金雀花碱的波谱特征与结构确证

2013-12-24李文杰张林军张冬梅王琼何性顺杜姣姣

化学分析计量 2013年3期

李文杰，张林军，张冬梅，王琼，何性顺，杜姣姣

（西安近代化学研究所，西安，710065）

金雀花碱（化学名为1，5-乔亚甲基-8氢-吡啶并［1，2-α］［1，5］二氮芳辛-8-酮，分子式为：C11H14N2O，分子量为190.24）大多分布于豆科、小檗科植物中。野生植物披针叶黄华的种子及全草中含有大量此类生物碱，其极强的生物活性从上世纪70年代起就引起了人们关注。金雀花碱类似烟碱，能反射性地兴奋呼吸，是一种临床上用于抗心律失常的生物碱类药物。近年来，金雀花碱作为疗效确切的戒烟制剂原料引起国际医药界的关注，研究表明，以金雀花碱的酒石酸盐为主要成分的戒烟制剂的一年期戒烟有效率可达22%，具有可观的发展前景［1-5］。

国内对其结构鉴定方面的研究很少，对其完整的结构解析尚未见报道，且文献中有限的的信号归属也多属推测性。笔者采用红外吸收光谱（IR）、紫外-可见吸收（UV-VIS）光谱、核磁共振氢谱（1HNMR）、核磁共振碳谱（13C-NMR）、质谱（EI-MS）等波谱技术对其结构进行研究［6-12］，确定其红外光谱、质谱各峰的归属，并利用各种二维核磁共振技术归属了其碳谱和氢谱的信号，并结合紫外光谱的结果确证了金雀花碱的结构。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

傅里叶变换红外光谱仪：NEXus 870 型，美国热电公司；

超导核磁共振谱仪：Bruker-AV500型，德国Bruker公司；

电子轰击质谱：GC／MS-QP2010 Plus型，日本岛津公司；

元素分析仪：EL-III型，德国艾乐曼公司；

紫外分光光度计：UV-2100型，日本岛津公司；

氘代氯仿（CDCl3）：NMR专用试剂；

甲醇：分析纯；

乙腈：色谱纯：

实验用水为超纯水；

金雀花碱样品的元素测定值（括号内为计算值）：C 69.41（69.45），H 7.40（7.42），N 14.63（14.72），换算为原子数比约为11∶14∶2，与金雀花碱样品中C，H，N原子数比相当。经HPLC分析，结果表明纯度大于99%，符合结构鉴定要求，西安某药业公司提供。

1.2 实验方法与测试条件

以二甲基亚砜（DMSO）为溶剂空白：二甲基亚砜，扫描范围：200～700 nm，记录样品紫外-可见吸收光谱；

采用KBr压片法，测定范围：4 000～400 cm-1，分辨率：4 cm-1，记录样品红外光谱；

以CDCl3为溶剂，测试温度为25℃，使用5 mm NMR 探头，以四甲基硅烷（TMS）为内标测定样品NMR谱；

采用电轰击模式（EI）离子源，离子源温度200℃，扫描范围为20～600 u，电子轰击能量为70 eV。

2 结果与讨论

2.1 紫外-可见吸收光谱

金雀花碱甲醇溶液的紫外光谱中，于λmax=306 nm处有最大吸收，是由芳杂环的双键共轭的烯烃产生的最大吸收峰；λ=233 nm的吸收峰由—O=C基团的n-π*的电子跃迁产生。说明本品的紫外吸收符合金雀花碱的紫外吸收特征。

2.2 红外吸收光谱

采用溴化钾压片法测其红外光谱，测定数据见表1。

表1 金雀花碱的IR测试结果解析表

金雀花碱红外光谱图中3 083 cm-1处的弱吸收峰为双键的=CH伸缩振动，1 563，1 540 cm-1为C=C双键的伸缩振动，746，735，820，791 cm-1为顺式、三取代双键的特征，这些都与预定结构的环状双烯结构应有的吸收一致，1 649 cm-1处的强吸收为羰基伸缩振动，由于与双键的共轭作用，吸收频率较低，证明存在该结构：

3 442，3 315，3 281 cm-1为仲胺的—NH伸缩振动特征，与预定结构的—NH应有的吸收一致，1 479，1 441，1 452，1 358，1 346，1 310 cm-1为—CH的弯曲振动，证明存在结构：

上述结果表明：金雀花碱样品化学结构中存在羰基、双键、叔氨基特征，样品的红外光谱吸收与预订的化学结构红外吸收一致。

2.3 核磁共振波谱

使用氘代氯仿（CDCl3）溶解试样，四甲基硅烷TMS 作内标（δ0），按1.2测定金雀花碱的1H NMR，13C NMR，DEPT135，DEPT90，1H-1H COSY，1H-1H NOESY，1H-13C HSQC及1H-13C HMBC谱，1H NMR，13C NMR谱图分别见图1、图2，测定数据见表2。

图1 金雀花碱样品的1H NMR图谱

图2 金雀花碱样品的13C NMR谱

对金雀花碱样品的一维、二维NMR图谱进行分析，认为金雀花碱符合预定化学结构（见图3）。

图3 金雀花碱预定化学结构及原子编号

样品的1H NMR谱图中，δ H 7.30峰是溶剂峰（未氘代完全的氯仿），δ H 2.17峰是残留的微量丙酮溶剂峰，δ H 0.00峰为内标四甲基硅烷（TMS）峰，其余信号为金雀花碱样品的谱峰。氢谱中设定δ H 6.45的dd峰积分值为1，则图谱总积分值为14，与预定分子结构中的氢原子数目完全一致。δ H 5.50～δ H 7.50之间有三簇峰，分别为δ H 6.85（dd，J=6.9，1.1 Hz），δ H 6.45（dd，J=9.1，1.4 Hz），δ H 7.29（dd，J=9.1，6.9 Hz），从化学位移、耦合常数分析，应为芳杂环氢，且3个氢紧邻，可分别归属为H-8，H-7，H-9。δ H 1.45的宽矮峰含一个氢，归属为NH信号H-1。其余δ H 1.80～δ H 4.50之间有几簇峰为环上的亚甲基，次甲基信号，H-4为手性亚甲基，两个氢不等价，且受羰基与氮原子的影响，出现在较低场δ H 4.12（d，J=15.6 Hz）与δ H 3.90（dd，J=15.6 Hz，0.9 Hz），H-13则出现在较高场δ H 1.96，其余信号准确归属需要二维谱。

样品的13C NMR图谱中，δ C 77.1处的三重峰为溶剂峰（氘代氯仿），δ C 0.00为内标四甲基硅烷（TMS），剩余有11条谱线，与预定分子碳数目11一致。利用DEPT谱可判定11个碳中有2个季碳，6个仲碳，2个叔碳，与预定结构一致。δ C 163.6的季碳为羰基C-6，δ C 163.6的季碳则为芳杂环季碳C-10，δ C 138.7，δ C 116.5，δ C 104.9的叔碳为芳杂环次甲基碳C-8，C-7，C-9。其余几条碳为环烷上的亚甲基、次甲基信号。

1H-1H TOCSY谱可以提供各自旋体系的耦合信息，从1H-1H TOCSY谱中可以看出，有两条自旋体系链，一组为芳杂环体系，另一组为环烷体系。1H-1H COSY可以提供1H-1H之间通过成键作用的相关信息，将自旋体系内直接相邻的1H信号关联起来。从图中可以看出，δ H 6.85（H-8）峰与δ H 6.45（H-7）、δ H 7.29（H-9）峰有耦合，形成芳杂环上相邻三个氢一个自旋片断。δ H 4.12（H-4a）、δ H 3.90（H-4b）峰只与δ H 2.32（m）峰有相关性，证实δ H 2.32（m）峰对应于H-3。δ H 2.32（m，H-3）峰还与δ H 1.96（H-13）、δ H 3.09峰相关，故δ H 3.09峰对应于H-2。

1H-13C HSQC谱可以将直接相连的氢与碳信号峰对应于1H NMR和13C NMR信号，为确证其结构提供了进一步的证据。而δ C 163.6等季碳则无氢信号相对应，进一步证实了季碳结构。不对称的CH2则由一个碳信号对应于2个氢信号，如δ C 49.7为C-4，其对应于2个氢信号δ H 4.12（H-4a）与δ H 3.90（H-4b）。其余直接相关信号都将一一对应。由于氢信号的归属，使得相应的碳信号明确。

采用1H-13C HMBC可确定季碳信号归属，并对整个体系信号作进一步验证。从1H-13C HMBC谱图中可以看出，δ C 163.6峰与H-8、H-7、H-4有相关性，证实该碳信号在结构中位置为C-6。δ C 163.6峰则与H-8、H-9、H-4相关，同时还与H-12相关，证实该碳信号为C-10。C-2与C-12化学位移较为接近，从结构可知，C-2与H-4为三键，可观测到远程相关信号，C-12与H-4有5键，信号弱或没有。通过HMBC图中可以看到，只有δ C 53.0峰与H-4有相关信号，证实δ C 53.0峰对应于C-2。从图中还可以看到C-11与H-9、H-13、H-12的相关信号。其余相关点也能观测到，与图3结构一致。

NOESY谱可以进一步确认化合物的空间结构，同时也为相邻片断的位置判定提供依据。从NOESY谱中可以看出，δ H 3.08（H-2）峰与δ H 1.45（NH）峰存在空间耦合。δ H 7.29（H-9）峰与δ H 2.90（H-11）峰存在空间耦合。这些信息也与其预定结构完全一致。

以上推断证实样品金雀花碱结构与图3结构一致。将其NMR数据结果及解析一并列入表2中。

表2 样品的NMR测试结果解析表

2.4 电子轰击质谱图

取适量金雀花碱样品放入进样杆，进行质谱分析，其质谱图见图4。用所得试样的质谱图进行谱库搜索，从NIST08谱库中检索得到相似度为96%的金雀花碱谱图，分子式为C11H14N2O，相对分子质量为190.24。CAS编号为485-35-8，外文名为Cytisine。

图4 金雀花碱样品的EI质谱图

质谱图中最高质荷比m／z 190为样品的分子离子峰，说明其分子量为190，与预定结构分子量一致；从最高质荷比与高端质荷比之差分析m／z 190-175=15；化合物质谱裂解丢失合理，化合物的分子量为190 u。分子离子m／z 190丰度比较大表明化合物中含有多重共轭基团，且具有环状结构，使分子稳定性较高。另外谱图中m／z 146、m／z 44为化合物裂解生成的碎片峰。m／z 44是化合物羰基的α裂解或N的i裂解产生的碎片峰，其结构式为：化合物中主要碎片峰m／z 190，m／z 160，m／z 146，m／z 44，m／z 134等符合化合物应有的裂解机理。离子的具体裂解模式见图6。