天热药物化学-电子教材:第一章

第一章  总   论

本章目的要求

1. 了解天然药物化学的含义和研究内容

2. 了解天然药物化学研究的意义及其在药学专业中地位

3. 掌握天然药物化学成分提取分离的原理及方法

4. 了解天然药物化学成分结构研究的主要程序及采用的方法

第一节 绪论   introduction

一、 天然药物化学的的含义和研究内容

天然药物化学  Natural  Medicine Chemistry or Chemistry ofNatural Medicines

中 药 化 学  Chemistry of Chinese  Traditional  Medicines

植 物 化 学  phytochemistry

天然产物化学  Chemistry of Natural products or Naturalproduct Chemistry

1．天然药物化学的概念―――是一门运用现代化科学理论与方法研究天然药物中化学成分的一门学科。

天然药物包括：植物药、动物药、矿物药、海洋药物，其中以植物药为主，是药物地个重要组成部分。

2．有效成分与无效成分的概念

化学成分----分为有效成分和无效成分。

有效成分-----具有显著的生物活性，有一定的物理常数，能用分子式和结构式表示弹体化合物。多为二次代谢产物如生物碱、苷类、黄酮类、强心苷等

无效成分-----无生物活性其他成分。淀粉、蛋白质、树脂、无机盐等。

二者的关系是相对的（对某一活性指标而言，如麻黄平喘止咳作用的成分是麻黄碱，淀粉、树脂、挥发油视为无效成分)而和互变的（多糖多为无效成分，现代研究许多多糖具有活性，如香菇多糖具有抗肿瘤作用)。

3．研究内容――包括各类天然产物的化学成分（主要是生理活性成分和药效成分)的结构类型，物理化学性质、提取分离方法，以及主要类型化学成分的鉴定和生物合成途径等。

二、研究目的与任务

（1)为合理采集、妥善贮藏天然药物提供科学依据。

（2)为天然药物的合理炮制提供现代科学根据。

（3)为天然药物真伪鉴别，质量控制提供客观依据。

（4)为扩大药物资源，开发新药体提供有效途径。

（5)为探索中药治疗疾病的原理创造有效条件。

三、天然药物化学国内外研究概况

1769年瑞典化学家舍勒从酒石分离出酒石酸。 苯甲酸(1775)、乳酸(1785)、没食子酸(1786)等有机酸类物质。

明代李延的《医学入门》（1575)中记载了用发酵法从五倍子中得到没食子酸的过程。书中谓“五倍子粗粉，并矾、曲和匀，如作酒曲样，入瓷器遮不见风，侯生白取出。”

   从药用动植物中提取活性成分则始于19世纪。第一个被提取的成分是吗啡碱（一种异喹啉生物碱)，于1806年由法国化学家F·泽尔蒂纳自鸦片中提取。此后的数十年间发掘了大量民间药中的活性成分，1820年从金鸡纳树皮中分离奎宁(quinine)；1826 年从血液中分离氯化血红素(hemin)；1828 年从烟草中分离烟碱(nicotine)；1832 年从人参中分离胡萝卜素(carotene )；1885 年从麻黄中分离麻黄碱(ephedrine)；1901 年获得结晶性肾上腺素(a-drenaline)；1910 年发现维生素B1(oryzanin)，1928年发现青霉素(penicillin)等。吐根碱(emetine) 、士的宁( strychnine) 、秋水仙碱(colchicine) 、小檗碱(berberine) 、阿托品(at ropine) 、可卡因(cocaine)等生物碱也是在19 世纪发现的。

20 世纪是天然药物化学迅速发展和“药味”浓郁的时期,以色谱技术用于天然化合物的分离、纯化,谱学技术渗透到结构鉴定和生物活性试验普遍开展为特点。

20世纪50年代先后自印度萝芙木中获得降压活性成分利血平（reserping)，以及从降血糖药长春花中获得抗癌活性成分长春碱，成为两个很有价值的药物，引起了各方的重视。

   1960年左右开始了对海洋天然产物的研究。

20世纪80年代以来，由于分子生物技术的迅猛发展，为有效成分的提取和功能研究提供了新方法。

 参考文献

1.《现代中草药成分化学》吴寿金, 中国医药科技出版社2001

2.《中草药有效成分提取与分离》徐任生,上海科技出版社  

3.《中草药成分化学》林启寿，科学出版社1977

4.《中药化学》-同步辅导系列丛书高幼衡,科学出版社 2005

5.《中药成分有效成分提取分离技术》卢艳花，化学工业出版社 2005

6.《天然产物化学》徐任生，科技出版社1997

7.《有机化合物波谱解析》姚新生,中国医药科技出版社,2001

8. 《植物药有效成分手册》江纪武 , 人民卫生出版社，1986

9.《黄酮类化合物鉴定手册》中国科学院上海药物研究所植化室编译. 科学出版社，1981

10.《质谱学在天然有机化学中的应用》丛浦珠.科学出版社,1987

11.《分析化学手册  第七分册 核磁共振波谱分析》 于德泉,杨峻山主编，化学工业出版社, 1999

第二节   生物合成 biosynthesis

植物体内的物质代谢过程与生物合成，

一、一次代谢与二次代谢的概念，

对维护植物生命活动来说是不可缺少的过程，且几乎存在于所有绿色植物中，称为一次代谢过程。

并非在所有的植物中都能发生，对对维护植物生命活动来说不起重要作用，称为二次代谢过程。

二、一次代谢产物及二次代谢产物

糖、蛋白质、脂质、核酸等对维护植物生命活动来说是不可缺少的物质，一些代谢过程作为原料或前体的物质如乙酰辅酶A、丙二酸单酰辅酶A、莽草酸及一些氨基酸等为一次代谢产物（primary metabolites)。

生物碱、萜类、甾类、黄酮类等为二次代谢产物（secondary metabolites)

三、主要的生物合成途径

1.醋酸-丙二酸途径（acetate-melinate  pathway，AA-AM途径)――生成脂肪酸、酚类、蒽酮类

2.甲戊二羟酸途径（ mevalonic acid pathway，MVA途径)――生成萜类和甾体

3.桂皮酸（Cinnamiv Acid Pathway)及莽草酸途径（Shikinmic Acid Pathway)――具有C₆-C₃和C₆-C₃-C₆骨架的化合物如苯丙素类（phenylpropanoids)、香豆素类（coumarins)、木质素类（lignins)、木脂体类（lignans)和黄酮类（flavonoids)

4氨基酸途径（Amino Acid Pathway)――生成生物碱。

5.复合途径   常见种类

（1)醋酸-丙二酸－莽草酸途径

（2)醋酸-丙二酸－甲戊二羟酸途径

（3)氨基酸－甲戊二羟酸途径

（4)氨基酸－醋酸-丙二酸途径

（5)氨基酸－莽草酸途径

总结

概念：天然药物化学、有效成分、无效成份、一次代谢产物、二次代谢产物

天然药物化学包括内容

学习天然药物化学的意义

天然药物化学成分主要的生物合成途径，各途径主要合成什么成分

思考题：

1.解释名词

天然药物化学；一次代谢产物；

有效成分； 一次代谢过程；

无效成分； 二次代谢产物；

二次代谢过程；

2.回答问题

1)天然药物化学研究的主要内容。

2)学习天然药物化学的目的意义。

3)酚类和蒽酮类、萜类和甾体 、香豆素类和黄酮类 、生物碱等分别经何生物途径衍生而来 。

第三节 提取分离方法Methods of extraction and isolation

一、中草药有效成分的提取

（一)提取方法：

常见的提取方法有：溶剂提取法、水蒸气蒸馏法、升华法。其中，溶剂提取法应用最广。

1．溶剂提取法

（1)常用溶剂的特点：

环己烷，石油醚，苯，氯仿，乙醚，乙酸乙酯，正丁醇，丙酮，乙醇，甲醇

  极性：小 ————大

  亲脂性：大 ———— 小 

 亲水性：小 ———— 大 

①比水重的有机溶剂：氯仿

②与水可以以任意比例混溶的有机溶剂：丙酮、乙醇、甲醇

③常用来从水中萃取苷类、水溶性生物碱类成分的有机溶剂：正丁醇

④溶解范围最广的有机溶剂：乙醇

 （2)溶剂提取法的原理：根据相似者相溶原理，选择与化合物极性相当的溶剂将化合物从植物组织中溶解出来，同时，由于某些化合物的增溶或助溶作用，其极性与溶剂极性相差较大的化合物也可溶解出来。

  各种溶剂提取的范围

 石油醚或汽油－油脂、腊、叶绿素、挥发油、游离甾体、三萜类化合物。

 氯仿或乙酸乙酯――游离生物碱、有机酸、黄酮、香豆素的苷元等中等性化合物。

丙酮或乙醇、甲醇――苷类、生物碱盐、鞣质等极性化合物。

水――氨基酸、糖类、无机盐等水溶性成分。

（3)溶剂提取法方法

溶剂提取法一般包括浸渍法、渗漉法、煎煮法、回流提取法、连续回流提取法等，其使用范围及特点见下表。

2．水蒸气蒸馏法：适用于具有挥发性、能随水蒸汽蒸馏而不被破坏、难溶或不溶于水的成分的提取，如挥发油、小分子的香豆素类、小分子的醌类成分。 

3．升华法：固体物质受热不经过熔融，直接变成蒸汽，遇冷后又凝固为固体化合物，称为升华。中草药中有一些成分具有升华的性质，可以利用升华法直接自中草药中提取出来。如樟脑、咖啡因。

二、中草药有效成分的分离与精制

（一)根据物质溶解度差别进行分离

1．结晶及重结晶法

利用不同温度可引起物质溶解度的改变的性质以分离物质。将不是结晶状态的固体物质处理成结晶状态的操作称结晶；将不纯的结晶进一步精制成较纯的结晶的过程称重结晶。

（1)溶剂选择的一般原则：

不反应；冷时对所需要的成分溶解度较小，而热时溶解度较大；对杂质溶解度很大或很小；沸点低，易挥发；无毒或毒性小。

（2) 结晶纯度的判定：

结晶形态和色泽：单一化合物的结晶具有结晶形状均一和均匀的色泽。

熔点和熔距：单一化合物具有一定的熔点和较小的熔距，结晶前后的熔点应一致，熔距很窄，在1℃~2℃的范围内。但要注意双熔点，如汉防己乙素、芫花素及一些与糖结合的苷类化合物。

色谱法：单一化合物在薄层色谱或纸色谱层析中经三种不同的溶剂系统展开，均为一个斑点者。

2．溶剂分离法（溶剂沉淀法)

在中草药提取液中加入另一种溶剂以改变混合物溶剂的极性，使一部分物质沉淀析出，从而实现分离。如：水—醇法除多糖、蛋白质等水溶性杂质；醇—水法除树脂、叶绿素等水不溶性杂质；醇—醚法或醇—丙酮法使苷类成分，而脂溶性树脂等杂质则存留在母液中。

3酸提碱沉法，碱提酸沉法

酸性、碱性或两性有机化合物来说，通常通过加入酸、碱以调节溶液的pH，以改变分子的存在状态（游离型或解离型)，从而改变溶解度而实现分离。生物碱-酸提碱沉法，黄酮、蒽醌类－碱提酸沉法，蛋白质－等电点

 4．金属盐沉淀法：酸性或碱性化合物还可通过加入某种沉淀试剂使之生成水不溶性的盐类沉淀等析出。如加入铅盐、雷氏铵盐等。

（二)根据物质在两相溶剂中的分配比不同进行分离。

1．两相溶剂萃取法

（1)原理：利用混合物中各成分在两相互不相溶的溶剂中分配系数的不同而实现分离。

①分配系数K值（即分配比)：溶质在两相溶剂中的分配比（K)在一定温度及压力下为一常数

②分离难易与分离因子b：分离因子b可以表示分离的难易。分离因子b可定义为A、B两种溶质在同一溶剂系统中分配系数的比值。一般情况下，b≥100，仅作一次简单萃取就可实现基本分离；但100≥b≥10时，则需萃取10~12次；b≤2时，要实现基本分离，需作100次以上萃取才能完成。b≌1时，则K_A≌K_B，意味着两者性质及其相似，即使作任意次分配也无法实现分离。

  ③分配比与pH：对酸性、碱性及两性化合物来说，分配比还受溶剂系统的影响。因为pH的变化可以改变它们的存在状态（游离型或解离型)，从而影响在溶剂系统中的分配比。

 一般pH<3时，酸性物质多呈非解离状态（HA)、碱性物质则呈解离状态（BH⁺)存在；但pH>12，则酸性物质多呈解离状态（A^—)、碱性物质则呈非解离状态（B)存在。据此，可采用在不同pH的缓冲溶液与有机溶剂中进行分配的方法，使酸性、碱性、中性及两性物质的以分离。

（2)各种萃取方法：

① 简单萃取：利用分液漏斗进行两相溶剂萃取。

②逆流连续萃取法：是一种连续的两相溶剂萃取法。其装置可具有一根、数根或更多根的萃取管。

③逆流分配法（CCD)：又称逆流分溶法、逆流分布法或反流分布法，与两相溶剂逆流萃取法原理一致，对于分离具有非常相似性质的混合物效果较好。

④液滴逆流分配法（DCCC)：本法必须选用能生成液滴的溶剂系统，且对高分子化合物的分离效果较差，处理样品量小，并要有一定的设备，操作较繁琐。

一般b>50时，简单萃取即可分离，b<50时，则易采用逆流分溶法。

2．纸色谱（PPC)：纸色谱的原理与液—液萃取法基本相同。

原理：分配原理

支持剂：纤维素

固定相：水

流动相：水饱和的有机溶剂

Rf值：化合物极性越小，Rf值越大；反之，化合物极性越大，Rf值越小。

应用：用作微量分析，特别适合于亲水性较强的成分，其层析效果往往比吸附薄层色谱效果好。但纸层析一般需要较长的时间。

3．液—液分配柱色谱：

原理：分配原理

支持剂：硅胶、硅藻土、纤维素粉等

正相分配色谱：固定相：水、缓冲溶液

流动相：固定相饱和的氯仿、乙酸乙酯、丁醇等弱极性有机溶剂

洗脱顺序：化合物极性越小，越先出柱；反之化合物极性越大，越后出柱。

应用：通常用于分离水溶性或极性较大的成分，如生物碱、苷类、糖类、有机酸等化合物。

反相分配色谱： 固定相：石蜡油、化学键合固定相

流动相：固定相饱和的水或甲醇等强极性有机溶剂

洗脱顺序：化合物极性越大，越先出柱；反之化合物极性越小，越后出柱。

应用：适合于分离脂溶性化合物，如高级脂肪酸、油脂、游离甾体等。

4．液—液分配薄层色谱法：

液—液分配色谱法也可在硅胶薄层色谱上进行。

因此，液—液分配柱色谱的最佳分离条件可以根据相应的薄层色谱结果（正相柱用正相薄层色谱，反相柱用反相薄层色谱)进行选定。

5．化学键合固定相：

常用反相硅胶薄层色谱及柱色谱的填料是普通硅胶经下列方式进行化学修饰，键合上长度不同的烃基（R)、形成亲油表面而成。其中以硅烷化键合型最为常用，其根据烃基（R)长度（—C₂H₅、—C₈H₁₇、—C₁₈H₃₇、)分别命名为：RP—2、RP—8、RP—18。

6．加压相色谱法：

加压相色谱法又分为：快速柱色谱（约2.02´10⁵Pa)，Lobar低压柱色谱（<5.05´10⁵Pa)，中压柱色谱（5.05~20.2´10⁵Pa)，分析用HPLC，制备用HPLC（>20.2´10⁵Pa)。

固定相：RP—2、RP—8或RP—18

流动相：水—甲醇或水—乙腈

洗脱顺序：化合物极性越大，越先出柱；反之，化合物极性越小，越后出柱。

应用：通常用于分离水溶性或极性较大的成分，如苷类、酚性化合物等。

（三)根据物质的吸附性差别进行分离

其中以固—液吸附用的最多，并有物理吸附（硅胶、氧化铝、活性炭为吸附剂进行的吸附色谱)、化学吸附（黄酮等酚酸性物质被氧化铝吸附、生物碱被酸性硅胶吸附等)及半化学吸附（聚酰胺与黄酮类、醌类等酚性化合物之间的氢键吸附，吸附力较弱，介于物理吸附与化学吸附之间)之分。

1．物质的吸附规律：

（1) 相似者易于吸附

（2)三要素：被分离的物质与吸附剂、洗脱剂共同构成吸附层析的，

常用的极性吸附剂：硅胶、氧化铝。硅胶显微酸性，适于分离酸性和中性化合物，分离生物碱时需在流动相中加入适量的有机碱；氧化铝呈碱性，适于分离生物碱等碱性成分，不宜用于分离有机酸、酚性等酸性成分。均为极性吸附剂，故有以下特点：

①被分离物质极性越强，吸附力越强。强极性溶质将优先被吸附。

②溶剂极性越弱，则吸附剂对溶质的吸附能力越强。随溶剂极性的增强，则吸附剂对溶质的吸附力将减弱。

③当加入极性较强的溶剂后，先前被硅胶或氧化铝所吸附的溶质可被置换而洗脱出来。

常用的非极性吸附剂：活性炭。对非极性物质具有较强的亲和力，在水中对溶质表现出强的吸附能力。从活性炭上洗脱被吸附的物质时，溶剂的极性越小，洗脱能力越强。

2．极性及其强弱判断：

（1)一般化合物的极性按下列官能团的顺序增强：

—CH₂—CH₂—，—CH₂=CH₂—，—OCH₃，—COOR，>C=O，—CHO，—NH₂，—OH，—COOH

（2)溶剂的极性可大体根据介电常数的大小来判断。介电常数越大，则极性越大。一般溶剂的介电常数按下列顺序增大：

  环己烷（1.88)，苯（2.29)，无水乙醚（4.47)，氯仿（5.20)，乙酸乙酯（6.11)，乙醇（26.0)，甲醇（31.2)，水（81.0)

3．吸附柱色谱法用于物质的分离的特点：

（1)以硅胶或氧化铝为吸附剂进行柱色谱分离时：吸附剂的用量一般为试样量的30～60倍。

（2)一般以TLC展开时使组分Rf值达到0.2~0.3的溶剂系统作为最佳溶剂系统进行洗脱。实践中多用混合的有机溶剂系统。

（3)为避免化学吸附，酸性物质宜用硅胶、碱性物质宜用氧化铝作为吸附剂进行分离。

4．聚酰胺吸附色谱法：

（1)原理：氢键吸附。

 一般认为系通过分子中的酰胺羰基与酚类、黄酮类化合物的酚羟基，或酰胺键上的游离胺基与醌类、脂肪酸上的羰基形成氢键缔合而产生吸附。吸附强弱取决于各种化合物与之形成氢键缔合的能力。

（2)吸附能力的强弱

通常化合物在水溶剂中大致有以下规律：

①形成氢键的基团数目越多，则能力越强。

②成键位置对吸附能力也有影响。易形成分子内氢键者，其在聚酰胺上的吸

附响应减弱。

③分子中芳香化程度高这，则吸附性增强；反之，则减弱。

一般情况下，各种溶剂在聚酰胺柱上的洗脱能力由弱致强的大致顺序如下：

水—甲醇—乙醇—氢氧化钠水溶液—甲酰胺—二甲基甲酰胺—尿素水溶液

其中，最常应用的洗脱系统是：乙醇—水

（3)应用：

①特别适合于酚类、黄酮类化合物的制备和分离。

②脱鞣质处理

③ 对生物碱、萜类、甾类、糖类、氨基酸等其他极性与非极性化合物的分离也有着广泛的用途。

5．大孔吸附树脂：通常分为极性和非极性两类。

（1)原理：吸附性和分子筛性相结合。吸附性是由范德华引力或氢键引起的。分子筛是由于其本身多孔性结构产生的。

（2)影响因素：

①一般非极性化合物在水中易被非极性树脂吸附，极性化合物在水中易被极性树脂吸附。糖是极性水溶性化合物，与D型非极性树脂吸附作用很弱。

②物质在溶剂中的溶解度大，树脂对此物质的吸附力就小，反之就大。

（3)应用：广泛应用于化合物的分离与富集工作中。如：苷类与 糖类的 分离，生物碱的精制，多糖、黄酮、三萜类化合物的分离等。

（4)洗脱液的选择：洗脱液可使用甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等。最常用的是乙醇—水。

（四)根据物质分子大小进行分离

1．凝胶过滤法：

（1)原理：分子筛原理。即利用凝胶的三维网状结构的分子筛的过滤作用将化合物按分子量大小不同进行分离。

（2)出柱顺序：按分子由大到小顺序先后流出并得到分离。

（3)常用的溶剂：

 ①碱性水溶液（0.1mol/L NH₄OH)含盐水溶液（0.5mol/L NaCl等)

②醇及含水醇，如甲醇、甲醇—水

③其他溶剂：如含水丙酮，甲醇-氯仿

（4)凝胶的种类与性质：种类很多，常用的有以下两种：

① Sephadex-G：只适用于水中应用，且不同规格适合分离不同分子量的物质。

②Sephadex LH-20：为Sephadex G-25经羟丙基化后得到的产物，具有以下两个特点：具有分子筛特性，可按分子量大小分离物质；在由极性与非极性溶剂组成的混合溶剂中常常起到反相分配色谱的作用，适合于不同类型有机物的分离。应用最广。

2．膜过滤法：

 （1)概念：膜过滤法是一种用天然或人工合成的膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯或富集的方法。

 （2)分类：膜过滤技术主要包括渗透、反渗透、超滤、电渗析、液膜技术等。

3．透析法：

透析法是膜过滤法中的一种。

（1)原理：透析法是利用小分子物质在溶液中可通过半透膜、而大分子物质不能透过半透膜的性质，以达到分离的目的，本质上是一种分子筛作用。

（2)应用：对于生物大分子，一般可以通过透析法进行浓缩和精制。如药用酶的精制。

分离和纯化皂苷、蛋白质、多肽、多糖等大分子物质，可将其留在半透膜内，而将如无机盐、单糖、双糖等小分子的物质透过半透膜，进入膜外的溶液中，而加以分离精制。应用：

（五)根据物质解离程度不同进行分离

具有酸性、碱性、两性基团的化合物在水中多呈解离状态，据此可用离子交换法进行分离。

原理：离子交换原理

固定相：离子交换树脂

流动相：水或含水溶剂

洗脱液：强酸性阳离子交换树脂（H型)——稀氨水洗脱

  强碱性阴离子交换树脂（OH型)——稀氢氧化钠洗脱

1．分类：根据交换基团不同分为：

①阳离子交换树脂： 强酸性（—SO3^-H⁺)

弱减性（—COO^-H⁺)

②阴离子交换树脂： 强碱性[—N⁺（CH₃)₃Cl]

  弱减性（—NH2及仲胺、叔胺基)

 2．应用：

①用于不同电荷离子的分离，如水提取物中的酸性、碱性、两性化合物的分离。

②用于相同电荷离子的分离，如同为生物碱,但碱性强弱不同，仍可用离子交换树脂分离。   

2．应用：挥发油、一些液体生物碱的提取分离常采用分馏法。

思考题：

1中药有效成分提取的方法及特点

2.常用溶剂的种类、特点及提取范围

3.按照原理不同分离的方法有哪些？

4.正相色谱和反相色谱有何异同

5.硅胶、氧化铝、聚酰胺、葡聚糖凝胶、大孔吸附树脂、离子交换和纸层等色谱分离化合物的原理、影响因素、适用范围。

6.按照分配比不同分离的方法有哪些？

7.解释名词：分配系数、CCD、DCCC、HSCCC、Sephadex LH-20、Sephadex G

第四节  结构研究法  determination  of structure

一、化合物的纯度测定

纯度检查的方法：①均匀一致的晶形 ②明确、敏锐的熔点，熔距窄1～2度 ③色谱方法－TLC或PC（三种)呈现单一斑点。④HPLC或GC为单一吸收峰。

二、结构研究的主要程序  见讲义

三、结构研究中采用的主要方法

（一)分子式的确定

1.元素定量分析+分子量测定

例：某化合物测定值：  C 79.35％  H 10.21％  计算O  100-79.35-10.21＝10.44％

   三元素所占比例  原子比

   C＝79.35÷12.01＝6.61＝10.16 10

   H＝10.21÷1.008＝10.31   ÷0.65   ＝15.58 16   即C₁₀H₁₆O

   O＝10.44÷16. 00＝0.65  ＝1 1 

   分子式 为 （C₁₀H₁₆O)n   分子量为456 则该化合物的分子式为456÷152＝3

（C₁₀H₁₆O)₃

2.同位素峰度比法

原理：已知组成有机化合物的主要元素（F、P、I除外)均由相对峰度比一定的同位素所组成，且重元素一般比轻元素重1～2个质量单位。故重元素组成的分子也较由轻元素组成的正常分子重1～2个质量单位。在大多数有机化合物的MS图上，如人见到稳定的分子离子峰〔M+〕时，则在高出其1～2个质荷比（m/z)处还可同时见到〔M+1〕及〔M+2〕两个同位素峰。对一定的化合物来说其[M]、[M+1]及[M+2]峰的相对强度应为一定值(含Cl、Br时除外)。

例  某有机未知物，由质谱给出的同位素峰度比如下：

  m/z  ①相对丰度

150〔M〕  100

151〔M+1〕  9.9

152〔M+2〕   0.9

②计算C、H、O的数目  M为偶数  说明不含氮

nc＝   ＝＝ 9

no  ＝  ＝  ＝2.1

n_H  ＝M-(12 nc+16 no )＝150-（12×9+16×2)＝10

该化合物分子式为C9H10O2  

亦可查Beynon表，根据〔M+1〕％和〔M+2〕％数据查表可直接得到分子式。

   同位素峰度比法因为样品用量少，故对分子量在500以下、又能生成稳定分子离子的化合物来说仍不失为一种值得优先选用的方法。

3.  高分辨质谱（HI-MS)法

HI-MS测得的分子离子峰可精确到小数点第3位，可直接通过查表得到分子式。

4.  计算分子的不饱和度（Index of unsaturation)

u＝Ⅳ -  +  +1 

（二)波谱分析在结构鉴定中的意义――确定化合物的功能基和平面结构

1. 紫外-可见吸收光谱

【意义】  对于分子中含有共轭双键、α，β不饱和羰基结构的化合物以及芳香化合物的结构鉴定来说是一种重要的手段。通常主要用于判断化合物的骨架类型，在某种情况下如黄酮，香豆素类化合物，可用于测定化合物的精细结构。

【原理】  紫外吸收光谱是记录有机分子吸收紫外光后产生价电子能级跃迁（由基态――激发态)而形成的吸收光谱。由于化合物不同，所含价电子类型不同，故产生电子跃迁类型也不同，反应出紫外吸收峰的位置和强度也不同。

【跃迁形式】

δ δ* 跃迁   C-H 由于δ键 的电子云在键轴方向相互重叠，键结合激发所需能量大，在远紫外区10～200nm 。如甲烷   λ125nm

π   π^*跃迁  C＝C π键的电子云在键轴方向相互侧面重叠，重叠程度毕前者小，易激发，在200nm左右。π-π共轭在200-700nm处，孤立双键在200-245nm。

  n  π* 跃迁  C＝O，C＝N等。N电子（杂原子未成键的电子)比成键电子受核束缚小，一般活动大，更易激发，在近紫外区，200-700nm，logε小（ε，10～100)。

 n δ*  跃迁  n－H，N－H，S－H等（杂原子上未共用的n电子跃迁到δ*轨道上，形成n δ*  跃迁)所需能量与π   π*接近，200nm，本身不能吸收大于200nm的光波，但与法色团相连可使吸收峰向长波移动。

【应用】（1)强度样品是否为某已知化合物：键样品与标准品的紫外光谱进行对照，若两个化合物相同，其紫外光谱应完全相同。

（2)强度未知不饱和化合物的结构骨架：――判断类型

  黄酮   UVλnm  248，312（强)

二氢黄酮   UVλnm   276，300（弱)

甲型强心苷  UVλnm  217～220nm

乙型强心苷  UVλnm  295～300nm

  （3)异构体的判断：反式（trans)异构体的λmax和εmax较相应的顺式（cis)异构体为大（立体障碍影响)。酮式和烯醇式。

 2．红外光谱（IR infrared spectra)

   【定义】由分子震动－转动（分子中价键的伸缩及弯曲震动)能级跃迁引起的光谱称为红外光谱（4000-625cm^-1)

   【意义】IR是化合物分子结构的客观反映，如未知物与已知物的IR完全一样，即可确定为此化合物。未知物可根据各种基团的（振动频率)吸收峰的位移（波长)和吸收峰位置移动的规律，推测分子中的功能基、化合物类型、结构异构，区别芳环的取代图式及构型、构象。

【主要功能基IR 的特征】

  OH  游离  3650～3500  锐、弱、尖

  缔合 3400～3200 钝、宽

  C=O  1800～1600cm^-1

  酮  1715

  醛  1725

  酯  1735

例如

苯环  1600-1500 cm^-1

  3．质谱（MSmass spectram)

【定义】 质谱是把化合物分子用一定反式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱。以离子的质荷比（m/z)为序。

【种类】  EI-MS 电子轰击 electron impact ionization

 CI-MS 化学电离  chemical   ionization

 FI-MS  场致电离  field ionization

 FD-MS   场解析电离  field  desorption  ionization

FAB-MS  快速原子轰击  fast  atom  bomdardment

  【用途】  （1) 测定分子量，确定分子式

  （2)通过碎片离子的m/z推测结构或复核分子的部分结构

【主要离子】

1.分子离子峰〔M⁺〕分子失去一个价电子形成的正离子，分子离子的质荷比数值三就是该分子的分子量。

2.碎片离子

α-开裂   带正电荷的官能团与相连的α-C原子之间的开裂

β-开裂 带正电荷的官能团的α位和β位的两个碳原子之间的开裂。

有时又称α-裂解   即化合物若含有杂原子的C-X或C=X的官能团，与官能团相连的键为α键，很易裂解称α-裂解。

如 生物碱

  β－裂解（亦称麦氏重排)

  当化合物分子中含有C=X基团（X多为 O,S,N,C)，并且与这个基团相连的链上具有γ-氢原子时，这个γ-氢原子可以转移到X原子上，同时β－键发生裂解。

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  中性碎片  游离正离子

如强心甙

 烯丙裂解

  在具有双键的烯链中，常发生烯丙裂解，即在双键的β键处进行裂解，生成离子叫做烯丙离子（异裂)。

苄基裂解

芳香环侧链β－键是活性键，易裂解，产物为苄基离子，也可扩环成卓蓊离子。

RDA裂解   Retro-Diels Alder reaction（eleavage)

具有对己烯结构类型的化合物可发生RDA裂解，形成一个共轭二烯游离正离子和一个烯烃中性碎片。

例如     

FD-MS   可是分子量高达1500-2000的非挥发性化合物离子化，但重现性差，需较多的实验技术。有时可加微量的带阳离子的K⁺、Na⁺等碱金属化合物测试样品，因此会产生阳离子复合物（M⁺Na⁺),从而产生明显的带金属离子的分子离子峰和离子碎片峰。此法可适于糖甙、氨基酸、肽蛋白质等。甙可依次脱去糖的碎片。此法提供甙元的信息有时较少。

FAB-MS  与FD-MS相比除了给出分子量和糖碎片的信息，在低质区还给出了甙元的结构碎片，弥补了FD-MS的不足。

4．核磁共振谱（NMR  Nuclear magnetic resonancespectrum)

NMR是具有磁矩的原子核（¹H ，¹³C等)在磁场的作用下以射频进行照射，产生能级的跃迁而获得的共振信号。

¹H-NMR给出的信息：

① H质子的类型及其化学环境、H 的数目、位置、及相邻原子的情况。

②H的分布

③ 相邻H的关系

缺点：不能给出不含氢基团如C=O、-CN等信号。如含碳较多的化合物，如甾体的化学环境相近的¹H-NMR不能鉴别。

参数：化学位移（chemical shift δ) (parts per mollion)

被测定各质子的共轭频率与参比质子（TMS)的相对距离叫化学位移，用δ表示，ppm(parts per mollion)为单位。

质子的化学位移是由于受到诱导效应、共轭效应、各向异性效应、氢键以及质子的快速交换等因素综合影响的结果，而这些影响因素又和质子相连的基团有关。因此可以利用质子的化学位移值来推断分子的结构。

δ的影响因素：

①电子效应引起屏蔽和去屏蔽作用

氢核附近有电负性较大的原子或基团时，氢核的电子云密度降低，抗磁屏蔽减弱，产生顺（去)磁屏蔽效应，δ值增加，即向低场移。

R-CH₃ ：1.0左右  R-O-CH₃ ：3-4ppm

②各向异性效应

化学键（主要为π键)电子流动引起，可为正屏或去屏蔽效应（δ大)

 苯环上处为正屏蔽  δ6.0—9.5   脂肪族0—5

醛氢处：δ9—10 烯H ：δ4.5—7  炔H：δ1.8—3.0

③氢键缔合可产生去屏蔽效应，缔合程度越大，位移距离越大，在浓溶液形成氢键。

  醇   0.5—5.5

OH   酚 会计资格;  4.8—8.0  邻位有C=O为10—12.0

  烯醇 15.0—19.0   分子内氢键

  酸   10.0—13.0

（OH处苯环和C=O的正屏蔽区与C=O氢键)

  脂肪胺  0.3—2.2

NH   芳香胺  2.6—5.0

  酰胺 5.0—8.5

分子内存在酸性氢核因其化学位移的不稳定认识起来比较困难，通常在样品中加入重水（D₂O)，使酸性氢核通过下列反应与D₂O交换，而使其信号得以消失（快速交换)。

2)偶合常数（coupling constant J):有机化合物中各类质子由于所处化学环境和磁环境不同，当磁核之间发生自旋偶合作用，质子的共振峰要发生裂分现象，分别形成一组多元峰。多元峰的谱线之间有一定的间隔距离成为偶合常数，用J表示，单位是Hz。

影响因素:

①核间距离：间隔的键数。增多， J减少。

：J=10—16（偕偶)   ：J=5—9 Hz （邻偶)    ：J=0—3Hz（远程偶合)

：7—9Hz. ：2—3Hz  ：0—1Hz  

②与两面角有关   ³J=4.2-0.5cosф+4.5×cos²ф

Jae  =2—6Hz  Jaa=8—13Hz Jee=2—8Hz

60º   0—7Hz 180º  60º 0—5Hz

③信号的裂分

 n+1规律. S（singlet)、d（doudlet)、t（riplet)、q（multiplet)等

④峰面积：确定每个峰相当H的数目。

 根据积分曲线的高度与分子中的总H数，推测每个信号相当的H 数。

 2.74（H  dd J =2.9、17Hz)

  3.19（1H  dd J =12.9、17Hz)

  5.46（1H  dd  J =2.9、12.9Hz)

  5.95（1H  d J =2.2Hz)

  5.96（1H  d J =2.2Hz)

  6.90（2H  d J =8.4Hz)

7.40（2H  d J =8.4Hz)

¹³C-NMR

较¹H-NMR灵敏度高，δ1—250ppm，重叠少、分辨率高、易识别可给出C的化学环境、类型，依靠δ、J、裂分、解析图谱推测结构。

主要类型c核的化学位移值。

   脂肪C 伯   CH3 q   10—30

仲  -CH2 t   15—35

叔  -CH  d   25—60

季    s   30—40

   烯C C=C110—150

   芳C  120—150

   C=O—CHO 200—220

  180—195

  C—OH 45—90

δ的影响因素：

① 键的杂化类型

SP³碳化最高场（单键  δ7—57)

SP 碳化其次  （三键  δ65—92)

SP²碳化最低场（双键  δ105—145) 

如  CH₃—CH₃ ：δ5.7   CH₂=CH₂ ：δ123.3  ：δ71.9

② 碳核上电子的多少

缺电子碳上由于电子云密度低，去屏蔽效应，在低场。

如C=O最低（δ~ 200ppm)

③ 诱导效应

靠近电负性取代基、杂原子或烷基的碳原子的化学位移向低场移动，移动的多少随相隔的键数增多而减弱。

 δ伯C<δ仲C<δ叔C<δ季C

CH₃—CH₃  

5.7  15.9  24.3 27.4

④ 共轭效应

共轭的π键碳原子的δ与孤立的不同，共轭后向高场移。

⑤ 分子内氢键作用

C=O与邻位的OH形成分子内氢键后，使δ向低场移。

此外还有立体效应、取代基位移（CH₃取代、甙化位移等) 对化学位移的影响。

它的信号裂分和偶合常数

C—C的几率较少，主要为C—H的偶合，如CH₃(q)、CH(d)、(s)

例

四、立体结构

园二色谱CD   二维NMR C—HCOSY

旋光谱ORD 2D—NMR H—HCOSY

X—衍射等

小结：

1.化合物的纯度测定方法

2.结构研究的主要程序

3.分子式确定的方法

4.UV、IR、MS、¹H-NMR、¹³C-NMR在结构测定中的意义及作用

5.解释名词:¹H-¹HCOSY、NMQC、HMBC、NOE效应、 DETP