第四章結(jié)構(gòu)研究方法全國(guó)高等教育藥學(xué)類規(guī)劃教材第四章結(jié)構(gòu)研究方法全國(guó)高等教育藥學(xué)類規(guī)劃教材1目錄第一節(jié)結(jié)構(gòu)研究的一般程序

一、化合物純度的判定二、理化常數(shù)的測(cè)定三、分子式的確定與不飽和度的計(jì)算四、化合物的功能團(tuán)和分子骨架的推定五、化合物結(jié)構(gòu)的確定第二節(jié)波譜分析在結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用一、紫外光譜二、紅外光譜三、核磁共振譜四、質(zhì)譜五、其它分析方法目錄第一節(jié)結(jié)構(gòu)研究的一般程序21第一節(jié)

結(jié)構(gòu)研究的一般程序1第一節(jié)結(jié)構(gòu)研究的一般程序3

第一種方法是根據(jù)化合物的理化性質(zhì)和常數(shù)判定。固體物質(zhì)根據(jù)有無一致的晶形和均勻的色澤、有無明確的熔點(diǎn)和較窄的熔距進(jìn)行判定；液體物質(zhì)根據(jù)有無恒定的沸點(diǎn)、沸程、折光率及相對(duì)比重等判定。若是已知物，則只要將其比旋度與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，如相同則表明其已是或接近純品。第二種方法是根據(jù)化合物的色譜行為判定，這是最常用的方法。目前結(jié)構(gòu)鑒定中采用的色譜方法包括薄層色譜（TLC）、紙色譜（PC）、氣相色譜（GC）和高效液相色譜（HPLC）等。一、化合物純度的判定第一種方法是根據(jù)化合物的理化性質(zhì)和常數(shù)判定。固4二、理化常數(shù)的測(cè)定

在天然化合物結(jié)構(gòu)研究中測(cè)定的重要物理常數(shù)有：熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比旋度、折光率和相對(duì)密度等。

此外，測(cè)定化合物的其他理化常數(shù)，如pH和化學(xué)定性反應(yīng)等，能為結(jié)構(gòu)推斷提供必要的線索。二、理化常數(shù)的測(cè)定在天然化合物結(jié)構(gòu)研究中測(cè)定的5三、分子式的確定與不飽和度的計(jì)算（一）測(cè)定分子式

分子式的測(cè)定主要有以下幾種方法：

1.元素定量分析配合分子量測(cè)定

2.同位素豐度比法

3.高分辨率質(zhì)譜法三、分子式的確定與不飽和度的計(jì)算（一）測(cè)定分子式6（二）不飽和度的計(jì)算分子式確定后，可按下式求算不飽和度（u表示）

u=IV-I/2+III/2+1

I為一價(jià)原子（如H,D,X）的數(shù)目

III為三價(jià)原子（如N,P）的數(shù)目

IV為四價(jià)原子（如C,S）的數(shù)目（二）不飽和度的計(jì)算71.根據(jù)化合物的不飽和度，推算結(jié)構(gòu)中可能含有的雙鍵數(shù)或環(huán)數(shù)。

2.利用樣品與某種試劑發(fā)生顏色變化或產(chǎn)生沉淀等定性實(shí)驗(yàn)對(duì)化合物類型進(jìn)行初步判斷。四、化合物的功能團(tuán)和分子骨架的推定四、化合物的功能團(tuán)和分子骨架的推定8化學(xué)工作、儀器分析、植物化學(xué)分類學(xué)及文獻(xiàn)工作的相互配合、綜合分析。五、化合物結(jié)構(gòu)的確定五、化合物結(jié)構(gòu)的確定92第二節(jié)波譜分析在結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用2第二節(jié)波譜分析在結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用10一、紫外光譜

分子吸收波長(zhǎng)范圍在200~400nm區(qū)間的電磁波產(chǎn)生的吸收光譜稱為紫外吸收光譜（ultravioletabsorptionspectra，UV）。

UV光譜對(duì)于分子中含有共軛雙鍵、不飽和羰基結(jié)構(gòu)的化合物以及芳香化合物結(jié)構(gòu)鑒定是一種重要的手段。圖4-1槲皮素的UV光譜一、紫外光譜圖4-1槲皮素的UV光譜11二、紅外光譜

紅外光譜(infraredspectra,IR)是研究紅外光與物質(zhì)分子間相互作用的吸收光譜，是由分子中價(jià)鍵的伸縮及彎曲振動(dòng)在光的紅外區(qū)域即4000～500cm-1處引起吸收產(chǎn)生的。

IR光譜對(duì)未知結(jié)構(gòu)化合物的鑒定，主要用于功能基的確認(rèn)，芳環(huán)取代類型的判斷等。圖譜中1300cm-1以上為化合物的特征基團(tuán)區(qū)，1300～500cm-1為指紋區(qū)。圖4-2槲皮素的IR圖譜二、紅外光譜圖4-2槲皮素的IR圖譜12表4-3紅外吸收的八個(gè)重要區(qū)段波長(zhǎng)（μm）波數(shù)（cm–1）鍵的振動(dòng)類型2.7～3.33750～3000υO(shè)H,υNH3.0～3.33300～3000υCH(-C≡C-H,C=C-H,Ar-H)（極少數(shù)可到2900）3.3～3.73000～27004.2～4.92400～2100υC≡C，υC≡N，υ-C≡C-C≡C-5.3～6.11900～1650υC=O（酸，醛，酮，酰胺，酯，酸酐）6.0～6.71680～1500υC=C（脂肪族及芳香族），υC≡N6.8～7.71475～1300δC-H（面內(nèi)），υX≡Y10.0～15.41000～650δC≡C-H,Ar-H(面外)表4-3紅外吸收的八個(gè)重要區(qū)段波長(zhǎng)（μm）波數(shù)（cm–1）13三、核磁共振譜

核磁共振譜（nuclearmagneticresonancespectra,NMR）是化合物分子在磁場(chǎng)中受電磁波的輻射，有磁距的原子核吸收一定的能量產(chǎn)生能級(jí)的躍遷，即發(fā)生核磁共振，以吸收峰的頻率對(duì)吸收強(qiáng)度作圖所得的譜圖。

NMR是目前解決結(jié)構(gòu)問題最強(qiáng)有力的工具。三、核磁共振譜核磁共振譜（nuclearma141.氫核磁共振譜（1H-NMR）

圖4-3槲皮素的氫譜1H核的化學(xué)位移(δ)范圍在0～20，不同類型的1H核共振信號(hào)出現(xiàn)在不同區(qū)域，據(jù)此可以識(shí)別；1H-NMR譜上積分面積與分子中的總質(zhì)子數(shù)相當(dāng)，分析圖譜時(shí)，只要通過比較共振峰的面積，就可判斷氫核的相對(duì)數(shù)目；若化合物分子式已知，即可確定每個(gè)吸收峰所代表氫質(zhì)子的絕對(duì)個(gè)數(shù)。1.氫核磁共振譜（1H-NMR）圖4-3槲皮素的氫譜1H15裂分峰類型：s(singlet)、d(doublet)、t(triplet)、q(quartet)、m(multiplet)等。在低級(jí)偶合系統(tǒng)中，某一質(zhì)子裂分后的峰數(shù)為n+1（n為干擾核的數(shù)目），裂分峰之間的距離稱作偶合常數(shù)(couplingconstant,J,Hz)，表示相互作用力的強(qiáng)度。為方便解譜，有時(shí)亦可采用雙照射去偶和核Overhauser效應(yīng)（nuclearOverhausereffect，簡(jiǎn)稱NOE）等實(shí)驗(yàn)方法把氫譜中復(fù)雜重疊的譜線簡(jiǎn)化并明確質(zhì)子間的偶合關(guān)系。裂分峰類型：s(singlet)、d(doublet)、t(162.碳核磁共振譜（13C-NMR）

(1)質(zhì)子寬帶去偶譜(broadbanddecoupling,BBD)：即全氫去偶譜(protoncompletedecoupling,COM)。13CNMR測(cè)定技術(shù)圖4-4槲皮素的質(zhì)子寬帶去偶譜2.碳核磁共振譜（13C-NMR）(1)質(zhì)子寬帶去偶譜(17(2)DEPT譜(distortionlessenhancementbypolarizationtransfer)DEPT（135°）譜※一級(jí)碳原子(CH3)、三級(jí)碳原子(CH)為向上的峰;※二級(jí)碳原子(CH2)為向下的峰;※四級(jí)碳原子(C)沒有峰.DEPT（90°）譜※主要用來識(shí)別三級(jí)碳原子(CH).※在DEPT（90°）譜圖中,每一個(gè)峰代表一種三級(jí)碳原子(CH).131.503113.7231750100δppm對(duì)氨基苯甲酸乙酯(2)DEPT譜(distortionlessenh18◆

13C核化學(xué)位移值范圍:0～250ppm◆

醛基碳----175～205ppm;

苯環(huán)碳----128ppm;

烯碳----100～150ppm;

炔碳------65～90ppm；季碳------35～70ppm；叔碳------30～60ppm；仲碳------25～45ppm；伯碳------0～30ppm◆13C核化學(xué)位移值范圍:0～250ppm19同核化學(xué)位移相關(guān)譜1、1H-1H相關(guān)的二維NMR譜(1H-1HCOSY)A.譜圖顯示1H-1H的偶合關(guān)系;B.譜圖中的二維坐標(biāo)都是1H的化學(xué)位移.C.處于對(duì)角線上的信號(hào)與一維氫譜提供的化學(xué)位移是一致的.D.處于對(duì)角線外的信號(hào)稱為交叉峰.E.從交叉峰出發(fā),分別畫水平線和垂直線,它們與對(duì)角線產(chǎn)生兩個(gè)交點(diǎn),兩個(gè)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)質(zhì)子之間存在偶合作用.同核化學(xué)位移相關(guān)譜1、1H-1H相關(guān)的二維NMR譜(1H-20圖4-6青蒿素的1H-1HCOSY譜圖4-6青蒿素的1H-1HCOSY譜21

2、NOESYA.對(duì)角線上有對(duì)角峰，對(duì)角線外顯示相關(guān)峰B.表示的是質(zhì)子在空間位置上相互接近，而非通過鍵的相互偶合C.提供分子相對(duì)立體化學(xué)和溶液構(gòu)象方面的信息，是研究分子構(gòu)型、構(gòu)象和運(yùn)動(dòng)性的重要工具2、NOESY22圖4-7

青蒿素的NOESY局部放大譜圖4-7青蒿素的NOESY局部放大譜233、TOCSYA.可以找到同一偶合體系中所有氫核的相關(guān)信息B.從某一個(gè)氫核的信號(hào)出發(fā)，能找到與它處在同一個(gè)自旋系統(tǒng)中所有質(zhì)子的相關(guān)峰，故又稱全相關(guān)譜C.接力系統(tǒng)也會(huì)由于其中存在一個(gè)較小的偶合常數(shù)而中斷D.對(duì)于含多個(gè)復(fù)雜自選偶合系統(tǒng)，特別是含多個(gè)糖或氨基酸單元的皂苷、環(huán)肽、多肽等天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)解析和氫質(zhì)子的歸屬十分重要。3、TOCSY24圖4-8青蒿素的TOCSY放大譜圖4-8青蒿素的TOCSY放大譜25異核化學(xué)位移相關(guān)譜1、

HSQC譜（異核單量子相關(guān)譜HeteronuclearSingleQuantumCoherence)通過確定C-H偶合關(guān)系(1JCH)，來反映lH核和與其直接相連的13C的關(guān)聯(lián)關(guān)系圖4-9青蒿素的HSQC譜異核化學(xué)位移相關(guān)譜1、HSQC譜（異核單量子相關(guān)譜Het262、

HMBC譜（異核多鍵相關(guān)譜HeteronuclearMultipleBondCorrelation)圖譜中橫軸為1H化學(xué)位移,縱軸為13C化學(xué)位移，只有相隔2根鍵或3根鍵的lH和13C遠(yuǎn)程偶合相關(guān)（2JCH或3JCH）才會(huì)出現(xiàn)相關(guān)峰信號(hào)。圖4-10青蒿素的HMBC譜2、HMBC譜（異核多鍵相關(guān)譜Heteronuclear27

質(zhì)譜（massspectrum,MS）就是把帶電荷的分子或經(jīng)一定方式裂解形成的碎片離子按照質(zhì)荷比（m/z）大小排列的而成的圖譜。

質(zhì)譜可用于確定分子量及求算分子式和提供其他結(jié)構(gòu)信息。常用的離子源的電離方式如下：

1.電子轟擊質(zhì)譜（EI-MS）

2.快原子轟擊質(zhì)譜（FAB-MS）

3.電噴霧質(zhì)譜（ESI-MS）四、質(zhì)譜四、質(zhì)譜28五、其它分析方法Mosher法圓二色譜法（circulardichroismCD）晶體X-射線衍射法(X-RayDiffractionMethod)五、其它分析方法Mosher法29化學(xué)工業(yè)出版社謝謝觀賞數(shù)字出版中心2018.08化學(xué)工業(yè)出版社謝謝觀賞數(shù)字出版中心2018.0830第四章結(jié)構(gòu)研究方法全國(guó)高等教育藥學(xué)類規(guī)劃教材第四章結(jié)構(gòu)研究方法全國(guó)高等教育藥學(xué)類規(guī)劃教材31目錄第一節(jié)結(jié)構(gòu)研究的一般程序

一、化合物純度的判定二、理化常數(shù)的測(cè)定三、分子式的確定與不飽和度的計(jì)算四、化合物的功能團(tuán)和分子骨架的推定五、化合物結(jié)構(gòu)的確定第二節(jié)波譜分析在結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用一、紫外光譜二、紅外光譜三、核磁共振譜四、質(zhì)譜五、其它分析方法目錄第一節(jié)結(jié)構(gòu)研究的一般程序321第一節(jié)

結(jié)構(gòu)研究的一般程序1第一節(jié)結(jié)構(gòu)研究的一般程序33

第一種方法是根據(jù)化合物的理化性質(zhì)和常數(shù)判定。固體物質(zhì)根據(jù)有無一致的晶形和均勻的色澤、有無明確的熔點(diǎn)和較窄的熔距進(jìn)行判定；液體物質(zhì)根據(jù)有無恒定的沸點(diǎn)、沸程、折光率及相對(duì)比重等判定。若是已知物，則只要將其比旋度與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，如相同則表明其已是或接近純品。第二種方法是根據(jù)化合物的色譜行為判定，這是最常用的方法。目前結(jié)構(gòu)鑒定中采用的色譜方法包括薄層色譜（TLC）、紙色譜（PC）、氣相色譜（GC）和高效液相色譜（HPLC）等。一、化合物純度的判定第一種方法是根據(jù)化合物的理化性質(zhì)和常數(shù)判定。固34二、理化常數(shù)的測(cè)定

在天然化合物結(jié)構(gòu)研究中測(cè)定的重要物理常數(shù)有：熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比旋度、折光率和相對(duì)密度等。

此外，測(cè)定化合物的其他理化常數(shù)，如pH和化學(xué)定性反應(yīng)等，能為結(jié)構(gòu)推斷提供必要的線索。二、理化常數(shù)的測(cè)定在天然化合物結(jié)構(gòu)研究中測(cè)定的35三、分子式的確定與不飽和度的計(jì)算（一）測(cè)定分子式

分子式的測(cè)定主要有以下幾種方法：

1.元素定量分析配合分子量測(cè)定

2.同位素豐度比法

3.高分辨率質(zhì)譜法三、分子式的確定與不飽和度的計(jì)算（一）測(cè)定分子式36（二）不飽和度的計(jì)算分子式確定后，可按下式求算不飽和度（u表示）

u=IV-I/2+III/2+1

I為一價(jià)原子（如H,D,X）的數(shù)目

III為三價(jià)原子（如N,P）的數(shù)目

IV為四價(jià)原子（如C,S）的數(shù)目（二）不飽和度的計(jì)算371.根據(jù)化合物的不飽和度，推算結(jié)構(gòu)中可能含有的雙鍵數(shù)或環(huán)數(shù)。

2.利用樣品與某種試劑發(fā)生顏色變化或產(chǎn)生沉淀等定性實(shí)驗(yàn)對(duì)化合物類型進(jìn)行初步判斷。四、化合物的功能團(tuán)和分子骨架的推定四、化合物的功能團(tuán)和分子骨架的推定38化學(xué)工作、儀器分析、植物化學(xué)分類學(xué)及文獻(xiàn)工作的相互配合、綜合分析。五、化合物結(jié)構(gòu)的確定五、化合物結(jié)構(gòu)的確定392第二節(jié)波譜分析在結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用2第二節(jié)波譜分析在結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用40一、紫外光譜

分子吸收波長(zhǎng)范圍在200~400nm區(qū)間的電磁波產(chǎn)生的吸收光譜稱為紫外吸收光譜（ultravioletabsorptionspectra，UV）。

UV光譜對(duì)于分子中含有共軛雙鍵、不飽和羰基結(jié)構(gòu)的化合物以及芳香化合物結(jié)構(gòu)鑒定是一種重要的手段。圖4-1槲皮素的UV光譜一、紫外光譜圖4-1槲皮素的UV光譜41二、紅外光譜

紅外光譜(infraredspectra,IR)是研究紅外光與物質(zhì)分子間相互作用的吸收光譜，是由分子中價(jià)鍵的伸縮及彎曲振動(dòng)在光的紅外區(qū)域即4000～500cm-1處引起吸收產(chǎn)生的。

IR光譜對(duì)未知結(jié)構(gòu)化合物的鑒定，主要用于功能基的確認(rèn)，芳環(huán)取代類型的判斷等。圖譜中1300cm-1以上為化合物的特征基團(tuán)區(qū)，1300～500cm-1為指紋區(qū)。圖4-2槲皮素的IR圖譜二、紅外光譜圖4-2槲皮素的IR圖譜42表4-3紅外吸收的八個(gè)重要區(qū)段波長(zhǎng)（μm）波數(shù)（cm–1）鍵的振動(dòng)類型2.7～3.33750～3000υO(shè)H,υNH3.0～3.33300～3000υCH(-C≡C-H,C=C-H,Ar-H)（極少數(shù)可到2900）3.3～3.73000～27004.2～4.92400～2100υC≡C，υC≡N，υ-C≡C-C≡C-5.3～6.11900～1650υC=O（酸，醛，酮，酰胺，酯，酸酐）6.0～6.71680～1500υC=C（脂肪族及芳香族），υC≡N6.8～7.71475～1300δC-H（面內(nèi)），υX≡Y10.0～15.41000～650δC≡C-H,Ar-H(面外)表4-3紅外吸收的八個(gè)重要區(qū)段波長(zhǎng)（μm）波數(shù)（cm–1）43三、核磁共振譜

核磁共振譜（nuclearmagneticresonancespectra,NMR）是化合物分子在磁場(chǎng)中受電磁波的輻射，有磁距的原子核吸收一定的能量產(chǎn)生能級(jí)的躍遷，即發(fā)生核磁共振，以吸收峰的頻率對(duì)吸收強(qiáng)度作圖所得的譜圖。

NMR是目前解決結(jié)構(gòu)問題最強(qiáng)有力的工具。三、核磁共振譜核磁共振譜（nuclearma441.氫核磁共振譜（1H-NMR）

圖4-3槲皮素的氫譜1H核的化學(xué)位移(δ)范圍在0～20，不同類型的1H核共振信號(hào)出現(xiàn)在不同區(qū)域，據(jù)此可以識(shí)別；1H-NMR譜上積分面積與分子中的總質(zhì)子數(shù)相當(dāng)，分析圖譜時(shí)，只要通過比較共振峰的面積，就可判斷氫核的相對(duì)數(shù)目；若化合物分子式已知，即可確定每個(gè)吸收峰所代表氫質(zhì)子的絕對(duì)個(gè)數(shù)。1.氫核磁共振譜（1H-NMR）圖4-3槲皮素的氫譜1H45裂分峰類型：s(singlet)、d(doublet)、t(triplet)、q(quartet)、m(multiplet)等。在低級(jí)偶合系統(tǒng)中，某一質(zhì)子裂分后的峰數(shù)為n+1（n為干擾核的數(shù)目），裂分峰之間的距離稱作偶合常數(shù)(couplingconstant,J,Hz)，表示相互作用力的強(qiáng)度。為方便解譜，有時(shí)亦可采用雙照射去偶和核Overhauser效應(yīng)（nuclearOverhausereffect，簡(jiǎn)稱NOE）等實(shí)驗(yàn)方法把氫譜中復(fù)雜重疊的譜線簡(jiǎn)化并明確質(zhì)子間的偶合關(guān)系。裂分峰類型：s(singlet)、d(doublet)、t(462.碳核磁共振譜（13C-NMR）

(1)質(zhì)子寬帶去偶譜(broadbanddecoupling,BBD)：即全氫去偶譜(protoncompletedecoupling,COM)。13CNMR測(cè)定技術(shù)圖4-4槲皮素的質(zhì)子寬帶去偶譜2.碳核磁共振譜（13C-NMR）(1)質(zhì)子寬帶去偶譜(47(2)DEPT譜(distortionlessenhancementbypolarizationtransfer)DEPT（135°）譜※一級(jí)碳原子(CH3)、三級(jí)碳原子(CH)為向上的峰;※二級(jí)碳原子(CH2)為向下的峰;※四級(jí)碳原子(C)沒有峰.DEPT（90°）譜※主要用來識(shí)別三級(jí)碳原子(CH).※在DEPT（90°）譜圖中,每一個(gè)峰代表一種三級(jí)碳原子(CH).131.503113.7231750100δppm對(duì)氨基苯甲酸乙酯(2)DEPT譜(distortionlessenh48◆

13C核化學(xué)位移值范圍:0～250ppm◆

醛基碳----175～205ppm;

苯環(huán)碳----128ppm;

烯碳----100～150ppm;

炔碳------65～90ppm；季碳------35～70ppm；叔碳------30～60ppm；仲碳------25～45ppm；伯碳------0～30ppm◆13C核化學(xué)位移值范圍:0～250ppm49同核化學(xué)位移相關(guān)譜1、1H-1H相關(guān)的二維NMR譜(1H-1HCOSY)A.譜圖顯示1H-1H的偶合關(guān)系;B.譜圖中的二維坐標(biāo)都是1H的化學(xué)位移.C.處于對(duì)角線上的信號(hào)與一維氫譜提供的化學(xué)位移是一致的.D.處于對(duì)角線外的信號(hào)稱為交叉峰.E.從交叉峰出發(fā),分別畫水平線和垂直線,它們與對(duì)角線產(chǎn)生兩個(gè)交點(diǎn),兩個(gè)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)質(zhì)子之間存在偶合作用.同核化學(xué)位移相關(guān)譜1、1H-1H相關(guān)的二維NMR譜(1H-50圖4-6青蒿素的1H-1HCOSY譜圖4-6青蒿素的1H-1HCOSY譜51

2、NOESYA.對(duì)角線上有對(duì)角峰，對(duì)角線外顯示相關(guān)峰B.表示的是質(zhì)子在空間位置上相互接近，而非通過鍵的相互偶合C.提供分子相對(duì)立體化學(xué)和溶液構(gòu)象方面的信息，是研究分子構(gòu)型、構(gòu)象和運(yùn)動(dòng)性的重要工具2、NOESY5