天然产物化学刘湘版-天然产物的结构鉴定技术

1第三章天然产物的结构鉴定技术2因此有机分析被称为有机合成者的眼睛。确定化合物分子的结构是有机化学的一项重要任务。因为：1、从生物体内提取的天然产物若不知道它的结构就难以对它的性质和作用做深入的了解,更无法对它进行仿制合成或改造合成；2、在实验室合成的化合物若不测定它的结构就无法证明你的合成成功与否；3化学方法(降解法)确定化合物的结构:周期短、操作简便、样品用量少、且准确度高。“相当于间接地给化合物分子照相”周期长、操作复杂、样品用量多、还容易出错。物理方法(波谱法)测定化合物的结构:4由于现代科学技术进步，特别是将波谱解析方法（NMR、MS、IR、UV）用于推导化合物的结构，甚至用X－晶体衍射来确定化合物结构的发展，以及分离手段的进步，天然产物化学的发展速度大为加快，发现的新化合物数目大为增加。5有机化学中常用的四大谱紫外光谱(紫外线):△E=145～627KJ.mol-1λ=200～800nm由电子能级的跃迁产生,主要用于揭示分子中的共轭体系。红外光谱(IR):△E=4～63KJ.mol-1λ=2～15μm由分子振动能级的跃迁产生,用来确定分子中的官能团。6核磁共振谱(NMR):△E=1.2×10-2～4×10-6KJ.mol-1λ=1cm～1m由核自旋能级的跃迁产生，用来确定化合物分子的骨架。质谱(MS):不属于吸收光谱，用来确定分子量和分子骨架。7第一节核磁共振谱1核磁共振概述2核磁共振基本原理3化学位移4自旋偶合与自旋裂分5核磁共振图谱8概述核磁共振的分类1．固体核磁共振用于不溶性的高分子材料，膜蛋白，金属材料的研究;2.液体核磁共振用于有机化合物，天然产物，生物大分子的研究；3.核磁共振成像临床诊断的成像仪，动植物实验、研究用的成像仪9核磁共振波谱分析的特点1．样品无损；2．结构信息丰富；3．新的分析测试技术不断出现。102核磁共振的基本原理一、核的自旋与磁性原子核与电子类似，也有自旋现象。核的自旋可以用自旋量子数(I)来描述。自旋量子数(I)的取值取决于原子序数(Z)和原子的质量数(A)。11自旋量子数（I）的取值原子序数质量数自旋量子数自旋现象(Z)(A)(I)偶数偶数零无12C6、16O8奇数或奇数1/2,3/2,5/2,…半整数有偶数1H1、13C6、19F9…奇数偶数1,2,3,…整数有2H1、14N7121H1置于外磁场中时产生的能量裂分无外磁场H0在外磁场中E00000000000000000能级简并Eβ=+μH0Eα=-μH0△E=+μH0-(-μH0)=2μH0μ:核磁矩(常数μ1H1=2.79278)H0:外加磁场强度αβ13高能自旋态与低能自旋态的能量之差Eβ=+μH0Eα=-μH0高低自旋态能量的差值（△E）与外加磁场的强度成正比。E1E3E2E0H0E14二、核磁共振的条件与核磁共振核自旋能级的能量差:△E=2μH0电磁波的能量:△E'=hv0核磁共振的条件:hv0=2μH0核磁共振：当电磁波的能量与核自旋能级的能量差相等时，处于低能态的自旋核吸收一定频率的电磁波跃迁到高能态上去的这种现象就叫核磁共振。15从该式可以看出，使共振发生可以采取两种方法：固定V0改变H0更方便,故现在大多数仪器是采取扫场的方式。将上式变形得：(1)固定磁场强度H0,改变无线电频率V0。(2)固定无线电频率V0,改变磁场强度H0。（扫频）（扫场）002hH002Hh16三、弛豫过程饱和弛豫17四、核磁共振波谱仪1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。2．射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz。183．射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。4．样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。19核磁共振波谱仪连续波NMR仪:扫频/扫场20傅立叶变换核磁共振波谱仪不是通过扫场或扫频产生共振；恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。（类似于一台多道仪）21BRUKERAV500MHz核磁共振波谱仪223化学位移2μv0=H0h一、化学位移产生的原因根据NMR的条件:μH=2.79278h=6.62×10-27eg.s-1似乎所有的氢核都应在相同的磁场强度下发生共振，事实不是如此，我们来看用低分辨率的核磁共振仪对乙醚分子所做的NMR图：扫场：固定V023乙醚的低分辨率NMR谱24感应磁场对质子的屏蔽作用25质子外围的电子云密度稍有不同,质子的共振吸收位置就不同,这就给测定有机物的结构提供了有用的信息,我们就是根据这些信息来推测有机化合物的结构。26在外磁场作用下，质子外围价电子环流产生的感应磁场对外磁场有干扰作用：屏蔽效应：HN=H0–H'去屏效应：HN=H0+H'HN：质子真正感受到的磁场强度H0：外加磁场的强度H':感应磁场的强度27分子中的质子真正感受到的磁场强度是:HN=H0－σH0=H0(1－σ)HN:质子真正感受到的场强H0:外加磁场的强度σ:屏蔽常数随质子外围的电子环境而异屏蔽效应:质子外围价电子产生的感应磁场对抗外磁场的现象就叫做屏蔽效应.去屏加强去屏28。）（120Hh核磁共振的条件改写为：因通常是固定无线射频进行扫场,上式又可改写为：(1–σ)2μν0=hH0物理意义:质子发生共振的磁场强度H0取决于其外围的电子环境。29化学位移:由于感应磁场的屏蔽或去屏效应，使得化学环境不同的质子在不同的磁场强度下发生共振吸收的现象就叫做化学位移。30二、化学位移的表示不同质子间化学位移的差值约在1～15/百万，用磁场强度（H）或电磁波频率（ν）表示都不方便，因而规定用一个相对的量δ来表示，单位是ppm（百万分之一）。)(1060ppmTMS样品吸收频率标样四甲基硅烷的共振样品的共振吸收频率样品::TMS：所用仪器的频率031规定：化学位移：任意质子的共振吸收位置与四甲基硅烷共振吸收位置的相对距离。1、结构对称，质子数目多只加入少量就可给出很强的单峰信号。2、Si的电负性小质子外围电荷密度高屏蔽效应强,在高场发生共振吸收。绝大多数有机物的吸收场强比它低。3、化学性质稳定，且沸点低易于回收。SiCH3CH3CH3CH3四甲基硅烷（TMS)的δ=0ppm（仪器的零点）32用δ表示化学位移可以消除同一质子使用不同仪器测定所造成的差别：仪器频率位移频率化学位移()60兆赫120HZ100兆赫200HZppmppmHZHZ210106012066ppmppmHZHZ210101002006633TMS低场高场123456789100123456789100τ:δ:(τ=10–δ)化学位移的表示34三、常见质子的化学位移:质子类型δ(ppm)RCH30.9R2CH21.3R3CH1.5质子类型δ(ppm)－C≡CH2—3RCH2F4RCH2CI3~4RCH2Br3.5RCH2I3.2ROCH33.5～4C=CH24.5__5.9Ar_H6.5__8.5_H7.335质子类型δ(ppm)R-OH0.5—5.5Ar-CH32_3C=C-CH31.7—1.8R-C-OCH33.7—4O=R-C-H9—10O=R-C-OH10—12O=R-C-CH32—2.7O=364自旋偶合与自旋裂分37质子感受到的磁场受两种因素的影响:(1)质子外围价电子产生的感应磁场的影响。(2)邻近质子自旋产生的感应磁场的影响。自旋—自旋偶合:在外磁场作用下，相互邻近的碳上质子自旋产生的小磁场，通过键的传递产生的相互影响叫自旋—自旋偶合。自旋—自旋裂分:由于自旋偶合而引起吸收峰数目增多的现象叫自旋—自旋裂分。一、自旋偶合与自旋裂分的含义381、被一个质子所裂分二、一级谱中的常见裂分形式392、被二个质子所裂分403、被三个质子所裂分41三、裂分峰的取值与偶合常数⑵、两裂分峰之间的距离（J）叫偶合常数。⑴、裂分后化学位移值取每组峰的中点。偶合常数（J）是质子间偶合效率的量度与H0无关,它取决于分子本身的性质（分子的几何构型及质子周围的电子环境）单位：赫兹。42偶合类型1J:单键偶合1J13C-1H2J:同碳偶合2JH-C-H3J:邻位偶合3JH-C-C-H4J---:长程耦合(1)H-C=C-C-H(烯丙体系)(2)共轭体系(3)含有累积不饱和键的体系(4)芳环氢与侧链氢的偶合43(1)、裂分峰的数目比参与偶合的质子数目多一裂分峰的数目=（n+1）n：参与偶合的质子数目2、ClCH2-CH2-CHBr2裂分峰的数目=(2+1)(1+1)=6重邻近的氢不相同时：裂分峰的数目=(n+1)(n,+1)(n,,+1)例:1、Cl2CH-CH2-CHBr2裂分峰的数目=(1+1)(1+1)=4重四、一级谱的裂分规律44S:单峰(Singelet)d：双重峰(doublt)t：三重峰(triplet)q：四重峰(quartet)m：多重峰(multipet)45(2)、裂分峰的强度等于二项式展开项的系数(a+b)nn:参与偶合的质子的数目n峰的强度1121：2：131：3：3：141：4：6：4：146遵循此规律的谱叫“初级谱”或“一级谱”J＞6νΔ当：时，峰的裂分数目及强度遵循(n+1)及(a+b)n规律△ν：相互邻近氢化学位移的差值47一级谱的特点非一级谱（二级谱）一般情况下，谱峰数目超过n+1规律所计算的数目组内各峰之间强度关系复杂一般情况下，和J不能从谱图中可直接读出裂分峰数符和n+1规律峰组内各裂分峰强度比(a+1)n的展开系数从谱图中可直接读出和J，化学位移在裂分峰的对称中心，裂分峰之间的距离（Hz）为偶合常数J48五、化学等价质子与磁等价质子1、化学等价质子：具有相同化学位移的质子叫化学等价（性）质子。吸收峰的数目等于分子中不等性质子的数目；换言之：有多少组吸收峰就表示分子中有多少种不同类型的质子。一组峰一组峰一组峰CH3CCH3=OHHHHHHCH3—CH349两组峰两组峰两组峰aabbcc三组峰CH3CH2CH3CH3_CH_CH_CH3CH3H3CHHHHCH3CH3H3CCH3HHHH502、磁等价质子：化学环境相同、化学位移相同,并且对组外任何一个质子(原子核)的偶合作用都相同的一组质子叫磁等价质子。甲基氢是化学等价质子，但不是磁等价质子。所有的磁等价质子都是化学等价质子，而化学等价质子不一定是磁等价质子。例:顺式偶合≠反式偶合两组峰CCaH3CbH3CHaHbJaH3CaH=JaH3CbH51５图谱分析521H1NMR谱图1H1NMR谱可以给出如下信息：1、峰的数目：分子中有多少种不同类型的氢。2、峰的位置：分子中氢的类别。3、峰的强度：每种氢的数目。4、峰的裂分数目：邻近碳上氢原子的个数。53质子数目的确定:积分曲线法依据：吸收峰的面积与产生吸收的质子数目成正比。积分曲线的高度之比等于每组峰的质子数目之比积分曲线法：各组质子峰积分曲线的高度之和除以质子的总数，得到每个质子所占有的积分曲线高度，用其除每组积分曲线的高度，就得到每组峰质子的数目。峰面积用电子积分仪来测量，在谱图上通常用阶梯曲线来表示，阶梯曲线就是积分曲线。54234H6HOCH3OCH3（2+3）÷10=0.52÷0.5=4（H）3÷0.5=6（H）55CH3-CH2Brab溴乙烷的NMR谱图C2H5Br56一、13CNMR的特点1、位移值范围广，分辨率高。碳的化学环境稍有不同，谱图就有明显的差别。更能反映出分子的精细结构。1H1NMR:δH=0～10ppm±5ppm13CNMR：δC=0～250ppm±100ppm13CNMR谱573、在1H谱中,必须考虑相互邻近氢核之间的偶合作用；在13C谱中,由于13C的相对丰度仅为1.1％一般情况下偶合机会极少，可以忽略不记,但是13C与自身连接的H和邻位C上的H之间有偶合作用。2、1H谱中峰的强