天然产物化学全套 - 结构研究法

1、天然药物化学,Chemistry of Natural Medicines,卫生部规划教材,Chemistry of Natural Products,第一章,总 论 （Generation）,本 章 内 容,第一节 绪论 第二节 生物合成 第三节 提取分离方法 第四节 结构研究方法,一 化合物纯度的鉴定 1. 测熔点: 看熔程 2. 外观结晶色泽与形状: 均一性 3. 色谱法: TLC 三种组成不同的溶剂系统, 单一斑点 （有效Rf值） HPLC 单一峰 GC 单一峰 4. 核磁法,第四节 结构研究方法,第四节 结构研究方法,二、已知化合物鉴定 1. 有标准品(或对照品): Co-TLC (

2、共薄层) 测混合熔点(相同溶剂结晶); 测IR (考察是否重叠） 2. 无标准品: 与文献值对照(相同的溶剂条件下：mp, IR, UV, 1H-NMR, 13C-NMR等)。,三、结构研究的主要程序和采用的方法,初步推断 化合物结构类型,测定分子式 计算不饱和度,确定官能团、结构 片段或基本骨架,推断并确定分子的 平面结构,推定分子的立体 结构（构型、构象）,观察色谱行为；测定理化常数；结合文献调研,元素分析；同位素丰度比法；质谱,计算不饱和度；官能团定性定量分析； 测定谱学数据,综合解析谱学数据及官能团定性、定量分析结果；与已知化合物进行比较或化学沟通；结合文献调研,CD、ORD、NOE、

3、2D NMR、 X-单晶衍射、人工合成,程序,方法,第四节 结构研究方法,四、结构测定中采用的主要方法 1.确定分子式，计算不饱和度 主要方法：高分辨质谱（HR-MS），给出化合物分子式。 计算不饱和度公式：,u= -/2+/2+1,为一价原子 为三价原子 为四价原子,第四节 结构研究方法,2.质谱(Mass spectra MS) 为结构解析提供的信息 给出分子量(M+), 给出基团或片段信息, HR-MS可计算分子式; 常见质谱类型和特点,常见质谱类型、特点和适用范围,FABMS,HR-FABMS,1257 M-H-,1125 M-H-132-,993 M-H-2132-,963 M-H-

4、132-162-,1281.5886 M+Na+ calcd. 1281.5880 for C61H94O27Na,第四节 结构研究方法,四、结构测定中采用的主要方法 3.紫外光谱(Ultraviolet spectra UV) 为结构解析提供的信息 用于判断结构中的共轭系统、结构骨架（如香 豆素、黄酮） UV谱一致，不一定是一个化合物。 应用：确定平面的结构骨架，立体结构的构型、 构象。,第四节 结构研究方法,几个不同结构黄酮类化合物紫外光谱,第四节 结构研究方法,4. 红外光谱(Infrared spectra IR) 为结构解析提供的信息 提供各种官能团的信息 八大区（复习） 如：芳香环

5、: 1600-1480cm-1， OH: 3000 cm-1, C=O : 1700 cm-1. IR相同者为同一化合物.,茶皂苷的IR光谱,第四节 结构研究方法,为结构解析提供的信息 化学位移: (用于判断H的化学环境 chemical shift); 偶合常数: J (Hz) 用于判断H与H的关系 coupling constant) 积分强度(峰面积): 确定H的数目.,5. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 5.1 质子谱（1H-NMR）,J8.0Hz 存在偶合,化学位移数值,计算得偶合常数,积分面积表示氢数,第四节 结构研究方法,常见基团的化

6、学位移值: 常见基团 1-12 一般来说 烯氢（sp2） 炔氢（sp） 烷氢 （sp3） Ar-H ：6-8, -CHO ：9-10 -CH3 ：1-2, C=C-CH3, COCH3, ArCH3 ：1.9-2.5 -OCH3 ：3.5-4.0, -COOCH3与ArOCH3 ：3.7-4.0,5. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 5.1 质子谱（1H-NMR）,第四节 结构研究方法,影响化学位移因素 化学位移值与电子云密度有关。电子云密度降低, 去屏蔽作用增强,向低场位移, 增大。 1）诱导效应 2）共轭效应 3）磁各向异性效应 4）氢键缔合 5

7、）范德华效应,4. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 4.1 质子谱（1H-NMR）,影响化学位移因素 1）诱导效应（inductive effect） O-CH3 N-CH3 C-CH3 电负性 3.5 3.0 2.5 3.24-4.02 2.12-3.10 0.71-1.88 CH3Br CH3CH2Br CH3CH2CH2Br 2.60 1.66 1.04 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 3.05 5.33 7.24,取代基电负性越强，质子化学位移向低场移动幅度越大 诱导效应随着链增长而减弱,2) 共轭效应（conjugative effe

8、ct ）,吸电效应与供电效应谁占优势，谁的作用突出。使质子向相应的地方移动,-I C,-I C,-I C,-I C,3) 磁各向异性(magnetic anisotropic effect) CHO Ar-H C=CH CCH CH H处于负屏蔽区 H处于正屏蔽区 4）氢键效应（effective of hydrogen bond） 大部分氢键形成低场位移 氢键效应对化学位移的影响与氢键强弱（与溶液的浓度、温度有关）有关。,氢键效应对化学位移的影响,第四节 结构研究方法,5. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 5.1 质子谱（1H-NMR）,.偶合常数

9、(J) a.偶合裂分是由原子核引起的,一般通过化学键传递; b.相互偶合的H核其J值相同; c.一级图谱峰的裂分遵循n+1规律; d.归属H核,判断排列情况. 偶合分类 偕偶(Jgem)又为同碳偶合；邻偶；远程偶合,以苯环为例：,偶合分类,Ha和Hb:邻位偶合Jo =6-9Hz Ha和Hc:间位偶合Jm =1-3Hz Ha和Hd:对位偶合Jp =0-1Hz,5. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 5.2 碳谱（13C-NMR）,为结构解析提供的信息,化学位移：碳处的化学环境 峰高或峰面积:与碳的个数成比例，与碳的种类（伯、仲 叔、季）有关。 碳信号的裂

10、分:因13C自然界丰度比为1.1%，13C相连机 遇极小，偶合小，埋在噪音中，J几乎观 察不到。而异核偶合较为明显（JCH）.,第四节 结构研究方法,茶黄酮的13C NMR光谱,5. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 5.2 碳谱（13C-NMR）,常见一些基团的化学位移值: 脂肪C: 50 连杂原子C: C-O,C-N,C-S :50-100 C-OCH3 : 55; 糖端基C : 95-105 芳香碳,烯碳: 98-160 连氧芳碳 :140-165 C=O: 168-220,第四节 结构研究方法,5. 核磁共振谱（Nuclear magnetic

11、 resonance NMR） 5.2 碳谱（13C-NMR）,常见一些基团的化学位移值:,第四节 结构研究方法,C=O: 168-220 醛CHO： 190205 酮： 195220 羧酸： 170185 酯及内酯： 165180 酰胺及内酰胺: 165180,不同类型的碳原子化学位移值不同。 相同类型的碳原子由于取代基位移效 应等因素影响，化学位移值有所不同。,5. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 5.2 碳谱（13C-NMR）,影响化学位移的因素:,第四节 结构研究方法,A 碳杂化方式(sp3、sp2、sp) 一般 sp2 sp sp3 100

12、-200 70-130 10-100 B 取代基不同导致电子云密度不同 (键结合方式；电子流向电负性强方向移动 ) 一般电子云密度越小，化学位移越大； 电子云密度越大，则化学位移越小。,影响化学位移的因素:,B 取代基不同导致电子云密度不同 简单的取代基位移规律 C-Me取代位移 C-OH取代位移 O-Me取代位移,影响化学位移的因素:,B 取代基不同导致电子云密度不同 简单的取代基位移规律 苯环上的取代基位移 酰基取代位移 (脂肪链和芳香环上相反),影响化学位移的因素: C -效应 较大基团对位碳上的氢通过空间有一种挤压作用，使电子云偏向碳原子，碳化学位移向高场移动，称为-效应。在这种效应中

13、-顺式要比-反式产生的效应大得多。,顺式2-丁烯两个甲基的化学位移比反式2-丁烯甲基化学位移值小5个单位,D 共轭效应：,R供电，迫位向低场位移，邻、对位高场位移，间位略向低场位移 R吸电，迫位向高场位移，邻、对位低场位移，间位略向高场位移,E 分子内部作用： 氢键作用 偶极-偶极作用,分子内氢键使羰基的化学位移值增加,5. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 5.2 碳谱（13C-NMR）,第四节 结构研究方法,a 全氢去偶谱(COM)或噪音去偶谱(PND)或质子宽带去偶谱(BBD) 特点: 图谱简化, 所有信号均呈单峰. b 偏共振去偶谱(OFR)

14、特点: 由于部分保留1H的偶合影响,可识别伯、仲、叔、季碳。 CH3, q， CH2, t， CH, d， C, s。,常见的13C-NMR谱的类型,BBD,5. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 5.2 碳谱（13C-NMR）,第四节 结构研究方法,.常见的13C-NMR谱的类型 c. DEPT谱 特点：不同类型13C信号呈单峰分别朝上或向下, 可识别CH3，CH2，CH，C. 脉冲宽度 =135CH3, CH , CH2 （常用） =90CH , =45CH3, CH2 , CH , 季碳不出现,DEPT谱,135 =135CH3, CH , CH

15、2,90 CH ,5. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 5.3 常见二维谱类型,第四节 结构研究方法,1H-1H COSY(相互偶合的氢核给出交叉峰) NOESY(空间相近的氢核的关系) HMQC(13C-1H COSY) 13C,1H 直接相关谱1JCH HMBC(远程13C-1H COSY) 13C,1H 远程相关谱 2JCH, 3JCH,第四节 结构研究方法,6. 旋光谱和圆二色散光谱（ORD and CD） (Optical Rotatory Dispersion and Circular Dichroism),旋光谱(ORD)和圆二色谱(C

16、D,需对紫外可见光有吸收)在解决手性中心附近有生色团(含通过化学转换可变成生色团的化合物，如-OH、C=O)的化合物的绝对构型或优势构象的方面应用。 当平面偏振光通过手性中心时，左旋圆偏光和右旋圆偏光的折射率、传播速度不同，当再合成平面偏振光时，偏振面就发生了旋转，这就是产生旋光的光学原理。随着波长变短，折射率差值增大，比旋度增大。,平面偏振光在非旋光性和旋光性物质中传播的图解,旋光性：非对称的有机化合物分子能使平面偏振光的偏振面发生旋转，称为旋光性。 圆二色性：非对称有机化合物分子对组成平面偏振光的左旋和右旋偏振光的吸收系数不相等，这种性质成为圆二色性。,第四节 结构研究方法,在不同波长下测

17、定物质的比旋度，以比旋度为纵坐标，波长为横坐标做图，该图称为ORD谱。 ORD谱的分类 (1). 平坦谱线 无峰无谷，有旋光性，但手性中 心附近无生色团。,正平坦曲线: 随波长短移比旋度增大 负平坦曲线: 随波长短移比旋度减小,ORD谱简介,第四节 结构研究方法,(2). 单纯Cotton曲线 有峰有谷，手性中心附近有生色团。 正Cotton曲线: 长波 短波，先峰后谷 负Cotton曲线: 长波 短波，先谷后峰,(3). 复合Cotton曲线 有几个峰和几个谷。,第四节 结构研究方法,结构与ORD谱的关系 结构与ORD的关系已总结了许多规律，现只介绍应用最广泛也是最古老的一个规律八区律(oc

18、tant rule)。,(1). 平面分割法 用三个相互垂直的平面a、b、c分割成八个区域，以c平面为界，平面前称“前区”，,平面后称“后区”。 每个区又可分为上下左右四个分区，各区旋光分担如图所示。,a). C4的a和e，C2和C6的e键取代基均无贡献。 b). C5的a和e，C2的a键取代基均为正贡献。 c). C3的a和e，C6的a键取代基均为负贡献。 d). 旋光贡献具有加和性。 e). 距离羰基越远，贡献越小。 f). 集团越大，贡献越大。,(2).投影法,环己酮各原子主要落在c平面“后区”，为判断旋光分担方便起见采用投影法。,(+),ORD谱的应用 (1). 优势构象的确定 经测定右旋异薄荷酮为负Cotton曲线，请根据ORD谱确定优势构象。,（5）-（4）-（3） （6）-（1）-（2）,（5）-（4）-（3） （6）-（1）-（2）,负Cotton曲线,正Cotton曲线,平面 椅式 八区律要求的椅式,ORD谱的应用,(2). 绝对构型的确定 某化合物为3-OH, 3-十九烷基环己酮，经测定 ORD为正Cotton曲线，请根据ORD谱确定绝对构型。 a). 先写出R构型和S构型的结构式。 b). 写出优势构象式(十九烷基为大集团应在e键上)。 c). 转换成八区律要求的椅式构象式或投影式。 d). 根据八区律确定绝对构型。,负Cotton曲线,