使用核磁共振光谱决定化学结构的另一选择

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1、1使用核磁共振光譜決定化學結構的另一選擇使用核磁共振光譜決定化學結構的另一選擇碳序法之化學結構決定碳序法之化學結構決定陳勝智 中國醫藥學院 藥物化學研究所摘要：摘要： 本文介紹利用核磁共振光譜，如何進行碳碳連結產生化學 結構的方法。本法將碳譜與氫譜之各訊號分別由低磁場到高磁場， 一一標識序號。根據 HMQC，由氫之序號找到碳之序號，將 COSY 的氫氫偶合相關改為碳碳連結，也將 HMBC 碳氫遠程偶合相關更 改為碳碳遠程連結，最後利用此等連結進行碳碳連結產生化學結構。 化學結構建構完成時，核磁共振光譜訊號之歸屬也一起完成。關鍵字：關鍵字：化學結構決定，碳序法，核磁共振光譜。（本文已發表於化學

2、60, 153-162, 2002）前言前言 核磁共振光譜能提供豐富的化學結構的相關訊息，故在化學結 構決定上扮演著很重要的角色。一般，於取得核磁共振光譜後，從 譜型或特性訊號之化學位移、偶合常數等，判斷此等資料與化合物 之化學結構的關係，並進一步進行歸屬（assignment） ，確定化合物 的化學結構。當然此過程中，還會尋求二維光譜的協助尋找相關 （correlation）以及連結（connection）1。換言之，讀譜作業與光譜 之使用是一般所熟悉的方法。 筆者經由國內軟體公司的介紹，由 Spectrum Research, LLT 之 網站（）下載 SpecMan 及 NMR-SAMS

3、 兩套試用版 軟體。此二軟體可直接由核磁共振光譜儀之電腦檔案選取光譜訊號 資料（peak picking） ，並產生化合物的化學結構。簡言之，他們是 產生化學結構用的簡便軟體。但經過三十天的試用後發現，此二軟 體還需要有解讀核磁共振光譜能力的專家協助使用，因二者在選取 光譜資料時，需要專家修正他所處理的資料。筆者認為，既然是有 經驗者才能使用，已失去選用此二軟體的意義。筆者從其處理資料 的過程以及原創者文獻2-5，體會到該軟體是以碳為主體來建構化學結構式，其法可以理解，但後半部因自動化的需求或軟體選取訊號2的正確性問題，並且未好好利用 HMBC 的所有資料，降低產生化學 結構的成功機會。筆者認

4、為電腦自動選取資料，速度雖快，但若還 需要專家修正，不如一開始就靠人腦做正確且合理的選取訊號， 並好好利用 HMBC 的所有資料做正確的連結，以獲得正確的結果。 於是，筆者反覆嘗試並建立以碳為主體，進行碳碳連結產生化學結 構式的人為方法，做為使用核磁共振光譜的另一選擇。本法雖較電 腦費力，但所費時間不多，卻因隨機應變或因地制宜的作業過 程，使結果較為可靠，值得採用。 本法先將碳譜的各訊號以阿拉伯數字，由低磁場到高磁場標識 序號（ID number） ；氫譜也以相同方式標識序號。根據 HMQC，由 氫之序號找到碳序號，將 COSY 的氫氫偶合相關改為碳碳連結，也 將 HMBC 之碳氫遠程偶合相關

5、更改為碳碳遠程連結，最後進行碳碳 連結產生化學結構。在本法的操作過程中，COSY 直接提供明確的 碳碳連結，HMBC 所提供的碳碳連結是 位與 位的遠程連結， 比較複雜，但因 HMBC 資料的定位（allocation）效果，每一個碳均 有一定的位置，以類似拼字或拼圖遊戲（crossword or jigsaw puzzle）的反覆嘗試即可產生化學結構。化學結構建構完成時，核 磁共振光譜訊號之歸屬也一起完成。結構產生的過程是碳碳連結的 過程，其功能類似 INADEQUATE 光譜。 本文以 brucine 為例，敘述本法之化學結構產生過程與結果， 同時也提供經驗與建議。光譜之測定光譜之測定 本

6、實驗取購自默克公司之 brucine 20 mg 溶於 0.6 毫升 CDCl3 中，以 300MHz 核磁共振光譜儀（Bruker ARX-300）分別測定氫譜、 碳譜、DEPT、COSY、HMQC、HMBC 等光譜。以上光譜均以內建 程式測定，其參數未做特別更改。結果結果 本文以 brucine 為例，故於獲得 brucine 的各種光譜之後，使用 微軟的 Words 文書軟體，依下述順序作業來產生 brucine 之化學結 構。採用微軟的 Words 文書軟體的理由是此軟體相當普遍，且此軟 體的上標、下標、文字之著色、表格之網底、欄寬的調整等都很方 便。光譜資料表格化光譜資料表格化 表一

7、顯示碳譜、氫譜、DEPT、HMQC、COSY、HMBC 等光 譜資料表格化的結果。ID 欄中的號碼用來代表碳的序號，此號碼將3標記於碳原子之右上角做為識別之用。因 ID 欄的序號由上而下已依 序排定，第二欄中的資料是碳譜的化學位移，由低到高磁場，由上 而下，數字由大而小逐漸遞減。為避免兩組號碼混淆，氫之序號均 冠以“#“來與碳之序號區別。第三欄的 DEPT 是依 DEPT 光譜資料， 將該號的碳以一至四級碳表達出來，例如第 8 及 9 號碳是三級碳以 CH 填表，第 23 號碳是二級碳以 CH2填表。比較特別的碳，如 2 至 9 號碳是不飽和碳，可以灰色網底區分，以提醒其共通性。第四欄 利用

8、HMQC 之交叉峰（cross peak） ，填上碳所接的氫原子訊號之序 號。換言之，必須先在氫譜上，從低磁場到高磁場的訊號上一一標 識序號，若遇訊號重疊，可參考 HMQC 於適當化學位移標識序號。 例如 12 號所接的 8 號氫是用 HMQC 確定，才補記 #8；第 11、16、18、21、23 等碳均接二個不同化學位移的氫，也都需要 HMQC 來協助才填入。HMQC 欄還填入各氫的化學位移、氫原子數、 偶合常數等資料，用於協助連結，也用於將來氫核訊號之歸屬。其 次的 COSY 欄，是填入1H-1H COSY 交叉峰資料的欄位，例如 10 號碳上的 4 號氫與 21、17、14 號氫有偶合關

9、係，所以在該欄位填入 #21、#17、#14。另外，COSY 的資料，也應適切標示氫氫遠程偶合， 本表以 L 標示。再其次的是連結用的欄位，也是工作區，在此區可 先做一點資料分析，方便爾後工作的進行。因基本資料與資料分析 有時對工作有決定性的幫助，所以一定要做。最後一欄是 HMBC 的 資料欄，在此可將 HMBC 的交叉峰一一填入，例如 12 號碳與 #19、#18、#16、#12 號氫有2J 或3J 之遠程偶合關係，就依序填於該欄內。20 與 21 號碳非常接近，其 HMBC 交叉峰無法區分，只好 暫時都填給他們，等連結時再解決。 製作本表時，碳之訊號峰應依分子式的碳數做完全確認。 HMQC

10、 配合 DEPT 完全解讀後，應檢查碳譜或氫譜序號的正確性， 若序號有增減應該重新排序（不方便增加，補以獨立的代號也可） 。 完全表格化之後，應詳細檢查表上所有資料的正確性，務必正確才 能著手碳碳連結，否則無法產生正確的化學結構。碳的總數、氫的 總數是否與分子式吻合，若有缺，應補足或註明於基本資料中，原 則上寧可多不可少，就算雜訊被誤認而給予編號，也不致影響正確 化學結構的產生。根據根據 COSY 資料執行碳碳連結並依化學位移接上陰電性原子資料執行碳碳連結並依化學位移接上陰電性原子 如表二，COSY 欄中氫的號碼已一一轉換為相關的碳碼，所以 原本為氫氫偶合已改為碳碳連結。例如 6 號碳的#3

11、號氫與#13 號氫 有遠程偶合，對照 HMQC 欄的資料，知道#13 是 C22 的氫，故 C22-C6 應有遠程連結，以相同方式可得 C11-C6 的鄰碳連結。如此4即可將氫氫連結改為碳碳連結，C11-C6 以-C11H2-C6H-表示，一一列 於表三新增的欄位中，並參考化學位移及分子式相關資料，盡量把 陰電性原子或雙鍵接上。最後將已確定的各個碳碳連結，以及無連 結的四級碳原子，如表三所示依序排於工作區，供進一步連結使用。 COSY 的交叉峰資料很重要，因其碳碳連結較明確，故被採用於連 結後，應做記（著色）以防被拆散。 至於 HMBC 的交叉峰資料，比照上述，把原為碳氫相關的資 料轉換成碳碳

12、連結的資料，即獲得碳碳遠程連結資料，並列於新增 的相關欄位中。例如 C17-C20,23,18,13,8 表示碳 17 與碳 20、23、18、13、8 有 位或 位的碳碳連結（C17-C-C）關係。 利用已建立的碳碳連結，即可建構化學結構。依依 HMBC 進一步連結進一步連結 要著手碳碳連結產生化學結構之前，應先從一以 COSY 連結的 正確片段開始。選不同的起點進行連結，有不同的難度，也可能有 不同的結果。將選定的片段置於HMBC 碳碳連結工作區中，開 始以 HMBC 碳碳連結資料進行連結。連結時，從片段中的碳，尋找 相關的 HMBC 連結資料，利用 HMBC 資料的定位效果，將要連結 的

13、碳放置於被 HMBC 所指定的位置，以類似拼字或拼圖遊戲方式反 覆嘗試。故為方便計，可將 HMBC 資料拷貝於工作區，如表三所示 之（C4-C19,23,16,1） （C22-C19,23,16,6） ；也為方便反覆檢查（隨個 人喜好非必要） ，可將已用過的 HMBC 遠程連結資料一一羅列於 使用 HMBC 順序之項下。 在完成一個連結之後，才考慮下一個連結。如表四所示， HMBC 碳碳連結工作區中的連結是依表四 A-E 順序完成。表四 -A 是接續自表三，根據 COSY已連結部分之資料，C22H 應該連 結 C19H-C13H-N-及 C23H2-C12H-N-。表四-B 中，依據 HMBC

14、 相關， 再接 C16H2-N-於 C4，接-C18H2-C20H2-於 N。因 C16 與 C12、C18 有 HMBC 相關，可如表所示，環化產生第一個環。於表四-C 中，依 COSY 資料，C19H 應接-C10H-C21H2-，至此已將所有 COSY 的碳碳 連結列入化學結構中。之後，經表四-D 至表四-E，把 brucine 的化 學結構產生出來。調整後之化學結構列於同表的最右下，其結構上 的數字為碳之序號，依序號可找到碳與氫核的化學位移，故訊號歸 屬也一起完成。 利用 HMBC 連結時，很容易出錯，務必使週邊的 HMBC 關係 完全符合；此作業過程中，也務必記得使用以 COSY 連

15、結的片段。討論討論5筆者檢討本法期間，曾經使用 4-methoxy-2,3,7-trihydroxyiso- flavanone、(S)-4-methoxydalbergione、medicarpin、3(R),8-dimethyl 2- (R),5-bis(1-methylethyl)-6-oxo-2,3,6,7,9,10-hexahydro-1H-3A,7- ethano-aulene-10-carbonitrile3、alborixin4、betulinic acid5、taxol6等筆 者研究所所分離之化合物及文獻之光譜資料，檢討本法的適用性， 結果大致均能產生所預期的化學結構，但由於

16、 COSY 或 HMBC 交 叉峰的不齊全，均發生程度不同的困難，必須以核磁共振光譜之讀 譜知識協助，以下就這些經驗或注意事項加以說明。 （下載練習用光譜資料下載練習用光譜資料）碳序法化學結構決定之基本要求碳序法化學結構決定之基本要求 如前述，使用本法必須準備氫譜、碳譜、 DEPT、COSY、HMQC、HMBC 光譜。但當碳譜解析度好、無重疊， HMQC 的交叉峰也齊全無遺失，DEPT 光譜是可省略的，不過必須 提醒的是，DEPT 與 HMQC 有互補的功能，可幫助檢查訊號有無重 疊或錯誤。HMQC 光譜則非測不可，因氫氫相關或碳氫相關要轉成 碳碳連結必須倚賴 HMQC。 所準備的光譜，雜訊峰愈少愈好，以保資料的正確。各光譜中， 氫譜與碳譜均不能有太多訊號重疊，尤其碳譜最好接近完全解析， 若有重疊，必須能由 DEPT、HMQC、HMBC 讀出。而 HMBC 的交 叉峰愈多愈好，1J 峰不予採用，4J 峰能不測得最好，若發現可能是4J 峰，希望能分辨，以減少困擾。相反地，當 COSY 與