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1、天然产物化学导论,徐任生 主编,第一章 概论 第二章 天然产物的提取分离 第三章 结构研究中常用的波谱技术 第四章 生物碱 第五章 单萜 第六章 倍半萜类 第七章 昆虫激素与信息素 第八章 二萜类化合物 第九章 皂萜,结构研究中常用的波谱技术,第三章,结构研究是天然产物化学的一项重要的研究内容.从天然物中分离到化合物单体后,需进行结构鉴定,如果结构不清楚, 则无法进行下一步的药效学，毒理学，人工合成或结构修饰工作，更谈不上进行高质量的新药研究开发，其学术及应用价值将会大大降低。结构鉴定的方法有波谱法,化学法,文献调研等。,第三章 结构研究中常用的波谱技术,与合成化合物相比, 对天然化合物进行结
2、构研究难度较大。因为合成化合物原料已知, 反应条件一定时可能得到什么产物，事先可作出某种程度的预测。但天然化合物则不然，即使不是新化合物，未知因素仍然很多。另外，对于一些超微量生理活性物质来说，因为得量甚少，难以采用经典的化学方法(化学降解, 制备衍生物等)进行结构研究， 而不得不主要依靠谱学分析的方法解决问题。,第三章 结构研究中常用的波谱技术,氢(1H)及碳(13C)核磁共振 1H-NMR 13C-NMR 是有机化合物分子结构测定中最重要的工具。 两者相辅相成，提供有关分子中氢及碳原子的 类型、数目、相互连接方式、周围化学环境乃至空间排列等结构信息， 在确定有机化合物分子的平面及立体结构中
3、发挥着巨大的作用。,第一节 核磁共振谱,随着超导磁体 (supper conductive magnet，简称SCM) 脉冲傅立叶变换核磁共振 (pulse Fourier transform -NMR，简称PFT-NMR) 一维、二维及乃至多维核磁共振技术的不断开发， 结构研究的速度及质量大大提高。 对于几个毫克的微量物质，单用核磁共振技术即可测定其分子结构。 熟练掌握核磁共振的基本原理及其图谱解析技术对化学及药学工作者具有特别重要的意义。,第一节 核磁共振谱,一、核磁共振的基本原理 核磁共振，指原子核的磁共振现象。这种现象只有当把原子核置于外加磁场中并满足一定的外在条件时才能产生。并不是元
4、素周期表中所有元素的原子核都能产生这种现象。只有显示磁性的原子核才会产生核磁共振现象，成为核磁共振的研究对象。 部分同位素的原子核(如1H、13C等)能够产生磁共振现象，因为这些核显示磁性，而产生磁性的内在根本原因在于这些核具有本身固有的“自旋”运动特性。 例如12C、18O等属于无磁性的原子核，不产生任何核磁共振信号。,第一节 核磁共振谱,一、核磁共振的基本原理 对不同种类的核来说，因核磁矩各异(表22)，即使是置于同一强度的外加磁场中，发生共振时所需要的辐射频率也不相同。 1H核磁共振所需射频约为13C核的4倍。 1H核磁共振所需射频(v)为100MHz， 13C核磁共振只需要约25MHz
5、,第一节 核磁共振谱,一、核磁共振的基本原理,核磁共振技术有两个主要学科分支： 核磁共振波谱 (Nuclear magnetic resonance spectroscopy，简称NMR)。它是基于化学位移理论发展起来的，主要用于测定物质的化学成分和分子结构。 磁共振成像(Magnetic resonance imaging，简称MRl)。核磁共振成像技术是一种无损测量技术，可以用于获取多种物质的内部结构图像。,第一节 核磁共振谱,早期的核磁共振仪用永久磁铁或电磁铁来产生磁场。由于电磁铁和永久磁铁自身的局限，100MHz以上的谱仪磁场一般是由超导磁体产生。 超导磁体就是把超导材料制成的线圈放到
6、液氦杜瓦中，使其处于超导状态，再给它加上大的电流，这样在线圈中间就能产生一个很强的磁场。由超导磁体做成的核磁共振波谱仪可以产生200M，300M，400M，500M，600M，800M，900M等超高磁场，对于化合物结构的解析有着非常重要的作用。,第一节 核磁共振谱,核磁共振仪,从事核磁共振波谱仪生产方面的厂家： 美国Varian公司， 瑞土Bruker公司 日本电子公司。,第一节 核磁共振谱,二核磁共振测试对于样品的要求 (1)样品纯度 样品纯度越高越好， 样品中不允许含有顺磁性物质。 样品不纯、混合物也可以进行NMR测试，只是谱图解析起来比较麻烦。 (2)样品制备 现代NMR仪器采用2H锁
7、场技术， 制备样品时使用氘代溶剂。 常见的氘代溶剂：CDCl3、DMSO-d6、CD3OD、 (CD3)2CO、D2O等。 附表1为常用氘代溶剂的1H、13C化学位移,第一节 核磁共振谱,第一节 核磁共振谱,附表1 常见氘代溶剂的化学位移,第一节 核磁共振谱,附表1 常见氘代溶剂的化学位移,二核磁共振测试对于样品的要求 氘代溶剂较昂贵， 氘代溶剂的计量在0.5-0.7m1。 样品在氘代溶剂中有较好的溶解度。 氢谱需样品5-10mg。 13C原子的天然丰度较低，为1H的1100，且磁旋比仅为1H的14，需样品20-60mg。 样品太少或溶解性不好，会浪费时间，影响谱图的质量。 样品的溶液应该有较
8、低的黏度，黏度太大的应该减少用量。,第一节 核磁共振谱,二核磁共振测试对于样品的要求 (3)核磁样品管 直径为5mm的核磁样品管，要求样品管内部干净、干燥，无杂质、残留水及溶剂等，样品管表面光滑，无划痕；样品管管帽与样品管管口能严密吻合。 (4)其他注意事项 如样品有毒性、腐蚀性、易爆性等特殊性质，需低温、避光保存等特殊要求，在测试时需要特殊测试条件等其他要求的，如低温实验、重水交换实验等，需要提前告诉测试人员。,第一节 核磁共振谱,三化学位移数据表 氢谱的发展最早、灵敏度最高，是人们研究的最多、最为广泛的一类NMR谱图，所以氢谱所积累的数据也是最为丰富的，常以图表的形式反映，见附表2、附表3
9、。 附表2 各种含氢官能团的值范围,第一节 核磁共振谱,有磁矩的原子核（如1H,13C）在磁场作用下，以射频进行照射，产生能级跃迁而获得的共振信号，称为核磁共振。在测定天然产物成分结构时，是一重要手段。包括氢谱（1H-NMR）,碳谱（13C-NMR）。 1. 氢核磁共振 (1H-NMR) 氢同位素中, 1H的丰度比最大, 信号灵敏度也高, 故1H-NMR测定比较容易, 应用也最广泛。1H-NMR测定中通过化学位移()、谱线的积分面积以及裂分情况(重峰数及偶合常数J)可以提供分子中1H的类型、数目及相邻原子或原子团的信息, 对有机化合物的结构测定具有十分重要的意义。,第一节 核磁共振谱,（1）化
10、学位移(chemical shift, ) 1H核因周围化学环境不同, 其外围电子云密度以及绕核旋转时产生的磁的屏蔽效应也不同。不同类型的1H核共振信号将出现在不同的区域(表1-2） 不同类型氢核因所处化学环境不同，共振峰将分别出现在磁场的不同区域据此可以进行识别。 待测氢核共振峰位置与基准物氢核共振峰位置比较，求相对距离，为化学位移。 氢谱化学位移范围 1-10ppm sp3 12 sp2 68 一般来说 烯氢 炔氢 烷氢,1. 氢核磁共振 (1H-NMR),基准物质 常用四甲基硅烷(tetramethylsilane，TMS) 为内标准。TMS结构对称，在1H-NMR谱上只给出一个尖锐的单
11、峰；共振峰位于高磁场（ 0.00），绝大多数有机物的氢共振峰出现在它的左侧。,1. 氢核磁共振 (1H-NMR),化学位移的影响因素： 随着相连基团电负性的增加，CH3基氢核外围电子云密度不断降低，故化学位移值不断增大。,(2)峰面积与氢核数目 在1H-NMR谱上，各共振峰覆盖的面积与引起该吸收的氢核数目成正比。 峰面积用自动积分仪测得的阶梯式积分曲线高度表示。 积分曲线的总高度和共振峰的总面积相当，氢核的总个数；而每一阶梯高度则取决于引起该吸收的氢核数目,1. 氢核磁共振 (1H-NMR),(2)峰面积与氢核数目,1. 氢核磁共振 (1H-NMR),(3)峰的裂分及偶合常数(J) 已知磁不等
12、同的两个或两组1H核在一定距离内会因互相自旋偶合干扰而使信号发生分裂, 表现出不同裂分, 如s (single, 单峰)、d (doublet, 双峰)、t (triplet, 三重峰)、q (quartet, 四重峰)、m (multiplet, 多重峰)等。,1. 氢核磁共振 (1H-NMR),(3)峰的裂分及偶合常数(J),1. 氢核磁共振 (1H-NMR),(3)峰的裂分及偶合常数(J) 两个小峰间的距离叫做自旋-自旋偶合常数(spin- spin coupling constant)，简称偶合常数J，用以表示两个核之间相互干扰的强度，单位以赫兹(Hz)表示。在HF中，偶合常数为JHF
13、。,质子裂分后的谱线数()=n+1, 其中n为干扰核的数目。裂分间的距离为偶合常数(Coupling constant, J, Hz), 用以表示互相干扰的强度, 其大小取决于间隔键的距离。间隔的键数越少, 则J的绝对值越大; 反之,则越小。通常, 超过三根单键以上的偶合可以忽略不计。但在系统中, 如烯丙基及芳环, 因电子流动性较大, 即使间隔超过了三根键, 仍可发生偶合, 但作用较弱,1. 氢核磁共振 (1H-NMR),例 一未知化合物分子式为C6H12O3，IR在1740cm-1、1240cm-1、1060cm-1处有吸收，1H-NMR谱如图所示，解析结构。,因IR光谱示有1个酯羰基吸收(
14、1740，1240，1060) 1H-NMR中各个信号归属如下：,由于氢谱中各类氢出现的范围仅0-10ppm, 使环境相近的氢往往分不开，大部分氢堆集成山形峰，不易检出。近年来碳谱得到迅速发展，碳谱的主要特点是化学位移范围宽达200ppm以上，可直接提供有关分子骨架结构的信息。氢谱和碳谱互相补充，成为研究天然产物成分结构不可缺少的工具。 在鉴定结构时,与1H-NMR相比, 13C-NMR无疑起着更为重要的作用。但是由于NMR的测定灵敏度与磁旋比(r)的三次方成正比, 而13C的磁旋比因为仅为1H的1/4, 加之自然界中的碳元素中, 13C的丰度比又只有1%, 故13C-NMR测定的灵敏度只有1
15、H的1/6000, 致使13C-NMR长期以来不能投入实际应用。,2. 碳核磁共振 (13C-NMR),由于脉冲傅立叶变换核磁共振装置(Pulse FT-NMR)的出现及计算机的引入, 才使这个问题得以真正解决。 (1) FT-NMR的简单原理: 在脉冲FT-NMR装置中, 采用强的脉冲照射使分子中所有的13C核同时发生共振,生成在磁豫期内表现为指数形式衰减的正弦波信号(自由诱导衰减,FID), 再经傅立叶变换(Fourier translation)即成为正常的NMR信号(图1-31)。随着脉冲扫描次数的增加及计算机的累加计算, 13C信号将不断得到增加, 噪音则越来越弱。 经过若干次的扫描
16、及累加计算, 最后即可得到一张好的13C-NMR谱。,2. 碳核磁共振 (13C-NMR),(2) 13C的信号分裂: 由于13C与1H均为磁性核, 故在间隔一定键数范围内也可通过自旋偶合干扰使对方信号产生裂分。1H-NMR谱中, 因为13C的自然丰度比较小, 故这种偶合干扰小,可以忽略不计。但13C-NMR谱则不同, 13C-13C之间的同核偶合影响一般可以不予考虑。而1H的偶合影响(异核偶合)却表现得十分突出。因1H核自旋偶合干扰产生得裂分数目仍然遵守n+1规律。以直接相连得1H得偶合影响为例, 13C信号将分别表现为q (CH3)、 t (CH2)、 d (CH)及s (C)。,2. 碳核磁共振 (13C-NMR),(3)常见13C-NMR谱类型及其特征 噪音去偶谱: 方法是采用宽频的电磁辐射照射所以1H核使之饱和后测定13C-NMR谱。此时, 1H对13C的偶合影响全部消除, 所有的13C信号在图谱(图1-33)上均作为单峰出现, 对判断13C信号的化学位移十分方便。另外, 因照射1H后产生的NOE效应, 连有1H的13C信号强度将会增加, 季碳信号因不连有1H,将表现为较弱的吸收峰。,
