通過retusiusine A的核磁共振解析講授研究生課程《物質結構鑒定與表征》

蔡樂+曹秋娥+韋琨+丁中濤

[摘要]本文以蘭科植物蘚葉卷瓣蘭中分離得到的一個新化合物retusiusine A的綜合解析為例，講授研究生課程《物質結構鑒定與表征》中的核磁共振（nuclear magnetic resonance）波譜分析內容。retusiusine A結構中包含苯環、含氧取代碳和不含氧取代碳，而且其核磁數據不重疊，非常適合作為核磁共振授課內容。

[關鍵詞]核磁共振；retusiusine A；《物質結構鑒定與表征》

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-4721（2017）01（c）-0143-06

[Abstract]This paper describes the teaching of graduate student curriculum “Materia structural identification and characterization” through the NMR analysis of retusiusine A，which is a new compound isolated from Bulbophyllum retusiusculum.Retusiusine A contains benzene，oxygenated carbon and non-oxygenated carbon，and its NMR data are non-overlapped and very suitable for NMR teaching content.

[Key words]Nuclear magnetic resonance；retusiusine A；Material structure identification and characterization

《核磁共振波譜》課程是有機化學、藥物化學和天然藥物化學等相關專業的一門重要課程[1-2]，很多高校教師一直在探索該課程的教學改革，包括網絡教學[3]、互動教學[4]、注重實踐[5]、結合實驗[6]和考試改革[7]等。云南大學化學科學與工程學院針對研究生開設了類似必修課程《物質結構鑒定與表征》，與很多學校一樣[8-9]，要讓課程背景不同的研究生同步學習這門課程是教學的難點。筆者認為，如果能以綜合解析為主，在解析過程中強化核磁共振（NMR）基本內容，將有望滿足不同課程背景的研究生對該門課程的需求。

核磁共振主要內容包括氫譜（1H NMR）、碳譜（13C NMR）、DEPT譜和二維譜，二維譜主要又包括HSQC、HMBC、1H-1H COSY和ROESY等四種圖譜。本文以蘭科植物蘚葉卷瓣蘭中分離得到的一個新化合物retusiusine A（圖1）[10]的綜合解析為例，來講授《物質結構鑒定與表征》課程。化合物retusiusine A的NMR數據包括苯環、含氧取代和不含氧取代的信號，而且數據不重疊，非常適合作為核磁共振波譜分析課程授課內容。

1 1H NMR

1H NMR譜提供的最重要的三個信息是化學位移（反映氫的化學環境，與電子云密度有關）、偶合常數（反映氫的空間關系）和氫的數量（與氫的峰面積積分相關）。

1.1化學位移

學生要記住，氫（碳）周圍的電子云密度越大，其化學位移越出現在高場，電子云密度越低，化學位移越往低場。從retusiusine A的1H NMR譜（圖1）可以看到該化合物的兩個1，3，4-三取代苯環的標準信號，這六個氫均位于苯環氫δ7.25附近，在此處可以介紹三類主要的取代基對苯環氫化學位移的影響，①烷基：比如C-7′，這類取代基對苯環氫化學位移基本沒有影響，原因是既不產生共軛效應也不產生誘導效應。②羰基：羰基與苯環存在共軛效應，且由于氧的電負性使苯環電子云去屏蔽，導致苯環電子云密度降低，H-2（H-2′）和H-6受到的去屏蔽影響最大，H-6′處在羰基對位，受到的去屏蔽作用次之，而H-5（H-5′）反而受到了一定的屏蔽作用（圖2A）[11]，基于這個影響，化學位移應該是H-2=H-6>H-5（H-2′>H-6′> H-5′）。③含氧取代基（羥基和甲氧基）：氧的孤對電子會與苯環形成共軛，從而使苯環受到屏蔽，導致電子云密度上升，含氧取代基對其鄰位氫的屏蔽作用最大，對對位氫的屏蔽其次，而對間位氫的影響最小（圖2B、圖2C）[12]。基于此，H-2受到一個鄰位氧和一個間位氧的屏蔽，H-5受到一個鄰位氧和一個間位氧的屏蔽，H-6受到一個對位氧和一個間位氧的屏蔽，如果僅看氧的影響，化學位移應該是H-6>H-5=H-2，綜合羰基和烷基的影響，結果就是H-6>H-2>H-5。另一個苯環上，H-5′受到一個鄰位氧的屏蔽，H-2′和H-6′受到一個間位氧的屏蔽，如果只考慮氧的影響，化學位移應該是H-2′=H-6′>H-5′，綜合羰基和烷基的影響，結果應該為H-2′>H-6′>H-5′。以上分析與圖譜吻合，這樣分析化學位移，結合峰形，對于學生歸屬1H NMR數據很有幫助，也可加深學生對共軛效應的理解和記憶。

H-8′由于受氧的誘導效應，加上旁邊C-9′羰基的各向異性效應的影響，出現在δ5.0左右（實為δ5.33），H-7′沒有與雜原子相連，只有到O-8′的弱誘導效應（誘導效應隨距離增加下降很快），和苯環的各向異性效應影響，兩個氫的化學位移出現在δ3.22和δ3.27。一個CH2上的兩個氫的化學位移出現在不同位置的原因是該CH2與手性碳相連（C-7′）。甲氧基的化學位移在δ3.1～4.0，與苯環相連的甲氧基由于苯環的各向異性效應要更低場一些，可到δ3.6～4.0，OCH3-3和OCH3-4的實際化學位移在δ3.84和δ3.86，符合以上分析。retusiusine A的1H NMR全數據歸屬見表1。

1.2偶合常數

偶合常數就是峰裂開的距離，以J來表示，單位為Hz，它反映兩個核之間的作用強弱，影響偶合常數的因素主要有偶合核間的距離、角度及電子云密度。H-5（H-5′）只與H-6（H-6′）發生J3偶合，故其峰形為標準的二重峰（圖2），苯環的J3偶合常數一般為8.0 Hz左右（實際為8.4 Hz）。H-2（H-2′）只與H-6（H-6′）發生J4偶合，一般J4偶合的偶合常數一般在1.5～2.5 Hz，H-2（H-2′）的實際偶合常數為1.6 Hz。H-6（H-6′）則除了與H-5（H-5′）發生J3偶合，還與H-2（H-2′）發生J4偶合，故峰形為雙二重峰，偶合常數為8.4和1.6 Hz。H-8′分別與磁不等價的H-7′a和H-7′b偶合，故峰形為雙二重峰，偶合常數為4.6 Hz和7.2 Hz。H-7′a與H-7′b和H-8′偶合，因此峰形也為雙二重峰，偶合常數為4.6 Hz和14.4 Hz。同樣的，H-7′b也為雙二重峰，偶合常數為7.2和14.4 Hz。甲氧基因鄰位（氧）沒有氫取代故為單峰。

1.3氫的數量

從每一個氫的積分面積可以看出，積分面積與氫的數量成正比，其中甲氧基的氫的積分面積表明每一個甲氧基有三個氫。

2 13C NMR和DEPT

2.1 13C NMR

每一個碳都會在13C NMR譜中出現一個信號，retusiusine A中的19個碳信號均在13C NMR譜中出現（圖3）。13C NMR譜中羧基的化學位移在最低場，分別出現在δ172.9和δ173.3，酯基的化學位移稍高，出現在δ167.0。苯環碳的化學位移一般出現在δ128附近，C-4′因為受到氧的誘導效應出現在δ162.2，C-3和C-4同樣受到氧的誘導效應，但是因為兩個碳都受到鄰位氧的屏蔽作用（與氫類似），因此化學位移出現在δ150.1和δ155.0。C-2′和C-6′受到羰基-10′的去屏蔽效應，化學位移出現在稍低場大于δ128的位置，即δ132.5和δ137.9。C-2、C-5和C-5′均受到鄰位氧的屏蔽作用，化學位移出現在稍高場小于δ128的位置，分別是δ113.2、δ111.8和δ118.2。C-6既受到羰基-7的去屏蔽作用，也受到OCH3-3的對位屏蔽，出現在δ125.2。C-8′受到氧的誘導效應，出現在δ74.4，C-7′未受到誘導效應（或者J3誘導效應較弱），出現在δ37.8。retusiusine A的13C NMR數據全歸屬見表1。

2.2 DEPT

DEPT譜主要反映碳的級數，即可以通過DEPT譜區分C、CH、CH2和CH3。相對13C NMR譜，DEPT 135譜中消失的是季碳，向下的是CH2，向上的是CH和CH3，DEPT 90譜中只有向上的CH（圖3）。學生對DPET的要求就只需要知道這個區分方法就可以了。通過對實際譜圖的學習也能非常明了地向學生介紹DEPT譜解析方法。

3二維核磁共振譜

3.1 1H-1H COSY譜

1H-1H COSY一般是相鄰兩個碳上的氫，或者同一個碳上化學不等價的兩個氫之間相關。在譜圖中可以看到H-7′a與H-7′b相關，H-7′a和H-7′b與H-8′相關，H-5（H-5′）與H-6（H-6′）相關（圖4）。可以讓學生直觀地了解1H-1H COSY譜圖。

3.2 HSQC譜

HSQC譜反映同碳氫相關，在譜圖中可以看到H-2（H-2′）與C-2（C-2′）、H-5（H-5′）與C-5（C-5′）、H-6（H-6′）與C-6（C-6′）、H-7′a和H-7′b與C-7′以及H-8′與C-8′相關（圖5）。

3.3 HMBC譜

HMBC譜反映碳氫遠程相關，即2鍵和3鍵相關，如H-2′（H-2）與C-1′（C-1）、C-3′（C-3）、C-4′（C-4）、C-6′（C-6）、C-7′（C-7）與C-10′相關；H-5′（H-5）與C-1′（C-1）、C-3′（C-3）、C-4′（C-4）與C-6′（C-6）相關；H-6′（H-6）與C-1′（C-1）、C-2′（C-2）、C-4′（C-4）、C-5′（C-5）與C-7′相關；H-7′與C-1′、C-2′、C-6′、C-8′與C-9′相關；H-8′與C-1′、C-7′、C-9′與C-7相關（圖6）。這其中H-8′與C-7相關正是retusiusine A中兩個片段通過C（8′）-O-C（7）形成酯鍵連接的關鍵證據，文獻中多采用通過HMBC相關確定酯鍵或者醚鍵的連接位置[13-14]。OCH3-3與C-3相關，OCH3-4與C-4相關是甲氧基取代位置的關鍵證據。從這個圖譜可以讓學生清楚地了解HMBC譜圖在結構解析中的強大功能。

3.4 ROESY譜

ROESY譜反映的是兩個氫的空間距離，對于化合物相對構型的確立具有重要意義（圖7）。譜中H-7′a和H-7′b與H-8′，H-5（H-5′）與H-6（H-6′）的相關屬于鄰位氫相關，在結構鑒定中意義不大。H-7′a和H-7′b與H-2′和H-6′相關，對于確定C-7′在苯環上的取代位置有一定參考意義[15]，而OCH3-3與H-2，OCH3-4與H-5的相關對于確定甲氧基的取代位置具有重要意義，很多時候比HMBC譜更為直觀[16-18]。

4教學效果

近3年來，筆者一直通過科研中遇到的真實化合物的綜合解析來講授研究生課程《物質結構鑒定與表征》，通過把真實譜圖清晰地展示給學生們，讓其更容易接受教學內容，從而提高了這門課程的實踐性。這些學生在進入實驗室前已經大量接觸實際的核磁圖譜，切實掌握了解析技巧，進入實驗室后基本能夠完成常規的核磁解析工作。

綜上所述，通過化合物retusiusine A的綜合解析，可以系統地向學生介紹核磁共振主要譜圖的解析功能，有助于學生系統掌握核磁共振知識并了解其相關應用。這種教學方式教學效果較好，更能讓學生理解該課程的意義，并通過對課程的學習養成良好的科研素養。

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（收稿日期：2016-11-21 本文編輯：許俊琴）