河北医科大学药李院天然药物化学教研堂史清文教 波谱课程基本概念 紫外光谱Ultraviolet Spectrum 1,生色团chromophore::能在某一段光波内产生吸收的基团，称为这一段波长的生色团或生 色基。 2.助色团auxochrome::当具有非键电子的原子或基团连在双键或共轭体系上时，会形成非 键电子与π电子的共钯（印π共钯），从而使电子的活动范围增大，吸收 向长波方向位移，颜色加深，这种效应称为助色效应。 3.红移现象：由于取代基或溶剂的影响使最大吸收峰向长波方向移动的现象称为红移现象。 4.增色效应：使值增加的效应称为增色效应。 5.UV在有机化合物结构研究中的应用 1)确定检品是否为已知化合物紫外光谱相同，但结构不一定完全相同，因为UV只能 表达两个化合物的发色团和显色的分子母核。 2)推断未知化合物的部分结构可用于顺反异构体的区别，由于立体障碍反式入max大 些。 红外光谱 Infrared Spectroscopy 1.官能团区：4000-1300cm-1是基团伸缩振动出现的区域，对鉴定基团很有价值。 2.何谓指纹区？它有什么特点和用途？ 在R光谱中，频率位于1350-650cm-1的低频区称为指纹区.指纹区的主要价值在于表 示整个分子的特征，因而适用于与标准谱图或己知物谱图的对照，以得出未知物与已知 物是否相同的准确结论，任何两个化合物的指纹区特征都是不相同的。 3.影响红外吸收谱带位移的因素： 1)诱导效应与共轭效应
河北医科大学药学院天然药物化学教研室 史清文 教授 1 波谱课程基本概念 紫外光谱 Ultraviolet Spectrum 1. 生色团 chromophore：能在某一段光波内产生吸收的基团，称为这一段波长的生色团或生 色基。 2．助色团 auxochrome: 当具有非键电子的原子或基团连在双键或共轭体系上时，会形成非 键电子与 p 电子的共轭(p- p 共轭)，从而使电子的活动范围增大，吸 收 向长波方向位移，颜色加深，这种效应称为 助色效应。 3. 红移现象：由于取代基或溶剂的影响使最大吸收峰向长波方向移动的现象称为红移现象。 4. 增色效应：使 e 值增加的效应称为增色效应。 5. UV 在有机化合物结构研究中的应用—— 1） 确定检品是否为已知化合物紫外光谱相同，但结构不一定完全相同，因为 UV 只能 表达两个化合物的发色团和显色的分子母核。 2） 推断未知化合物的部分结构可用于顺反异构体的区别，由于立体障碍反式λmax 大 些。 红外光谱 Infrared Spectroscopy 1. 官能团区：4000~1300 cm-1 是基团伸缩振动出现的区域，对鉴定基团很有价值。 2. 何谓指纹区？它有什么特点和用途？ 在 IR 光谱中，频率位于 1350-650 cm-1 的低频区称为指纹区．指纹区的主要价值在于表 示整个分子的特征，因而适用于与标准谱图或已知物谱图的对照，以得出未知物与已知 物是否相同的准确结论，任何两个化合物的指纹区特征都是不相同的． 3. 影响红外吸收谱带位移的因素： 1）诱导效应与共轭效应
河北医种大学药学院天然药物化学教研室史清文教授 2)键应力效应（张力效应） 3)空间效应 4)氢键效应 5)振动的偶合与费米共振 6)物态变化的影响 7)溶剂的影响 4.红外谱带的三个重要特征 1)谱带位置：指某一基团存在的最有用的特征 2)谱带的形状：从谱带的形状也可以获得有关基团的一些信息 3)谱带的相对强度：把光谱中一条谱带的强度和另一条相比，可以得出一个定量的概念， 同时也可以指示某特殊基团或元素的存在 5.红外光谱在有机化合物分析中的应用 1)鉴定是否为已知成分 2)鉴定未知化合物的官能团 6.红外光谱识谱的一般程序 1)将整个红外光谱划分成特征宫能团区(4000~1333cm-1)和指纹区(1333~667cm-1), 由高频区至低频区依次检查吸收峰存在的情况，找出相应的化合物所属的可能类型 和所含的主要官能团。 2)确定了化合物的类型和可能的官能团后，可以查表，并遵照影响特征频率移动的规 则及相关峰，进一步研究结构细节。 3)按照上述两步确定了化合物可能的结构后，在与标准图谱或与标样在同一条件下测 定的红外光谱对照，同时确证。结合核磁共振，质谱，紫外光谱及元素分析等结果 作出最后的确证。 7.简答题 1)产生红外吸收的条件是什么？是否所有的分子振动都会产生红外吸收光谱？为什么？ 答：条件：激发能与分子的振动能级差相匹配，同时有偶极矩的变化.并非所有的分子 振动都会产生红外吸收光谱，具有红外吸收活性，只有发生偶极矩变化时才会产 生红外光谱 2)何谓基团频率？它有什么重要用途？ 答：与一定结构单元相联系的振动频率称为基团频率，基团频率大多集中在4000-1350 2
河北医科大学药学院天然药物化学教研室 史清文 教授 2 2）键应力效应（张力效应） 3）空间效应 4）氢键效应 5）振动的偶合与费米共振 6）物态变化的影响 7）溶剂的影响 4. 红外谱带的三个重要特征 1）谱带位置：指某一基团存在的最有用的特征 2）谱带的形状：从谱带的形状也可以获得有关基团的一些信息 3）谱带的相对强度：把光谱中一条谱带的强度和另一条相比，可以得出一个定量的概念， 同时也可以指示某特殊基团或元素的存在。 5. 红外光谱在有机化合物分析中的应用 1） 鉴定是否为已知成分 2） 鉴定未知化合物的官能团 6. 红外光谱识谱的一般程序 1） 将整个红外光谱划分成特征官能团区(4000～1333 cm-1)和指纹区(1333～667 cm-1), 由高频区至低频区依次检查吸收峰存在的情况, 找出相应的化合物所属的可能类型 和所含的主要官能团。 2） 确定了化合物的类型和可能的官能团后，可以查表, 并遵照影响特征频率移动的规 则及相关峰，进一步研究结构细节。 3） 按照上述两步确定了化合物可能的结构后，在与标准图谱或与标样在同一条件下测 定的红外光谱对照，同时确证。结合核磁共振，质谱，紫外光谱及元素分析等结果 作出最后的确证。 7. 简答题 1）产生红外吸收的条件是什么?是否所有的分子振动都会产生红外吸收光谱?为什么? 答: 条件:激发能与分子的振动能级差相匹配,同时有偶极矩的变化. 并非所有的分子 振动都会产生红外吸收光谱, 具有红外吸收活性, 只有发生偶极矩变化时才会产 生红外光谱. 2）何谓基团频率? 它有什么重要用途? 答:与一定结构单元相联系的振动频率称为基团频率, 基团频率大多集中在 4000-1350
河北医科大学药李院天然药物化学教研堂史清文教投 cm,称为基团频率区，基团频率可用于鉴定官能团。 3)红外光谱定性分析的基本依据是什么？简要叙述红外定性分析的过程 答：基本依据：红外对有机化合物的定性具有鲜明的特征性，因为每一化合物都有 特征的红外光谱，光谱带的数目、位置、形状、强度均随化合物及其聚集态的不同 而不同。定性分析的过程如下： (1)试样的分离和精制：(2)了解试样有关的资料： (3)谱图解析：（④）与标准谱图对照(5)联机检索。 4)何谓指纹区？它有什么特点和用途？ 答：在R光谱中，频率位于1350-650cm-1的低频区称为指纹区。 指纹区的主要价值在于表示整个分子的特征，因而适用于与标准谱图或已知物谱 图的对照，以得出未知物与已知物是否相同的准确结论，任何两个化合物的指纹 区特征都是不相同的。 质谱 Mass Spectrum 1.分子离子(Molecular ion) 样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为M+。 2.准分子离子(Quasi-molecular ion) 准分子离子常由软电离(EAB-MS)产生，一般为M+H+、MH+,M+Na+,M+NH3 M+K+.M+Cut 3.氮规则：当化合物不含氨或含偶数个氮时，其分子量为偶数：当化合物含奇数个氨时， 其分子量为奇数。 4.不饱和度计算方法
河北医科大学药学院天然药物化学教研室 史清文 教授 3 cm-1 ，称为基团频率区，基团频率可用于鉴定官能团． 3）红外光谱定性分析的基本依据是什么？简要叙述红外定性分析的过程． 答：基本依据：红外对有机化合物的定性具有鲜明的特征 性，因为每一化合物都有 特征的红外光谱，光谱带的数目、位置、形状、强度均随化合物及其聚集态的不同 而不同。定性分析的过程如下： （1）试样的分离和精制；(2)了解试样有关的资料； (3) 谱图解析；(4) 与标准谱图对照; (5) 联机检索。 4） 何谓指纹区？它有什么特点和用途？ 答：在 IR 光谱中，频率位于 1350-650 cm-1 的低频区称为指纹区。 指纹区的主要价值在于表示整个分子的特征，因而适用于与标准谱图或已知物谱 图的对照，以得出未知物与已知物是否相同的准确结论，任何两个化合物的指纹 区特征都是不相同的。 质 谱 Mass Spectrum 1. 分子离子 （Molecular ion） 样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为 M+。 2．准分子离子（Quasi-molecular ion） 准分子离子常由软电离(FAB-MS)产生，一般为 M+H+、 M-H+, M+Na+, M+NH3+, M+K+, M+Cu+ 3. 氮规则：当化合物不含氮或含偶数个氮时，其分子量为偶数；当化合物含奇数个氮时， 其分子量为奇数。 4. 不饱和度计算方法
河北医科大学药学院天然药物化学教研宝史清文教投 计算不饱和度Unsaturation Index (Double Bond Equivalent, Indices of Hydrogen Deficiency) 不饱和单位（或称不饱和度，以口表示）表示分子中存在 或环的数 ，是解析化合物结构的一个重要参数 计算不饱和单位的方法如下： Q=nt1-H .CI N 2 2 2 式中为碳原子数目，C代表卤素，N是三价 2 5.质谱图解析的方法和步骤 1)解析分子离子峰区域 2)解析碎片离子峰区域 3)列出部分结构单元 4)推出样品可能的结构式 核磁共振氢谱 Nuclear Magnetic Resonance L.核磁共振谱Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy-一NMR)是指：低能电磁波（波长约 106一109μm)与暴露在磁场中的磁性核相互作用，使其在外磁场中发生能级的共振跃迁 而产生吸收信号，称为核磁共振谱。 2.屏蔽作用（屏蔽效应）(shielding effect) 3.去屏蔽作用（取屏蔽效应）(deshieldingeffect) 4.各向异性效应(magnetic anisotropy):化学键尤其是p键，因电子的流动产生一个小的诱 导磁场，并通过空间影响到邻边的核，在电子云分布不是球形对称时，这种影响在化学 键的周围也不是对称的，根据实际情况有的是正屏敲，而有的是负屏蔽作用，从而使化 学位移增大或减小，这种效应叫磁的各向异性效应(magnetic anisotropy) 5.位移试剂(Shift Reagents):由于分子中有些氢的化学环境比较接近，使得谱峰重叠，给
河北医科大学药学院天然药物化学教研室 史清文 教授 4 230 计算不饱和度 Unsaturation Index (Double Bond Equivalent, Indices of Hydrogen Deficiency) 不饱和单位（或称不饱和度，以Ω表示）表示分子中存在 的双键或环的数目，是解析化合物结构的一个重要参数。 计算不饱和单位的方法如下： 式中n为碳原子数目, Cl代表卤素， N是三价氮 Ω = n+1 2 H 2 2 Cl - + N - 5. 质谱图解析的方法和步骤 1） 解析分子离子峰区域 2） 解析碎片离子峰区域 3） 列出部分结构单元 4） 推出样品可能的结构式 核磁共振氢谱 Nuclear Magnetic Resonance 1. 核磁共振谱(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy—NMR)是指：低能电磁波（波长约 106—109μm)与暴露在磁场中的磁性核相互作用，使其在外磁场中发生能级的共振跃迁 而产生吸收信号，称为核磁共振谱。 2. 屏蔽作用（屏蔽效应）（shielding effect） 3. 去屏蔽作用（取屏蔽效应）（deshielding effect） 4. 各向异性效应（magnetic anisotropy）：化学键尤其是 p 键，因电子的流动产生一个小的诱 导磁场，并通过空间影响到邻边的核，在电子云分布不是球形对称时，这种影响在化学 键的周围也不是对称的，根据实际情况有的是正屏蔽，而有的是负屏蔽作用，从而使化 学位移增大或减小，这种效应叫磁的各向异性效应（magnetic anisotropy） 。 5. 位移试剂（Shift Reagents）：由于分子中有些氢的化学环境比较接近，使得谱峰重叠，给
河北医科大学药李院天然药物化学教研堂史清文教授 谱图解析带来困难。一些镧系元素的合物能与有机分子中某些官能团作用，影响核外 电子对质子的屏蔽效应，从而增大共振质子的化学位移。这种能使样品中的质子信号发 生位移的试剂叫做位移试剂(Shift Reagents)。 6.偶合常数(Coupling constants):自旋一自旋偶合产生峰的裂分，而每组峰中峰与峰之间 的距离叫偶合常数(Coupling constants),用J表示单位， 7.偕偶(Geminal coupling)也称偕质子偶合，同碳质子偶合。 &.邻偶(Vicinal coupling)) 9.远程偶合(Long-range coupling) 10.W型偶合：当两个氢核正好位于英文字母w的两端时，由于空间上很接近，而可发生 远程偶合，但J值很小，仅约为1，称W型偶合。 L.化学等价（化学位移等价chemical quivalence):若分子中两个相同原子（或两个相同 基团)处于相同的化学环境，其化学位移相同，它们是化学等价的。相反，化学位移不 同的核称为化学不等价。 12.磁等价(magnetic equivalence):分子中相同种类的核（或相同基团），不仅化学位移相 同，而且还以相同的偶合常数与分子中其它的核相偶合，只表现一个偶合常数，这类核 称为磁等价的核。 13.核Overhauser效应(NOE):若对分子中空间相距较近的两核(<5A)之一进行辐照， 使之达到跃迁的饱和状态，此时记录另一个核的核磁共振峰，可发现较无此辐照时，谱 峰强度有所变化，这即是核Overhauser效应(NOE)。 14.核磁共振碳谱特点 优点：1)掌握碳原子（特别是无氢原子连接时）的信息 2)化学位移范围大（可超过200ppm) 3)可确定碳原子级数 4)准确测定驰豫时间，可帮助指认碳原子 难点：灵敏度低、信噪比差 15.综合解析谱图的一般程序 1)确定样品的纯度。 2)确定分子式。确定分子式的方法有： ()质谱法测定未知物的分子量，结合元素分析结果可以计算出化合物的分子式。 (2)根据高分辨质谱给出的分子离子的精确质量数，查Beynon表或Lederberg表计
河北医科大学药学院天然药物化学教研室 史清文 教授 5 谱图解析带来困难。一些镧系元素的络合物能与有机分子中某些官能团作用，影响核外 电子对质子的屏蔽效应，从而增大共振质子的化学位移。这种能使样品中的质子信号发 生位移的试剂叫做位移试剂（Shift Reagents）。 6. 偶合常数 (Coupling constants)：自旋¾自旋偶合产生峰的裂分，而每组峰中峰与峰之间 的距离叫偶合常数 (Coupling constants)，用 J 表示单位 Hz. 7. 偕偶(Geminal coupling)也称偕质子偶合，同碳质子偶合。 8. 邻偶 (Vicinal coupling) 9. 远程偶合 (Long-range coupling) 10. W 型偶合：当两个氢核正好位于英文字母“w”的两端时，由于空间上很接近，而可发生 远程偶合，但 J 值很小，仅约为 1Hz, 称 W 型偶合。 11. 化学等价 (化学位移等价 chemical equivalence) ：若分子中两个相同原子（或两个相同 基团）处于相同的化学环境，其化学位移相同，它们是化学等价的。相反，化学位移不 同的核称为化学不等价。 12. 磁等价（magnetic equivalence）：分子中相同种类的核（或相同基团），不仅化学位移相 同，而且还以相同的偶合常数与分子中其它的核相偶合，只表现一个偶合常数，这类核 称为磁等价的核。 13. 核 Overhauser 效应（NOE）：若对分子中空间相距较近的两核（<5Å）之一进行辐照， 使之达到跃迁的饱和状态，此时记录另一个核的核磁共振峰，可发现较无此辐照时，谱 峰强度有所变化，这即是核 Overhauser 效应（NOE）。 14. 核磁共振碳谱特点 优点： 1) 掌握碳原子（特别是无氢原子连接时）的信息 2) 化学位移范围大（可超过 200 ppm） 3) 可确定碳原子级数 4) 准确测定驰豫时间，可帮助指认碳原子 难点：灵敏度低、信噪比差 15. 综合解析谱图的一般程序 1）确定样品的纯度。 2）确定分子式。确定分子式的方法有： (1) 质谱法测定未知物的分子量，结合元素分析结果可以计算出化合物的分子式。 (2) 根据高分辨质谱给出的分子离子的精确质量数，查 Beynon 表或 Lederberg 表计
河北医科大学药学院天然药物化学教研室史清文教投 算得出，也可根据低分辨质谱中的分子离子峰和M+1,M+2同位素峰的相对丰 度比，查Beynon表来推算分子式。 (3)由核磁共振13C-NMR宽带去偶谱的峰数和峰的强度估算碳原子数，结合分子 量，判断分子对称性。由偏共振去偶谱或DEPT谱得到与各碳相连的氢原子数 由'HNMR的积分曲线高度比也可认别各基团含氢数目比，确定化合物分子式。 可通过元素定性分析确定分子中是否含有杂原子，如含有N、S、X(卤素)等 元素，还需测定其含量。分子是否含氧，可从红外光谱含氧基团(OH、C0 C-0等)的吸收峰判断。 3)计算化合物的不饱和度。计算不饱和度对判断化合物类型很有必要。如不饱和度在1~ 3之间，分子中可能含有C-C、C-0或环，如不饱和度≥4，分子中可能有苯环。 4)结构单元的确定。 5)可能结构式的推导。 6)化合物的确定。 小结 ◆化学位移：NMR信号组的数目代表了分子中的等价质 子的数目。 ◆NMR信号组的位置告诉我们分子中每一种等价质子的 化学环境。 峰强度：峰面积积分比对应于分子中各等价质子的数 目比。 裂分：裂分的峰数与相邻的另一组等价质子的数目。 ◆根据偶合常数可判别哪两组停价质子为相邻关系。 ◆氘-氢交换：判别活泼氢的常用方法
河北医科大学药学院天然药物化学教研室 史清文 教授 6 算得出，也可根据低分辨质谱中的分子离子峰和 M+1，M+2 同位素峰的相对丰 度比，查 Beynon 表来推算分子式。 (3) 由核磁共振 13C-NMR 宽带去偶谱的峰数和峰的强度估算碳原子数，结合分子 量，判断分子对称性。由偏共振去偶谱或 DEPT 谱得到与各碳相连的氢原子数， 由 1 H-NMR 的积分曲线高度比也可认别各基团含氢数目比，确定化合物分子式。 可通过元素定性分析确定分子中是否含有杂原子，如含有 N、S、X（卤素）等 元素，还需测定其含量。分子是否含氧，可从红外光谱含氧基团（OH、C=O、 C-O 等）的吸收峰判断。 3）计算化合物的不饱和度。计算不饱和度对判断化合物类型很有必要。如不饱和度在 1～ 3 之间，分子中可能含有 C=C、C=O 或环，如不饱和度≥4，分子中可能有苯环。 4）结构单元的确定。 5）可能结构式的推导。 6）化合物的确定。 82 小 结 u 化学位移：NMR 信号组的数目代表了分子中的等价质 子的数目。 u NMR 信号组的位置告诉我们分子中每一种等价质子的 化学环境。 u 峰强度：峰面积积分比对应于分子中各等价质子的数 目比。 u 裂分：裂分的峰数与相邻的另一组等价质子的数目。 u 根据偶合常数可判别哪两组等价质子为相邻关系。 u 氘-氢交换：判别活泼氢的常用方法
河北医科大学药李院天然药物化学教研宝史清文教 H-NMR图的信息 ·吸收峰的组数 一对一级图谱而言，分子中化学环境不同的质 子有几组。 ·质子的化学位移值δ 一说明分子中的基团情况。 ·峰的分裂个数及偶合常数了 一说明各基团的连接关系。 ·阶梯式积分曲线高度 一说明各基团的质子数比。 Comparing UV,IR,MS and NMR 1.Cost:NMR>MS IR UV 2.Ease of Usage:UV IR>NMR>MS 3.Scope and Information Provided: NMR>MS>IR>UV 4.Theoretical background: NMR>>MS>UV=IR 5.Sensitivity MS>UV IR H-NMR 13C-NMR
河北医科大学药学院天然药物化学教研室 史清文 教授 7 1H-NMR图的信息 • 吸收峰的组数 – 对一级图谱而言，分子中化学环境不同的质 子有几组。 • 质子的化学位移值d – 说明分子中的基团情况。 • 峰的分裂个数及偶合常数J – 说明各基团的连接关系。 • 阶梯式积分曲线高度 – 说明各基团的质子数比。 1 1. Cost: NMR > MS > IR > UV 2. Ease of Usage: UV > IR > NMR > MS 3. Scope and Information Provided: NMR > MS > IR > UV 4. Theoretical background: NMR >> MS > UV = IR 5. Sensitivity MS > UV > IR > 1H-NMR > 13C-NMR Comparing UV, IR, MS and NMR
河北医科大学药学院天然药物化学教研宝史清文教投 天然化合物结构解析的一般程序 HNR谦(D) IC-NMR谱(ID) CHC,CH中质子信号的归属 NET,HOC汉别表原子卷 HCOS清定自装体系 BC连接因季碳和杂原子分开的自旋体 NOESY,偶合常数 定执， 4 Assemble Substru. igure 1.2 hingmolocular structure.5Cluster Substru Dereplicale by MF6 Total Strut 7ReEval Structs 3(Ato中conneet) 8 3D Struct. 9Evaluate Structure By Theory
河北医科大学药学院天然药物化学教研室 史清文 教授 8 确定分子结构 （1H，13C的归属） 天然化合物结构解析的一般程序 1H-NMR 谱（1D） 13 C-NMR 谱（1D） CH, CH2, CH3中质子信号的归属 INEPT, HMQC识别碳原子基团 1 H- 1 HCOSY确定自旋体系 HMBC连接因季碳和杂原子分开的自旋体系 确定碳骨架 NOESY, 偶合常数 结合高分辨提供的不饱和度 84 1 2 3 (Atom connect) 4 Assemble Substru. 5 Cluster Substru 6 Total Strut 7 Re-Eval Structs 8 3D Struct. 9 Evaluate Structure By Theory