结构确定案例学习:鹿睑板腺信息素

路线图结构测定有机化合物

雄性黑尾鹿从睑板腺释放信息素吸引雌鹿。

说你有一堆鹿睑板腺,想确定腺的活跃分子。

你如何识别信息素的结构呢?你会用什么技术?如何从一个“未知的”“已知”分子混合物?这就是这篇文章。

表的内容:

1. 天然产品隔离的四个阶段
2. 天然产物分离案例学习:鹿睑板腺信息素
3. 一个路线图结构的决心
4. 未知化合物的分析
5. 提出基于证据的一个结构
6. 结论:结构测定
7. 笔记

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1。天然产品隔离的四个阶段

1969年1月,甲壳虫乐队发布了他们单身,“黄色潜水艇”执行最后一次现场演出,理查德·尼克松就任总统,Brownlee等人发表了他们的开创性论文,”隔离、标识和函数的主要组成部分的男性跗骨气味黑尾鹿“在《科学》杂志上自然。

这是最后一部分,我们今天要重点关注。

_{*声明可能不完全准确}

披头士屋顶演唱会1969年伦敦(高清)

林格看上去不痛苦吗?

现在更令人兴奋:天然产品隔离,我们已经经历了过去几个职位。

你能想到的自然产品的隔离(分子)有四个主要阶段。

阶段1:好奇心。是什么让“辣椒”热?负责鸦片的止痛的性质是什么?昆虫是如何找到彼此交配,甚至从千里之外?可爱的香味给香草是什么?我们经历了从大自然在这篇文章中一些有趣的分子。]

阶段2:提取。后我们的好奇心,我们需要找到一个方法来得到感兴趣的分子生物和瓶。用适当的溶剂的“提取”生物通常是如何做,我们这里所讨论的。

阶段3:净化。我们怎样才能把原油混合物的各种成分分解出来,这样我们就可以确定哪些分子物种存在?我们覆盖,在过去的文章,在这里。

阶段4:分析。我们如何确定结构的纯,未知化合物?这就是我们今天要讲,将来好长时间,因为它是不一个小话题。

2。自然产品隔离案例研究:鹿睑板腺的分离和分析信息素

因为我们将要涉及的分析很长一段时间,为什么不开始与一些有趣的事情吗?在本帖里,我们将呈现一个案例研究如何Brownlee等人开始观察和问题(“黑尾鹿闻到彼此的跗骨的领域很多,睑板腺的分子是什么?”),然后通过确定以下关键信息素的结构,这是一个重要的信号分子对男性黑尾鹿。

这项研究很好地说明了一个未知的自然产物的分析。也相当简单,你不需要任何知识的核磁共振(稍后我们将讨论详细)遵循的逻辑结构是如何获得的。

1。“好奇心”。属的雄鹿Odocoileus包含一个跗骨的器官在脚踝由气味腺和覆盖着长塔夫茨的明亮,硬毛。建立了群的成员检查彼此的跗骨簇偶尔(每个人每小时一次或两次)。当奇怪的女性或奇怪的男性方法群,闻跗骨领地的频率增加一个小时-倍(一个陌生的男性)。鹿承认他们的母亲通过嗅她的睑板器官。当威胁对方,雄鹿经常小便在睑板塔夫茨和同时搓在一起。

显然有一个关键分子(或分子),提供了这种化学信号。它的结构是什么?

2。提取。睑板从男性器官黑尾鹿死于同一地区的同一周被切除。头发簇冲洗着石油醚(短链烷烃的混合物)和收集提取,石油醚,之后在80 - 100°C在减压蒸馏原油。

3所示。分离。提取与气相色谱(GC)分析表明,睑板腺许多化学成分。在几分钟内底部的数字是:男性的主要组件(称为66)睑板腺在16分钟选择被选为调查。(有趣的是,分数标记26约6分钟被发现女性睑板腺的主要成分)。

隔离和分析该组件都使用“制备”气相色谱法。只是为了好玩,我包括完整的条件注1:一些术语的“解码”,使它更容易。

4所示。分析。这是我们真正开始的地方。作者提到一个巴克器官产生10 - 80微克(μg)。被用于分析30微克。1/30毫克,人:非常令人印象深刻的即使以今天的标准。

在潜水之前,让我们花一些时间来调查。

假设你有一个纯的样本未知化合物。你从哪里开始呢?最重要的问题是什么?

3所示。一个路线图结构的决心

容我可能建议如下,首先列出最重要的问题。

• 分子质量是什么?如果你有分子质量(可以从质谱),你可以开始缩小可能性的分子式。
• 分子式是什么?我们会看到,在缺乏高分辨率质谱(1969年不可用)获得的分子式分子质量仍然需要一些直觉和侦探工作。
• 一旦分子式:不饱和现象存在多少度?
• 官能团是什么礼物?我们官能团可以排除吗?
• 碳骨架的结构是什么?它是线性的吗?支吗?它包含环吗?多个债券?的位置“杂原子”(O, N, S,等等)。
• 有立体化学担心吗?E /烯烃的Z方向?手性中心吗?

这些问题,虽然不全面,是一个很好的“路线图”的顺序操作在确定一个未知的结构。注意他们是如何从大局(分子式)开始,最后把小细节(如异构中心的配置)。

我们会看到所做的结构determinination Greenlee等人大致遵循这个总体规划。

4所示。未知化合物的分析

1。首先,确定与质谱的分子质量。

少量的纯,未知样本注入质谱计显示,196年分子离子峰。这意味着原子质量之和* (注2分子中的元素的加起来是196。

是足以让我们的分子式吗?不完全是。例如,使用这个网站和限制搜索分子只包含C、H、O(碳氢化合物)的合理限制显示至少6 196年大量的合理结果。

这有点像一个列表的嫌疑犯警察阵容。你知道其中一个是正确的,但哪一个?我们怎样才能进一步缩小这个?

注意那些额外的小数点后的灰度。在这些更现代,我们通常采用的技术高分辨率质谱、准确(至少)四位小数。这可以辨别原子核的质量上的细微差异,并立即帮助我们确定分子式:一个巨大的节省时间。

因为无法使用这种技术Brownlee等,一些聪明和直觉是必需的。

首先,质谱分析表明,基地——即最大的峰值频谱峰值,对应于最青睐的分裂分子的——在85年,也就是说,父分子分裂成两个质量85年和111年的碎片。这些信息将在第二个有用——坚持。

2。识别关键功能组:红外(IR)光谱

我们会看到,红外(IR)光谱是一个很好的技术识别特定的官能团。特别是,C = O和地组振动特征频率。

未知的红外光谱显示两个关键峰:

• 强大的峰值为1775厘米¹,C = O伸展的特征
• 强大的峰值为1170厘米¹,对应于一个切断。

综上所述,作者指出这两个峰是一个5人的强烈提示内酯环。他们没有推断这从第一原理:这是推断出从比较的数据与化合物分离,就像警察侦探可能匹配指纹数据库。(注3]

(像”不叫的狗”,几乎一样重要的山峰被发现是山峰没有发现:没有地,没有- h,没有芳香的山峰,没有三键…执政的事情出可以计数的东西一样澄清“在”。]

“内酯”是一个环酯。所以“五元内酯环”是这样的。

请注意这个片段的分子量:86。我们前面提到的,质谱分析表明,分子闯入两个片段,一个111年质量85和其他的质量。

我们得到85通过5人内酯和删除一个氢。这片段111连接到内酯。但在哪里?

当我们质谱分析在未来的文章中,我们可以花更多的时间来了解分散模式。现在,一个好的经验法则是,分子会破裂网站这将形成稳定的碳正离子或激进分子吗。

附件的片段碳与氧最合理的两个原因。

首先,碎片会让相对稳定的碳正离子(或激进的,如果你喜欢),这是一个很好的方法可能在质谱分债券乳沟。

其次-我们不会深入这也是简单的从生物合成的角度来看,因为这将产生一个线性脂肪酸代替一个分支,和线性脂肪酸是极其常见的天然产品。

3所示。直觉提供了一个很好的猜测分子式。

确定了内酯,下一个问题是识别sidechain分子量为111。现在有一个直觉的飞跃期望值:作者简单,假设这是某种形式的碳氢化合物,没有氧气。

质量的烃111相当于C₈H₁₅。

把它连同内酯,这给了我们一个分子式C₁₂H_20.O₂对未知的化合物。

4所示。从分子式计算未饱和的程度

现在:一旦我们分子式,我们可以使用一个漂亮的技巧叫做“未饱和程度”确定的数量(双键+环)在一个分子。

烷烃的公式没有双键或环是C_nH_{n + 2}。尝试用甲烷(CH₄)或乙烷(C₂H₆):氢的数量等于碳原子数量的两倍,加上两个。

每一个双键或环减少了分子中氢原子的数量两个。所以对于C₁₂,我们希望[(2 x 12) + 2] = 26氢如果没有双键或环(氧不影响氢的数量以任何方式)。实际的公式是C₁₂H_20.O₂少,这给了我们6个氢原子。因为每个双键或环删除两个氢原子,这意味着我们有6/2 = 3上的双键/环分子,或3度不饱和现象”。

两个三度不饱和内酯环中发现:C = O键(一个双键)和环本身。这使得一个程度的侧链不饱和现象,C₈H₁₅。

因此,侧链必须包含一个双键或戒指。

5。确定结构的C₈H₁₅与氢解作用,臭氧分解sidechain:“退化”

下一个问题的答案是C的结构₈H₁₅侧链。

现代技术,如核磁共振光谱学极大地促进了确定分子的结构的过程。然而,Brownlee等人没有进入我们的先进技术。相反,他们使用了一个相对低技术含量的方法来确定结构的侧链自古以来:使用了一种叫做退化。值得庆幸的是它很容易解释比核磁共振对初学者。

基本上,“退化”是运行在一个未知的化学反应分子获得它的结构线索。

例如,如果你有一个分子,你怀疑有一个或多个双键,你可以把它与氢和Pd / C (加氢),然后检查产品确定有多少等价物的氢补充道。例如,如果我们未知的分子量为196和治疗Pd / C和H₂给新产品分子量为198(观察到质谱)是一个很好的信号分子中双键。

一个相关的加氢反应是“氢解作用”,我们真的不涵盖在介绍有机,但是它包括详尽的减少每个官能团存在给烷烃,通常在高温下。

Brownlee等人想确定侧链线性或分支。所以他们受到未知bdapp平台的内酯氢解作用,确定(GC),主要产品是n-dodecane (C₁₂H₂₆),一个线性烷烃。因此,侧链必须是线性的并包含一个双键(因为它有一个未饱和的程度)。

导致自然的下一个问题:侧链上的双键在哪里?

为了解决这个问题,退化推出另一个常见的反应:臭氧分解。因为臭氧(O₃)劈开双键,我们可以把一个未知的烯烃,把它与O₃,然后分析产品。因为我们知道前进方向的反应是如何工作的,我们可以推断出的结构(未知)起始物料的产品。

Brownlee等人对未知的内酯与O(3μg ! ! !)₃然后一个还原检查。他们发现了一个产品己醛气相色谱法。向后的工作让他们确定侧链的结构如图所示。

最后一块拼图的双键的方向:顺式或反式?再一次,现在我们使用核磁共振,但他们能够推导出方向独联体从没有一个乐队在960厘米¹(在哪里反式烯烃通常有一个峰值。(这是一个微妙的细节时,我们一般不去覆盖IR)。

5。提出基于证据的信息素的结构

这给了最后一个信息素的结构:

最后证明了相比之下的化合物与真实样品由联合利华提供相同的特征红外,MS、GC光谱。结构解决了!

6。结论

希望这篇文章已经表明,决定一个未知化合物的结构真的就像侦探工作。

它需要直觉、逻辑思维和注意小细节。有什么好玩的,国际海事组织。

更有益的在这种情况下,确定这个分子的结构有助于皮回来有点神秘的鹿相互通信。它还导致许多其他有趣的问题:如何在自然?这个过程是如何进化的?其他物种以这种方式交流什么?我们没有时间进入。

这个案例研究介绍了我们的一些关键的工具,化学家使用来确定未知化合物的结构:红外光谱,质谱,(尽管这里只提到无关地)核磁共振。

它还介绍了我们框架确定一个未知化合物的结构。

在接下来的帖子,我们要远离这一边冒险在自然产品隔离并开始讨论结构的单个组件的决心。

我们将从这个概念的“未饱和的程度”。在下一篇文章!

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笔记

注1。GC条件,解码。

• “聚乙二醇20 M”指的是固定相,聚合物的乙二醇(挂钩),平均分子量20000克/摩尔(因此,20米)。
• “色谱载体W 60/80”指的是坚实的支持,聚乙二醇20 M是装上(即化学结合):硅藻土,指的是60/80”筛孔尺寸”(0.18 - 0.21毫米),决定了表面积。显然高表面积将改善分离,在要求更高的成本压力将溶剂。
• 1.5 m x 2.4毫米身份证(内径)指列的大小
• 200°C的温度加热到列。更高的温度增加气体的波动,导致化合物出来得更快。
• 35厘米³N₂/分钟的流量指的是氮气通过列(流动相)。
• 的保留时间11.2分钟意味着需要11.2分钟所需的复合,使其通过列在这些条件下。
• “分数再切”意味着样品有点不纯洁的,他们选择了再次发送它通过GC在不同条件下(使用不同的列,QF-1代替聚乙二醇,所以据我所知从快速搜索,QF-1氟硅酮)。

注2*快速题外话“质量”。我们应该用“质量”为每个原子?我们习惯使用“摩尔质量”对于大多数的计算,这是一个原子的质量平均在整个摩尔(6.02 x 10²³分子)。例如碳的摩尔质量是12.011由于少量的存在¹³C (1.1%)。然而,当一个原子的碳是由质谱仪测量,它荒谬的分配大量的12.011 - 12或13 !因此,一个分子的分子离子代表了“mono同位素”形式,对应于每个原子分子的质量最众多的稳定同位素。这被称为“名义上的质量”。

注3。化学家一定年龄会记得这些野兽从化学库的引用部分: