波谱综合解析.pptx

波谱综合解析波谱综合解析化工与环境学院2各个谱图的基本作用有机化合物的官能团的问题IR,UVIR,UV谱谱化合物的分子量和分子式MSMS谱谱化合物的结构片断及其连接1D-NMR,2D-NMR化合物的空间位置和立体化学 NOE,NOESY核磁共振谱图规律性强，可解析性高，信息量多，谱图多样。因此以其为基础，推导结构便捷，准确度高。3有机化合物结构综合分析一般策略有机化合物结构综合分析一般策略对于未知化合物对于未知化合物,尤其是复杂分子的结构解析是一个繁尤其是复杂分子的结构解析是一个繁琐的工作琐的工作,也是一个逻辑推理的综合分析的过程也是一个逻辑推理的综合分析的过程,涉及到涉及到四大波谱的知识。四大波谱的知识。但是化合物的结构推导也是有规律可寻但是化合物的结构推导也是有规律可寻,本章介绍有机本章介绍有机化合物结构鉴定的一般策略。化合物结构鉴定的一般策略。4对于合成的目于合成的目标化合物的表征和天然化合物的表征和天然产物分离得到的物分离得到的简单结构的化合物或已知化合物可以用核磁共振构的化合物或已知化合物可以用核磁共振谱再再辅以其它以其它谱图推推导结构。即以核磁共振构。即以核磁共振氢谱、碳、碳谱为基基础，配合，配合质谱、红外光外光谱等推出等推出结构构,由于二由于二维核磁共振核磁共振谱费时和和测试成本高成本高,如果能用一如果能用一维谱解决解决结构构,尽量采用一尽量采用一维核磁共振核磁共振谱。基于二基于二维核磁共振核磁共振谱推推导结构的方法，主要构的方法，主要应用于解决更用于解决更复复杂的的结构构问题。合成目标化合物以及简单化合物的鉴定合成目标化合物以及简单化合物的鉴定复杂化合物的结构鉴定复杂化合物的结构鉴定5当未知物分子量大，当未知物分子量大，结构复构复杂，特，特别是当未知物是当未知物为新的新的结构的化合物构的化合物时，即或利用几种二，即或利用几种二维核磁共振核磁共振谱，再，再辅以其以其它它谱图数据，也可能仍不能推出完整的数据，也可能仍不能推出完整的结构。在构。在这样情况情况下，可以来用下述方法。下，可以来用下述方法。1)尽力制尽力制备未知物未知物样品的品的单晶。用晶。用该样品品测定定X射射线衍射衍射的数据，通的数据，通过对衍射数据的衍射数据的处理，可以得到理，可以得到该未知物的准未知物的准确确结构构(除所含原子及其相互除所含原子及其相互连接接顺序之外尚有序之外尚有键长、键角角等数据等数据)。近十几年来，由于。近十几年来，由于“直接法直接法”的的发展，已使一般的展，已使一般的有机化合物都可通有机化合物都可通过单晶晶X射射线衍射法解决衍射法解决结构构问题。在直。在直接法接法发展起来之前，展起来之前，对样品是有限制的，如重原子法要求品是有限制的，如重原子法要求化合物含重原子。化合物含重原子。62)当当样品是非品是非单晶或不能培养晶或不能培养单晶晶时,选择合适的化学反合适的化学反应将未知化合物裂解将未知化合物裂解,生成小分子生成小分子,鉴定小分子的定小分子的结构后构后,再拼出再拼出原未知化合物的原未知化合物的结构构.尤其在解析糖尤其在解析糖甙,多多肽化合物化合物时得到广得到广泛泛应用用.应用四谱解析结构的一般步骤7TLC,TLC,熔点熔点(沸点沸点),),HPLCHPLC纯度纯度(高分辨高分辨)质谱和元素分析质谱和元素分析分子量分子量/分子式分子式IR，UV官能团官能团1D-NMR,1D-NMR,分析化合物的结构类型及复杂程度；分析化合物的结构类型及复杂程度；2D-NMR2D-NMR并结合质谱碎片分析结构片断、连接顺序及立体化学并结合质谱碎片分析结构片断、连接顺序及立体化学 NMR综合解析步骤综合解析步骤81 1确定分子式。确定分子式。可采用高分辨质谱可采用高分辨质谱(HRMS)(HRMS)法或质谱法或质谱(MS)(MS)法，加元素分析法，加元素分析法，法，HRMSHRMS法用量小，结果准确可靠用元素分析法用量相对法用量小，结果准确可靠用元素分析法用量相对多些，但也仅是毫克水平。根据分子式可算出该化合物的多些，但也仅是毫克水平。根据分子式可算出该化合物的不饱和度。不饱和度。DEPTDEPT技术可以确定化合物的甲基，亚甲基，次技术可以确定化合物的甲基，亚甲基，次甲基和季碳，印证化合物的分子量。甲基和季碳，印证化合物的分子量。2.2.确定官能团确定官能团 利用利用IR,UVIR,UV推导化合物可能的官能团，再用推导化合物可能的官能团，再用1 1HNMR,HNMR,1313CNMRCNMR（DEPT)DEPT)的化学位移印证，要求对常见的的化学位移印证，要求对常见的1 1HNMR,HNMR,1313CNMRCNMR（DEPT)DEPT)的化学位移值范围熟记。的化学位移值范围熟记。9将将HNMRHNMR谱中每个能辨认谱中每个能辨认H H信号，自左至右分别标号，信号，自左至右分别标号，如如a a，b b，c c，dd。对于重叠的信号，根据其所含。对于重叠的信号，根据其所含H H数目数目(由积分求出由积分求出)也要分别用字母标出，如也要分别用字母标出，如e,f,g,he,f,g,h等。谱中所标出的等。谱中所标出的H H数应与分子式中数应与分子式中H H数目相当。若数目相当。若是一个对称性分子，则只能观察到分子中一半氢的是一个对称性分子，则只能观察到分子中一半氢的信号。信号。同样，测一个同样，测一个1313CNMRCNMR谱，包括全去偶谱和谱，包括全去偶谱和DEPTDEPT谱，以谱，以确定该分子所含碳原子的数目和种类，以及每个碳确定该分子所含碳原子的数目和种类，以及每个碳原子连氢的数目。对所有的每种碳从左到右标以原子连氢的数目。对所有的每种碳从左到右标以A,B,C,D.A,B,C,D.3.3.推导结构片断推导结构片断101H-1H COSY用以确定分子中邻氢用以确定分子中邻氢(2J偶合偶合),同碳氢同碳氢(1J偶合偶合)以及以及W偶合氢偶合氢H和和H之间的关系，并要将其对角线中表示之间的关系，并要将其对角线中表示的化学位移进行标号，且应与的化学位移进行标号，且应与HNMR谱的标号相对应。谱的标号相对应。1H-13C COSY谱最好测异核相关谱谱最好测异核相关谱(HMQC谱谱)，因为，因为HMQC谱的灵敏度高。谱的灵敏度高。HMQC可确定分子中碳原子和氢可确定分子中碳原子和氢原子的关系，使分子中直接相连的碳氢对号入座。原子的关系，使分子中直接相连的碳氢对号入座。HMQC谱也进行标号，从而与谱也进行标号，从而与HNMR和和1H-1H COSY谱联系起来，谱联系起来，从从HMQC谱的偶合信息可确定谱的偶合信息可确定H NMR中哪些中哪些H是同碳氢，是同碳氢，哪些氢是邻位氢。再由哪些氢是邻位氢。再由1H-1H COSY谱进一步确定谱进一步确定H-H之之间的偶合关系，为比较方便可列出氢碳相关的表，以表示间的偶合关系，为比较方便可列出氢碳相关的表，以表示它们的相关性。这里要注意的是分子中一些远程偶合问题，它们的相关性。这里要注意的是分子中一些远程偶合问题，通常是通常是W型偶合。由于已知型偶合。由于已知H,H间的偶合；也知道某些间的偶合；也知道某些H,C间的关系，所以便可确定某些氢碳之间的连接问题。间的关系，所以便可确定某些氢碳之间的连接问题。4 4分子结构的推导分子结构的推导11结构片段如何拼接而成为分子结构，则必须解决绕过季碳结构片段如何拼接而成为分子结构，则必须解决绕过季碳或杂原子的连接方法。或杂原子的连接方法。常采用远程异核相关谱，即相隔常采用远程异核相关谱，即相隔2 2、3 3个键个键(间或间或4 4键键)的碳的碳氢相关谱，多用氢相关谱，多用HMBCHMBC谱或谱或COLOCCOLOC谱，前者灵敏度高，数据谱，前者灵敏度高，数据可信性强，以此解决通过季碳或杂原子而将分子中不同的可信性强，以此解决通过季碳或杂原子而将分子中不同的结构片段结合起来，以构成更大的结构片段或构成整个分结构片段结合起来，以构成更大的结构片段或构成整个分子结构。子结构。有时也用有时也用NOENOE谱或谱或NOESYNOESY谱来解决结构片段的连接。当然，谱来解决结构片段的连接。当然，若样品量充足，必要时也可用若样品量充足，必要时也可用INADEQUAINADEQUA法直接测定分子中法直接测定分子中碳碳连接的信息，从而确定分子的碳碳连接顺序即分子骨碳碳连接的信息，从而确定分子的碳碳连接顺序即分子骨架架。5 5测定分子的立体化学测定分子的立体化学 12通常放在结构测定的后期进行。一维通常放在结构测定的后期进行。一维NOENOE差谱是优先采用差谱是优先采用的解决相对立体构型的方法，有时也可用二维的解决相对立体构型的方法，有时也可用二维NOESYNOESY谱或谱或NOENOE差谱。差谱。必要时用手性化学位移试剂，旋光光谱（必要时用手性化学位移试剂，旋光光谱（ORDORD）,圆二色谱圆二色谱 (CD(CD），），X-rayX-ray晶体衍射技术。晶体衍射技术。一个总原则：视有机化合物的结构复杂程度而定一个总原则：视有机化合物的结构复杂程度而定,尽量用尽量用最少的谱图解析最少的谱图解析,将结构和信号解释清楚。对于合成的有将结构和信号解释清楚。对于合成的有机化合物和不复杂的天然产物能用一维谱结合其它谱图解机化合物和不复杂的天然产物能用一维谱结合其它谱图解析结构析结构,可以不作二维谱，或者尽量少做二维谱。可以不作二维谱，或者尽量少做二维谱。13未知化合物EI,元素分析 结合DEPTHRMS分子式的确定IR,UVHNMR,13CNMR官能团确定结构片段HNMR,DEPTH-H COSY,H-C COSY,HMQC,HMBC分子结构HMBC,RCOSYCOLOCHOHAHANOE差谱,NOESY,手性位移试剂,ORD,CD,单晶衍射立体结构分子结构小 结注意事项注意事项141)1)解析谱图时解析谱图时,首先从各种谱图获得一些最基本的首先从各种谱图获得一些最基本的结论结论.2)2)选择合适的出发点选择合适的出发点,推导未知物分子的结构单元推导未知物分子的结构单元3)3)选择最有可能的结构选择最有可能的结构4)4)天然化合物要注意生源关系天然化合物要注意生源关系15分子式的确定1.元素分析2.质谱（高分辨质谱）a.选用合适的质谱电离技术-化合物的结构性质决定如果样品气化分解,样品极性大或者不容易挥发,用EIMS是不可能得到分子离子峰的,必须采用其它的电离方法.对其它的电离方法的使用范围和分子离子峰或者准分子离子峰的判断要很清楚 16电离方法电离方法样品适合范围样品适合范围进入方式进入方式质量范围质量范围离子特征离子特征电子轰击电子轰击E(EI)有一定的挥发性有一定的挥发性样品样品气化和固体探针气化和固体探针1,000 M+化学电离化学电离(CI)有一定的挥发性有一定的挥发性样品样品气化和固体探针气化和固体探针1,000 软电离软电离M+H+电喷雾电喷雾(ESI)肽和蛋白质不挥肽和蛋白质不挥发样品发样品液相色谱液相色谱 聚苯乙烯聚苯乙烯 200,000 软电离软电离M+H+快原子轰击快原子轰击(FAB)碳水化合物和金碳水化合物和金属有机属有机,肽肽,不挥发不挥发样品样品样品用粘稠的基样品用粘稠的基质如甘油质如甘油6,000 软电离软电离M+H+基质辅助激光解基质辅助激光解吸吸(MALDI)肽肽,蛋白质蛋白质 核苷核苷样品用固体基质样品用固体基质500,000 软电离软电离 高的分子量高的分子量各种电离技术的比较各种电离技术的比较17在EIMS谱中,在高质区找出质荷比(m/z)最大值的离子峰可能就是相对分子质量(M+).一般分子离子峰在质谱中最右端,但是在EIMS中往往不出现分子离子峰（特别是含羟基或者含多个羟基化合物）。如果最高质量的离子峰和它相邻的碎片峰之间质量相差3-14,21-25之间,可以确定该最高离子峰肯定不是分子离子峰.b.首先从质谱图中判断化合物的相对分子量18从M十2M的峰强度比的数值很易确定分子中Br、Cl,S原子的数目。利用氮规则，从分子量可以分析出该化合物含氮原子数的信息。若存在如烷基或苯基离子系列的离子(m/z为31、45，或mz为93等);从M-18，M-29等峰的存在也可知分子中氧的存在。从M19、M20(HF)、M-50(CF2)等质谱峰可知分中氟的存在、从M127的峰可知碘的存在。19高分辨质谱可以测出样品分子精确质量,精确到分子量的小数点后面的4位数,加上对杂原子的数目限制,质谱仪的附属计算机系统可以给出分子离子的元素组成式,同时也给出质谱中的碎片离子的元素组成,可以直接写出分子式.对于合成的化合物可以考虑选择元素分析,在天然产物结构鉴定中,更多的是选择HRMS.在做HRMS前往往也需要做低分辨质谱,判断分子离子峰。发表论文时,元素分析和高分辨质谱数据二者必居其一。高分辨质谱确定分子式 20c.参考核磁共振谱在确定有机化合物的分子量时，必须要参考核磁共振谱,化合物所含碳原子的数目可以从碳谱中得出。如果碳谱有偏共振去偶和DEPT数据时，碳原子上所连氢原子的数目可以算出；根据个别可识别基团的氢原子数作为基准可由氢谱的积分曲线计算出化合物中所含氢原子数目 注意：如碳原子上所连氢原于数目小于化合物氢原子数目，这表明化合物含活泼氢。分子存在对称性21官能团的确定分子中某官能团的存在应该在各种谱图(有时是它们之中的大多数)中都反映出来，至少是各谱图之间不应有矛盾。有机化合物常见的官能团很多，需要大家掌握。22取代苯环取代苯环氢谱：6.5-8.0 ppm有峰，除对位取代以外，一般取代苯环偶合都较复杂。碳谱：110-165ppm有峰,般有取代的碳原子化学位移都明显移向低场。质谱：单取代的苯环存在m/z 39、51、65、77序列，常可见m/z91、92。苯环的存在能使分子离子峰强度增加。红外：官能团区有3030、1600、1500cm-1的吸收峰，苯环指纹区(670一910cm-1)有吸收峰。紫外：吸收位置视共轭体系的大小而定，但吸收波长总大于250nm.23 苯环上取代基数目从氢谱苯环区谱峰所对应的氢的数目(它反映苯环取代后所剩下的氢的数目)可推出苯环上取代基的数目。这种推论是比较可靠的。从碳谱中被取代的苯环碳原子值移向低场且偏共振去偶时为单峰，对比DEPT等数据也可以确定苯环上取代基的数目。当分子具有对称性时，应予以相应的修正。24苯环上取代基的类型1)氢谱 从氢谱中苯环氢的化学位移可以对苯环取代基的类型可以通过计算估计。从一些基团在氢谱中的化学位移，有可能区分该基团是与苯环还是与脂肪链相连的，如再如苯环上的羟基(酚)比烷基链上的羟基(醇)有更大的值。252)红外从红外吸收峰的位置可判断基团是否与苯环相连。如脂肪族硝基的吸收频率大约在1370、1550cm-l而芳香族硝基的吸收频率大约在1345、1525cm-l。这是因为硝基与苯环共扼，使吸收频率明显地移到低波数方向。其它如醇和酚在指纹区吸收峰位置的差别、脂肪醚和芳香醚吸收位置的差别等也都是这样的例子。263)质谱从质谱图中寻找与苯环有关的碎片离子或找出从苯环掉下的中性碎片,可以帮助判断苯环上的取代基。4)碳谱氧、氮原子使苯环上被取代的碳原子的值大幅度地移向低场。27取代基的位置当取代基的种类已知时，它们在苯环上的取代位置可以通过下述方式分析：1)对苯环上剩余氢的值进行计算 按各种取代位置的可能性，对苯环上剩余氢的值进行计算并与实测值对比，从而得出苯环取代的位置。2)从氢谱的苯环取代区的峰形进行分析随着高频仪器的使用，苯环取代区的谱图得到很大的简化，常可近似采用一级谱图的分析方法(但并非高频仪器所作的图都可以近似按一级谱分析)，这可以帮助对苯环取代位置的确定。283)对苯环上各个碳原子值进行计算按各种可能的取代位置，对苯环上各个碳原子(特别提被取代碳原子)的值进行计算并与实测值对比，从而确定取代基的相应位置、由于碳谱苯环区范围有60ppm.所得结果较氢谱准确、清楚.4).红外图中苯环取代区吸收峰位置可帮助判断苯环取代位置,当取代基极性强时,这样的判断可能不准确.5).当有邻位取代基团时,质谱可找到因邻位效应的特殊重排.如m/z 92离子峰。29正长链烷基正构正构长链烷基无紫外吸收，但它在其余几种基无紫外吸收，但它在其余几种谱图均有所反均有所反映映.核磁共振核磁共振氢谱中，除中，除连接取代基的接取代基的“-CH2的的谱峰峰处于相于相对低低场位置外，各个位置外，各个CH2，的，的值均十分接近均十分接近(CH2的的谱峰位峰位置稍偏低置稍偏低场)，在，在约1.25ppm形成一个大峰。形成一个大峰。该峰粗看峰粗看为单峰，因各峰，因各CH2值很相近。很相近。细看有很多小峰尖，因看有很多小峰尖，因这是是 一个一个强耦合体系。耦合体系。碳碳谱中，除中，除-CH2之外，之外，链上其它碳原子的上其它碳原子的谱线都在都在较高高场位置位置(35ppm)，其中有几个碳原子的，其中有几个碳原子的谱线很靠近很靠近(28ppm)。质谱中，无分枝的中，无分枝的烷基基链会会产生生m/z 29、43、57系列系列的离子，各峰簇的的离子，各峰簇的顶点构成一平滑曲点构成一平滑曲线.在在红外外图中，中，约2920、2850cm-1两两处形成形成强吸收，吸收，约1470cm-1处吸收明吸收明显，并可，并可见约723cm-1处的吸收峰。的吸收峰。30 醇和酚醇和酚的羟基都可通过重水交换而变成-OD。重水交换后重测氢谱，OH的信号消失，因此，用核磁共振氢谱可对分子中OH的存在作出最准确的判断；醇和酚羟基的化学位移值都受氢键的影响，因此其无定值，一般和测试条件有关，但酚的羟基峰相对于醇的羟基峰在低场方向.醇和酚在碳谱上不能直接反映，但与氧相连的碳原子谱线移向低场方向。醇的质谱常不显示分子离子峰，但是M-18的峰常可见到。伯醇、仲醇、叔醇分别产生强的m/z 31或31+n14的离子(注意还有碎片离子的重排反应)。酚显示强的分子离子峰，M-CO的峰较强，M-CHO的峰也有相当强度。醇和酚在约3300cm-1处强而较宽的吸收峰具有鲜明的特征，醇和酚在约10501200cm-1还有C-O振动的吸收峰。酚的吸收相比醇在高波数。31羰基化合物碳基化合物在氢谱上没有直接的信息，而在碳谱、质谱,红外,紫外图上均有明显的谱峰，特别是在碳谱和红外谱中，碳基具有突出的特点。各种羰基化学位移如下:酮类：188228 ppm醛:185208 ppm酸类：165182 ppm酯与酰胺：155180ppm酮与酯类化合物可以用13CNMR区分,这是其它物理方法比较困难的.羰基的红外吸收是红外光谱最重要的一组吸收,位置峰在16601800cm-1.羰基化合物的质谱主要有-裂解,醛类化合物往往出现m/z M-H的特征离子峰,对于碳有氢发生特征的麦氏重排.酮类化合物出现明显的m/z 58,72,86.等特征离子峰.酸类化合物出现m/z 60离子峰;酯类则出现特征的m/z 74,88离子峰.酰胺出现m/z 59,73,87.等离子峰.例例1：由：由MS、IR、1H-NMR谱谱图推测化合物的结构图推测化合物的结构 解：解：由由MS可可看看出出该该化化合合物物的的分分子子量量为为200，并并且且由由M和和M+2离离子子峰峰的的相相对对丰丰度度近近似似为为3:1可可知知分分子子中中含含有有一一个个氯原子氯原子;由由IR谱谱在在3200-2500 cm-1 的的宽宽峰峰和和接接近近1700 cm-1的的 强强 峰峰 可可推推测测分分子子中中可可能能含含有有-COOH，在在1200-1250附附近近的的强强峰峰可可推推测测分分子子中中可可能能含含有有醚醚键键 （C-O-C）；）；从从1H-NMR谱谱的的高高场场到到低低场场各各峰峰的的积积分分曲曲线线高高度度比比为为3：1：2：2：1，估估计计分分子子中中可可能能是是9个个H，再再估估计计C数数 为为（200-9-163-35）/12=9，估估 计计 分分 子子 式式：C9H9ClO3不饱和度不饱和度=1+n4+1/2(n3-n1)=1+9+1/2(0-9-1)=5；从从IR谱中谱中1600和和1500 cm-1 处后者比前者强的双峰处后者比前者强的双峰是苯环的骨架伸缩振动，是苯环的骨架伸缩振动，1380cm-1 处是处是-CH-CH3的弯曲振动，的弯曲振动，860-800 cm-1 处强峰是苯环对位二处强峰是苯环对位二取代的特征峰；取代的特征峰；从估计分子式：从估计分子式：C9H9ClO3中减去中减去Cl、C6H4-、CH-CH3、COOH基团，只剩下基团，只剩下O基团，基团，因此，可拼出以下结构：因此，可拼出以下结构：检检查查MS谱谱，m/e=155、128、111均均含含有有C1原原子子，说说明明C1原原子子与与苯苯环环直直接接相相连连，因因此此C1原原子子上上的的孤孤对对电电子子与与苯苯环环发发生生p-共共轭轭，所所以以不不易易被被丢丢失失，上上述述三三个个离离子子的的裂裂解解可可有有下下图图得得到到合合理理的的解解释释，所以未知物的结构应是所以未知物的结构应是A：40例2，未知物C7H11NO的红外、质谱和碳谱和氢谱如下，紫外光谱在210nm以上无吸收峰，推导其结构。41421226434445根据质谱图和元素分析数据求出分子式：根据质谱图和元素分析数据求出分子式：C:(136 70.7%)12=8H:136 5.9%=8O:(136-96-8)16=2,所以分子式为所以分子式为C8H8O2,不饱和度为不饱和度为5例34647 max=316 nm=A/bc =0.43/(1*(0.000265/136/0.1)=22000存在长的共轭系统存在长的共轭系统48HMXHMXAB4950Thank you!