化合物的结构鉴定与表征
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1H,1H化学位移相关谱（1H,1H COSY） Heteronuclear multiple-quantum correlation (HMQC)
Heteronuclear multibond correlations: HMBC
2D NMR – homonuclear through space correlations: ROESY, NOESY
2. 红外光谱法（IR）：Infrared Absorption Spectrometry
3. 核磁共振波谱法（NMR）：Nuclear Magnetic Resonance Spectrometry 4. 质谱法（MS）：Mass Spectrometry
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”。
二. 发展历程： 上世纪中期后，仪器分析方法得到迅速发展 1.分离方法：各种色谱分离方法 2.分析方法：UV、IR、NMR、MS 等及各种联机技术。
HO
O N H HO
吗啡（1804纯品，1847分子式1925化学结构）
三. 有机波谱分析方法： 1. 紫外光谱法（UV）：Ultraviolet Absorption Spectrometry
H O
OH O
O H O
O
CH3O OCH3
OCH3
396
CH3O OCH3 OCH3
RDA
312 CH3O -.CH3 OCH3
-H 2O O H O O O H O CH3O O OH O + OCH3 297
CH3O OCH3 414
OCH3
O O 269 CH3O
-CO + OCH3
4、核磁共振氢谱
环己烷上3J偶合: Jaa=10Hz左右 Jae=2-4Hz左右 Jee=1-3Hz左右
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3.5-4.0ppm，峰 宽为17Hz, 由此推断H-4处在a键还是e 键上？
OH CHO 1 2 3 4 OH
5Hz H-4a
2Hz H-2e .................... 24Hz
NH O ? OH B NH O ? NH O COOH O A2 N S S
COOH
N
S NH
O A1 O
COOH
模型化合物:
R N O O N O R O N S
1800cm-1
1740cm-1
1770cm-1
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：
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：
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。
O 7 2 3 4 16 5 8 9 10
表: 不同类型碳核化学位移的大致范围
δ（ppm） 类型 SP3杂化碳 （饱和碳） -CH3 -CH2 -CH -C-O-CHn(n=0-3) -N-CHn(n=0-3) 8-30 15-55 20-60 35-70 在上列数据基础之上+15-30 在上列数据基础之上+10-25 65-85 100-150 110-160 160-210
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。
例．试解释鬼臼毒素类化合物
+ . O O O
的质谱峰m/z 414，396，312， 297，269的产生机理。
O O OCH3 + .
例：Minghui Yang，Zhongtao Ding，et al，CCL，2010, 21: 325-328
OH
1
HO R2O
• 1 R1 = Me2 = 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。
(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--1H COSY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--1H COSY高得多。
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： λmax 谱带II 259 272 275 271 谱带I 359 410 433 393
H-3 (a) 5Hz H-2a
2Hz H-2e H-4e.................... 18Hz
H-3 (a) 5Hz H-2a
4、13C NMR
特点 • （1） 化学位移范围宽
0-220 ppm（正碳离子可达330ppm，而CI4约为－292ppm), 约
是1HNMR的20倍。分辨率更高。
• （2） 13C NMR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1H NMR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13C NMR谱中，均能给出各自的特征吸收峰
。
• （3） 13C NMR灵敏度低，偶合复杂
(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。
1. 图谱提供的信息
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。
例.一个化合物的红外光谱如图1,推测其结构是Ⅰ或Ⅱ
HO C－NH2 O C≡N
100
T%
4000
3000
2500
2000 图1
1700
1500
1300
cm-1
解：是II 因为图中没有υ 吸收峰是υ C≡N。
C＝O(1900～1650cm
-1),所以排除I。2400～2100cm-1区域内的
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)
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）
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。
HO A OH OH
试剂 甲醇 甲醇钠 三氯化铝 乙酸钠
II
O C O O GLu B
OH
I
Rha
从上表UV数据可见: (1)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. (2)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。 (3)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。
四谱比较： 1. 灵敏度：MS>UV>IR> NMR 2. 仪器的价格高低及维持费：MS~ NMR >IR>UV 3. 测定技能：NMR> MS>IR>UV 4.获取信息的多寡：NMR >MS~IR>UV 5. 所需的理论背景：NMR >MS>IR>UV
1、紫外光谱
睾丸酮(1,
O
)和异丙叉丙酮（2，CH3COC=C（CH3）2）的紫外光谱
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。
(1)1H--1H COSY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（diagonal peak）。图上对角线两侧呈对称分布的两个点叫相关 峰 （cross peak,或correlation peak）。相互偶合的两 个/组1H核信号将在相关峰上相交。
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
第一章：概述
一.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
OH OH
OH
OH
pH=8.93
2、红外光谱
谱图分析三要素
关联峰出现(增加判断可靠性)
如 苯环: 3100 - 3000 cm-1 1600 - 1450 cm-1 880 - 680 cm-1 1660-2000 cm-1 芳环上 C-H 伸缩振动 C=C 骨架振动(常弱) C-H 面外弯曲振动,定位! 泛频峰
SP杂化碳（炔碳） ≡CH SP2杂化碳 烯碳 芳环及芳杂环碳 羰基碳 =CH C6H6 C=O
5、二维核磁共振谱
1．二维J分解谱（2D J-resolved Spectroscopy, 2DJ） 2．二维化学位移相关谱（Two-Dimesional Chemical Shift Correlation Spectroscopy）
(2) 13C--1H COSY谱和COLOC谱 常规的13C--1H COSY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 2J 、3J 以上的13C-1H相关，从功能来看，其与远程偶 CH CH 合13C--1H COSY谱相近，但效果更好。
Heteronuclear multibond correlations: HMBC
2D NMR – homonuclear through space correlations: ROESY, NOESY
2. 红外光谱法（IR）：Infrared Absorption Spectrometry
3. 核磁共振波谱法（NMR）：Nuclear Magnetic Resonance Spectrometry 4. 质谱法（MS）：Mass Spectrometry
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”。
二. 发展历程： 上世纪中期后，仪器分析方法得到迅速发展 1.分离方法：各种色谱分离方法 2.分析方法：UV、IR、NMR、MS 等及各种联机技术。
HO
O N H HO
吗啡（1804纯品，1847分子式1925化学结构）
三. 有机波谱分析方法： 1. 紫外光谱法（UV）：Ultraviolet Absorption Spectrometry
H O
OH O
O H O
O
CH3O OCH3
OCH3
396
CH3O OCH3 OCH3
RDA
312 CH3O -.CH3 OCH3
-H 2O O H O O O H O CH3O O OH O + OCH3 297
CH3O OCH3 414
OCH3
O O 269 CH3O
-CO + OCH3
4、核磁共振氢谱
环己烷上3J偶合: Jaa=10Hz左右 Jae=2-4Hz左右 Jee=1-3Hz左右
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3.5-4.0ppm，峰 宽为17Hz, 由此推断H-4处在a键还是e 键上？
OH CHO 1 2 3 4 OH
5Hz H-4a
2Hz H-2e .................... 24Hz
NH O ? OH B NH O ? NH O COOH O A2 N S S
COOH
N
S NH
O A1 O
COOH
模型化合物:
R N O O N O R O N S
1800cm-1
1740cm-1
1770cm-1
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：
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：
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。
O 7 2 3 4 16 5 8 9 10
表: 不同类型碳核化学位移的大致范围
δ（ppm） 类型 SP3杂化碳 （饱和碳） -CH3 -CH2 -CH -C-O-CHn(n=0-3) -N-CHn(n=0-3) 8-30 15-55 20-60 35-70 在上列数据基础之上+15-30 在上列数据基础之上+10-25 65-85 100-150 110-160 160-210
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。
例．试解释鬼臼毒素类化合物
+ . O O O
的质谱峰m/z 414，396，312， 297，269的产生机理。
O O OCH3 + .
例：Minghui Yang，Zhongtao Ding，et al，CCL，2010, 21: 325-328
OH
1
HO R2O
• 1 R1 = Me2 = 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。
(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--1H COSY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--1H COSY高得多。
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： λmax 谱带II 259 272 275 271 谱带I 359 410 433 393
H-3 (a) 5Hz H-2a
2Hz H-2e H-4e.................... 18Hz
H-3 (a) 5Hz H-2a
4、13C NMR
特点 • （1） 化学位移范围宽
0-220 ppm（正碳离子可达330ppm，而CI4约为－292ppm), 约
是1HNMR的20倍。分辨率更高。
• （2） 13C NMR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1H NMR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13C NMR谱中，均能给出各自的特征吸收峰
。
• （3） 13C NMR灵敏度低，偶合复杂
(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。
1. 图谱提供的信息
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。
例.一个化合物的红外光谱如图1,推测其结构是Ⅰ或Ⅱ
HO C－NH2 O C≡N
100
T%
4000
3000
2500
2000 图1
1700
1500
1300
cm-1
解：是II 因为图中没有υ 吸收峰是υ C≡N。
C＝O(1900～1650cm
-1),所以排除I。2400～2100cm-1区域内的
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)
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）
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。
HO A OH OH
试剂 甲醇 甲醇钠 三氯化铝 乙酸钠
II
O C O O GLu B
OH
I
Rha
从上表UV数据可见: (1)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. (2)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。 (3)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。
四谱比较： 1. 灵敏度：MS>UV>IR> NMR 2. 仪器的价格高低及维持费：MS~ NMR >IR>UV 3. 测定技能：NMR> MS>IR>UV 4.获取信息的多寡：NMR >MS~IR>UV 5. 所需的理论背景：NMR >MS>IR>UV
1、紫外光谱
睾丸酮(1,
O
)和异丙叉丙酮（2，CH3COC=C（CH3）2）的紫外光谱
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。
(1)1H--1H COSY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（diagonal peak）。图上对角线两侧呈对称分布的两个点叫相关 峰 （cross peak,或correlation peak）。相互偶合的两 个/组1H核信号将在相关峰上相交。
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
第一章：概述
一.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
OH OH
OH
OH
pH=8.93
2、红外光谱
谱图分析三要素
关联峰出现(增加判断可靠性)
如 苯环: 3100 - 3000 cm-1 1600 - 1450 cm-1 880 - 680 cm-1 1660-2000 cm-1 芳环上 C-H 伸缩振动 C=C 骨架振动(常弱) C-H 面外弯曲振动,定位! 泛频峰
SP杂化碳（炔碳） ≡CH SP2杂化碳 烯碳 芳环及芳杂环碳 羰基碳 =CH C6H6 C=O
5、二维核磁共振谱
1．二维J分解谱（2D J-resolved Spectroscopy, 2DJ） 2．二维化学位移相关谱（Two-Dimesional Chemical Shift Correlation Spectroscopy）
(2) 13C--1H COSY谱和COLOC谱 常规的13C--1H COSY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 2J 、3J 以上的13C-1H相关，从功能来看，其与远程偶 CH CH 合13C--1H COSY谱相近，但效果更好。