中药化学成分波谱解析

中药化学成分波谱解析中药学院药化教研室邓雁如Email:[e-mail]•是利用波谱学知识解析化合物结构的一门课程。涉及紫外、红外、核磁共振波谱、质谱等，是当今中药化学领域必不可缺少的一门专业基础课程。中药化学成分波谱解析中药化学成分波谱解析第一章紫外光谱(UltravioletSpectra)第二章红外光谱(InfraredSpectra)第三章核磁共振波谱(SpectraofNuclearMagneticResonance)一1H-NMR(PMR)二13C-NMR(CMR)三2D-NMR第四章质谱(MassSpectra)第五章综合解析第一章紫外光谱紫外光谱涉及电子在分子轨道上的跃迁及各种跃迁对应的吸收带与化合物结构之间的依赖关系。虽然紫外光谱的吸收带数目少，对结构的敏感性差，但作为辅助手段可用于推断共轭体系及发色团的存在，或用于验证用其它方法推演的结构。第一节基础知识当物质吸收电磁波的能量后，从低能级跃迁至高能级。通过测量被吸收的电磁波的频率（波长）和强度，可得到被测物质的特征波谱，其中特征波谱的波长反映了物质的结构，可用作定性分析，波谱的强度与物质含量有关，可用于定量分析一、电磁波的基本性质与分类•电磁波:在空间传播的周期性变化的电磁场、无线电波、光线、X射线、射线等都是波长不同的电磁波，又称电波，电磁辐射。•光是电磁波或叫电磁辐射。具有微粒性及波动性的双重特性1.基本性质光是电磁波或叫电磁辐射电磁辐射具有微粒性和波动性波动性：ν＝c/λλ－波长，长度单位/周ν－振动频率，Hz或周/秒微粒性：E=hνh－普朗克常数在讨论光与原子、分子相互作用时，可把光看成是一种从光源射出的能量子流或者高速移动的粒子，这种能量子也叫光量子或光子。光子能量(E)与光的频率()成正比:E=h=h.C/式中h为普朗克(Plank)常数(6.6310-34J.s).根据电磁波波长的不同可分成无线电波，微波、红外、紫外及X-射线几个区域。2.分类X-射线波长范围0.14～10nm紫外4～400nm可见400～760nm红外0.76～1000μm微波0.1～100cm无线电波二、吸收光谱与能级跃迁一个原子或分子吸收一定的电磁辐射能（）时，就由一种稳定的状态（基态）跃迁到另一种状态（激发态），从而产生吸收光谱。三、原子或分子的能量组成与分子轨道（一）原子或分子的能量E分子=E移动+E转动+E振动+E电子E移动«E转动«E振动«E电子移动能级排列紧密，能级跃迁只需较少能量，跃迁产生的吸收光谱看不到。我们所讨论的吸收光谱是光或电磁波与原子及分子相互作用后，原子或分子吸收一定能量的电磁辐射能而产生的振动、转动吸收光谱和电子吸收光谱。分子能级图（二）分子轨道分子轨道是由组成分子的原子轨道相互作用形成的。分子成键轨道;分子反键轨道分子轨道的种类n轨道也叫未成键轨道，在构成分子轨道时，该原子轨道不参与分子轨道的形成，可按在原子中的能量画出。四、紫外光谱与电子跃迁（一）紫外光谱紫外光谱：是由于分子中价电子的跃迁而产生的。分子中价电子经紫外或可见光照射时，电子从低能级跃迁到高能级，此时电子就吸收了相应波长的光，这样产生的吸收光谱称紫外光谱紫外吸收光谱的波长范围是4-400nm,其中4-200nm为远紫外区，200-400nm为近紫外区,一般的紫外光谱是指近紫外区。（二）电子跃迁及类型：有机分子中的可以发生跃迁的电子有：形成单键的σ电子；形成双键的π电子及未成键的n电子。各类电子跃迁的能量大小见下图：分子中电子跃迁类型：1.σ→σ*跃迁电子从σ轨道跃迁到σ*轨道称为σ→σ*跃迁特征：跃迁需要能量最大，吸收波长最短，最大吸收谱带出现在远紫外区。化合物类型：饱和烃类2.π→π*跃迁电子从π轨道跃迁到π*轨道，称为π→π*跃迁。特征：跃迁所需能量较小，吸收强度大。化合物类型：不饱和烃类化合物，含有C=C，C≡C，C=N等基团；孤立双键吸收峰的波长在200nm附近；具有共轭双键，π→π*跃迁能量降低，吸收峰波长向长波方向移动3.n→π*跃迁电子从n轨道跃迁到π*轨道，称为n→π*跃迁。特征：跃迁需要的能量较小，吸收强度弱吸收峰的波长在近紫外区，有时在可见光区。化合物类型：当不饱和键上连有杂原子（如C=O、-N2O）时，杂原子上的未共享电子（n电子）跃迁到π*轨道。如丙酮、4-甲基-3-戊烯酮。4.n→σ*跃迁电子从n轨道跃迁到σ*轨道，称为n→σ*跃迁。特征：跃迁需要能量较低，吸收峰的波长约在200nm附近。化合物类型：具有未共享电子对的一些取代基，如-OH，-NH2，-X，-S等杂原子的饱和化合物。不同类型化合物产生的电子跃迁类型五、紫外光谱的max及其主要影响因素紫外吸收光谱的表示方法及常用术语•紫外吸收光谱的表示方法是以波长为横坐标，以吸光度A或吸光系数为纵坐标所描绘的曲线。•吸收峰：吸收度为纵坐标，曲线的峰称吸收峰，其对应的波长称为最大吸收波长（λmax）•吸收谷：吸收曲线的谷对应的波长称为最小吸收波长•肩峰：峰旁边的小的曲折称肩峰•末端吸收短波区的吸收曲线吸收强，不形成峰，称末端吸收•强带：＞104；弱带：＜103•表示方法：：237nm(104)或：237nm(lg4.0)溶剂max溶剂max紫外吸收光谱中的一些常见术语•发色团：分子结构含有电子的基团。•助色团：含有非成键n电子的杂原子饱和基团。•红移（长移）：由于取代作用或溶剂效应导致吸收峰向长波方向移动的现象。•蓝（紫）移：由于取代作用或溶剂效应导致吸收峰向短波方向移动的现象。•增色效应和减色效应：由于取代或溶剂等的改变，导致吸收峰位位移的同时，其吸收强度发生变化，增强的称增色（浓色）效应，减弱的称减色（淡色）效应。（一）电子跃迁类型对max的影响*跃迁峰位：150nm左右n*跃迁峰位:200nm左右*跃迁峰位:200nm(孤立双键),强度最强（跃迁时产生的分子极化强度高）n*跃迁峰位:200~400nm（二）发色团与助色团对max的影响紫外吸收光谱主要由*及n*跃迁贡献的。（三）样品溶液的浓度对max的影响在单色光和稀溶液的实验条件下，溶液对光线的吸收遵守Lambert-Beers定律，即吸光度（A）与溶液的浓度（C）和吸收池的厚度（l）成正比A=lC为摩尔吸光系数max=5000~10000强吸收max=200~5000中强吸收max200弱吸收Lambert-Beer定律•在单色光和稀溶液的实验条件下，溶液对光线的吸收遵循Lambert-Beer定律。即吸光度（A）与溶液的浓度（C）和吸收池的厚度（l）成正比。A=alC•若溶液的浓度用摩尔浓度，吸收池的厚度以厘米为单位，则Beer定律的吸光系数（a）可表达为，即摩尔吸光系数。A=lC=-lgI/I0;即=A/lC•I0:入射光强度；I:透射光强度实际工作中吸光系数的表示方法•百分吸光系数和摩尔吸光系数•吸收具有加和性（四）吸光度的加和性对max的影响A混(1)=A11+A21A混(2)=A12+A22（五）共轭体系对max的影响丁二烯吸收峰：max=217nm乙烯吸收峰：max=175nm1.共轭烯类C=C-C=C2.两个不同发色团相互共轭时对紫外光谱的影响联苯共轭能（E）与旋转角（）的关系:E=Emaxcos2旋转角小于30°时，共轭能的变化较小；旋转角度从30°到60°变化时，共轭能变化显著；旋转角接近90°，由于E0，则共轭不复存在。至于未取代的联苯，其45°，max=246nm，max=19000(六)立体效应对max的影响1.空间位阻的影响：2.顺反异构的影响3.跨环效应的影响二环庚二烯二环庚烯（1）n*跃迁所产生的吸收峰随着溶剂极性的增大而向短波方向移动。（2）*跃迁所产生的吸收峰随着溶剂极性的增大而向长波方向移动。1.溶剂极性对跃迁的影响(七)溶剂对光谱的影响3、测定溶剂的选择八、吸收带及芳香化合物的紫外光谱特征吸收带E1带：*184nm(＞10000)E2带：*203nm(≈7400)B带：*254nm(≈200)（一）吸收带1、R带：n*跃迁所产生的吸收带。特点：吸收峰处于较长吸收波长范围（250-500nm），吸收强度很弱,＜100。2、K带：共轭双键的*跃迁所产生的吸收带。特点：吸收峰出现区域210-250nm，吸收强度大,＞10000（lg＞4）。3、B带：苯环的*跃迁所产生的吸收带，是芳香族化合物的特征吸收。特点：吸收峰出现区域230-270nm，重心在256nm左右，吸收强度弱,≈220。非极性溶剂可出现细微结构，在极性溶剂中消失。4、E带：苯环烯键电子*跃迁所产生的吸收带。E带也是芳香族化合物的特征吸收。E带又分为E1和E2两个吸收带：E1带：是由苯环烯键电子*跃迁所产生的吸收带，吸收峰在184nm，lg＞4（约为60000）。E2带：是由苯环共轭烯键电子*跃迁所产生的吸收带，E2带的吸收峰出现在204nm，lg=4（约为7900）。计算下面化合物的λmax例3计算下列化合物的max值(1)对多功能基取代苯，可按取代基的电负性和位置用下表的增值计算K带（E2带）第三节紫外光谱在有机化合物结构研究中的应用一、确定未知化合物是否含有与某一已知化合物相同共轭体系两个化合物相同，则紫外光谱应完全相同；而紫外光谱相同，结构不一定相同。二确定未知不饱和化合物的结构骨架（一）将max的计算值与实测值进行比较（二）与同类型的已知化合物UV光谱进行比较同类化合物在紫外光谱上既有共性，又有个性。其共性可用于化合物类型的鉴定，个性可用于具体化合物具体结构的判断。黄酮类化合物：300~400nm(谱带I);220~280nm(谱带II)芦丁加入诊断试剂后的峰位变化三确定构型上述化合物的紫外光谱给出max:206nm(=5350);250nm(=10500)A计算值：max=249nm例2二苯乙烯max:280nm(max=10500)max:295.5nm(max=29000)(A):245nm;(B):308nm;(C):323nm例2乙酰乙酸乙酯极性溶剂（water）非极性溶剂(hexane)max:272nm(=16)max:243nm(强峰）红外光谱是分子光谱，用于研究分子的振动能级跃迁。红外线可引起分子振动能级和转动能级的跃迁,所以又称振-转光谱。第一节基本原理一、红外吸收的波长范围红外光波波长位于可见光波和微波波长之间0.75-1000m(1m=10-4cm)其中：近红外0.8-2.5m（12500～4000cm-1）中红外2.5-25m（4000-400cm-1）远红外25-1000m（400～25cm-1）第二章红外光谱近红外区：主要用于研究分子中的O-H、N-H、C-H键的振动倍频与组频中红外区：主要用于研究大部分有机化合物的振动基频远红外区：主要用于研究分子的转动光谱以及重原子成键的振动。通常的红外光谱为中红外区。红外光波的波长常用波数(cm-1)表示。波数的定义：每1厘米范围内所含光波的数目。波数=104/(m)。因此，2.5m波长，相当于104/2.5cm-1，即：4000cm-1，而25m相当于400cm-1。二、红外吸收红外吸收：一定波长的红外光照射被研究物质的分子，若辐射能(h)等于振动基态(Vo)的能级(E1)与第一振动激发态(V1)的能级(E2)之间的能量差(E)时，则分子可吸收能，由振动基态跃迁到第一振动激发态(V0V1)：E=E2-E1=h分子吸收红外光后，引起辐射光强度的改变，由此可记录红外吸收光谱，通常以波长(m)或波数(cm-1)为横坐标，百分透过率(T%)或吸光度(A)为纵坐标记录。环庚三烯的红外光谱图T%愈低，吸光度就愈强，谱带强度就愈大。根据T％，谱带强度大致分