核磁共振技术及其在天然产物结构鉴定中的应用

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OH CH3
OCH3 CH3
CH3
CH3
OCH3
OH
A
A'
7 1
3
O
5
B
CH3
O
1
8
3
O
7
5
B'
Fig. 4. The structures of two pairs of isomers.
O
8
CH3
4 二维核磁共振谱 (2D-NMR)及其应用 二维核磁共振(2D-NMR)是二十世纪七十年代提出八十年代初期发展起来的新
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CHCl3
H
H
7
11 HO 9
8
10
5
12
C15H3
H
3
6 4
C14H3 O
H
H2
1
4 O
7
C13H3
15
13
9
14
5.5
5.0
4.5
4.0
Chemical Shift (ppm)
4
7
9
3.5
12e
2
11e
5 8e
3
8a
12a 11a
OH
7
6
5
4
3
2
1
Chemical Shift (ppm)
核磁共振技术及其在天然产物结构鉴定中的（1． 河北医科大学药学院天然药物化学教研室， 河北 石家庄 050017； 2． Jealott’s Hill International Research Centre, Syngenta, Berkshire, RG42 6EY, UK）
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3 一维核磁共振谱 (1D-NMR)及其应用 在化合物的结构鉴定中最常见也是最基本的核磁共振技术是一维核磁共振氢谱
(1H-NMR)和一维核磁共振碳谱(13C-NMR)。一维核磁共振氢谱(Fig. 1)提供的信息主 要有化学位移，偶合常数，吸收峰的裂分方式和氢原子数目。通过化学位移值可以 了解氢的偕碳是否有杂原子以及是sp3还是sp2碳原子; 通过偶合常数的大小和吸收 峰的裂分方式可以了解一个氢与它的邻碳上的氢之间的两面夹角，判断化合物的构 型和构象以及是否存在偕偶。在通常的情况下，杂原子上的氢观察不到，但在丙酮 和二甲基亚砜中可以观察到羟基上的氢。如果通过高分辨质谱获得了分子式，分子 式中的氢数减去在核磁共振氢谱中观察到氢原子数目就是属于杂原子上的氢原子 数。一维核磁共振碳谱可以提供碳原子的数目和碳原子杂化类型(sp, sp2, sp3)以及是 否连有杂原子(Fig. 2)[7]。DEPT (Distortionless Enhancement by Polrization Transfer) 谱： DEPT谱是INEPT 法的一种改良方法。在实验中通过改变照射1H 的三个脉冲 角度(Q) ,使其作45°、90°、135°变化并测其13C-NMR谱,可以得到用以区别伯、仲、 叔、季碳的13C-NMR谱(Fig. 3)[8]。 NOE差谱：选择地照射一种质子使其饱和,则与 该质子在空间位置上接近(通常小于5Å)的另一个或数个质子的信号强度增高的现象 被称为核Overhauser效应,简称NOE。NOE的强度通常用百分度来表示。NOE主要用 来确定两种质子在分子立体空间结构中是否接近,若存在NOE,则表示两者接近,NOE 值越大,则两者在空间的距离就越近。利用NOE效应,可以用来确定分子中某些基团 的位置、立体构型、糖与糖及糖苷链与苷元的连接位置等, 是研究立体构型和优势 构想的重要方法。在有些情况下，还可以利用NOE差谱来帮助推断化合物的结构， 特别是由于较多的季碳或杂原子相连用碳氢远程偶合无法判断时，可借助NOE差谱 来完成碎片的连接。下列两组化合物(Fig. 4)通过简单的氢谱和碳谱无法区别，但通 过照射甲(氧)基或羟基上的氢得到不同的NOE差谱，利用NOE差谱很容易把二者区 别出来。
CHCl3
7
5
5.45 5.40 5.35 5.30 Chemical Shift (ppm)
5.25
4
O CH3
O Me15 11
Me13
H
2
O
12
1
3
O 10 H H H 4 O
9H H 5
H
8
6
7
H3C
O
Me14
O
11
OAc 15
14 13
4.8
4.7
4.6
4.5
4.4
4.3
8b
Chemical Shift (ppm)
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HMQC和HSQC是碳-氢直接相关谱，可以用于确定每一个碳上含有的氢原子数目。 在具有多环体系的复杂天然化合物分子中，一些环上的CH2结构单元上的两个质子 一般是不等价的。这种偕氢质子间的偶合2JHH 常常和3JHH偶合混杂在一起， 往往干 扰质子偶合体系的分析。HMQC 谱对这种不等价的孪生质子的分析提供了有效的 手段。 同时，结合1H-1H COSY谱， 为把质子与质子的偶合相关信息转便成碳原子 与碳原子的连接提供了基础。现在二维的HMQC和HSQC碳-氢直接相关谱基本已经 取代了一维的INEPT和DEPT用来区别伯碳、仲碳、叔碳和季碳(Fig. 7)[11]。 异核碳氢相关谱HMBC是一种远程的通过两个键，三个键，甚至四个键的碳-氢相关谱，通 过这种远程的碳-氢相关谱可以把因有季碳或因有杂原子而中断的氢-氢相关体系连 接起来(Fig. 8)[11,12]。 异核碳-氢相关谱HMBC还可以用于确定取代基的位置(Fig. 9)[13]，判断区别母核的骨架类型(Fig. 10)[14]。 5 小结
O
CH3 H3C
O CH3
CH2OH
CH3
Fig. 2. The structure and 13C NMR spectrum of curvicollide A
CH3 carbons
CH2 carbons CH carbons
All protonated carbons
Fig. 3. The DEPT spectrum (125 MHz, CDCl3) of a bicyclic taxane diterpene, (3E,7E)-2,5,10,13,20-pentaacetoxy-3,8-secotaxa-3,7,11-trien-9-one.
技术,随着高频核磁共振仪的出现,在八十年代末和九十年代初,二维核磁共振得到了 迅速发展,现已成了有机化合物结构鉴定的常规分析方法,也为天然产物的结构鉴定 带来了一场革命。二维核磁共振实验是一维核磁共振的延伸,在一维实验的脉冲的过 程中加入演化期（evolution time）,在每次实验中，将演化期按顺序的逐次增加来获 得数据，经两次的傅氏转换就可得二维共振光谱。演化期增加的次数可达100～1000 次，因此所需的时间，也是一维光谱的百倍至千倍。在化合物的结构鉴定中常用的 二维核磁共振技术主要有同核氢-氢相关谱 1H-1H COSY (Proton-Proton Correlation Spectroscopy), NOESY (Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy) 和ROESY (Rotating Frame Overhauser Effect Spectroscopy)[9] 以及异核碳-氢相关谱HSQC (Heteronuclear Single Quantum Coherence), HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Coherence异核 多量子相干谱)和 HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation异核多键相关谱)。 同核氢-氢相关谱 1H-1H COSY主要用于确定氢谱中相互 偶合的共振体系(Fig. 5-6)[10]。 同核氢-氢相关谱 NOESY和ROESY是二维的NOE差谱, 图谱的形状和 1H-1H COSY相似，但它的交叉峰指出的是在空间上比较接近的质子的信息，一个 NOESY普相当于数个NOE差谱的提供的信息，已经取代NOE谱用来确定在立体空间 上比较接近的氢相互偶合的关系，提供有关分子相对立体化学和溶液构象方面的重 要信息。 当用1H-1H COSY谱进行结构解析遇到困难时候（如相邻质子间二面夹角 等于或接近90°时，偶合常数等于零或受多个季炭或杂原子阻隔），NOESY和ROESY 谱常常能提供有用的信息，把分子中的原子或碎片构造连接起来。异核碳-氢相关谱
[主题词] 核磁共振；一维核磁共振谱；二维核磁共振谱；结构鉴定
核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 是一种基于具有自旋性质的原子 核在核外磁场作用下,吸收射频辐射而产生能级跃迁的谱学技术。该现象早在1946年 已被 Bloch 和 Purcell 等人用实验所证实。核磁共振现象的发现具有十分重要的意 义，不仅为量子力学的基本原理提供了直接的验证，而且为多个学科领域的研究提 供了一种不可或缺的分析与测试手段，特别是在复杂化合物的结构鉴定中具有独特 的优势并已取代了一些其他的分析手段。核磁共振技术主要有两个学科分支：核磁 共振波谱技术 (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR)和核磁共振成像技 术（Magnetic Resonance Imaging，MRI）。核磁共振波谱技术是基于化学位移的原 理发展起来的，主要用于测试物质的化学成分和分子结构。核磁共振成像技术诞生 于1973年，它是利用磁场与射频脉冲使结构组织内氢质子运动产生信号，经计算机 处理而成像的，它是一种无损害技术，可以用于获取多种物质的内部结构图像，现 在在临床医疗诊断中得到了广泛的应用。 1 核磁共振的基本概念
核磁共振（NMR）是共振现象的一种, 是指原子核在运动中吸收外界能量产生 的一种能量跃迁现象,这种现象只能出现在相邻的两个能量之间。对氢原子而言, 在 静磁场中处于两种基本能量状态, 指向磁场方向的原子核处于低能级, 逆向磁场方 向的原子核处于高能级, 由磁场和温度来决定两种基本能量状态核子之间的动态平 衡。将样品放入大磁场中, 加入与静磁场相交成一定角度的, 并发射与该样品原子核 运动频率(原子核在静磁场中按正确的角度旋转频率, 也称拉莫尔频率) 相同的射频 脉冲(RF 脉冲), 即RF脉冲与拉莫尔频率相同时, 质子磁矩会吸收RF脉冲的能量, 使磁矩从低能级跃迁到高能级, 称共振吸收。移去RF脉冲后, 质子磁矩便从高能级
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回到低能级, 并将吸收的能量以电磁波的形式发射出来, 称为共振发射。上述吸收与 发射的过程称为核磁共振。 2 核磁共振的发展简史
1946年美国斯坦福大学的物理学家Bloch和哈佛大学的物理学家Purcell首次观 测到了核磁共振信号，并由此获得了1952年的诺贝尔奖。同样在1952年第一台30兆 周的核磁共振仪(Varian)问世。1959年发现偶合常数取决于邻位氢的二面夹角，并于 1963年发表了计算偶合常数和邻位氢的二面夹角关系的Karplus公式[1]。1962年第一 台220兆周的超导核磁共振仪(Varian)问世。1965年NOE谱用于构象研究。同样在1965 年傅立叶变换（Fourier Transform）技术被应用到核磁共振领域。1969年第一台90 兆周的傅立叶变换核磁共振仪(Bruker)被商业化生产。1971年提出了二维核磁共振的 概念。1973年360兆周的超导核磁共振仪(Bruker)被应用于结构鉴定。至七十年代中 期核磁共振碳谱成了结构鉴定的常规分析方法。1979年观测到了碳氢相关二维核磁 共振谱(HMQC)和二维NOE谱(NOESY)[2-4]。同年生产出了500兆周的超导核磁共振 仪(Varian)。1981年核磁共振技术被应用于医疗诊断。1986年观测到了碳氢远程相关 二维核磁共振谱(HMBC)[5,6]。1987年600兆周的超导核磁共振仪(Varian)问世。1991 年瑞士苏黎世大学的Ernst由于对二维核磁共振的贡献获得了在核磁共振领域的第 二个诺贝尔奖。1992年750兆周的超导核磁共振仪被用于结构鉴定。2003年美国的保 罗和英国的皮特由于发明了核磁共振成像技术获得了在核磁共振领域的第三个诺贝 尔奖。在我国中国医学科学院北京药物所是最早使用核磁共振仪测定化合物结构的 单位，他们60年代末购进了60兆周的核磁共振仪，梁晓天院士编著了我国第一本核 磁共振参考书。70年代末北京药物所购进了90兆周的核磁共振仪，1988年又购进了 500兆周的核磁共振仪。八十年代中期上海药物所购进了我国第一台600兆周的核磁 共振仪。现在在我国很多单位已购进了500兆周和600兆周的核磁共振仪，北京大学 等单位已购进了800兆周的超导核磁共振仪。全世界安装使用的800兆周的超导核磁 共振仪已超过60台。 现在900和950兆周的超高场超导核磁共振仪已经投入应用， 1000兆周是核磁共振仪极限，据报道目前美国已有一台1000兆周的超高场超导核磁 共振仪。
4
75
11
2 9
3
8a
12a12b
8
7
6
5
4
3
2
1
Chemical Shift (ppm)
Fig. 1 The 1H NMR spectra of two sesquiterpene lactone and their structures (500 MHz, CDCl3).
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O
OH
H3C
CH3