance NMR 23 测量方法 利用原子核在磁场中发生能级跃迁时 核磁矩方向改变产生感应电流来测定核磁共振信号 特点 比测透过率法灵敏度高 24 1 化学位移定义 化学位移 同种核由于在分子中的化学环境不同而在不同共振磁场显示吸收峰的现象 化学位移值是外磁场强度的百万分之几 化学环境 指核外电子以及邻近的其它原子核的核外电子的运动情况 25 屏蔽效应局部屏蔽效应远程屏蔽效应 局部屏蔽效应 核外成键电子
9、对核产生的屏蔽作用 远程屏蔽效应 分子中其它原子和基团的核外电子对核产生的屏蔽作用 26 2 化学位移的表示 采用相对数值表示法 ppm 1ppm 10 6 规定四甲基硅烷 TMS CH3 4Si 吸收峰的 值为0 其右边峰的 值为负 左边为正 27 3 影响化学位移的因素 电负性各向异性效应氢键的去屏蔽效应溶剂效应 28 电负性电负性大的原子或基团 产生 I效应 使 增大 屏蔽作用减小 去屏蔽作用增大 注 电负性对 影响是通过化学键起作用的 它产生的屏蔽效应属于局部屏蔽效应 29 各向异性效应 分子中某些基团的电子云排布不呈球形对称 它对邻近氢核产生一个各向异性的磁场 从而使某些空间位置上的
10、核受屏蔽 而另一些空间位置上的核去屏蔽的现象 注 各向异性对 影响是通过空间位置起作用的 它产生的屏蔽效应属于远程屏蔽效应 30 氢键的去屏蔽效应使 值移向低场 羧酸的 值 10 12溶剂效应 31 四 自旋 自旋偶合 乙醛的低分辨核磁共振谱 乙醛的高分辨核磁共振谱 CHO CH3 CH3 CHO 自旋 自旋偶合 自旋核之间的相互作用 自旋 自旋裂分 因自旋偶合而引起谱线增多的现象 32 自旋偶合的原因 自旋质子产生的一个小磁场可通过成键电子的传递 对邻近的质子产生影响 远程偶合 相隔三个键以上的偶合 远程偶合只发生在中间插入双键或三键的两个质子 偶合常数J 裂分峰之间共振吸收之差 33 化学
11、等价 指化学位移相同的自旋核 磁等价 一组化学位移相同的自旋核 若与组外其它核的自旋偶合彼此之间也相同 则该组核为磁等价核 如 34 NMR的应用 质子谱 1H NMR 化学位移 用于判断H的化学环境chemicalshift 偶合常数 J Hz 用于判断H与H的关系couplingconstant 积分强度 积分面积 确定H的数目碳谱 13C NMR 化学位移 碳处的化学环境峰高或峰面积 一般不与碳数成正比 氢核磁共振 1H NMR 谱 化学位移范围 在0 20ppm 三大要素 化学位移 ppm 偶合常数 J 及峰面积 灵敏度高 样品用量少 1 5mg 测试时间短 碳核磁共振 13C NMR
12、 谱 化学位移范围 在0 250ppm 要素 化学位移 ppm 灵敏度较低 样品用量较多 5 20mg 测试时间长 C O C C O CH2 溶剂 C C 适用范围 信号过于复杂 重叠严重时 而对结构推断产生困难时 可以简化谱图 有助判断 特点 对测试仪器要求比较高 超导核磁共振仪 谱图测试价格比较贵 测试时间长 样品用量比较多 只需5 20mg 二维核磁共振谱 NOESY HMQC 作用 用于确定分子量 求算分子式 提供其他的结构信息 特点 适宜测定极性偏小和中等极性的化合物 常规质谱仪价格比较便宜 一些特殊质谱仪很昂贵 样品用量少 只需5 10 g 质谱 MS 43 一 基本原理 质谱
13、MS 有机化合物分子在电子流的轰击下 失去电子变成离子 离子再在电场和磁场的综合作用下 按照质量和电荷之比 质荷比m z 的大小顺序记录下来的图谱 44 质谱中常见的几种离子峰 分子离子峰M e M 2e 碎片离子峰同位素离子峰 45 裂解的一般规律 1 产生碳正离子的裂解2 产生氮 氧 卤正离子的裂解3 重排裂解 脱去中性分子的裂解 46 五 质谱的应用 1 测定有机化合物的分子式2 推测有机化合物的结构 为结构解析提供的信息给出分子量 M 给出基团或片段信息 HR MS可计算分子式 MS图一致 同一型号仪器 同一条件 一般为同一化合物 类型电子轰击电离质谱 EI MS 醇 糖苷不能给出分子
14、离子峰 场解析电离质谱 FD MS 快原子轰击质谱 FAB MS 电喷雾电离质谱 ESI MS 用于糖苷 肽 核酸类 可确定分子量 47 5 旋光谱和圆二色散光谱 ORDandCD 旋光谱 opticalrotatotydispersion ORD 和圆二色谱 circulardichroism CD 需对紫外可见光有吸收 解决手性中心附近有生色团 含通过化学转换可变成生色团的化合物 如 OH C O 的化合物的绝对构型或优势构象的 对每一个具体的结构类型 要掌握下面的主线植物来源 结构特点 理化性质 提取分离结构测定 生物活性 在理解的基础上 用自己的语言来消化和记忆 善于归纳和总结 做到触
15、类旁通 举一反三 Howtolearn 一 单项选择题1 两相溶剂萃取法的原理是利用混合物中各成分在两相溶剂中的 A 比重不同B 分配系数不同C 分离系数不同D 萃取常数不同E 介电常数不同2 原理为氢键吸附的色谱是 A 离子交换色谱B 凝胶滤过色谱C 聚酰胺色谱D 硅胶色谱E 氧化铝色谱3 分馏法分离适用于 A 极性大成分B 极性小成分C 升华性成分D 挥发性成分E 内脂类成分4 聚酰胺薄层色谱 下列展开剂中展开能力最强的是 A 30 乙醇B 无水乙醇C 70 乙醇D 丙酮E 水 5 可将天然药物水提液中的亲水性成分萃取出来的溶剂是 A 乙醚B 醋酸乙脂C 丙酮D 正丁醇E 乙醇6 红外光谱
16、的单位是 A cm 1B nmC m zD mmE 7 在水液中不能被乙醇沉淀的是 A 蛋白质B 多肽C 多糖D 酶E 鞣质8 下列各组溶剂 按极性大小排列 正确的是 A 水 丙酮 甲醇B 乙醇 醋酸乙脂 乙醚C 乙醇 甲醇 醋酸乙脂D 丙酮 乙醇 甲醇E 苯 乙醚 甲醇 9 与判断化合物纯度无关的是 A 熔点的测定B 观察结晶的晶形C 闻气味D 测定旋光度E 选两种以上色谱条件进行检测10 不属亲脂性有机溶剂的是 A 氯仿B 苯C 正丁醇D 丙酮E 乙醚11 从天然药物中提取对热不稳定的成分宜选用 A 回流提取法B 煎煮法C 渗漉法D 连续回流法E 蒸馏法 12 红外光谱的缩写符号是 A UVB IRC MSD NMRE HI MS 13 下列类型基团极性最大的是 A 醛基B 酮基C 酯基D 甲氧基E 醇羟基14 采用溶剂极性递增的方法进行活性成分提取 下列溶剂排列顺序正确的是 A C6H6 CHCl3 Me2CO AcOEt EtOH H2OB C6H6 CHCl3 AcOEt Me2CO EtOH H2OC H2O AcOEt EtOH Me2CO CHCl3 C6H6D CHC
