沈阳药科大学 有机化合物波谱分析课件

1有机化合物波谱解析2010天然药化------高慧媛2主要内容绪论谱学知识介绍（1-4章）结构解析举例（第5章）3绪论一、化合物光谱解析的目的和意义二、结构解析的常规程序三、学习结构解析的方法和注意事项四、有机化合物光谱解析的常用方法及其原理4一、化合物光谱解析的目的和意义•是药物化学的基本研究方法•是中药研究实现现代化的需要•我国原创新药发展的需要•学科交叉共同发展的需要绪论1.目的意义5药物化学的基本研究方法药物化学合成（合成化学、生物转化等）中药的提取分离活性测试结构解析绪论目的和意义6实现中药现代化研究的需要传统中成药现代中药中药化学成分研究中药药效作用物质基础研究中药质量控制研究化学成分绪论目的和意义7我国原创新药发展的需要原创药物的来源天然药物化学合成药物生物工程化学结构结构解析绪论目的和意义8学科交叉共同发展的需要结构解析药物分析药效学天然药物化学药物制剂毒理学合成药化绪论目的和意义9N1245678910111213141516HOOOH吗啡碱morphine结构完全确证经历了150年采用现代谱学分析仅用几天，X-单晶衍射时间就更短，若干小时1806年德国学者F.W.Sertrner从鸦片中分离出吗啡碱2.波谱解析发展状况10NHNMeOOCOMeOCOOMeOMeOMe平面、立体结构完全确定，计4年时间利血平11OOOOOOOOOOOOOOHOOOOOOOOOOOOOOOOOOOHHMeHHOHHMeHOHOHOHHHHHHHHOOHHOHHOHHHOOHHHMeHMeHHHMeOHMeHHHHHMeMeMeMeOHHOMeHHHHHMeHMeMeHHMeHMeHMeHHOHHHOHOHHHHHHNaO3SOHHHHHHHHOOHMeMeOHOHMeMeOSO3NaOH33OHOHOHHO是目前分离得到的结构最大的聚醚类化合物，是通过3DNMR技术、化学降解、与已知合成小分子化合物比较并于1993年将结构确定下来。是目前发现的非蛋白质类毒性最大的化合物之一。参考文献：MurataM,NaokiH,MatsunagaS,etal.StructureandPartialStereochemicalAssignmentsforMaitotoxin,theMostToxicandLargestNaturalNon-Biopolymer.JAmChemSoc,1993,35:167512纯度确定分子式确定二结构解析的常规程序不饱和度确定平面结构式确定立体构型构象确定mp.、TLCHPLC、GC元素分析、HRMS、NMRΩ=n+1-nH/2-nX/2+nN/2UV、IRMS、NMRCD、ORDNOE、x-ray13三、学习结构解析的方法和注意事项•熟悉结构解析的方法和原理•注意各光谱学方法的特点及注意事项•掌握各种常见化合物的光谱规律•学会总结和归纳不同类型化合物的光谱规律•学会模拟各类化合物的光谱图•勤学多练绪论14四、天然化合物光谱解析的常用方法及其原理•UV•IR•NMR•MS•CD、ORD•X-ray单晶衍射绪论15主要内容绪论谱学知识介绍（1-4章）结构解析举例（第5章）16基础知识1、紫外光谱（ultravioletspectra）：外层电子能级跃迁2、红外光谱（infraredspectra）：分子振动与转动能级跃迁3、核磁共振谱（NMRspectroscopy）：核自旋能级跃迁4、质谱（massspectra）：质量裂解，能量谱表1-1电磁波的不同区域及应用波谱学分类X-射线衍射紫外-可见光谱红外光谱微波吸收谱核磁共振谱内层电子能级跃迁外层电子能级跃迁分子振动与转动能级跃迁分子转动能级跃迁电子自旋能级跃迁核自旋能级跃迁X-射线紫外可见红外微波无线电波远紫外近紫外近红外中红外远红外100nm200nm400nm800nm2.5μm25μm400μm25cm1m第一章紫外光谱（ultravioletspectra）17谱学知识介绍181.电子跃迁的类型及能量谱学知识介绍12016018020024027032019σ→σ*跃迁：σ轨道上的电子由基态到激发态属于σ→σ*跃迁。需要较高的能量，所以能吸收短波长的紫外线，一般其吸收发生在低于150nm的远紫外区。π→π*跃迁双键或叁键中π轨道的电子跃迁到π*。能量较σ→σ*跃迁的小，孤立双键或叁键吸收一般在小于200nm的紫外区。例如，乙烯在165nm处有吸收。谱学知识介绍20n→π*跃迁：在-CO-、-CHO、-COOH、-CONH2、-CN等基团中，或不饱和键一端直接与具有未用电子对的杂原子相连，将产生n→π*跃迁。所需能量最小，吸收强度弱，但对有机化合物结构分析很有用，例如饱和酮在280nm出现的吸收就是n→π*跃迁。n→σ*跃迁：含有未共用电子对的基团，如-OH、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-I等，未共用电子对将产生n→σ*跃迁，吸收多小于200nm的紫外区，谱学知识介绍21222.不同类型化合物产生的电子跃迁类型1）.饱和烃类化合物•只含有键电子，只产生跃迁，最大吸收到出现在200nm的真空紫外区。2）.不饱和烃类化合物•既有键电子又有键电子，键电子引起及跃迁。谱学知识介绍233）含有杂原子的有机化合物•杂原子上未成键的孤对电子（n电子）产生n或n跃迁。a.含杂原子的饱和有机化合物，可产生n跃迁。b.分子中有双键或三键的键电子(如C=O、C=S、CN)或杂原子与键电子的原子相互共轭时(=CH-O-)，则产生n及n跃迁。c.若n电子与电子之间未形成p-共轭，只能产生、和n跃迁，不会产生n跃迁。谱学知识介绍243.吸收带(1)R带：n*跃迁所产生的吸收带。由含杂原子的的不饱和基团产生（如C=O,-N=N-,-N=O等）。特点：吸收峰处于较长波长范围(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)。25(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。重心在254nm左右，吸收强度弱，≈220。非极性溶剂中可出现，在极性溶剂中消失。(4)E带：也是芳香族化合物的特征吸收。•E1带：由苯环烯键电子*跃迁所产生•在184nm，lg＞4(约为60000)。•E2带（K)：是由苯环共轭烯键电子*跃迁产生，吸收峰出现在204nm，lg=4(约为7900)。第一章紫外光谱（ultravioletspectra）26E1带：*184nm(＞10000)E2带：*203nm(≈7400)B带：*254nm(≈200)274.紫外吸收光谱常用术语1）允许跃迁/禁阻缺欠能量上不允许，跃迁几率低，如：π→σ*，σ→π*谱学知识介绍2）发色团：分子结构含有电子的基团。C=C,C=O,-N=N-,-C=S等，产生，n跃迁。3）助色团：含有非成键n电子的杂原子饱和基团。4）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。285）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。6）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。谱学知识介绍295.影响紫外吸收光谱的主要因素（1）共轭效应延长共轭系统（π-π、p-π、超共轭），红移。1）π－π共轭：使π→π*、n→π*跃迁峰红移，共轭双键数目越多，吸收峰红移越显著。谱学知识介绍30maxλEΔE图1-11共轭多烯分子轨道能级示意图16221725829631322）p-π共轭：体系越大，助色基团的助色效应越强，吸收带越向长波方向移动（1）共轭效应CCX谱学知识介绍CCRCCEEEΔΔn321**πππππ图1-13π体系和助色基团相互作用形成新的分子轨道能级示意图33体系助色基（X）使π→π*跃迁λmax的增加值NR2ORSRClBrX－C＝C4030455-X－C＝C－C＝O9530851230X－C6H543172326表1-3一些助色基的助色效应34Nr=0.75I=3.0Sr=1.09I=2.8Clr=0.97I=3.0Ir=1.32I=2.5Brr=1.12I=2.8Or=0.69I=3.5353）超共轭效应（δ-π超共轭）：烷基取代双键碳上的氢以后，通过烷基的C—H键和π体系电子云重叠引起的共轭作用，使π→π*跃迁红移，但影响较小。（1）共轭效应CCCH谱学知识介绍36（2）立体效应1）生色团之间、生色团与助色团之间空间过于拥挤，则导致共轭程度降低,吸收峰位紫移。λmax247253237231227（肩峰）谱学知识介绍372）顺反异构：因反式异构体空间位阻较小，能有效地共轭，则峰位位于长波端，吸收强度也较大。（2）立体效应CCHHCOOHCCHCOOHHλmax295nmλmax280nmεmax27000εmax13500谱学知识介绍38HHHHHHHHHHHH(s-trans)(s-cis)共轭二烯类化合物的顺反异构（构象）顺式比相应的反式异构体的吸收波长长，但吸收强度弱s-transs-cis谱学知识介绍λmax270nmλmax234nmεmax5000～15000εmax12000～28000393）跨环效应：在环状体系，分子中两个非共轭生色团处于一定的空间位置，产生的光谱，既非两个生色团的加合，亦不同于二者共轭的光谱。（2）立体效应λmax（nm）205214220230（肩峰）197εmax21002148702007600谱学知识介绍40（3）溶剂效应1）溶剂极性的改变对吸收峰位置和强度都有影响。π→π*跃迁：溶剂极性的增大，长移。n→π*跃迁：溶剂极性的增大，短移。谱学知识介绍412）酸性、碱性或两性物质时，溶剂的pH值对光谱的影响很大，如：OHO_HOH+_NHNH23HOH+_λmaxλmax270nm287nm280nm254nm谱学知识介绍42（4)含杂原子的双键化合物1).羰基化合物A醛酮类：C=O跃迁位于远紫外区；n跃迁max270~300nm，100。酮羰基n跃迁较醛基蓝移原因：δ-π超共轭使能量增加，n跃迁能级。B羧酸、酯、酰氯、酰胺类：n跃迁max显著蓝移原因：极性诱导使n轨道能量下降，n跃迁能级谱学知识介绍432).硫羰基化合物R2C=S较R2C=O中n跃迁max红移，约500nm。谱学知识介绍（4)含杂原子的双键化合物外层n轨道电子能量高，n跃迁所需能量低44紫外光谱的max的主要影响因素小结共轭体系立体效应溶剂1.-共轭2.p-共轭3.超共轭效应1.空间位阻2.顺反异构3.跨环效应1.溶剂极性2.溶液的pH值极性，n*跃迁蓝移*跃迁红移酚、烯醇：碱中，红移羧酸类：碱中，红移苯胺类：酸中，紫移特例45(A)(B)练习1)：UV光谱法区分下列几组化合物OO(A)(B)a.b.2)2-(环己-1-烯基)-2-丙醇在H2SO4存在下加热处理，得到主要产物的分子式为C9H14，产物紫外光谱λmax=242nm(εmax＝10100)，推断这个主要产物的结构，并讨论其反应过程。CCHOHCH33466紫外光谱的应用1）主要用于判断结构中的共轭系统、结构骨架（如香豆素、黄酮等）谱学知识介绍max215nm（咪唑）max275nm（苯丙烯酸）47黄酮类化合物：220~280nm(谱带II)苯甲酰系统300~400nm(谱带I)肉桂酰系统48OOII带强，I带弱异黄酮类化合物：245~270nm(谱带II)苯甲酰系统492）确定未知化合物是否含有与某一已知化合物相同的共轭体系。未知化合物与一知化合物的紫外谱图具有相同的走向，可认为两者具