南药研究生高等波谱解析(最终稿)

高等波谱解析AdvancedSpectralAnalysis前言波谱解析：应用现代物理手段（UV、IR、NMR、MS，CD,ORD）研究有机化合物的结构四大光谱：UV：是否含有发色团、助色团IR：具有何种官能团MS：分子量，结构碎片NMR：结构解析的主要手段解决立体构型问题的：CD、ORD、X-射线单晶衍射UV在某些情况下能起到不可取代的作用例：从中药白花前胡中分得一化合物，据NMR分析有下述两种可取结构。测得UVλ(logε):222.0(4.44);274.4(4.08);337.2(4.00)。此化合物结构为a还是b？OOOCCHOCOH3CH3COOOCCHCOH3CH3CO吡喃香豆素a：λmax265-280nm（主带）λmax220-230nmλmax330-340nm呋喃香豆素b:λmax245nm强峰λmax290nmλmax320nm}弱峰IR一般作为实验室的常规手段得到广泛应用，在确定化合物所含管能团种类方面起重要作用。五十年代美国杰出化学家Woodward在他合成降压药利血平的论文中红外光谱达三十张之多。他曾对红外光谱做过这样的评价:“不管反应所得到的化合物纯度多么差，可生成预期产物的希望何等渺茫，如果采用红外光谱作常规的检测，往往会对重大的发现提供某些线索，这是其他方法难以胜任的。”CD和ORD在确定化合物立体结构时起非常重要的作用，每类化合物都有其规律性，以后用到应查阅有关文献。如一般进行碳谱测试，羰基碳的信号强度很小，如果累加时间不足可能出不了信号，这时你如果在IR上得知有羰基信号，你就很快判断出光谱有问题，及时加以纠正。电磁波谱紫外光200-400nm外层（价）电子共轭体系UV红外光0.76-50μm分子振动与转动官能团IR无线电波1-1000m（106-109μm）原子核由顺向逆磁场方向跃迁原子核化学环境NMR核磁共振技术发展简介技术发展：1945年，美国斯坦福大学F.Bloch和哈佛大学EMPucell分别观测到NMR信号。1951年Arnold发现乙醇的NMR信号，及与结构的关系。1953年Varian公司试制了第一台NMR仪器。1970年，PFT-NMR发展成熟。1980年后，2D-NMR技术发展成熟。近年来，3D，多维NMR发展成功，可用于DNA、多肽、蛋白的结构解析，但尚未达到常规使用的阶段。NobelPrize:1943O.Stern---测定质子磁距1944I.I.Rabi---测定原子核磁距的共振方法1952F.BlochandE.M.Pucell(美国)---核磁共振现象1991R.R.Ernst(英国)---傅立叶变换核磁共振2002K.WÜTHRICH(瑞士)---核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法主要参考书1.梁晓天著：核磁共振氢谱，科学出版社，19762.洪山海著：光谱解析在有机化学中的应用，科学出版社，19813.沈淑娟:波谱解析的基本原理及应用，高等教育出版社。19884.姚新生等：有机化合物波谱解析，人民卫生出版社，19815.于德泉等：分析化学手册，第五分册，核磁共振波谱分析，化学工业出版社，1989。6.易天平，徐光漪：核磁共振波谱-在药物分析中的应用，上海科学技术出版社，1985。核磁共振1.结构的测定和确证，有时还可以确定构型和构象。2.化合物纯度的检查，灵敏度较薄层层析和纸层析高3.混合物的分析，如主要信号不重叠，不需要分离就能测定混合物的比例。4.质子的交换，单键的旋转，环的转化等化学变化速度的推定。一、基本知识在有机化学和药物化学合成领域中，NMR可以解决4个问题但就药学领域而言，NMR主要应用于结构的测定和确证，即结构研究。在自然界中，各元素的同位素中，大约有一半的原子核具有旋转的磁铁那样的性质，自旋量子数I的数值可决定原子核的磁性。1H,13C,19F,31P的I为1/2，2H,14N的I为111B,35Cl,37Cl,79Br,87Br为3/2I=1/2电荷分布呈球状。I1电荷分布不是球状，具有四极矩。12C和16O的I=0没有磁性，故不成为核磁共振研究的对象。这些原子核I0,带有电荷，在自旋中会产生磁场，这样的核可以看成微小的磁铁。质量数原子序数INMR信号电荷分布偶数偶数0无均匀偶数奇数1,2,3,…有不均匀奇数奇数或偶数1/23/2,5/2,…有有均匀不均匀自旋量子数，质量数和原子序数之间关系如下:（一）核的共振原子具有电荷，进行自旋的质子会产生磁场。如果把质子放在外部磁场中，它对于外部磁场可以有（2I+1）种取向，质子的I为1/2，因此只有两种取向，即与外部磁场平行和逆平行的方向，前者是质子的磁场与外部磁场相同的状态，叫低能态。而后者是质子的磁场与外部磁场相反的状态，叫高能态。m=-1/2,高能态取向与H0相反m=+1/2,低能态取向与H0相同在低能态的质子中，有些质子的磁场与外部磁场不完全平行，外部磁场就要使它取向于外部磁场的方向，质子自旋受到这种作用后，它的自旋轴就会在与外部磁场垂直的平面上进行旋进运动（进动）。使用与外部磁场方向成为直角的振荡线圈并照射电磁波就会产生与外部磁场垂直的直线振荡磁场H1，H1可以分解为两个矢量成分，即位相相同而向相反方向旋转的两个回旋成分，其中一个回旋成分的旋转方向与上述旋进运动的轨道方向相同。如果外部磁场H0不变而把射频改变，H1的回旋磁场成分频率就会不断变化，如果这个频率与旋进运动的频率相同，质子就吸收电磁波的能量从低能态变为高能态而产生共振。•共振频率与磁场强度之间的关系如下：gH0式中为共振频率；g为磁旋比，对相同的核讲，g为常数。（二）饱和及弛豫弛豫：在外部磁场中，低能态的核一般要比高能态的多一些（约0.001%），吸收电磁波能量而迁移到高能态的核，会经过各种机制放出能量而回到原来的低能态，这个过程叫弛豫。饱和：如果核连续吸收电磁波，原来过剩的低能态的核就逐渐减少，吸收信号的强度就会减弱，最后完全消失，这个现象叫饱和。出现饱和时，两种自旋状态的核，数目完全相同。自旋格子驰豫(纵向弛豫)：高能态的核被弛豫而迁移到低能态，这时所放出能量作为平移，转动和振动的热能传递到格子区，由于这个机制低能态的核才能够保持过剩。自旋自旋驰豫(横向弛豫)：是在进行旋进运动而互相接近的两个核之间，互相交换自旋而产生的，这种弛豫不能保持过剩的低能态的核。二、化学位移1950年（Proctor和Dickinson）发现，质子的共振频率不仅由外部磁场和核的磁旋比决定，而且还要受到原子周围分子环境的影响。某一质子实际上受到的磁场强度，不完全与外部磁场强度相同。质子由电子云包围，电子在对外部磁场垂直的平面上环流时，会产生与外部磁场方向相反的感生磁场。核周围的电子对核的这种作用叫屏蔽作用。感生磁场的强度与外部磁场的强度成正比，因此质子实际上受到的磁场强度为H0(1-σ)(σ为屏蔽常数)。故共振频率与磁场强度之间关系经修正如下：ν=gH0(1-σ)π一般都以适当的化合物为标准物质，来测定相对频率。•标准化和物的共振频率与某一个质子的共振频率之差叫做化学位移。(chemicalshift)•最常用的化合物为四甲基硅烷（tetra-methylsilane,TMS）效果较理想，有以下优点：1、沸点低（27℃），故回收样品较容易。2、易溶于有机溶剂。3、信号为单峰，且这个化和物信号的磁场比一般有机化合物的信号磁场高，故信号不会重叠。4、与样品之间，不会发生分子间缔合。•加入TMS有两种方法:1）：内标法：将TMS直接加入到样品溶液中去。2）：外标法：TMS不溶于重水，用重水为溶剂时，要把TMS放在毛细管中，加封后把毛细管放在重水溶剂中进行测定。三、核磁共振仪和NMR谱（一）：核磁共振仪有以下几部分组成:1.电磁铁;2.射频振荡器3.射频接收器：产生共振时，能检出被吸收的电磁波能量;4.探头和样品管座;5.计算机系统较早期的仪器60MHz,90MHz中期的仪器200MHz,250MHz,300MHz现代的仪器360MHz,400MHz,500MHz,600MHz最近国外已有文献报道用1000MHz仪器测样（二）：溶剂和样品1.溶剂的选择:理想的溶剂必须具备以下条件：•不含质子•沸点低•与样品不发生缔和•溶解度好•价钱便宜常用溶剂：CDCl3,CD3COCD3,CD3OD,DMSOd6,C5D5N,D2O等。注意：不同溶剂中测得的氢谱相差较大。2.样品制备:样品量（1-2mg）,浓度高，选择好溶剂。（三）核磁共振谱1.信号的位置ν=gH0(1-σ)π如用下式定义的参数δ来表示，δ就是与磁场无关的数值。Δn（Hz单位）d(ppm)=————————n仪（MHz单位）用δ值表示时，TMS的信号位置是0ppm。2.积分面积在光谱上的信号面积与各质子的数目成正比，因此把各信号的面积进行比较，就能决定各质子的相对数目。利用积分面积能很容易地判断出样品纯度。四、影响化学位移的因素（一）电负性（诱导效应）在外部磁场中，原子核周围的电子会在核的周围循环而产生与外部磁场相反方向的感生磁场，因此电子的循环对核产生屏蔽效应，其大小与质子周围的电子密度成正比。化合物CH3XCH3OCH3NCH3CCH3ICH3BrCH3ClCH3F电负性(X)3.53.02.52.52.83.04.0δ(ppm)3.24-4.022.12-3.00.77-1.882.162.683.054.26质子周围的电子密度越高，屏蔽效应就越大，质子就在较高的磁场发生共振，反之亦然。（二）各向异性效应•在分子中，质子与某一官能团的空间关系，有时会影响质子的化学位移，这种效应叫做各向异性效应。各向异性效应是通过空间而起作用的，与通过化学键而起作用的诱导效应不一样。⒈乙炔键轴向为屏蔽区，其它为去屏蔽区。乙炔质子-C≡C-Hδ2.88(乙烷δ0.96)⒉羰基和双键的各向异性效应原子在空间靠近双键时，双键对这个质子会产生某种各向异性效应。如醛基在很低磁场（δ7.8-10.5）出现质子信号，为羰基各向异性效应引起的。链烯质子与醛基质子一样，也受到顺磁性磁场的影响，故在低场发生共振。例如：胡薄荷酮δ：a:1.77b:1.95无C=O时，a=b乙酰苯邻位质子δ：7.85间位和对位质子：δ:7.40苯甲醛：邻位质子δ7.72间对位质子δ7.40（a）：1.62-0.99=0.64ppm1):双键的电负性。2）：双键的各向异性。（b）0.85-1.01=-0.16ppmα-蒎烯中甲基（b）在双键的上方，受到屏蔽效应。α-蒎烯蒎烷⒊环电流效应在外部磁场的作用下，芳香核的环状电子云进行循环，而对苯环平面上下方向产生抗磁场，但对芳香核质子附近产生顺磁场，这叫做环电流效应。苯质子信号：δ7.0ppm左右Ar-CH3的δ值：2.14-2.76（CH3-C=Cδ1.59-2.68）[1，8]-对环番烷安钮烯⒋单键的各向异性效应：由C-C键的σ电子产生的各向异性效应较小，C-C键的轴就是去屏蔽圆锥的轴δ值大小：CH3CH2CH,因为随着甲基的氢被碳取代，去屏蔽效应就增大，故信号就越处在低场。在固定的六元环中，横键质子的δ值比竖键质子一般大0.1-0.7ppm。横键质子在C2-C3键和C5-C6键的反屏蔽圆锥中，竖键质子却在它的外面，故横键质子在较低场出现。（三）VanderWalls效应两个质子非常靠近时，具有负电荷的电子云就互相排斥，结果这些原子周围的电子密度就要减少，对质子的屏蔽效应就显著下降，使信号向低场移动，这叫做VanderWalls效应。VanderWalls效应(Ⅰ)(Ⅱ)Ⅰ：Haδ4.68ppm，Hbδ2.40ppm，Hcδ1.1ppmⅡ:Haδ3.92ppm，Hbδ3.55ppm，Hcδ0.88ppm（四）溶剂效应在溶液中，各种质子受到溶剂的影响，引起化学位移的变动，叫做溶剂效应。（五）氢键效应具有氢键的质子，比没有氢键的质子，在较低场发生共振。有时这个顺磁性位移相当大如：酚类和羧酸质子