天然药物化学和结构解析-研究生

•天然药物的结构解析前言：天然药物单体化合物的结构表征(即测定)——从分子水平认识物质的基本手段，是天然药物化学的重要组成部分。过去，主要依靠化学方法进行各类型有机化合物的结构测定,其缺点是：费时、费力、费钱，需要的样品量大。例如：鸦片中吗啡碱结构的测定，从1805年开始研究，直至1952年才完全阐明，历时147年。而现在的结构测定，则采用现代仪器分析法，其优点是：省时、省力、省钱、快速、准确，样品消耗量是微克级的，甚至更少。它不仅可以研究分子的结构，而且还能探索到分子间各种集聚态的结构构型和构象的状况，对人类所面临的生命科学、材料科学的发展，是极其重要的。HOOHNCH3吗啡碱OPalytoxinOHOHN2OOOHHOOHHOOHOHOHOOHHOOH3OHROHOHOHHOOHOOOOHOHOHOHOHOHN(CH)NO2nHHOHOHOHOHOOHHOOHOHOOHHOO2OHRHOOHOHOHHO1OHR123R=R=R=OH,n=1结构研究的主要程序•U=IV-I/2+III/2+1初步推断化合物类型测定分子式，计算不饱和度确定官能团或结构片断或基本骨架推断并确定分子平面结构推断并确定分子的主体结构元素定量分析配合分子量测定同位素丰度比法HR-MSUV、IR、MS、NMR文献CD、ORD、NOE、2D-NMR、X-ray……核磁共振仪核磁共振谱一、基本原理1.原子核的自旋核象电子一样，也有自旋现象，从而有自旋角动量。核的自旋角动量(ρ)是量子化的，不能任意取值，可用自旋量子数(I)来描述。H0旋进轨道自旋轴自旋的质子2)1(hIII＝0、1/2、1……I=0，ρ=0，无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振信号。∴只有当I＞O时，才能发生共振吸收，产生共振信号。I的取值可用下面关系判断：质量数（A）原子序数（Z）自旋量子数（I）奇数奇数或偶数半整数n+1/2。n=0,1,2,…奇数整数偶数偶数0例如：HAZ（1）（1）CAZ（12）（6）NAZ（14）（7）奇-奇偶-偶偶-奇I为半整数（1/2）I=0I为整数有共振吸收有共振吸收无常见的NMR谱有：1H13C15N19F取向数=2I+1（在没有外电场时，自旋核的取向是任意的）。即：H核在外场有两个自旋方向相反的取向。H核：自旋取向数=2×1/2+1=2H01H'H'一致相反1.化学位移的由来——屏蔽效应化学位移是由核外电子的屏蔽效应引起的。二、化学位移定义：在照射频率确定时，同种核因在分子中的化学环境不同而在不同共振磁场强度下显示吸收峰的现象称为化学位移。因此一个质子的化学位移是由其周围的电子环境决定的。H核在分子中不是完全裸露的，而是被价电子所包围的。因此，在外加磁场作用下，由于核外电子在垂直于外加磁场的平面绕核旋转，从而产生与外加磁场方向相反的感生磁场H’。这样，H核的实际感受到的磁场强度为：若质子的共振磁场强度只与γ(磁旋比)、电磁波照射频率v有关，那么，试样中符合共振条件的1H都发生共振，就只产生一个单峰,这对测定化合物的结构是毫无意义的。实验证明：在相同的频率照射下，化学环境不同的质子将在不同的磁场强度处出现吸收峰。)1('H0000HHHHH实式中：σ为屏蔽常数核外电子对H核产生的这种作用，称为屏蔽效应(又称抗磁屏蔽效应)。显然，核外电子云密度越大，屏蔽效应越强，要发生共振吸收就势必增加外加磁场强度，共振信号将移向高场区；反之，共振信号将移向低场区。H0低场高场屏蔽效应，共振信号移向高场屏蔽效应，共振信号移向低场去因此，H核磁共振的条件是：）（实1220HH2.化学位移的表示方法化学位移的差别约为百万分之十，精确测量十分困难，现采用相对数值。以四甲基硅（TMS）为标准物质，规定：它的化学位移为零，然后，根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的化学位移值。零点-1-2-31234566789化学位移用表示，以前也用表示，与的关系为：=10-TMS低场高场核磁共振氢谱图示为什么选用TMS(四甲基硅烷)作为标准物质?(1)屏蔽效应强，共振信号在高场区(δ值规定为0)，绝大多数吸收峰均出现在它的左边。(2)结构对称，是一个单峰。(3)容易回收(b.p低)，与样品不反应、不缔合。三、影响化学位移的因素凡影响电子云密度的因素都将影响化学位移。其中6010TMS试样化学位移试样的共振频率标准物质TMS的共振频率感生磁场H'非常小，只有外加磁场的百万分之几，为方便起见，故×106影响最大的是：诱导效应和各向异性效应。(1)电负性的影响：元素的电负性↑，通过诱导效应，使H核的核外电子云密度↓，屏蔽效应↓，共振信号→低场。例如：CCHbHaIαβ屏蔽效应：HbHa高场低场CH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3ICH4TMS4.03.53.02.82.52.11.84.263.143.052.682.160.230CH4CH3ClCH2Cl2CHCl3δ(ppm)0.233.055.337.27(2)磁各向异性效应：因化学键的键型不同，导致与其相连的氢核的化学位移不同。A.双键碳上的质子烯烃双键碳上的质子位于π键环流电子产生的感生磁场与外加磁场方向一致的区域（称为去屏蔽区），去屏蔽效应的结果，使烯烃双键碳上的质子的共振信号移CHaHb高场低场屏蔽效应：HaHbO向稍低的磁场区，其δ=4.5～5.7。同理，羰基碳上的H质子与烯烃双键碳上的H质子相似，也是处于去屏蔽区，存在去屏蔽效应，但因氧原子电负性的影响较大，所以，羰基碳上的H质子的共振信号出现在更低的磁场区，其δ=9.4～10。B.三键碳上的质子：碳碳三键是直线构型，π电子云围绕碳碳σ键呈筒型分布，形成环电流，它所产生的感应磁场与外加磁场方向相反，故三键上的H质子处于屏蔽区，屏蔽效应较强，使三键上H质子的共振信号移向较高的磁场区，其δ=2～3。3.553.751.772.31浓度对δ值的影响(CH3CH2OH/CCl4:a,10%;b,5%;c,0.5%)△δHa=0.76ppm,△δHb=1.15ppmHaHbHcHaHbHca4.68b2.40c1.10a3.92b3.55c0.88OHHO共轭效应ORNH2NO2COR7.277.277.278.217.457.666.817.116.86小结：特征质子的化学位移值102345678910111213C3CHC2CH2C-CH3环烷烃0.2—1.5CH2ArCH2NR2CH2SCCHCH2C=OCH2=CH-CH31.7—3CH2FCH2ClCH2BrCH2ICH2OCH2NO22—4.70.5(1)—5.56—8.510.5—12CHCl3(7.27)4.6—5.99—10OHNH2NHCR2=CH-RRCOOHRCHOHR常用溶剂的质子的化学位移值D四、决定质子数目的方法吸收峰的峰面积，可用自动积分仪对峰面积进行自动积分，画出一个阶梯式的积分曲线。峰面积的大小与质子数目成正比。峰面积高度之比=质子个数之比。4cm(2H)8cm(4H)2cm(1H)14cm(7H)OHOOHO23410678951'2'3'4'5'6'OHOH五、共振吸收峰（信号）的数目一个化合物究竟有几组吸收峰，取决于分子中H核的化学环境。有几种不同类型的H核，就有几组吸收峰。例如：CH3CH2OHabc屏蔽效应：HaHbHcHaHbHc低分辨率谱图化学等价•分子中若有一组核，其化学位移严格相等，则这组核称为彼此化学等价的核。例如CH3CH2Cl中的甲基三个质子，它们的化学位移相等，为化学等价质子，同样亚甲基的二个质子也是化学等价的质子。例1：CH3-O-CH3一组NMR信号例2：CH3-CH2-Br二组NMR信号例3：(CH3)2CHCH(CH3)2二组NMR信号例4：CH3-CH2COO-CH3三组NMR信号处于相同化学环境的原子—化学等价原子化学等价的质子其化学位移相同，仅出现一组NMR信号。化学不等价的质子在NMR谱中出现不同的信号组。化学等价质子与化学不等价质子的判断•---可通过对称操作(对称轴Cn，对称平面，对称中心)或快速机制（如构象转换）互换的质子是化学等价的。•---不可通过对称操作或快速机制（构象转换）互换的质子是化学不等价的。•---与一个手性碳原子相连的CH2上的两个质子是化学不等价的。化学等价质子与化学不等价质子的判断CCHaHbClClCHaHbClClOH3CCH3H3CClHbClCH3HaCHaHbBrClOHbBrHaBrHaCH3CH3HbH3CClHbBrCH3HaCCHaHbClHcH3CCCH3CH3OCH3ababNO2HaHbHcHbHaCHCClH3CCH3HaHbABCDEFGHIJKL六、自旋偶合与自旋裂分。产生的原因：相邻的磁不等性H核自旋相互作用（即干扰）的结果。这种原子核之间的相互作用，叫做自旋偶合。由自旋偶合引起的谱线增多的现象，叫做自旋裂分。偶合表示核的相互作用，裂分表示谱线增多的现象。现以CH3CH2―I为例，讨论自旋偶合与自旋裂分作用：自旋偶合与自旋裂分规律•1H在磁场中有两种自旋取向•α表示氢核与磁场方向一致.•β表示氢核与磁场方向相反.•乙基中-CH2的氢可以与磁场方向相同,也可与磁场方向相反.两个氢自旋组合共有四种(αα、ββ、αβ、βα）,产生三种局部磁场。•亚甲基所产生的三种局部磁场，影响邻近甲基上的质子所受到的磁场作用。•αβ和βα两种状态产生的磁场恰好相互抵消，不影响甲基的质子共振峰。•αα状态磁矩与外磁场一致，相当于-CH3上H处于去屏蔽区，发生共振时所需磁场比①小，出现在较低场。•ββ状态磁矩与外磁场相反，相当于-CH3上H处于屏蔽区，发生共振时所需磁场比①大，出现在较高场。因此，-CH2的两个1H产生的三种不同的局部磁场，使邻近的甲基质子分裂为三重峰。由于上述四种自旋组合概率相同。因此，三重峰相对面积比为：1:2:1。同理，甲基上三个氢产生四种不同的局部磁场，反过来使邻近亚甲基峰分裂为四重峰，根据概率关系，可知其面积比近仅为1:3:3:1。(如图)CHaHaCHbHbHaI峰的数目=n+1n：为相邻H核的数目•当某组质子有n个相邻的化学等价质子时，这组质子的吸收峰将裂分成n+1重峰。n数二项式展开式系数峰形01单峰s111二重峰d2121三重峰t31331四重峰q414641五重峰m515101051六重峰•严格的一级谱才符合上述公式•△vJ七、偶合常数每组吸收峰内各峰之间的距离，称为偶合常数，以Jab表示。下标ab表示相互偶合的磁不等性H核的种类。JabJab偶合常数的单位用Hz表示。偶合常数的大小与外加磁场强度、使用仪器的频率无关。值得注意的是：自旋偶合与相互作用的两个H核的相对位置有关，当相隔单键数≤3时，可以发生自旋偶合，相隔三个以上单键，J值趋于0，即不发生偶合。磁等性H核之间不发生自旋裂分。如CH3—CH3只有一个单峰。氢裂分的表示、耦合常数的计算•单峰（s）•CH3ClCH3OCH3•双峰（d）•CH3CHCl2•三重峰（t）•CH3CH2OH•四重峰（q)CH3CH2OH•dd峰•Cl2CHCH2CH=O•dt峰•Cl2CHCH2CH2•其他：dq，ddd，dddd等d峰：(6.2505-6.2295)*400=8.4Hz6.25056.22958.4Cl2CHCH2CH=O同碳质子的偶合常数（2J，J同）以2J或J同表示，2J一般值较大（大于10），但双键耦合常数只有0－2Hz。影响2J的因素主要有：取代基电负性会使2J的绝对值。对于脂环化合物，环上同碳质子的2J值会随键角的增加而减小。邻碳质子的偶合常数（3J,J邻）•3J的大小与二面角、取代基电负性、键长、键角等因素有关。3J与二面角的关系3J与二面角的关系：JaaJaeJee若邻碳二氢皆处于直立键位置，则其对应的二面角约为180°，Jaa≈J180；若邻碳二氢分别处于直立键