天然药物化学成分的波谱分析课件

天然药物化学成分的波谱分析欢迎参加天然药物化学成分的波谱分析课程本课程将系统讲解如何运用现代波谱技术解析天然药物中的化学成分结构，包括紫外光谱、红外光谱、核磁共振和质谱等分析方法的基本原理与应用通过本课程的学习，您将掌握天然产物结构鉴定的核心技能，能够独立解读各类波谱数据，为天然药物研究与开发奠定坚实基础我们将结合实际案例，深入浅出地讲解复杂波谱信息的分析方法课程目标与学习重点掌握基本原理理解各类波谱技术的物理基础和原理，包括电子能级跃迁、分子振动与转动、核自旋与磁场作用等基本概念熟悉仪器操作了解各类波谱仪器的基本构造与操作方法，掌握样品准备与测试技巧，避免常见分析错误数据解读能力培养系统分析波谱数据的能力，能够从复杂图谱中提取关键信息，推断分子结构特征综合结构解析整合多种波谱数据，系统推导天然产物的分子结构，解决实际天然药物成分鉴定问题天然药物化学成分简介生物碱黄酮类含氮杂环化合物，具有显著生物活性，如广泛存在于植物中的多酚类化合物，具有吗啡、奎宁等，主要来源于罂粟、金鸡纳抗氧化、抗炎等作用，如芦丁、槲皮素等等植物皂苷类萜类与甾体由皂苷元和糖基组成的糖苷类化合物，具由异戊二烯单位构成，包括单萜、双萜、有溶血性和发泡性，常用作抗菌、抗肿瘤三萜和甾体等，具有多样的生物活性药物波谱分析在药物研究中的重要性结构确证精确确定分子结构是药物开发的基础药效评价结构与活性关系研究的关键支撑质量控制确保药物成分稳定性和安全性波谱分析作为药物化学中的核心技术，已经成为天然药物研究中不可或缺的工具通过波谱分析，科学家能够快速识别新的活性化合物，大幅提高药物研发效率与传统化学方法相比，波谱技术具有无损、快速、准确的特点，能够处理微量样品，为新药开发节省大量时间和资源现代药物研究强调分子水平的精准理解，波谱分析提供了药物与靶点相互作用的关键结构信息，支持计算机辅助药物设计和靶向药物开发波谱分析基本概念波谱的定义能级与能量交换波谱是指物质与电磁辐射相互作用时，吸收、发射或散射辐射当分子与特定频率的电磁波相互作用时，会发生能量交换，导能量的图谱记录不同化学键、官能团和分子结构对应特定的致分子内部能级跃迁这些能级可能是电子能级、振动能级、波谱特征，形成物质的指纹图谱转动能级或自旋能级等波谱分析通过研究这些相互作用，推导物质的分子结构、化学不同类型的波谱反映不同能级之间的跃迁紫外可见光谱反-环境和动态变化信息映电子跃迁；红外光谱反映分子振动；核磁共振反映核自旋状态变化常用波谱分析方法目录紫外可见光谱（）红外光谱（）-UV-Vis IR•波长范围200-800nm•波长范围

2.5-25μm•适用于共轭体系、芳香化合物•适用于官能团识别、分子振动特征•应用定性与定量分析、药物纯度检测•应用结构确认、化合物鉴别核磁共振（）质谱（）NMR MS•类型1H-NMR、13C-NMR、2D-NMR•类型EI-MS、ESI-MS、MALDI-TOF•适用于分子骨架确定、精细结构分析•适用于分子量测定、分子式推断•应用复杂天然产物结构解析•应用混合物分析、结构确证波谱仪器基础结构光源不同波谱技术使用特定范围的电磁辐射源，如紫外灯、红外光源、射频发生器等选频装置单色器或滤光片用于分离特定波长的辐射，提高测量精度和选择性样品室用于放置待测样品的装置，根据不同波谱技术有不同的设计，如石英比色皿、压片KBr检测器用于接收并测量通过或发射自样品的辐射信号，转换为电信号进行处理数据系统处理、存储和显示检测到的信号，生成波谱图并进行初步分析分析流程总览样品获取从天然来源分离纯化目标化合物，确保样品纯度和浓度满足测试要求样品制备根据不同波谱方法准备样品溶液配制、压片、研磨等，选择适当的溶剂和浓度仪器测试设置适当的参数，进行波谱采集，包括扫描范围、分辨率和累加次数等数据处理信号校正、基线调整、峰位确认和积分，提高数据质量和可读性谱图解析分析特征峰、计算参数、对照参考数据，推导分子结构信息紫外可见光谱（）原理UV-Vis电子跃迁分子中电子从低能级轨道跃迁到高能级轨道能量吸收吸收特定波长的光，能量与分子结构有关吸收光谱记录不同波长下样品的吸光度值，形成光谱图紫外可见光谱是基于分子中价电子吸收能量后发生跃迁的原理当分子吸收特定波长的光后，电子从基态、、轨道跃迁到激发态πσn、轨道，产生特征吸收带吸收光谱遵循朗伯比尔定律，吸光度与浓度和光程成正比π*σ*-不同的化学结构会产生不同的吸收特征共轭程度越高，最大吸收波长越长（红移）；官能团的引入（如羰基、羟基）会导致吸收带位置和强度发生变化，这些特性使紫外光谱成为结构分析的有力工具紫外可见光谱仪器结构-2光源类型氘灯（190-350nm）和钨灯（350-800nm）组合使用1光程设计单光束或双光束结构，后者可自动进行背景校正4样品池石英或光学玻璃比色皿，光程通常为1cm或10mm10扫描速度现代仪器每分钟可扫描几千个波长点，提高分析效率现代紫外-可见光谱仪多采用双光束设计，一路通过样品，一路通过参比，自动比较两束光的强度差异全自动扫描光谱仪能够在短时间内完成全波段扫描，并通过计算机处理数据，输出高质量谱图对于天然产物分析，微量样品池（如毛细管或微量比色皿）可用于珍贵样品的测试，而液相色谱与紫外检测器的联用则提供了分离与实时监测的能力紫外光谱在天然产物中的应用结构类型鉴别共轭程度测定根据最大吸收波长判断化合物类型吸收带位置反映共轭系统长度纯度检查含量测定通过吸收曲线形状评估样品纯度利用定律进行定量分析Lambert-Beer紫外光谱在天然产物研究中尤其适用于含有共轭体系的化合物，如黄酮类、香豆素、生物碱和萜类等例如，黄酮类化合物通常在250-（苯环）和（肉桂酰部分）显示特征吸收带；不同类型的黄酮（如黄酮、黄酮醇、黄酮酮等）具有区别性的吸收模式280nm330-360nm通过使用位移试剂（如三氯化铝、醋酸钠、硼酸等）观察吸收带的变化，可以确定羟基的位置和化学环境，帮助进一步明确分子结构典型紫外光谱解读案例化合物类型特征结构常见来源λmax nm黄酮类250-280,330-苯并-γ-吡喃酮骨芹菜、葱属植物架360香豆素310-340苯并-α-吡喃酮柑橘类、伞形科植物蒽醌类蒽醌骨架大黄、番泻叶240-280,400-500生物碱含氮杂环罂粟、金鸡纳树230-280皮以槲皮素为例，其紫外光谱在257nm和375nm处显示两个主要吸收峰，分别对应A环和B环的电子跃迁加入三氯化铝后，375nm的吸收峰发生明显红移至425nm，表明存在邻位二酚结构和5位羟基而对于香豆素类化合物，典型吸收在310-340nm之间，加入氢氧化钠后峰位发生变化，可判断7位羟基的存在紫外光谱虽然不能完全确定结构，但作为初步筛选和结构类型判断的有力工具，为后续分析提供重要指导红外光谱（）原理IR分子振动原理波数与能量关系当分子吸收特定频率的红外红外光谱通常以波数光时，分子内化学键会发生（）表示，波数与能cm⁻¹伸缩、弯曲、摇摆、扭转等量成正比化学键越强、原振动模式，导致分子内部能子质量越小，振动频率越量状态改变这些振动模式高，对应的吸收波数也越与分子的结构、原子量和化高如键的振动频率高C=O学键强度密切相关于键，键高于C-O C-H C-C键官能团特征吸收不同官能团具有特定的吸收频率范围，如羟基3200-、羰基、酯基3650cm⁻¹1650-1800cm⁻¹1735-1750cm⁻¹等，这使红外光谱成为鉴定官能团的有力工具红外光谱仪器结构光源系统通常使用镍铬合金或陶瓷加热元件作为中远红外光源（），电加4000-400cm⁻¹热到约发射连续光谱近红外区域（）则使用1000-1800°C12500-4000cm⁻¹钨丝灯或卤素灯干涉仪现代傅里叶变换红外光谱仪（）采用迈克尔逊干涉仪替代传统分光系FT-IR统包含固定镜、活动镜和分束器，通过光程差产生干涉图，再经傅里叶变换转换为光谱检测系统常用热电堆或热释电探测器（如）检测中远红外区域信号，近红外DTGS区域则采用硅光电二极管或探测器灵敏度的提高使微量样品分析InGaAs成为可能与传统红外光谱仪相比，傅里叶变换红外光谱仪具有优势（多路复用）、Fellgett优势（高光通量）和优势（波数精度高），使测量速度更快、灵敏Jacquinot Connes度更高、分辨率更好，已成为现代分析实验室的标准配置红外光谱图特征区高波数区（⁻）特征指纹前区（指纹区（⁻）4000-2500cm¹2500-1500-400cm¹⁻）1500cm¹以伸缩振动为主，包含、、反映分子整体结构特征，包含复杂的弯曲O-H N-H C-H等键的特征吸收羟基在主要包含双键和其他重要官能团的特征吸振动和骨架振动这一区域的吸收模式高3200-3650cm⁻¹显示宽带；N-H在3300-收如C=O在1650-1800cm⁻¹显示强吸度特异，即使结构相似的化合物也会显示3500cm⁻¹；C-H在2800-3000cm⁻¹形收；C=C在1600-1680cm⁻¹；C=N在明显不同的谱图，常用于确认化合物身成多个尖锐吸收峰；芳环在份1640-1690cm⁻¹1450-显示多个峰1600cm⁻¹红外光谱在天然产物中的应用红外光谱在天然产物研究中主要用于官能团鉴定和结构类型初步判断例如，黄酮类化合物通常在1650-1680cm⁻¹显示C=O特征吸收，3200-3400cm⁻¹的宽峰表明存在羟基；生物碱的特征在于1500-1600cm⁻¹区域的C=N和环结构振动；皂苷则在1000-1100cm⁻¹显示明显的C-O-C糖苷键吸收红外光谱虽然不能完全解析复杂天然产物的精细结构，但其快速、简便的特点使其成为初步筛选和结构确认的重要手段，为后续更详细的波谱分析提供指导典型红外光谱案例解析核磁共振波谱（）基础NMR核自旋原理化学位移具有奇数质子或中子的原子核（如、、等）具有自旋由于分子中电子云的屏蔽效应，实际作用于特定原子核的有效¹H¹³C¹⁵N特性，表现出磁矩当这些原子核处于外加磁场中时，自旋状磁场强度会发生变化，导致共振频率发生偏移这种偏移被称态会分裂为不同能级，能级差与外加磁场强度成正比为化学位移，通常用值（）表示δppm当施加特定频率的射频脉冲时，低能级的核可以吸收能量跃迁化学位移反映了原子核的化学环境，受周围电子云密度、相邻到高能级，随后释放能量回到低能级，产生可检测的信号这官能团和空间效应的影响通过分析化学位移，可以推断原子一过程称为核磁共振在分子中的位置和环境一维与简介1H-NMR13C-NMR特点特点1H-NMR13C-NMR•¹H的天然丰度接近100%，信号灵敏•¹³C的天然丰度仅约

1.1%，灵敏度较低度高•化学位移范围宽，约0-220ppm•化学位移范围一般在0-12ppm•通常采用质子去耦技术，显示单峰•信号积分面积与氢原子数量成正比•DEPT技术可区分CH₃、CH₂、CH和•自旋-自旋偶合产生分裂峰，提供键接季碳信息•需要较多样品量，通常20-50mg•适合检测微量样品，所需量通常为5-10mg数据互补性•¹H-NMR提供氢原子数量和连接关系•¹³C-NMR显示碳骨架和官能团信息•两者结合使用大幅提高结构解析能力•为二维NMR提供基础参数•共同构成天然产物结构解析的核心技术核磁共振仪器基础结构超导磁体射频系统控制与处理系统现代NMR仪器通常采用超导射频发射器产生精确频率的计算机控制系统设定脉冲序磁体，产生高强度（300-脉冲激发核自旋，接收器检列、采集参数并处理原始信900MHz）均匀磁场超导测样品发出的微弱射频信号通过傅里叶变换将时域线圈浸泡在液氦中（4K），号现代仪器具有多通道能信号转换为频域谱图，并进外层用液氮（77K）隔热力，可同时观测不同类型的行基线校正、相位调整等处磁场均匀性和稳定性直接影原子核理响谱图质量探头系统位于磁体中心，包含射频线圈和样品槽现代探头多采用低温技术（冷探头），大幅提高灵敏度自动匹配和调谐系统确保最佳信号接收样品准备与注意事项NMR溶剂选择使用氘代溶剂（如CDCl₃、CD₃OD、DMSO-d₆、D₂O等）避免溶剂氢信号干扰选择溶剂时需考虑样品溶解度、化学稳定性和观测目的某些溶剂（如CDCl₃）含有微量酸性物质，可能导致敏感化合物降解样品浓度¹H-NMR通常需要5-10mg样品溶于

0.5-

0.7ml溶剂；¹³C-NMR则需要20-50mg样品样品过稀会降低信噪比，过浓可能导致分子间相互作用影响化学位移理想情况下，浓度应在5-30mM之间纯度要求样品应尽可能纯净，杂质会产生干扰峰影响解析即使少量杂质也可能产生明显信号不溶性杂质应通过过滤或离心去除，防止散射和磁场不均匀所有样品管和工具应清洁无污染参考标准通常添加少量四甲基硅烷（TMS）或残留溶剂峰作为化学位移参考（δ=0ppm）现代仪器可以使用氘锁信号确保磁场稳定性，同时利用溶剂残留峰进行位移校正化学位移与偶合常数化学位移影响因素偶合常数解析电子效应电负性基团（如、）吸电子，降低屏偶合常数（值）是核自旋之间相互作用的量度，通常以表-OH-COOH JHz蔽效应，导致化学位移向低场移动；反之，给电子基团增加屏示值大小与质子之间的二面角、化学键数和键类型有关J蔽效应，化学位移向高场移动典型的偏振偶合包括环电流效应芳香环中的电子循环产生感应磁场，使环内质邻位偶合（）通常在，烯烃的顺式偶合约π³J2-15Hz6-子信号向高场移动，环外质子向低场移动这解释了苯环上氢，反式偶合；环上氢的轴向轴向偶合12Hz12-18Hz-8-原子的低场信号（约），轴向赤道偶合7-8ppm14Hz-2-5Hz氢键效应参与氢键的质子屏蔽减弱，信号显著向低场移动，远程偶合四键（）或更远的偶合，通常较小（），⁴J1Hz如羟基、氨基和羧基质子但在共轭系统中可以增强，提供结构信息偶合模式是结构解析的重要依据谱图的分裂模式NMR谱图解析步骤NMR谱图质量评估检查基线平整度、峰形、信噪比和分辨率，确保谱图质量足以进行可靠解析校正相位，确认溶剂峰和参考峰位置正确峰位识别与归属识别并记录所有信号的化学位移、积分值、分裂模式和偶合常数将信号初步归属到可能的结构单元，如甲基、亚甲基、烯氢、芳香氢等结构单元组装根据化学位移和偶合关系，确定氢原子之间的连接关系结合碳谱数据，建立分子骨架识别特征性官能团和结构片段，如酯基、酰胺键等结构验证与修正将推测结构与已知类似化合物的谱图数据比较，验证解析的合理性利用二维NMR数据（如COSY、HSQC、HMBC）进一步确认或修正结构氢谱定量与定性应用氢谱的积分曲线是分子结构分析的关键工具，通过比较各信号的积分面积比例，可以确定不同类型氢原子的相对数量这一定量特性使得氢谱成为结构确证的有力证据在解析未知化合物时，首先确定总氢原子数，然后根据积分值分配给各个信号，建立氢原子分布图不同结构环境的氢原子显示特征化学位移饱和烃链中的甲基在；亚甲基在；与电负性基团相连的亚甲基在

0.7-

1.0ppm

1.2-

1.4ppm；芳香环上的氢在；醛基氢在；羧基氢在通过识别这些特征位移，可以初步判

2.0-

4.0ppm

6.5-

8.5ppm

9.5-

10.5ppm10-13ppm断分子中存在的结构单元碳谱结构鉴定应用碳骨架确定确认分子中的碳原子总数和类型官能团识别通过特征化学位移识别关键官能团连接关系分析结合和二维谱确定碳原子连接次序DEPT谱图的化学位移范围广（），不同类型的碳原子有明显区分饱和碳链中的甲基在；亚甲基在¹³C-NMR0-220ppm10-20ppm20-；与电负性原子相连的碳在；烯碳和芳香碳在；羰基碳在通过这些特征位移，可以判断40ppm40-80ppm110-150ppm160-220ppm分子中含有哪些结构单元（极化转移增强）技术可区分、、和季碳显示和为正峰，为负峰，季碳不显示；仅显DEPT CH₃CH₂CH DEPT-135CH₃CH CH₂DEPT-90示信号结合常规碳谱和谱，可以完整确定分子中所有碳原子的类型和环境，为结构解析提供骨架信息CH DEPT二维核磁共振（）简介2D NMR谱图类型全称主要用途相关关系COSY相关谱氢-氢偶合识别通过2-3个化学键相连的氢HSQC异核单量子相干谱氢-碳直接连接直接连接的氢-碳对HMBC异核多键相关谱远程氢-碳相关相隔2-4个键的氢-碳关系NOESY核Overhauser效应空间接近关系空间距离小于5Å的谱氢TOCSY全相关谱自旋系统识别同一自旋系统中的所有氢二维核磁共振技术通过在两个频率轴上展示核磁共振信号的相关性，提供分子中原子间的连接和空间关系信息与一维谱相比，二维谱能够解决复杂分子中信号重叠的问题，直观显示原子间的相互作用在天然产物结构解析中，通常先通过HSQC确立氢-碳直接连接关系，再使用HMBC建立远程相关，确定碳骨架连接顺序；COSY和TOCSY帮助识别氢原子的连接网络；而NOESY则提供立体构型信息这些谱图相互补充，共同构建分子的完整结构图像天然药物成分常见信号NMR生物碱特征信号黄酮类特征信号含氮杂环的氢通常在环和环上的芳香氢在

2.2-A B

6.0-显示复杂信号；芳香环显示不同模式；环上

3.5ppm

8.0ppm C上的氢在；甲的氢（如存在）在

6.5-

8.5ppm N-

5.0-基在显示强烈单；甲氧基在

2.0-

2.5ppm

6.0ppm

3.7-峰；吡啶环氢在显示单峰谱中，

8.0-

4.0ppm¹³C谱中，含氮碳原羰基碳在；芳香

9.0ppm¹³C175-180ppm子通常在；甲基碳在；甲氧基碳40-60ppm N-100-165ppm碳在；吡啶碳在在；羟基取代碳显40-45ppm55-56ppm著低场移动（约）140-160ppm160ppm三萜与甾体特征信号甲基氢通常在显示多个单峰；烯氢在；与氧相

0.7-

1.2ppm

5.0-

5.5ppm连的亚甲基在谱中，甲基碳在；双键碳在

3.0-

4.5ppm¹³C15-30ppm；含氧碳在；羰基碳在，取决于类115-145ppm65-85ppm170-220ppm型（酮、醛、酯）典型谱图解析案例NMR芹菜素结构氢谱特征碳谱特征Apigenin芹菜素是一种常见的黄酮类化合物，存在氢谱显示在处的单峰归属于位羟碳谱显示在处的信号归属于δ

12.965δ

182.1C-4于芹菜、洋甘菊等植物中，具有抗氧化、基（与羰基形成氢键）；和羰基；和处的信号归属于含δ

7.

926.93δ

164.

5161.6抗炎和抗肿瘤活性分子式，处的双重峰（）分别归属于环羟基的芳香碳（和）；和C₁₅H₁₀O₅J=

8.8Hz B C-5C-7δ

128.6含有环、环和环的典型黄酮骨架，以的和；和处处的信号分别归属于环的A B C H-2,6H-3,5δ

6.

786.

48116.3BC-2,6及多个羟基取代的单峰分别归属于环的和积和；和处的信号归属A H-3H-8C-3,5δ

103.

194.2分比例为，与结构相符于环的和谱确认了各碳1:2:2:1:1A C-3C-8DEPT原子类型质谱分析（）原理MS分子离子化产生带电分子离子或碎片离子质量分离根据质荷比分离离子m/z离子检测检测并记录不同值的离子丰度m/z质谱分析的基本原理是将分子转化为带电离子，然后在电场或磁场作用下根据质荷比进行分离和检测离子化过程通常会导致分m/z子键断裂，产生特征性碎片离子这些碎片离子的质量和相对丰度构成了质谱指纹，反映分子的结构特征不同离子化方式产生不同类型的质谱图电子轰击离子化能量高，产生丰富碎片；化学离子化、电喷雾和基质辅助激光解EI CIESI吸电离则更温和，保留更多分子离子信息选择合适的离子化方法对成功分析天然产物至关重要MALDI质谱仪主要类型分辨率灵敏度质量范围质谱样品制备与要求纯化要求溶剂选择去除干扰物质和基质效应挥发性良好，与离子化方式兼容进样方式浓度控制直接进样或色谱联用技术适当浓度避免饱和或信号太弱样品制备是质谱分析成功的关键对于电喷雾离子化ESI，样品通常溶解在甲醇、乙腈或水的混合溶剂中，浓度在1-10μg/mL范围；常添加少量甲酸或乙酸提高离子化效率而对于基质辅助激光解吸电离MALDI，样品与基质（如α-氰基-4-羟基肉桂酸）混合，以固体形式进行分析样品的盐分、缓冲液和去垢剂含量应控制在最低水平，这些物质会干扰离子化过程或产生背景噪声对于复杂天然提取物，通常需要先进行色谱分离，再进行质谱分析；或采用液相色谱-质谱联用技术，在分离的同时获取质谱信息分子离子峰与碎片离子分子离子峰⁺碎片离子M分子离子峰代表完整分子失去一个电子形成的离子，其值碎片离子是分子离子分解产生的较小离子，反映分子的结构特m/z等于分子量在电子轰击质谱中，分子离子峰强度取决于征和断裂模式常见断裂包括断裂（断裂发生在杂原子相邻EIα-分子稳定性；某些不稳定分子可能完全裂解，不显示分子离子的键）、异丙基断裂、苄基断裂和麦克拉弗提重排等C-C峰在软离子化技术（如和）中，常见、碎片离子的质量差可以推断结构单元丢失表示甲基ESI MALDI[M+H]⁺15-或等准分子离子，可通过质荷比计算分子；丢失表示水；丢失表示或；丢失[M+Na]⁺[M-H]⁻CH₃18-H₂O28CO C₂H₄量同位素峰（如）的相对强度可用于推断分子中表示异丙基或乙酰基特征碎片模式是M+1,M+243-C₃H₇-COCH₃含有的元素识别特定结构类型的关键依据高分辨质谱（）在元素分析中的应HRMS用

0.0015达尔顿精度元素种类高分辨质谱可达毫达尔顿级别精度，精确测定分子常见有机化合物中的元素（C,H,O,N,S等）可通过量质量缺陷区分

0.0001质量偏差限值高质量仪器测量值与理论值偏差小于千万分之一高分辨质谱通过精确测定质荷比m/z，可以区分具有相同标称质量但不同元素组成的化合物例如，CO（

27.9949）和N₂（

28.0061）虽然名义质量都是28，但高分辨质谱可以轻松区分这种

0.0112Da的差异这种能力使HRMS成为确定分子式的强大工具在天然产物研究中，HRMS通常用于确认新化合物的分子式通过比较测量值与可能分子式的理论值，结合同位素分布模式，可以高度确定正确的元素组成现代软件可以根据测量的精确质量自动生成可能的分子式列表，并根据误差大小和同位素模式匹配度进行排序，大大简化了结构解析过程质谱在天然产物中的应用化合物鉴定与定量结构片段识别结合色谱保留时间、质谱特征和标准品对比，分子量与分子式确定通过分析特征碎片离子，识别分子中存在的结可以实现复杂混合物中化合物的快速鉴定和定高分辨质谱精确测定分子量并推导分子式，为构单元和官能团例如，生物碱分子常有特征量串联质谱（）通过选择性分裂增强MS/MS结构解析提供基础数据这是天然产物结构鉴性的含氮碎片；黄酮类化合物有典型的逆了结构确认的可靠性，特别适合复杂天然提取定的第一步，排除不符合分子量的结构可能Diels-Alder裂解模式；甾体和三萜类化合物则物的分析性分子式揭示了碳、氢、氧、氮等元素的比显示特定的骨架碎片模式例，指示分子的不饱和度和可能的结构类型常见质谱碎片规律举例烷基链断裂芳香环系统含氧官能团长链烷基化合物通常在C-C键苯环衍生物常见苄基断裂醇通常失去H₂O（-18Da）；处断裂，形成一系列相差14Da C₇H₇⁺，m/z91和降环断酮和醛可通过α-断裂或失去（CH₂）的碎片离子这种规裂，如失去乙炔C₂H₂形成CO（-28Da）；酯可通过麦律性断裂产生的阶梯状谱图m/z65的碎片带取代基的芳克拉弗提重排产生特征性碎是判断直链结构的特征在支环可能失去CO、H₂O等中性分片这些特征断裂模式可用于链位置，断裂倾向增强，形成子，或发生取代基断裂和重排确认分子中含氧官能团的存在更强的碎片峰反应和位置天然产物类别不同类型的天然产物具有特征性断裂模式如黄酮类的RDA（逆Diels-Alder）断裂；生物碱的C-N键断裂和氮杂环重排；三萜和甾体的多环结构断裂和失水反应这些特征可用于天然产物的快速分类多种波谱联用技术GC-MS LC-MS LC-NMR气相色谱与质谱联用液相色谱与质谱联用液相色谱与核磁共振联用••••适用于挥发性和热稳定性好的化合物•适用于非挥发性、极性、热不稳定化合•直接获取分离组分的NMR信息物广泛用于精油、挥发油、脂肪酸等分析避免了分离纯化过程••多采用或软离子化技术•电子轰击EI离子化提供丰富结构信息•ESI APCI•使用氘代溶剂作为流动相广泛应用于各类天然产物分析可建立谱图库进行自动匹配和鉴定•适用于复杂混合物中微量成分分析••多级质谱提供结构解析能力•MSⁿ天然药物成分解析的综合策略初步筛选使用快速波谱技术（如、）确定目标化合物的分UV LC-MS子量和基本结构类型这一阶段通常对多个化合物进行平行筛选，以确定研究价值和优先顺序分离纯化使用各种色谱技术（如柱色谱、、制备）分离目HPLC TLC标化合物，通过波谱监测分离过程，确保获得足够纯度的样多维谱图分析品进行详细波谱分析系统采集一维和二维谱图（、、、NMR¹H¹³C DEPT、、），结合高分辨质谱和红外光谱数COSY HSQC HMBC结构拼图组装据，全面收集结构信息整合所有波谱数据，确定分子骨架、官能团分布和立体构型建立初步结构模型，并通过交叉验证确保各种波谱数据结构确证与修正相互支持和验证与已知化合物谱图对比，进行数据库搜索，必要时通过化学反应或衍生化进一步验证结构细节完成结构解析报告和论文撰写波谱数据库与检索方法主要波谱数据库检索策略与技巧谱图库最全面的电子轰击质谱库，包含超过万个化精确质量检索使用高分辨质谱数据，在误差范围内检NIST305ppm合物的质谱数据，是数据分析的标准参考索可能的分子式结合同位素分布模式提高准确性GC-MS（人类代谢组数据库）集成了代谢物的质谱、子结构检索根据数据确定的结构片段，在数据库中检HMDB NMR NMR和临床数据，特别适合中小分子天然产物研究索含有特定子结构的化合物（生物磁共振数据库）专注于生物分子数据，包谱图匹配将实验获得的谱图与数据库谱图进行相似度计算，BMRB NMR含化学位移数据和实验原始数据根据匹配分数排序开放获取的质谱数据库，集成了多个实验室的高交叉验证结合多种波谱数据进行检索，如先用数据筛MassBank MS质量和数据选，再用数据验证，提高鉴定的可靠性MS MS/MS NMR天然产物实例黄酮类结构解析1结构特点紫外光谱特征波谱解析要点黄酮类化合物具有骨架，由环黄酮类化合物通常在（苯环和在显示C₆-C₃-C₆A250-280nm¹H-NMR AH-6H-8δ

6.0-

6.5和环通过中间的环（苯并吡喃酮）环）和（肉桂酰部分）显示特征信号；环芳香氢在；环BC-γ-330-360nm Bδ

6.8-

7.8C连接根据环结构和氧化程度，可分为黄特征吸收带位移试剂（如、（如存在）在；甲氧基在C AlCl₃H-3δ

6.5-

6.8酮、黄酮醇、黄酮酮、二氢黄酮等亚类）可用于确定羟基位置使羰基在NaOAc5-OHδ

3.7-

4.0¹³C-NMR C-4δ170-氢氧化取代模式和糖基化程度是结构变异位移试验呈正；使位移；在；含羟基的芳香碳AlCl₃7-OH NaOAc180C-2δ145-165的主要来源试验呈正；邻二酚结构使在质谱黄酮骨架的逆3,4-AlCl₃/HClδ145-165Diels-位移试验呈正裂解提供特征性环和环碎片Alder AB天然产物实例皂苷类结构解析2皂苷是由皂苷元（通常为三萜或甾体骨架）和一个或多个糖基组成的糖苷类化合物其结构解析通常分为两部分确定苷元骨架和确定糖链结构在波谱分析中，红外光谱显示的宽吸收（羟基）和处的强吸收（糖苷键）；质谱通常3200-3400cm⁻¹1000-1100cm⁻¹观察到或准分子离子，以及由于失去一个或多个糖单位产生的特征性碎片[M+Na]⁺[M-H]⁻是皂苷结构解析的关键，苷元部分在显示多个甲基单峰；糖基区域在显示复杂的信号，其中的信¹H-NMRδ

0.7-

1.2δ

3.0-

5.5δ

4.3-

5.5号归属于糖基的反常碳（连接苷元的碳原子）通过、等二维谱技术可以确定糖单位的连接顺序和与苷元的连接位置，HSQCHMBC完整解析复杂的皂苷结构天然产物实例生物碱结构解析3分子特征识别确定氮原子数量和杂环类型官能团确认识别甲基、异丙基等特征基团N-骨架确立确定环系连接和取代模式生物碱是含氮杂环的天然碱性化合物，结构多样性强，包括吲哚、喹啉、异喹啉、吡啶等类型其结构解析首先通过高分辨质谱确定分子式，尤其是氮原子数量（通常反映为奇数分子量）红外光谱中，区域的吸收带通常指示含氮杂环结构；质谱中常见甲基（）、吡啶1500-1600cm⁻¹N--15环（）等特征性断裂-79在分析中，生物碱有一些特征性信号甲基在中显示的单峰，在中约；含氮杂环上的亚甲基在NMRN-¹H-NMRδ

2.0-

2.5¹³C-NMRδ40-45δ

2.2-显示复杂信号；芳香环上的氢在二维谱技术如和对确定复杂环系结构至关重要，尤其是可以建立远程相关，

3.5δ

6.5-

8.5COSY HMBCHMBC C-H跨越氮原子确定环连接关系杂质及样品复杂度处理策略多级纯化策略波谱溶剂技巧采用不同分离机制的色谱方法选择适当的氘代溶剂可以减少信（如正相、反相、离子交换、凝号重叠适合非极性化合CDCl₃胶过滤等）进行多级纯化，提高物；对含羟基化合物有优CD₃OD样品纯度关键是选择互补性强势；则可显示活泼氢信DMSO-d₆的色谱系统，避免共洗脱杂质号通过改变溶剂或温度，可以现代制备色谱结合多波长检测分离重叠信号对于含多种异构UV和质谱检测，可以实现目标化合体的样品，低温有助于减缓NMR物的高效分离构象转换，获得更清晰谱图先进仪器技术高场强（以上）提供更好的分辨率；冷探头技术大幅提高灵敏NMR600MHz度；非均匀采样加速二维谱采集；纯吸收模式二维谱改善峰形对于复NUS杂混合物，技术可以在不完全分离的情况下获取各组分的信息LC-NMR NMR波谱分析常见误区数据解释与文献对照文献检索策略数据比对方法争议解决方法科学数据库（如、比对数据时，注意溶剂、温度、仪当波谱解释存在争议时，可采用特殊Web ofScience NMR、）可按化学结构或器场强等实验条件差异造成的化学位移变技术（如差异谱、残留偶极耦SciFinder ReaxysNMR NOE亚结构检索；专业天然产物数据库（如化；质谱比对需考虑不同离子化方式导致合）解决立体化学问题；合成已知参考物）提供的碎片模式差异使用归一化处理减小系进行直接比对；或采用计算化学方法（如Dictionary ofNatural Products系统化的波谱数据检索时应考虑同义统误差，计算化学位移差值（）评估化学位移计算、能量最小化）辅助判断Δδ名、异构体和结构变体，使用分子式或精匹配度对于新化合物，与结构类似物比复杂情况下，可求助射线晶体学等独立X确质量作为初筛条件较可帮助确认解析的合理性结构解析方法天然药物成分新结构发现新靶点发现合成启发结构独特的天然产物作为先导化合物复杂结构激发新合成方法开发生物合成研究药物开发4新结构揭示未知生物合成途径3结构-活性关系研究指导优化近期天然产物研究中，波谱技术在新结构发现中发挥了关键作用以2024年报道的一种新型海洋生物碱为例，研究人员通过高分辨质谱确定了其分子式C₂₃H₂₅N₃O₅；HMBC和NOESY谱图解析了其独特的螺环结构；与计算化学结合确定了绝对构型这一化合物显示出选择性抑制CDK9的活性，为肿瘤治疗提供了新靶点另一个案例是从传统中药中分离出的新型C-21雷公藤类化合物，其结构通过综合波谱分析确定，包含前所未见的六环骨架该发现不仅扩展了天然产物结构多样性，也为理解雷公藤类化合物的生物合成提供了新线索波谱技术的进步，特别是微量样品分析能力的提升，正加速新型天然药物成分的发现波谱分析未来发展趋势智能解析深度学习辅助波谱自动解析AI微型化技术便携式波谱仪器实现现场快速分析大数据整合多源谱图数据深度挖掘与模式识别人工智能和机器学习正深刻改变波谱分析领域基于深度学习的算法已能从复杂谱图中自动识别结构片段，大幅减少人工解析时间例NMR如，最新的系统可以分析一维和二维数据集，预测未知化合物的结构，准确率已达到专业研究人员水平未来，这些系统将整合多种波AI NMR谱数据，实现更全面、准确的自动结构解析仪器微型化是另一重要趋势便携式、手持式拉曼和近红外光谱仪已进入市场，使现场快速分析成为可能这些技术将特别有利于中草药NMR资源调查、质量控制和假药鉴别同时，超高灵敏度技术如动态核极化增强使纳克级样品分析成为可能，大大减少了天然产物研究DNP NMR中的样品需求，有望加速稀有或微量活性成分的发现参考文献与推荐读物1经典教材《有机化合物波谱解析》（第八版），Silverstein等著，化学工业出版社，2022年这部经典著作系统介绍UV、IR、MS和NMR的基本原理和解析技巧，配有大量实例2核磁共振专著《二维NMR光谱在有机化学中的应用》，Atta-ur-Rahman著，北京大学出版社，2020年详细讲解COSY、NOESY、HSQC、HMBC等二维谱技术在天然产物结构解析中的应用3质谱专著《质谱学原理与应用》（第四版），张玉奎主编，科学出版社，2021年全面介绍各类质谱技术及其在天然产物分析中的应用，包括最新发展的软电离技术4天然产物波谱专著《天然产物NMR谱图解析》，Pretsch和Bühlmann著，化学工业出版社，2023年聚焦天然产物特有的光谱特征，提供系统的解析方法和大量实例习题与思考题案例分析题综合思考题分析以下天然产物的波谱数据，推断其分子结构在天然产物结构解析中，单一波谱技术往往不足以确定完整

1.结构请讨论多种波谱技术互补使用的策略，并举例说明如何化合物分子式，；A C₁₅H₁₀O₄UVλmax267,325nm解决一种技术无法解决的难题；IR3350,1650,1610,1510,1250cm⁻¹¹H-NMRδ

12.8计算化学在现代波谱解析中的应用日益广泛请讨论化学位1H,s,

8.052H,d,J=

8.8Hz,

7.052H,d,J=

8.8Hz,

2.移计算、能量构象分析等方法如何辅助解决复杂天然产物的立

6.751H,s,

6.481H,d,J=

2.0Hz,

6.201H,d,；体化学问题J=

2.0Hz EI-MS m/z254[M]⁺,152,118,105提示考虑黄酮类化合物的基本结构特征和官能团分布分析微量天然产物的波谱分析面临特殊挑战请设计一套分析方

3.中的两个吸收带，中的羟基和羰基吸收，以及案，解决样品量少、纯度不高的情况下的结构鉴定问题考虑UV IR¹H-NMR中的芳香氢信号模式仪器选择、样品处理和数据分析策略课程总结与答疑基本原理掌握各种波谱技术（、、、）的物理基础和基本原理是结构解析UV IRNMR MS的理论支撑了解电子跃迁、分子振动、核自旋能级和离子化过程等基本原理，是正确解读谱图的前提牢记各类波谱的适用范围和局限性，选择合适的分析方法组合系统解析方法结构解析不是简单的拼图游戏，而需要系统的思维和方法论从确定分子式开始，逐步建立碳骨架，确认官能团分布，最后确定立体结构多种波谱数据的交叉验证是确保结构准确性的关键遇到困难时，尝试从不同角度和方法重新审视问题实践经验积累波谱解析是一门实践性很强的技能，需要通过大量实例积累经验建议从简单化合物开始练习，逐步过渡到复杂天然产物保持对文献中新报道结构和解析方法的关注，不断更新知识库和技能集结合计算机辅助工具，提高解析效率和准确性。