未知化合物的结构解析

未知化合物的结构分析

关键词：结构解析光谱技术色谱技术计算机技术

远古时期,人类就已经开始从自然环境中去发现和利用天然资源。时至今日，人们还可以运用化学方法合成多种物质，甚至是未知的化合物，产物结构分析以及来自环境和生物样品的天然产物或药物的分析鉴定是十分复杂且费时耗力的艰难过程。[1]努力寻找和发展新的分析技术来改善这些过程一直是分析化学所面临的重要挑战。[2]长期以来,研究工作者已经发展了一整套应用于化合物的结构鉴定分析技术,其中质谱和核磁共振是最重要的结构解析技术，此外还有各种光谱技术的应用，本文对质谱、核磁共振以及各种光谱在未知化合物结构解析中的应用加以阐述。

1 质谱技术

1.1 原理

试样中各组分电离生成不同荷质比的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，利用电场和磁场使发生相反的速度色散——离子束中速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小；在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小；当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点。与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。

1.2解析步骤

a、确认分子离子峰，并由其求得相对分子质量和分子式；计算不饱和度。找出主要的离子峰（一般指相对强度较大的离子峰），并记录这些离子峰的质荷比（m/z值）和相对强度。

b、对质谱中分子离子峰或其他碎片离子峰丢失的中型碎片的分析也有助于图谱的解析。

c、用MS-MS找出母离子和子离子，或用亚稳扫描技术找出亚稳离子，把这些离子的质荷比读到小数点后一位。

d、配合元素分析、UV、IR、NMR和样品理化性质提出试样的结构式。最后将所推定的结构式按相应化合物裂解的规律，检查各碎片离子是否符合。若没有矛盾，就可确定可能的结构式。

已知化合物可用标准图谱对照来确定结构是否正确，这步工作可由计算机自动完成。对新化合物的结构，最终结论要用合成此化合物并做波谱分析的方法来确证[3] 。

1.3分类

质谱法可分为电子轰击质谱EI-MS，场解吸附质谱FD-MS，快原子轰击质谱FAB-MS，基质辅助激光解吸附飞行时间质谱MALDI-TOFMS，电子喷雾质谱ESI-MS 等等

1.4应用

目前，应用较广的为电喷雾质谱法。电喷雾质谱作为一种先进的软电离质谱技术, 其特点是特别适用于极性和热不稳定化合物甚至混合物的分析[4,5]，为研究天然产物提供了一种简捷、快速、灵敏的分析方法电喷雾多级串联质谱不仅能监测分离过程,直接对粗分物中的已知成分快速表征,还可以对样品中的未知化合物进行结构预测，从而简化分离、纯化及结构鉴定的过程,比如对刺五加

叶中黄酮类化合物的结构鉴定[6]，以及某些生物碱类新成分的结构鉴定[7]。

同时，质谱法常与色谱联机应用，如液相色谱-质谱联机【8】。高效液相色谱与质谱分别基于物质在两相之间的分配差异和带电粒子质荷比的差异而达到分离，两者联用可组成正交二维分离分析系统。这一技术与能够测定化合物的精确质量并具有功能的高分辨时间飞行质谱联用，成为复杂体系分离分析以及化合物结构鉴定的良好平台，并已用于大鼠尿液这一复杂体系的分离分析，取得了良好的效果［9,10,11］。

2 核磁共振技术

核磁共振(NMR)目前已公认为是天然有机化合物结构解析中最重要的一个手段。近年来,随着超导磁铁高磁场NMR[12]的普及以及二维核磁(2D一

NMR)[13 ,14]等各种软件的开发利用,分子量在1000以下的大多数天然有机化合物几乎只要单独应用NMR(1H一NMR及13c一NMR),或者在必要时辅以少许衍生物制备即可决定它们的结构[15]。

2.1原理

核磁共振研究是以兆周级的电磁波作用到原子核上,原子核吸收电磁波的能量发生共振跃迁,从而得到核磁共振谱线。只有自旋量子数I≠0=1/2的原子核才有自旋现象,才能发生核磁共振。这些原子核如1H、13C、29Si、31P、19F。相反,12C、16O、28Si这些原子核因其自旋量子数I=0,核本身无自旋现象,因而不能发生核磁共振。到目前为止,使用最多的核磁共振法是1H-和13C-核磁共振法。

2.2核磁共振氢谱

氢的核磁共振谱提供了三类极其有用的信息：化学位移、偶合常数、积分曲线。应用这些信息，可以推测质子在碳胳上的位置。在氢谱中影响1H化学位移的因素有：取代基电负性，相邻碳原子s-p杂化，环状共轭体系的环电流效应，相邻键的磁各向异性，相邻基团电偶极和范德华力的影响，介质的影响和氢键[16]

在应用1H一NMR研究结构时,分子量超过100。或类似的结构单位在分子中重复出现的化合物,尤其当分子中含有的质子数目较少或者质子自旋体系因季碳或杂原子的存在而被切断时,其光谱的解析依然存在相当大的困难。现在1H一NMR的上述弱点已可通过灵活运用13C一NMR的种种测定技术而得到弥补。[17]

2.2.1解析步骤

a.检查整个氢谱谱图的外形、信号对称性、分辨率、噪声、被测样品的信号等。

b.应注意所使用溶剂的信号、旋转边带、C卫星峰、杂质峰等。

c.确定TMS的位置，若有偏移应对全部信号进行校正。

d.根据分子式计算不饱和度u。

e.从积分曲线计算质子数。

f.解析单峰。对照附图是否有－CH3-O-、CHCOCH3N=、CH3C、RCOCH2Cl、

RO-CH2-Cl等基团。

g.确定有无芳香族化合物。如果在6.5-8.5范围内有信号，则表示有芳香族质子存在。如出现AA`BB`的谱形说明有芳香邻位或对位二取代。h.解析多重峰。按照一级谱的规律，根据各峰之间的相系关系，确定有何种基团。如果峰的强度太小，可把局部峰进行放大测试，增大各峰的强度。

i.把图谱中所有吸收峰的化学位移值与附图I相对照，确定是何官能团，并预测质子的化学环境。

j.用重水交换确定有无活泼氢。