天然产物开发与利用备课笔记3

第三章天然产物的结构鉴定方法及应用经过提取、分离、纯化得到了单一化合物，就可以进一步研究该化合物的活性作用，或将其用作标准品进行天然产物的定性定量分析，但是在进行这些工作之前，首先必须要确定该化合物的化学结构。这就比如在进行中草药的提取之前必须要进行原料的来源鉴定一样。如果化合物的结构鉴定出现错误，必然会影响后面的实验结果。所以，这一章我们来学习天然有机化合物的结构鉴定。

第一节天然产物结构鉴定的方法及步骤

一、有机化合物结构鉴定的方法

一个复杂化合物的结构鉴定通常需要通过了解其背景信息和光谱技术相结合，最终确定其化学结构式。

1、有机化合物结构鉴定的背景信息

（1）样品的来源和参考文献

与样品来源（例如植物科、属、种等）有关的背景文献，特别是化合物的骨架类型；具体的可参考文献中报道的由该种/属植物中已发现的化合物，这些已知化合物的波谱数据是研究该种/属植物成分结构应该和必须具备的参考资料，同时要注意文献的年代和所使用的仪器以及测定结构的方法学。

（2）样品化合物的理化性质

通常我们经过一系列的提取、分离、纯化和精致得到一个单体化合物，首先要鉴定其外观：包括它的外形，是晶体、无定形粉末、还是油状物或是胶状物。此外，还有观察它的颜色，比如说如果一个化合物在日光下就呈现出一定的颜色，如黄色的结晶体或红色的结晶体，那么不通过波谱数据也可以判断出该化合物的共轭程度一定较强，很可能同时存在有羟基、羰基等生色基团。

测定其物理常数：比如利用熔点仪测定其熔点；如果是光学异构体我们要测定它的旋光度。

此外，通过观察其色谱行为也会为化合物的结构解析提供一定的参考依据。比如槲皮素比山奈酚在B环上多出一个酚羟基，极性更强，所以其薄层色谱的Rf值更小。那么，如果槲皮素通过一定的波谱数据已鉴定出化学结构，是一个已知化合物，而山奈酚还是一个未知化合物，通过它们的薄层色谱行为，我们就可以知道山奈酚的极性更小，在化学结构上应该比槲皮素缺少一定的极性基团。

总之，在实际工作中，将有机化合物结构鉴定的背景信息与波谱方法配合使用，有助于取得正确的结果。

2、有机化合物结构鉴定的波谱方法

过去依靠化学方法进行有机化合物的结构测定，其缺点是：费时、费力、费钱，需要的样品量

大。例如：鸦片中吗啡碱结构的测定，从1805年开始研究，直至1952年才完全阐明，历时147年。而现在的结构测定，则采用现代仪器分析法，其优点是：省时、省力、省钱、快速、准确，样品消耗量是微克级的，甚至更少。

在有机化合物的结构解析中应用最为广泛的波谱方法：紫外光谱法（ultraviolet spectroscopy缩写为UV）、红外光谱法（infrared spectroscopy缩写为IR）、核磁共振法（nuclear magnetic resonance 缩写为NMR）和质谱法（mass spectroscopy缩写为MS）。其中最主要的，对有机化合物的结构鉴定帮助最大的就是核磁共振法和质谱法。

波谱法进行结构鉴定的优点是样品用量少，准确快速。我们知道很多活性成分在药材中的含量其实都很低，一般我们拿出几十公斤的药材进行提取、分离、纯化，最后能得到的单体化合物的含量可能只有几个或几十个毫克。但是，即使是几个毫克的化合物我们也可以通过波谱法对其进行结构鉴定。四大波谱中，以质谱的灵敏度最高，所需要的化合物的量也就最少。

（1）紫外吸收光谱法（UV）：

分子吸收波长范围在200-400nm区间的电磁波产生的吸收光谱。紫外吸收光谱法在化合物结构解析中的应用：①判断是否芳香环的存在。②判断是否有共轭体系存在。该法比较简单，由图谱提供的结构信息也比较少。相对于核磁共振和质谱数据，紫外-可见光谱法提供的信息处于次要的地位。（2）红外光谱法（IR）：

用红外光照射有机分子，样品将选择性地吸收那些与其振动频率相匹配的波段，从而产生红外光谱。红外光谱法在化合物结构解析中的应用：

①官能团的检出。如有无羟基、羰基等取代基的存在。

②有关芳香环的信息。

③确定炔烃、烯烃，特别是双键类型的判断。

红外光谱图，横坐标：波数400～4000 cm-1；表示吸收峰的位置。纵坐标：透过率（T %），表示吸收强度（分子振动引起红外吸收）。

红外光谱法能够提供的有关化合物结构的信息也相对有限。在20世纪50-70年代，红外光谱法一直是化合物结构鉴定中的重要方法，但随着核磁共振和质谱技术的发展，红外光谱法也已退居到比较次要的位置。此外，天然产物的化学结构通常比较复杂，单纯通过红外光谱是很难断定其结构的。

一个化合物的红外光谱图中的吸收峰是不必要也不可能全部解释和归属清楚的，但是核磁共振谱图中峰却需要全部解释和归属清楚。

（3）质谱法（MS）

质谱是把带电荷的分子或经一定方式裂解形成的碎片离子按质荷比大小排列而成的图谱。由于分子离子和碎片离子往往带有一个电荷，因此质谱所给出的信号又表示分子离子或碎片离子的质量。所以，质谱可以用来测定分子量、分子式，还可以得到一定的离子碎片信息。为了获得化合物的分子量，质谱法是化合物结构鉴定中不可或缺的一种方法。

电离源（离子源）是指使被测样品的分子离子化成为带电离子的装置。通常称能够给样品较大能量的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法为软电离方法，后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。

电子轰击离子源（EI, Electron Ionization）：当电子轰击源具有足够的能量时，有机物的分子不仅可能失去一个电子形成分子离子，而且有可能进一步发生键的断裂，形成大量的各种低质量数的碎片离子和中性自由基，这些碎片离子可用于有机化合物的结构鉴定。

特点：技术成熟，使用面广；峰重现性好；离子化效率高，碎片离子多；不适合极性大、热不稳定性化合物；分子量有限，一般≤1,000 。

电喷雾电离源（electrospray ionization, ESI）：被认为是目前最软的电离技术。ESI技术解决了液相色谱与质谱离子源的接口问题，从而真正实现了LC-MS或LC-MS/MS的联用技术。当使用正电场时，在ESI温和的条件下样品分子通常带上质子或碱金属离子。当用负喷雾电场时，通过除去质子或其它阳离子而生成负离子。所带电荷的多少取决于所得的带正电荷或负电荷的分子中酸性或碱性基团的体积和数量。通常小分子得到[M+H]+或[M-H]-单电荷离子。

特点：它是最软的电离技术，通常只产生分子离子峰。一些脂肪烷醇、单萜类化合物不易产生分子离子峰。

高分辨质谱：高分辨质谱在测定精确分子量的同时，还能推出分子式，这是有机质谱最大的贡献。高分辨质谱仪测定分子式是基于高分辨质谱可以测定分子的精密质量，即使是很弱的分子离子峰也可以精密地测出分子离子质量。各种同位素都有其精密质量，因而不同分子式都有相异的精密质量，故可以根据分子的精密质量确定分子式。例如：用低分辨质谱仪测定时，CO、N2、CH2N和C2H4的质量都是28，各个分子离子峰相互重叠，分辨不出来。而这些分子的精密质量却存在着明显的差异：CO：27.9949、N2：28.0062、CH2N：28.0187和C2H4：28.0312，故可以通过高分辨质谱将它们区别开来。

质谱法的缺点：破坏性分析；仪器昂贵、复杂。

（4）核磁共振技术（Nuclear Magnetic Resongancese, NMR）

核磁共振氢谱（1H-NMR）：①确定质子总数。②区分羧酸、醛、芳香族、烯烃、烷烃质子。③从自旋偶合相互作用研究其相邻的取代基。