未知化合物的结构解析

未知化合物的结构分析

关键词：结构解析 光谱技术 色谱技术 计算机技术

远古时期, 人类就已经开始从自然环境中去发现和利用天然资源。时至今日，人们还可以运用化学方法合成多种物质，甚至是未知的化合物，产物结构分析以及来自环境和生物样品的天然产物或药物的分析鉴定是十分复杂且费时耗力的艰难过程。[1]努力寻找和发展新的分析技术来改善这些过程一直是分析化学所面临的重要挑战。[2]长期以来, 研究工作者已经发展了一整套应用于化合物的结构鉴定分析技术, 其中质谱和核磁共振是最重要的结构解析技术，此外还有各种光谱技术的应用，本文对质谱、核磁共振以及各种光谱在未知化合物结构解析中的应用加以阐述。

1 质谱技术

1.1 原理

试样中各组分电离生成不同荷质比的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，利用电场和磁场使发生相反的速度色散——离子束中速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小；在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小；当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点。与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。

1.2解析步骤

a 、确认分子离子峰，并由其求得相对分子质量和分子式；计算不饱和度。找出主要的离子峰（一般指相对强度较大的离子峰），并记录这些离子峰的质荷比（m/z值）和相对强度。

b 、对质谱中分子离子峰或其他碎片离子峰丢失的中型碎片的分析也有助于图谱的解析。

c 、用MS-MS 找出母离子和子离子，或用亚稳扫描技术找出亚稳离子，把这些离子的质荷比读到小数点后一位。

d 、配合元素分析、UV 、IR 、NMR 和样品理化性质提出试样的结构式。最后将所推定的结构式按相应化合物裂解的规律，检查各碎片离子是否符合。若没有矛盾，就可确定可能的结构式。

已知化合物可用标准图谱对照来确定结构是否正确，这步工作可由计算机自动完成。对新化合物的结构，最终结论要用合成此化合物并做波谱分析的方法来确证[3] 。

1.3分类

质谱法可分为电子轰击质谱EI-MS ，场解吸附质谱FD-MS ，快原子轰击质谱FAB-MS ，基质辅助激光解吸附飞行时间质谱MALDI-TOFMS ，电子喷雾质谱ESI-MS 等等

1.4应用

目前，应用较广的为电喷雾质谱法。电喷雾质谱作为一种先进的软电离质谱技术, 其特点是特别适用于极性和热不稳定化合物甚至混合物的分析[4,5]，为研究天然产物提供了一种简捷、 快速、 灵敏的分析方法电喷雾多级串联质谱不仅能监测分离过程, 直接对粗分物 中的已知成分快速表征, 还可以对样品中的未知化合物进行结构预测，从而简化分离、纯化及结构鉴定的过程, 比如对刺五加

叶中黄酮类化合物的结构鉴定[6]，以及某些生物碱类新成分的结构鉴定[7]。

同时，质谱法常与色谱联机应用，如液相色谱-质谱联机【8】。高效液相色谱与质谱分别基于物质在两相之间的分配差异和带电粒子质荷比的差异而达到分离，两者联用可组成正交二维分离分析系统。这一技术与能够测定化合物的精确质量并具有功能的高分辨时间飞行质谱联用，成为复杂体系分离分析以及化合物结构鉴定的良好平台，并已用于大鼠尿液这一复杂体系的分离分析，取得了良好的效果［9,10,11］。

2 核磁共振技术

核磁共振(NMR)目前已公认为是天然有机化合物结构解析中最重要的一个手段。近年来, 随着超导磁铁高磁场NMR[12]的普及以及二维核磁(2D一

NMR)[13 ,14]等各种软件的开发利用, 分子量在1000以下的大多数天然有机化合物几乎只要单独应用NMR(1H 一NMR 及13c 一NMR), 或者在必要时辅以少许衍生物制备即可决定它们的结构[15]。

2.1原理

核磁共振研究是以兆周级的电磁波作用到原子核上, 原子核吸收电磁波的能量发生共振跃迁, 从而得到核磁共振谱线。只有自旋量子数I ≠0=1/2的原子核才

[1**********]有自旋现象, 才能发生核磁共振。这些原子核如H 、C 、Si 、P 、F 。相反, C 、

16O 、28Si 这些原子核因其自旋量子数I=0,核本身无自旋现象, 因而不能发生核磁共振。到目前为止, 使用最多的核磁共振法是1H-和13C-核磁共振法。

2.2核磁共振氢谱

氢的核磁共振谱提供了三类极其有用的信息：化学位移、偶合常数、积分曲线。应用这些信息，可以推测质子在碳胳上的位置。在氢谱中影响1H 化学位移的因素有：取代基电负性，相邻碳原子s-p 杂化，环状共轭体系的环电流效应，相邻键的磁各向异性，相邻基团电偶极和范德华力的影响，介质的影响和氢键

[16]

在应用1H 一NMR 研究结构时, 分子量超过100。或类似的结构单位在分子中重复出现的化合物, 尤其当分子中含有的质子数目较少或者质子自旋体系因季碳或杂原子的存在而被切断时, 其光谱的解析依然存在相当大的困难。现在1H 一NMR 的上述弱点已可通过灵活运用13C 一NMR 的种种测定技术而得到弥补。[17]

2.2.1解析步骤

a. 检查整个氢谱谱图的外形、信号对称性、分辨率、噪声、被测样品的信号等。

b. 应注意所使用溶剂的信号、旋转边带、C 卫星峰、杂质峰等。

c. 确定TMS 的位置，若有偏移应对全部信号进行校正。

d. 根据分子式计算不饱和度u 。 e. 从积分曲线计算质子数。

f. 解析单峰。对照附图是否有－CH3-O-、CHCOCH3N=、CH3C 、RCOCH2Cl 、RO-CH2-Cl 等基团。

g. 确定有无芳香族化合物。如果在6.5-8.5范围内有信号，则表示有芳香族质子存在。如出现AA`BB`的谱形说明有芳香邻位或对位二取代。 h. 解析多重峰。按照一级谱的规律，根据各峰之间的相系关系，确定有何种基团。如果峰的强度太小，可把局部峰进行放大测试，增大各峰的强度。

i.把图谱中所有吸收峰的化学位移值与附图I 相对照，确定是何官能团，并预测质子的化学环境。

j. 用重水交换确定有无活泼氢。

k. 连接各基团，推出结构式，并用此结构式对照该谱图是否合理。再对照已知化合物的标准谱图。

2.3核磁共振碳谱

核磁共振碳谱原理与氢谱原理相同构，相对于氢谱而言，具有以下几种优点。 a 、碳原子成有机化合物的骨架，掌握有关碳原子的信息在有机物结构鉴定中具有重要意义。从这个角度看，碳谱的重要性大于氢谱。

b 、常见的有机化合物δ值很少超过10ppm ，而碳谱的变化范围可卡超过200ppm 碳谱的化学位移变化范围比氢谱大。

c 、碳谱有多种多重共振方法，又发展了几种区别碳原子级数的方法，较之氢谱信息丰富，结论清楚。

d 、碳原子的弛豫时间较长，能被准确测定。

但碳谱也有着灵敏度低，所需样品较氢谱多得多的缺点。

2.3.1解析步骤

1、 鉴别谱图中的真假谱峰，有溶剂峰、杂质峰

2、 有元素组成式计算化合物的不饱和度

3、 分子对称性的分析

4、 碳原子δ值的区分，碳谱可大致分为三个区：羰基或叠烯区，不饱和碳原子区，脂肪链碳原子区。

5、 碳原子级数的确定

6、 推出结构单元并进一步组合成若干可能的结构式

进行对碳谱的指认

2.4 应用

下面将以若干NMR 新技术在天然化合物结构解析中的运用为例，并结合具体实例来简单说明。首先是氘代引起的碳的信号位移，如象在CDC 13 等氘代溶剂中

常见的那样, 结合在碳原子上的H 如被其重同位素氘取代时, 则在13C 一NMR 谱中该碳原子信号将向高磁场方向位移。这种现象在酰胺及羟基等具有13C 一X 一H 结构(X=0或N) 的物质中尤易发生, 故可用于结构解析。如mycotrienins 的结构确定[18]。Monazomyein 羟基数目的确定[19]，第二种是远程选择氮核去偶(LSPD)的利用[18]比如多肽中氨基酸顺序的确定[20],第三种是远程C 一HJ 分解法(LRJR) ，如同在饱和化合物中所常见的那样, 当与一个碳原子偶合的H 数过多(通常3~4个以上), 信号分裂图式很复杂时, 用LSPD 法即使对一个氢照射, 也几乎无法看到应当发生的变化。此时, 可以采用Bax[21]的远程C 一H J分解法。例如Oxylapentine 的结构测定[22]；还有差光进法，我们以天然化合物

Hygrolidin[23]为例, 由于H 一16与H 一22的化学位移正好完全相同, 且位于信号复杂重迭的区域, 因此识别两个H 信号并查明相关的氢核自旋体系是很困难的问题。但是Seto 等人[23]通过差光谱法并反复进行双照射及三重照射, 成功地解决了这个问题。还有2D 一INADQUATE 法[24]，该法系利用双量子跃迁这种特殊现象, 测定自然丰度条件下13C 一13C 偶合的一种方法。

3 光谱技术

目前常用的光谱技术包括：红外光谱，拉曼光谱和紫外光谱。

红外光谱红根据不同物质会有选择性的吸收红外光区的电磁辐射来进行结构分析；对各种吸收红外光的化合物的定量和定性分析的一种方法。随着机算机的发展, 新的傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)出现, 更加拓宽红外光谱的应用。目前已广泛应用于石油、化工、农业、环保、食品、卫生和临床医药等各个方面。各

国药典都已收载作为法定方法[25-28]。未知物如果不是新化合物，标准光谱己有收载的，可有两种方法来查对标准光谱：

A. 利用标准光谱的谱带索引，寻找标准光谱中与试样光谱吸收带相同的谱图

B. 进行光谱解析，判断试样可能的结构。然后由化学分类索引查找标准光谱对照核实。

拉曼光谱是一种散射光谱, 它的产生基于光与分子的非弹性碰撞。当一束单色光照射到物质上时, 物质的分子和光子相互作用, 可能产生弹性碰撞和非弹性碰撞。其中, 弹性碰撞是不存在能量交换过程的, 只是改变了光子的传播方向, 对应于瑞利线。而非弹性碰撞与入射光之间则存在(hv的能量差, 即stokes 线与反stokes 线。拉曼光谱主要考察的是stokes 线。拉曼光谱与红外光谱是相互补充的。分子结构分析中电荷分布中心对称的化学键, 如C -C、N = N、S -S键等, 它们的红外吸收很弱, 而拉曼散射却很强, 因此, 一些使用红外光谱仪无法检测的信息通过拉曼光谱能很好地表现出来[29]。因此，红外-拉曼联用光谱常用于未知化合物的解析。田悦等[30]通过研究发现由于二硫键S -S伸缩振动的频率对它所处的构象非常敏感, 因此拉曼光谱可作为二硫键构象研究的探针。

紫外光谱紫外吸收光谱是一种重要的分析手段, 它广泛应用于有机化合物的结构解析和定量分析, 目前已经广泛应用于制药、精细化学品生产、石油化工及环境检测等领域[31-33],紫外吸收光谱具有仪器价格便宜及操作简便等优点, 同时紫外吸收光谱的基本原理相对简单、根据紫外吸收光谱可以方便地判别出有机化合物的类型、利用经验规律进行有机化合物的结构解析效果也较好, 特别是利用UV 可以确定共扼系统的存在及共扼系统的基本情况, 根据化合物的紫外吸收光谱的吸收情况可以确定化合物的类型, 根据紫外吸收波长确定α，β-不饱和酸、酯化合物的结构: 根据紫外吸收波长确定取代苯衍生物的结构等[34] 4 计算机辅助系统

近年来，随着计算机技术的发展，未知化合物的结构解析技术也有了新的突破，质谱、光谱技术均与计算机技术相结合，使化合物的结构解析更加精准、迅速。计算机辅助结构解析主要有三种方法:波谱数据库、波谱模拟和人工智能目前已经出现商用的结构解析系统, 如加拿大ACD/ LABS 公司的ACD/St ructure Elucidator 已经可以解析含有60~ 90 个碳原子的化合物, 该系统已经与

Bruker 公司核磁共振波谱仪联机[ 2] 。美国Arizona 大学Munk ME 等的CASE 系统, 日本丰桥技术科学大学Sasaki 等的CHEMICS 系统, 前苏联Gribov 等的STREC 系统, 波兰Hipper 等的SEAC 系统, 前南斯拉夫Zupan 等的CARBON 系统[ 3] 。

5 结语

本文简单阐述了质谱法、核磁共振技术、光谱法以及计算机技术在未知化合物结构解析中的应用，并例举了部分实例，希望可以为广大化合物结构分析的科技工作者提供参考与借鉴。

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