河北医科大学药学院 Superconducting Magnet tra lo mage credit:D.S.Dalisay. Schematic operation of a basic NMR spectrometer 20 教在出度生品、盐领提状墨、性发大、数都底是拉制包 NMR组成 NMR is A Widely Used Structural Tool Shim:optimize field 天然药物化学教研室史清文教授 1
河北医科大学药学院 天然药物化学教研室 史清文教授 1 5 mm (600 µL), 1.7 mm (35 µL) and 1 mm tubes (7 µL). Right, a gas-tight sample syringe fitted with an extra long needle. Image credit: D. S. Dalisay. Fig. 1 Relative NMR sample tube diameter (OD) and sample volumes. From left to right, Tadeusz F. Molinski. NMR of natural products at the ‘nanomole-scale’. Nat. Prod. Rep., 2010, 27, 321-329. 181 Superconducting Magnet Dewar 杜瓦瓶 Insulation 隔热材料 Liquid nitrogen Liquid helium Main magnet coil 主磁铁线圈 Magnet legs NMR detection probe 核磁共振探测探头 Sample Schematic operation of a basic NMR spectrometer 183 磁体和探头 机柜(射频发生器、射频接收器、信号放大、数据采集控制等) 工作站(数据存储、 数据处理、总体控制) 磁 体 磁 体 样品管 射频振荡器 射频接收器 扫描发生器 记录仪 控制台 NMR组成 184 185 NMR is A Widely Used Structural Tool 186
河北医科大学药学院 Steps to Acquire Data Integrate,Enlarge and Print the ve Applications: Application of NMR 大营的纳保青木后美鱼用及线水子上场 华 1被廉共排波潘：实际上是观收率（根坐标）对化学B茅 (横非)的关系南 ②愁潭时同成惊法 Nuclear Magnetic Resonance maing alo called Spi NMR Spectral Parameters 屏蔽效应与去屏蔽效应 Chemikcal ahift 顺位性位修，去屏税应 j-ouplin 抗造性位移，屏颗效应 ine-wid 爱精用合禁 天然药物化学教研室史清文教授
河北医科大学药学院 天然药物化学教研室 史清文教授 2 187 • Prepare sample dissolve in deuterated solvent (CDCl3, acetone-d6 … ) filter solution in NMR tube : fill the tube up to ~4 cm of solution • Insert sample in the magnet • Lock on deuterium signal from the solvent • Optimize shimming • Select parameters 1H, 13C, 31P, …. • Set receiver gain • Acquire the data Steps to Acquire Data Integrate, Enlarge and Print 1H NMR 188 化学位移、裂分情况、耦合常数？ Applications: Ⅱ核磁共振成象(MRI)：(1) 点成像法 核磁共振已在众多领域中有了广泛的应用.从技术手段上讲， 核磁共振的应用主要有两个方面： Ⅰ核磁共振波谱：实际上是吸收率（纵坐标）对化学位移 （横坐标）的关系曲线 (2) 弛豫时间成像法 Nuclear Magnetic Resonance Imaging also called Spin Imaging 189 Application of NMR 190 NMR Spectral Parameters nOe RDC Line-width Shielding 屏蔽 Chemical shift Scalar interaction 标量相互作用 J-coupling Nuclear Overhauser effect Dipolar interaction 偶极相互作用 Residual dipolar coupling 残余偶极偶合 Relaxation 屏蔽效应与去屏蔽效应 屏蔽作用（屏蔽效应）（shielding effect） 去屏蔽作用（去屏蔽效应）（deshielding effect） 192
河北医科大学药学院 Chemical Shift:Ring Current 自旋偶合现象 低分 Bo 简化谱图的方法一采用高场强仪器 简化谱图的方法一采用高场强仪器 HA 0 1。 Chemical shift 化学位移的表示法 化学位移 ·1.用赫兹，CPS)表示化学位移（现已不用）， Chemical shift is defined as nuclear ·2.用8值表示8值的定义： shielding /applied magnetic field. Chemical shift is a function of the 标 nucleus and its environment. Av 天然药物化学教研室史清文教授 3
河北医科大学药学院 天然药物化学教研室 史清文教授 3 Chemical Shift: Ring Current Upfield shifted resonance Downfield shifted resonance 自旋偶合现象 e1 n1 n2 e2 CH2 CH3 高分辨 J 低分辨率 194 简化谱图的方法-采用高场强仪器 195 简化谱图的方法-采用高场强仪器 HC HB HA C C HA CN HB HC 60 MHz ABC系统 •100 MHz •ABX系统 •220 MHz •AMX系统 196 Chemical shift is defined as nuclear shielding / applied magnetic field. Chemical shift is a function of the nucleus and its environment. Chemical shift 197 化学位移 化学位移的表示法 • 1. 用赫兹(Hz, CPS)表示化学位移(现已不用)。 • 2. 用值表示 值的定义: 样-标 = ×106 标 △ = ×106 振荡器射频 198
河北医科大学药学院 偶合常数J(Coupling Constants) 偶合常数与分子结构的关系 ·向镜一向流偶合产生峰的裂分，而海组峰中峰与 ·根相互千找直核之间相隔能敷的多少，将偶 峰之间的距离叫偶合常数(Coupling constants), 合作用分为： 用康示单位2 传傅(Geminal coupling)电兼僧质子偶合，同废 特点： 质子偶合。 ·山不受外扬影响，外场变化，值不变： (Vicinal coupling)) ·2)质子之阔产生的偶合裂分，值<20： 远锅合(Long-range coupling Karplus Equation 偶合常数与分子结构的关系 dral to 西 4地=24地归13 Z 8 偶合常数与分子结构的关系 偶合常数与分子结构的关系 情偶：经过二个化学能的偶合 用m,馆，J同，表示 ·12-16业 ·546.3 ·0535亚 Jm9.3Hz J=90 J=39 天然药物化学教研室史清文教授
河北医科大学药学院 天然药物化学教研室 史清文教授 4 偶合常数 J (Coupling Constants) • 自旋自旋偶合产生峰的裂分，而每组峰中峰与 峰之间的距离叫偶合常数 (Coupling constants)， 用J表示单位Hz. • 特点： • (1) J不受外磁场影响，外磁场变化，J值不变； • (2) 质子之间产生的偶合裂分，J值< 20 Hz； 199 偶合常数与分子结构的关系 • 根据相互干扰氢核之间相隔键数的多少，将偶 合作用分为： • 偕偶 (Geminal coupling)也称偕质子偶合，同碳 质子偶合。 • 邻偶 (Vicinal coupling) • 远程偶合 (Long-range coupling) 200 Karplus Equation The Karplus equation, named after Martin Karplus, describes the correlation between 3J-coupling constants and dihedral torsion angles in nuclear magnetic resonance spectroscopy. Martin Karplus 2013 NP J. Chem. Phys., 30, 11 (1959). 201 受电负性氧原子的影 响使偶合常数减小 偶合常数与分子结构的关系 J = 2-4 Hz H H J = 2-4 Hz H H J = 11-13 Hz H H O J = 4 Hz H OCH3 O J = 9 Hz H H OCH3 HO HO HO OH H OH HO HO HO 202 偕偶：经过二个化学键的偶合， 用Jgem, J偕，J同，2J表示 Ha Hb • 2Ja,b 12-16 Hz • 2Ja,b 5.4-6.3 Hz • 2Ja,b 0.5-3.5 Hz O Ha Hb Ha Hb 203 偶合常数与分子结构的关系 H H J = 7-9 Hz H H J = 4-6 Hz H H J = 9.3 Hz exo H H J = 9.0 Hz endo H H J = 3.9 Hz endo-exo 偶合常数与分子结构的关系 204
河北医科大学药学院 用于确定六元环中CL,为a或c键（实测17z 向心原则Roof effect OH 18 H NMR:CH1O2 H-NMR Spectrum 向心原则 Roof effoc lines =n+1 NMR Peak integration or peak area NMR Peak Integration or Peak Area 10-CH-C31 天然药物化学教研室史清文教授
河北医科大学药学院 天然药物化学教研室 史清文教授 5 用于确定六元环中CH3为a或e键（实测17Hz） OH CH3 CHO OH 1 2 3 4 H 2 a H 4 e H 2 e 18Hz H3 H3C OH OH H 3 CH3 4 H H 4 H 3 H 2 a H 4 a H 2 a 24Hz H3 HO CHO HO CHO 10Hz 10Hz 10Hz 10Hz 4Hz 4Hz 4Hz 4Hz 4Hz 4Hz 4Hz H2e H2e H2a H2a 205 CH2CH3 向心原则 Roof effect 206 H-2' H-3' Ph-H H-9 H-10 H-5 H-20a H-20b H-13 H-3 H-14a H-14a AcoMe-18 Me-19 Me-16 Me-17 1 H-NMR Spectrum O AcO H H OAc HO O 1 3 5 7 9 11 13 15 17 18 19 20 1' 2' 3' 208 NMR Peak Integration or Peak Area NMR Peak Integration or Peak Area a) The relative peak intensity or peak area is proportional to the number of protons associated with the observed peak. b) Means to determine relative concentrations of multiple species present in an NMR sample. HO-CH2-CH3 1 Integral trace Relative peak areas = Number of protons 2 3
河北医科大学药学院 H-NMR的空间构象分析 核Overhauser效应 (NOE) 与生 良的立体与分子的立体物型之厕的关系， 头天然产物的立株构型与它们康亮由的生物落性之周的 关系。对许多天熊产物而言，其生物活性往柱只为一种 特定的地对构型所有。 Some examples: Sesquiterpene OE的产生仅以爵械整阀辅适为决 定性泰件，面与两袜时化争能府在与 香无（与有无满无关）， inal Medal of Scie Sesquiterpene OE和偶合常数均可说明3,4,5海是反或关系 Sesquiterpene 天然药物化学教研室史清文教授 6
河北医科大学药学院 天然药物化学教研室 史清文教授 6 1H-NMR的空间构象分析 • 有机化学的发展要求人们必须在三维空间上了解分 子的结构和性能，尤其是与生命过程有关的化学问题。 如药物分子的立体构型和受体之间的相互作用，生化反 应过程的立体选择性与分子的立体构型之间的关系，各 类天然产物的立体构型与它们表现出的生物活性之间的 关系。对许多天然产物而言，其生物活性往往只为一种 特定的绝对构型所有。 211 核 Overhauser 效应 (NOE) • 1953年，Overhauser研究金属钠的液氨（顺磁）溶液，当 用一个高频场使电子自旋发生共振并达到饱和时，23Na核 自旋能级粒子数的平衡分布被破坏，核自旋有关能级上粒 子 数 差 额 增 加 很多 ， 共 振信 号大 为 加 强 。 这被 称 为 Overhauser效应。A milestone which increased the signal-to-noise (S/N) ratio was the discovery of the nuclear Overhauser effect, which improves the S/N in less sensitive nuclei by polarization transfer. Albert W. Overhauser (1926~) Purdue University 212 核Overhauser效应 （Nuclear Overhauser Effect） Albert W. Overhauser (1926~) • NOE: 若对分子中空间相距较近的两核（<5Å）之一进 行辐照，使之达到跃迁的饱和状态，此时记录另一个核的 核磁共振峰，可发现较无此辐照时，谱峰强度有所变化， 这即是核Overhauser效应（NOE）。 NOE的产生仅以两核空间相近为决 定性条件，而与两核间化学键存在与 否无关（与有无 J 耦合无关）。 213 National Medal of Science 6.1 6.0 5.9 5.8 5.7 5.6 5.5 5.4 5.3 Chemical Shift (ppm) 4.0 3.9 3.8 3.7 10 5 9 6 8 7 12 3 11 4 2 O 1 CH3 15 OH CH3 14 H H H CH2 13 O 13a 13b 7 4 9 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 Chemical Shift (ppm) Chloroform-d Sesquiterpene Some examples: 214 2.5 2.0 1.5 1.0 Chemical Shift (ppm) 10 5 9 6 8 7 12 3 11 4 2 O 1 CH3 15 OH CH3 14 H H H CH2 13 O 15 14 3 5 8ax 12-ax 11b 8eq 12eq,11a Sesquiterpene 215 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 Chemical Shift (ppm) 5.3 4.0 3.9 3.8 3.7 3.6 5 4 10 3 11 12 7 6 8 9 O 1 2 H3C O 13 H3C 15 HO CH3 14 H H H H 4 7 7 4 9 9 Sesquiterpene NOE和偶合常数均可说明H-3, H-4, H-5都是反式关系。 216
河北医科大学药学院 Sesquiterpene Sesquiterpene 费装 L 2 这科聚分是有广生的？事金质于春在相玉新合关系？ H-H COSY 2DH-H相关谱(H-H COSY) ),对角 心)。毒个桶关棒最变文华反映两个峰组同的属合关 系。C0SY主兵反映痛合关系. 阁 :: 天然药物化学教研室史清文教授
河北医科大学药学院 天然药物化学教研室 史清文教授 7 2.0 1.5 Chemical Shift (ppm) 5 4 10 3 11 12 7 6 8 9 O 1 2 H3C O 13 H3C 15 HO CH3 14 H H H H 7 8 9 10 5 6 11 12 3 4 CH3 H H H H H H O H 2 1 O CH3 H H H H HO H CH3 8e 2 5a 11e 8a 12e 14 12a,3a Sesquiterpene 217 7 6 5 4 3 2 1 Chemical Shift (ppm) 7 5 4 1 1 9 2 8 a 3 1 4 1 2 a12 b 8 b 1 5 1 3 O A c 3 2 4 1 O Me13 O 12 11 O 10 9 O Me15 8 7 O 6 5 Me14 H O CH3 O H3C H H H H H H Sesquiterpene 这种裂分是如何产生的？ 哪些质子存在相互耦合关系？ 218 2 D 1H-1H相关谱 (1H-1H COSY) • COSY 谱本身为正方形，当 F1和 F2谱宽不等时则为 矩形。正方形中有一条对角线（一般为左下---右上）。 对角线上的峰称为对角峰（diagonal peak）。对角线外 的峰称为交叉峰（cross peaks）或相关峰（correlated peaks）。每个相关峰或交叉峰反映两个峰组间的耦合关 系。COSY 主要反映3J耦合关系。 219 1H-1H COSY 220 O O OH OCH3 H3CO HO 2 3 2 5.35 (dd) 13.2, 2.8 3a 3b 3.05 (dd) 2.56 (dd) 16.6, 13.3 16.6, 2.8 2 3a 3b 221 O O OH OCH3 H3CO HO 3 2 2' 6' 5' 2 3a 222
河北医科大学药学院 From Formula to Structure CH.NO 核磁共振碳谱 核磁共振碳谱 在决定有机化合物体构时，与HNMR相比CNIR在 装种程度上起清更为重要的作用，两者相精湘成： 自然界春在的喷同位素中，℃氨然半度比最大989% 3C-NMR Spectrum 但因爱有碳性函无法测定，1℃有性1一1，但国观网 的出现，及计机的引入，C.NMR才得到真正应用 核磁共振碳谱 C NMR BC-NR的化季位巷是最重要的参数，它直接反 映了所观察核屑国的盖团电子分布的情况，即桂所 变的屏蔽作用的大小。 对辕所处的化学环境很敏，的范适比 山宽。分于中有不同的构型和构象时，d比更教 感。因此，很少重合。 对子华硫，碳谱比直清更具优券。 227 天然药物化学教研室史清文教授 8
河北医科大学药学院 天然药物化学教研室 史清文教授 8 O O OH OH OCH3 H3CO OH 2 3 2 3 2' 6' 5' 2' 6' 5' 223 224 From Formula to Structure C18H21NO3 核磁共振碳谱 13C-NMR Spectrum 225 在决定有机化合物结构时，与1H-NMR相比13C-NMR在 某种程度上起着更为重要的作用，两者相辅相成。 自然界存在的碳同位素中，12C虽然丰度比最大(98.9%) 但因没有磁性而无法测定，13C虽有磁性 (I = 1/2)，但因观测 灵敏度只有1H核的1/64，且丰度比甚小，仅为1.1%，故总的 信号灵敏度仅为1H核的1/6000，致使13C-NMR长期不能投入 实际应用。近30年来电脉冲-傅丽叶变换(PFT) 核磁共振装置 的出现，及计算机的引入，13C-NMR才得到真正应用。 核磁共振碳谱 226 13C-NMR的化学位移是最重要的参数，它直接反 映了所观察核周围的基团电子分布的情况，即核所 受的屏蔽作用的大小。 dC 对核所处的化学环境很敏感，dC的范围远比 dH宽。分子中有不同的构型和构象时，dC比 dH更敏 感。因此，很少重合。 核磁共振碳谱 对于季碳，碳谱比氢谱更具优势。 227 13C NMR 228
河北医科大学药学院 BC NMR 豆醇 Stigmasterol L BC NMR BC NMR m BC NMR BC NMR *漆 天然药物化学教研室史清文教授 9
河北医科大学药学院 天然药物化学教研室 史清文教授 9 7 6 5 4 3 2 1 Chemical Shift (ppm) Chloroform-d 6.5 6.4 6.3 6.2 Chemical Shift (ppm) 5.20 5.15 5.10 Chemical Shift (ppm) 4.00 3.95 3.90 Chemical Shift (ppm) H3C HO CH3 CH3 OH H H CH3 CH3 H3C OH Stigmasterol 229 豆甾醇 H3C HO CH3 CH3 OH H H CH3 CH3 H3C OH Stigmasterol 230 231 O OH OH O 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Chemical Shift (ppm) 12.43 13.20 29.59 22.76 30.26 29.84 41.19 44.51 45.39 71.71 76.64 76.79 77.21 77.00 81.69 112.40 144.91 179.32 77.00 76.25 Chemical S... 76.64 77.21 77.00 76.79 30.00 Chemical ... 29.59 30.26 29.84 H2C CH3 OH H O O H 4 H 3 H HO H 2 CH3 179 ppm 232 1 2 3 4 5 6 7 10 9 8 11 12 13 15 14 O O H O O H 50 45 40 35 30 25 20 15 Chemical Shift (ppm) 12.42 18.06 22.39 25.15 29.67 32.28 35.29 41.15 47.72 48.61 48.70 52.17 48.5 48.0 Chemica... 47.7248.61 48.70 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Chemical Shift (ppm) Chloroform -d 18.06 12.42 22.39 25.15 29.67 32.28 41.15 35.29 47.72 48.61 52.17 77.21 77.00 76.79 80.52 177.62 201.40 211.03 177 ppm 211 201 233 Formula C15H20O3 FW 248.3175 Acquisition Time (sec) 0.9789 Comment 09st412 Yucheng Gu ZML-16 Date Dec 9 2009 Date Stamp Dec 9 2009 File Name \\friapfil04\NMRprocessor\MReid Projects\09st412\CARBON_01.fid\fid Frequency (MHz) 150.85 Nucleus 13C Number of Transients 2048 Original Points Count 32768 Points Count 262144 Pulse Sequence s2pul Receiver Gain 60.00 Solvent CHLOROFORM-d Spectrum Offset (Hz) 16433.1406 Spectrum Type STANDARD Sweep Width (Hz) 33472.80 Temperature (degree C) 25.000 6 O 7 10 8 9 5 4 3 2 14 13 12 11 O 16 CH2 17 O 1 CH3 18 H C3 15 184 176 168 160 152 144 136 128 120 112 104 96 88 80 72 64 56 48 40 32 24 16 8 0 Chemical Shift (ppm) 16.33(13) 17.94(18) 29.40(12) 23.84(15) 32.44(4) 36.94(10) 37.26(11) 37.56(14) 39.40(5) 61.05(2) 67.39(3) 75.04(6) 123.66(17) 136.57(9) 169.53(8) No. Atom Exp. Shift (ppm) 1 2 61.05 2 3 67.39 3 4 32.44 4 5 39.40 5 6 75.04 6 8 169.53 7 9 136.57 8 10 36.94 9 11 37.26 10 12 29.40 11 13 16.33 12 14 37.56 13 15 23.84 14 17 123.66 15 18 17.94 169 ppm 234 HO OAc O OBz H O O OH O NH OH O AcO 2 4 7 10 13 15 1' 2' 18 19 20 16 3' 5 6 3 14 1 12 11 17 8 紫杉醇
河北医科大学药学院 HMQC 核磁共振二维谱 2D NMR Spectrum HSQC HMBC spectrum .4151 “98 天然药物化学教研室史清文教授 10
河北医科大学药学院 天然药物化学教研室 史清文教授 10 核磁共振二维谱 2D NMR Spectrum 235 O O OH OH HO 6 3 8 2' 3' HMQC 236 HSQC O O HO O OH OH HO H H H H 237 238 O O OCH3 OH H3CO OH 239 O O OCH3 OH H3CO OH 240