大学化学, 2020, 35(3): 113-119 doi: 10.3866/PKU.DXHX201906058

师生笔谈

以去氢弯孢霉素NMR结构解析讲授本科生波谱分析课程

董建伟1, 李雪娇1, 蔡乐,2, 缪应纯1

Teaching Undergraduate Student Curriculum "Spectral Analysis" by the NMR Analysis of Dehydrocurvularin

Dong Jianwei1, Li Xuejiao1, Cai Le,2, Miao Yingchun1

通讯作者: 蔡乐, Email:caile@ynu.edu.cn

收稿日期: 2019-06-26   接受日期: 2019-07-20  

基金资助: 云南省研究生优质课程项目
曲靖师范学院教育教学改革研究项目.  JGXM201809

Received: 2019-06-26   Accepted: 2019-07-20  

Fund supported: 云南省研究生优质课程项目
曲靖师范学院教育教学改革研究项目.  JGXM201809

摘要

以去氢弯孢霉素核磁共振波谱（NMR）解析为例，讲授本科化学和药学相关专业波谱分析课程NMR解析。去氢弯孢霉素结构包含苯环、双键、酚羟基、羰基和酯基等常见基团，NMR信号几乎无重叠、辨识度高，非常适合作为核磁共振波谱结构解析中化学位移、耦合常数和二维核磁共振波谱的授课内容。

关键词： 波谱分析 ; 核磁共振波谱 ; 结构解析 ; 去氢弯孢霉素

Abstract

This paper illustrates the teaching of the undergraduate curriculum "spectral analysis" by the NMR analysis of dehydrocurvularin. Dehydrocurvularin possesses several functional groups including benzene ring, double bond, phenolic hydroxyl, carbonyl, and ester group, and showed distinct and recognizable NMR signals, which is suitable for teaching of chemical shifts, coupling constants, and 2D NMR analysis.

Keywords： Spectral analysis ; Nuclear magnetic resonance spectrum ; Structure elucidation ; Dehydrocurvularin

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本文引用格式

董建伟, 李雪娇, 蔡乐, 缪应纯. 以去氢弯孢霉素NMR结构解析讲授本科生波谱分析课程. 大学化学[J], 2020, 35(3): 113-119 doi:10.3866/PKU.DXHX201906058

Dong Jianwei. Teaching Undergraduate Student Curriculum "Spectral Analysis" by the NMR Analysis of Dehydrocurvularin. University Chemistry[J], 2020, 35(3): 113-119 doi:10.3866/PKU.DXHX201906058

1 引言

波谱分析是高等学校化学、药学、制药工程等专业的必修课程，主要讲授通过紫外光谱(UV)、红外光谱(IR)、核磁共振波谱(NMR)及质谱(MS)四大波谱学进行化合物的结构解析。核磁共振波谱法是波谱分析的主要内容，能够提供丰富谱学信息，谱图可解析度高，能够详细准确地得到化合物结构。但是，核磁共振波谱解析也是学生在学习过程中较难理解的部分，是近年来波谱分析相关课程教学改革的研究重点[1-9]。

核磁共振波谱包括1H NMR、13C NMR和无畸变极化转移增强(DEPT)等一维谱和氢-氢相关谱(1H-1H COSY)、异核单量子相关谱(HSQC)、异核多键相关(HMBC)、核Overhauser效应谱(NOESY)/旋转坐标系Overhauser效应谱(ROESY)等常用二维谱。去氢弯孢霉素是由真菌产生的次生代谢产物[10-12]，分子结构中含有苯环、羰基、双键、酚羟基和酯基等特征基团，这些基团在核磁共振波谱中具有明显的谱学特征，信号不重叠，且结构相对简单[13]，适合在本科生波谱分析课程中讲解。本文以去氢弯孢霉素NMR为例讲解核磁共振波谱的解析。

2 1H NMR解析

1H NMR谱横坐标为化学位移，纵坐标为峰吸收强度，谱图中主要给出三个重要信息：化学位移(与氢所处化学环境有关)、积分面积(与分子中氢数量有关)和耦合常数(与分子所处空间有关)。

2.1 化学位移

氢化学位移与电子云密度有关，电子云密度越大，氢化学位移越小，位于1H NMR谱高场区；反之，电子云密度越小，化学位移越大，位于较低场。氢化学位移受周围原子影响，包括诱导效应、共轭效应、各向异性效应、范德华效应、氢键效应、溶剂效应等[14]。(1)诱导效应：与较强电负性基团连接的基团，受拉电子作用，周围电子云密度下降，原子核磁屏蔽效应减小，化学位移向低场移动。例如：H-15连接于O上，化学位移较烷基显著向低场移动(δ 4.82)。(2)各向异性效应：若分子中含有多重键(苯环、共轭双键等)，在外磁场作用下，产生强感应磁场，与外磁场相反，因此苯环上方和下方处于磁屏蔽区，外侧处于去屏蔽区(图1A)，苯环化学位移位于1H NMR谱低场区。如：去氢弯孢霉素中H-4和H-6化学位移分别为δ 6.29和δ 6.25。(3)共轭效应：若分子中存在共轭结构，分子内π电子发生转移导致氢磁屏蔽效应发生改变。如图1B所示，由于羟基和羰基与苯环共轭使苯环上氢屏蔽效应发生改变。基于此，对去氢弯孢霉素1H NMR谱(图2)解析如下：H-15受O拉电子诱导效应，化学位移位于较低场，H-2受C＝O拉电子诱导效应影响位于较低场，但由于拉电子作用没有O强，因此，峰位置较H-15处于高场区。H-4、H-6、H-10和H-11由于各向异性效应影响，氢化学位移均处于低场区。通常情况下，苯环芳香氢化学位移δ 6.5–8.5，双键氢化学位移δ 4.7–5.5。但是，本例中苯环芳香氢(H-4和H-6)化学位移值却小于双键氢(H-10和H-11)，这是由于H-4和H-6同时受羟基和羰基共轭效应影响，电子云密度增加(图1B)，磁屏蔽作用增强，使化学位移显著向高场移动，相对常规苯环氢(δ 7.27)明显处于较高场[15, 16]。H-11由于C＝O和苯环的双重共轭去屏蔽效应，化学位移显著向低场移动。H-10虽然处于C＝O和苯环共轭效应屏蔽区，但是它处于C＝O和苯环各向异性效应去屏蔽区(图1A)，且在一定程度上受到C＝O拉电子诱导效应影响，因此，H-10也位于较低场。通过本例特殊化学位移值分析，加深学生理解各向异性效应、共轭效应和诱导效应对化学位移值的影响，使学生能够更加灵活地应用这些知识解释化学位移值多样性变化。

图1

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图1   A)苯环和羰基各向异性效应图解；B)取代基对去氢弯孢霉素苯环电子云分布影响


图2

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图2   去氢弯孢霉素1H NMR谱(MeOD，400 MHz)


2.2 积分面积

1H NMR积分面积与分子中H的数量成正比，通过积分面积分析，可确定分子中各种化学环境下H数量。从图2中可以看出，共有13组氢信号，从低场至高场积分面积比为1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 2 : 3。

2.3 耦合常数

由于核自旋之间相互作用，导致1H NMR谱线裂分，通常符合n+ 1规律。峰裂分宽度以耦合常数表示，耦合常数大小反映氢与邻近位置H的关系。苯环氢3J约为8.0 Hz，4J约为2.0 Hz [17]；顺式双键3J约为12.0 Hz，反式双键3J约为16.0 Hz，根据耦合常数大小即可判断苯环取代位置和双键构型[18]。基于此，H-6和H-4均为双重峰，耦合常数均为2.4 Hz，说明H-4和H-6为互相耦合的两个氢，处于苯环间位；H-10为双重峰，耦合常数为15.6 Hz表明双键为反式双键，H-11受H-10和H-12的耦合作用裂分为多重峰；H-16为双重峰，耦合常数6.4 Hz，表明CH3连接在CH上，即H-15。去氢弯孢霉素1H NMR数据归属如表1所示。

表1   去氢弯孢霉素1H和13C NMR数据(MeOD，1H：400 MHz，13C：100 MHz)

PositionδC mult.δH mult. (J in Hz)PositionδC mult.δH mult. (J in Hz)
1173.0 C9200.0 C
242.5 CH23.73 d (16.8) 3.45 d (16.8)10133.4 CH6.50 d (15.6)
3137.0 C11154.3 CH6.57 m
4112.3 CH6.29 d (2.4)1234.2 CH22.38 m 2.30 m
5162.3 C1325.4 CH21.98 m 1.56 m
6102.9 CH6.25 d (2.4)1435.2 CH21.82 m 1.59 m
7162.1 C1574.3 CH4.82 m
8117.9 C1620.4 CH31.19 d (6.4)

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通过化学位移、积分面积和耦合常数分析让学生不仅知道各种化学环境氢的化学位移和耦合常数，同时掌握影响化学位移变化的因素。

3 13C NMR和DEPT谱解析

13C NMR和DEPT谱横坐标为化学位移，纵坐标为信号强度。13C NMR给出每一个碳信号，受诱导效应、共轭效应和各向异性效应等影响，羰基信号通常出现在最低场，苯环和双键碳信号出现在较低场，烷基等信号通常出现在较高场。DEPT谱给出碳级数：DEPT90谱中给出CH信号；DEPT135谱中向下峰为CH2信号，向上峰为CH和CH3信号；未在DEPT中出现，只在13C NMR中出现为季碳信号；对13C NMR、DEPT135和DEPT90做差谱分析即可得到所有碳信号级数[14]。因此，分析图3，去氢弯孢霉素一共有16个碳信号，其中5个CH信号，1个CH3信号，4个CH2信号，6个季碳信号。δC 200.0(C-9)为C＝O信号，δC 173.0(C-1)由于羰基与O连接，受p–π共轭效应影响，C-1电子云密度增加，磁屏蔽效应增强，较羰基处于高场，为酯基信号。低场区有双键上两个CH信号δC 154.3(C-11)、133.3(C-10)，由于与羰基共轭，受共轭效应影响，C-11电子云密度降低，磁屏蔽降低，位于较低场，C-10电子云密度增加，磁屏蔽效应增强，处于较高场。除此之外，低场区还有6个信号，包括两个CH，表明一个四取代苯环存在，C-5和C-7受O诱导效应影响，处于较低场，化学位移分别为δC 162.3、162.1；受羟基和羰基共轭效应影响，C-4、C-6和C-8磁屏蔽增强，处于较高场，化学位移分别为δC 112.3、102.9、117.9；C-3处于较低场(δC 137.0)。高场区中，δC 74.3(C-15)与O连接，受O拉电子诱导效应，化学位移较烷基处于较低场。δC 20.3 (C-16)为甲基信号，剩余四个CH2信号(δC 42.5，35.2，34.2，25.4)。去氢弯孢霉素13C NMR数据归属如表1所示。

图3

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图3   去氢弯孢霉素13C NMR和DEPT谱(MeOD，100 MHz)


学生须掌握如何从13C NMR和DEPT谱中识别碳的级数，能够运用电子云分布影响知识分析每个碳信号的相对位置，并初步推测化合物结构。

4 二维核磁共振波谱解析

4.1 1H-1H COSY

1H-1H COSY谱一般给出邻碳两个氢或者同碳两个化学不等价氢相关，通过分析1H-1H COSY谱可以得出分子中各类氢的连接关系。分析图4，H-10与H-11、H-11与H-12、H-12与H-13、H-13与H-14、H-14与H-15以及H-15与H-16存在相关，表明C(10)―C(11)―C(12)―C(13)―C(14)―C(15)―C(16)的连接关系。学生只需掌握哪些情况下氢存在1H-1H COSY相关，即可依次确定碳链连接片段。本例中氢信号无重叠，作为1H-1H COSY谱图解析教学效果良好。

图4

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图4   去氢弯孢霉素1H-1H COSY谱(MeOD, 400 MHz)


4.2 HSQC

HSQC (异核单量子相关)谱给出直接连接的C―H关系，即同碳氢相关。通过HSQC谱分析，可准确确定C和H的对应关系，特别对于确定C上化学环境不相同氢信号。HSQC谱图相对简单，学生需记住只有直接相连的C―H才能出现相关信号。如图5所示，C-2与两个不同H存在相关确定C-2与H-2的连接，C-11和C-10分别于H-11和C-10相关确定双键上H与C的归属，H-4与H-6分别于C-4和C-6相关确定苯环上H和C的归属，C-15和H-15相关准确确定与水峰信号部分重叠的H-15，C-12/13/14所连接的两个H化学环境均不相同，通过HSQC相关可准确归属它们的C和H信号。

图5

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图5   去氢弯孢霉素HSQC谱(MeOD, 400 MHz)


4.3 HMBC

HMBC (异核多键相关)谱通常给出2JCH和3JCH远程H―C相关信号，有时能够给出4JCH和5JCH远程相关。通过分析HMBC谱图中H与C相关，可确定H与邻近(2JCH和3JCH)C的相对位置，进而确定基团取代位置和连接关系。例如：本例中H-2与C-3、C-4与C-8存在相关，H-2至C-3为2JCH HMBC相关，H-2至C-4和C-8为3JCH HMBC相关，因此可以确定C-2连接在C-3位。基于此，如图6，单箭头()表示H与C相关，双向箭头()表示两个基团互相相关。H-2与C-3、C-4和C-8存在相关表明C-2连接在C-3位；H-2与C-1相关表明C-2与C-1相连。H-10与C-9和C-8的相关表明C-10与C-9连接，取代于C-8位。H-4与C-5、C-6、C-8和C-2相关，H-6与C-5、C-7、C-4和C-8相关表明两个芳香H分别位于C-4和C-6位，其余均为取代基团。综合分析苯环取代关系，确定C-5和C-7被羟基取代。H-15与C-1存在HMBC相关表明H-15与C-1通过酯基连接形成内酯，HMBC是确定酯键或醚键连接的常用手段[19, 20]。学生须知HMBC相关解析可从信号比较明显、相关显著明确的信号着手。

图6

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图6   去氢弯孢霉素HMBC谱(MeOD, 400 MHz)


5 教学效果

近两年来，笔者在进行化学和制药工程专业波谱分析授课中，不断尝试将科研中实际谱图给学生展示、解析。通过实际图谱解析，学生学以致用，学习兴趣浓厚，更容易接受本课程的理论知识，更容易运用知识于实践中。

通过去氢弯孢霉素结构解析讲解，学生可以系统地掌握核磁共振波谱这一章节知识，有助于培养学生综合运用所学核磁共振波谱学知识分析解决问题的能力。课程讲解让学生容易了解波谱分析课程的意义，培养严谨的科学思维。

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