通过retusiusine A的核磁共振解析讲授研究生课程《物质结构鉴定与表征》

蔡乐+曹秋娥+韦琨+丁中涛

[摘要]本文以兰科植物藓叶卷瓣兰中分离得到的一个新化合物retusiusine A的综合解析为例，讲授研究生课程《物质结构鉴定与表征》中的核磁共振（nuclear magnetic resonance）波谱分析内容。retusiusine A结构中包含苯环、含氧取代碳和不含氧取代碳，而且其核磁数据不重叠，非常适合作为核磁共振授课内容。

[关键词]核磁共振；retusiusine A；《物质结构鉴定与表征》

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 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

《核磁共振波谱》课程是有机化学、药物化学和天然药物化学等相关专业的一门重要课程[1-2]，很多高校教师一直在探索该课程的教学改革，包括网络教学[3]、互动教学[4]、注重实践[5]、结合实验[6]和考试改革[7]等。云南大学化学科学与工程学院针对研究生开设了类似必修课程《物质结构鉴定与表征》，与很多学校一样[8-9]，要让课程背景不同的研究生同步学习这门课程是教学的难点。笔者认为，如果能以综合解析为主，在解析过程中强化核磁共振（NMR）基本内容，将有望满足不同课程背景的研究生对该门课程的需求。

核磁共振主要内容包括氢谱（1H NMR）、碳谱（13C NMR）、DEPT谱和二维谱，二维谱主要又包括HSQC、HMBC、1H-1H COSY和ROESY等四种图谱。本文以兰科植物藓叶卷瓣兰中分离得到的一个新化合物retusiusine A（图1）[10]的综合解析为例，来讲授《物质结构鉴定与表征》课程。化合物retusiusine A的NMR数据包括苯环、含氧取代和不含氧取代的信号，而且数据不重叠，非常适合作为核磁共振波谱分析课程授课内容。

1 1H NMR

1H NMR谱提供的最重要的三个信息是化学位移（反映氢的化学环境，与电子云密度有关）、偶合常数（反映氢的空间关系）和氢的数量（与氢的峰面积积分相关）。

1.1化学位移

学生要记住，氢（碳）周围的电子云密度越大，其化学位移越出现在高场，电子云密度越低，化学位移越往低场。从retusiusine A的1H NMR谱（图1）可以看到该化合物的两个1，3，4-三取代苯环的标准信号，这六个氢均位于苯环氢δ7.25附近，在此处可以介绍三类主要的取代基对苯环氢化学位移的影响，①烷基：比如C-7′，这类取代基对苯环氢化学位移基本没有影响，原因是既不产生共轭效应也不产生诱导效应。②羰基：羰基与苯环存在共轭效应，且由于氧的电负性使苯环电子云去屏蔽，导致苯环电子云密度降低，H-2（H-2′）和H-6受到的去屏蔽影响最大，H-6′处在羰基对位，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（图2A）[11]，基于这个影响，化学位移应该是H-2=H-6>H-5（H-2′>H-6′> H-5′）。③含氧取代基（羟基和甲氧基）：氧的孤对电子会与苯环形成共轭，从而使苯环受到屏蔽，导致电子云密度上升，含氧取代基对其邻位氢的屏蔽作用最大，对对位氢的屏蔽其次，而对间位氢的影响最小（图2B、图2C）[12]。基于此，H-2受到一個邻位氧和一个间位氧的屏蔽，H-5受到一个邻位氧和一个间位氧的屏蔽，H-6受到一个对位氧和一个间位氧的屏蔽，如果仅看氧的影响，化学位移应该是H-6>H-5=H-2，综合羰基和烷基的影响，结果就是H-6>H-2>H-5。另一个苯环上，H-5′受到一个邻位氧的屏蔽，H-2′和H-6′受到一个间位氧的屏蔽，如果只考虑氧的影响，化学位移应该是H-2′=H-6′>H-5′，综合羰基和烷基的影响，结果应该为H-2′>H-6′>H-5′。以上分析与图谱吻合，这样分析化学位移，结合峰形，对于学生归属1H NMR数据很有帮助，也可加深学生对共轭效应的理解和记忆。

H-8′由于受氧的诱导效应，加上旁边C-9′羰基的各向异性效应的影响，出现在δ5.0左右（实为δ5.33），H-7′没有与杂原子相连，只有到O-8′的弱诱导效应（诱导效应随距离增加下降很快），和苯环的各向异性效应影响，两个氢的化学位移出现在δ3.22和δ3.27。一个CH2上的两个氢的化学位移出现在不同位置的原因是该CH2与手性碳相连（C-7′）。甲氧基的化学位移在δ3.1～4.0，与苯环相连的甲氧基由于苯环的各向异性效应要更低场一些，可到δ3.6～4.0，OCH3-3和OCH3-4的实际化学位移在δ3.84和δ3.86，符合以上分析。retusiusine A的1H NMR全数据归属见表1。

1.2偶合常数

偶合常数就是峰裂开的距离，以J来表示，单位为Hz，它反映两个核之间的作用强弱，影响偶合常数的因素主要有偶合核间的距离、角度及电子云密度。H-5（H-5′）只与H-6（H-6′）发生J3偶合，故其峰形为标准的二重峰（图2），苯环的J3偶合常数一般为8.0 Hz左右（实际为8.4 Hz）。H-2（H-2′）只与H-6（H-6′）发生J4偶合，一般J4偶合的偶合常数一般在1.5～2.5 Hz，H-2（H-2′）的实际偶合常数为1.6 Hz。H-6（H-6′）则除了与H-5（H-5′）发生J3偶合，还与H-2（H-2′）发生J4偶合，故峰形为双二重峰，偶合常数为8.4和1.6 Hz。H-8′分别与磁不等价的H-7′a和H-7′b偶合，故峰形为双二重峰，偶合常数为4.6 Hz和7.2 Hz。H-7′a与H-7′b和H-8′偶合，因此峰形也为双二重峰，偶合常数为4.6 Hz和14.4 Hz。同样的，H-7′b也为双二重峰，偶合常数为7.2和14.4 Hz。甲氧基因邻位（氧）没有氢取代故为单峰。

1.3氢的数量

从每一个氢的积分面积可以看出，积分面积与氢的数量成正比，其中甲氧基的氢的积分面积表明每一个甲氧基有三个氢。

2 13C NMR和DEPT

2.1 13C NMR

每一个碳都会在13C NMR谱中出现一个信号，retusiusine A中的19个碳信号均在13C NMR谱中出现（图3）。13C NMR谱中羧基的化学位移在最低场，分别出现在δ172.9和δ173.3，酯基的化学位移稍高，出现在δ167.0。苯环碳的化学位移一般出现在δ128附近，C-4′因为受到氧的诱导效应出现在δ162.2，C-3和C-4同样受到氧的诱导效应，但是因为两个碳都受到邻位氧的屏蔽作用（与氢类似），因此化学位移出现在δ150.1和δ155.0。C-2′和C-6′受到羰基-10′的去屏蔽效应，化学位移出现在稍低场大于δ128的位置，即δ132.5和δ137.9。C-2、C-5和C-5′均受到邻位氧的屏蔽作用，化学位移出现在稍高场小于δ128的位置，分别是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的对位屏蔽，出现在δ125.2。C-8′受到氧的诱导效应，出现在δ74.4，C-7′未受到诱导效应（或者J3诱导效应较弱），出现在δ37.8。retusiusine A的13C NMR数据全归属见表1。

2.2 DEPT

DEPT谱主要反映碳的级数，即可以通过DEPT谱区分C、CH、CH2和CH3。相对13C NMR谱，DEPT 135谱中消失的是季碳，向下的是CH2，向上的是CH和CH3，DEPT 90谱中只有向上的CH（图3）。学生对DPET的要求就只需要知道这个区分方法就可以了。通过对实际谱图的学习也能非常明了地向学生介绍DEPT谱解析方法。

3二维核磁共振谱

3.1 1H-1H COSY谱

1H-1H COSY一般是相邻两个碳上的氢，或者同一个碳上化学不等价的两个氢之间相关。在谱图中可以看到H-7′a与H-7′b相关，H-7′a和H-7′b与H-8′相关，H-5（H-5′）与H-6（H-6′）相关（图4）。可以让学生直观地了解1H-1H COSY谱图。

3.2 HSQC谱

HSQC谱反映同碳氢相关，在谱图中可以看到H-2（H-2′）与C-2（C-2′）、H-5（H-5′）与C-5（C-5′）、H-6（H-6′）与C-6（C-6′）、H-7′a和H-7′b与C-7′以及H-8′与C-8′相关（图5）。

3.3 HMBC谱

HMBC谱反映碳氢远程相关，即2键和3键相关，如H-2′（H-2）与C-1′（C-1）、C-3′（C-3）、C-4′（C-4）、C-6′（C-6）、C-7′（C-7）与C-10′相关；H-5′（H-5）与C-1′（C-1）、C-3′（C-3）、C-4′（C-4）与C-6′（C-6）相关；H-6′（H-6）与C-1′（C-1）、C-2′（C-2）、C-4′（C-4）、C-5′（C-5）与C-7′相关；H-7′与C-1′、C-2′、C-6′、C-8′与C-9′相关；H-8′与C-1′、C-7′、C-9′与C-7相关（图6）。这其中H-8′与C-7相关正是retusiusine A中两个片段通过C（8′）-O-C（7）形成酯键连接的关键证据，文献中多采用通过HMBC相关确定酯键或者醚键的連接位置[13-14]。OCH3-3与C-3相关，OCH3-4与C-4相关是甲氧基取代位置的关键证据。从这个图谱可以让学生清楚地了解HMBC谱图在结构解析中的强大功能。

3.4 ROESY谱

ROESY谱反映的是两个氢的空间距离，对于化合物相对构型的确立具有重要意义（图7）。谱中H-7′a和H-7′b与H-8′，H-5（H-5′）与H-6（H-6′）的相关属于邻位氢相关，在结构鉴定中意义不大。H-7′a和H-7′b与H-2′和H-6′相关，对于确定C-7′在苯环上的取代位置有一定参考意义[15]，而OCH3-3与H-2，OCH3-4与H-5的相关对于确定甲氧基的取代位置具有重要意义，很多时候比HMBC谱更为直观[16-18]。

4教学效果

近3年来，笔者一直通过科研中遇到的真实化合物的综合解析来讲授研究生课程《物质结构鉴定与表征》，通过把真实谱图清晰地展示给学生们，让其更容易接受教学内容，从而提高了这门课程的实践性。这些学生在进入实验室前已经大量接触实际的核磁图谱，切实掌握了解析技巧，进入实验室后基本能够完成常规的核磁解析工作。

综上所述，通过化合物retusiusine A的综合解析，可以系统地向学生介绍核磁共振主要谱图的解析功能，有助于学生系统掌握核磁共振知识并了解其相关应用。这种教学方式教学效果较好，更能让学生理解该课程的意义，并通过对课程的学习养成良好的科研素养。

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（收稿日期：2016-11-21 本文编辑：许俊琴）