河北医科大学药学院 易阿北后件太等 Spectrum 核磁共振在结构解析中的应用 ●● 史清文教 p22206.48.213:809 The problem the we want to solve by NMR e of ID I spe What”g [r止f H-NMR of Taxol(紫杉醇) 13 C NMR of Taxol®（紫杉醇@） 有多少C?表型 hi intr 有多少州？那些臭型？湘夏之间的关票了 天然药物化学室史清文教授
河北医科大学药学院 天然药物化学室史清文教授 1 1 史清文 教授 Tel 86261270, QQ 46897262 核磁共振在结构解析中的应用 http://202.206.48.213:8091/ In the mid 1660’s, Sir Isaac Newton laid the foundation of spectroscopy by the discovery of the continuous spectrum of white light. The acceptance that light was comprised of seven colors led scientists on a journey to understand it’s nature. L I G H T Hundreds of years later, modern science has gained a greater comprehension of the mysteries of the world of light. Spectrum 1643-1727 3 What we “really” see What we want to “see” NMR The problem the we want to solve by NMR 4 1H 13C •Example of 1D : 1H spectra, 13C spectra of Codeine C18H21NO3, MW= 299.4 H3CO O HO N H H CH3 (紫杉醇®) 1H-NMR of Taxol® 有多少H？那些类型？相互之间的关系？ 13C NMR of 有多少C？那些类型？
河北医科大学药学院 H-and 13C-NMR of Taxol HNMR奎宁 。。。。。。。 洛 ”"“”g"” 寿清得同什么任6？及重？票分？为什么银命1额分高良1和什么相光： Lovastatin 波谱学 What we will learn? How to use them? What is NMR good for? An Historical Glance Strategy of Structure Elucidation C UV.IR Between -0'sp H-NMR ID NMR GL.ct-cu H-HCOSY H-CC-H Aner 80'2D NMIR 2D NMR SV)C 天然药物化学室史清文教授
河北医科大学药学院 天然药物化学室史清文教授 2 1H- and 13C-NMR of Taxol® 看看得到什么信息？位置？裂分？为什么裂分？积分高度？和什么相关？ 1H-NMR 奎宁 Lovastatin Lovastatin 1978 Eng 波 谱 学 What we will learn? How to use them? 10 What is NMR good for? An Historical Glance Before 60’s Between 60-80’s After 80’s 2D NMR Chemistry Degradation Derivatization UV, IR MS 1H-NMR 13C-NMR NOE, DEPT Spectra gram quantities 1H-1H COSY HMQC (HSQC) HMBC NOESY (ROESY) INADEQUATE mg mg-µg 11 Strategy of Structure Elucidation 1H-NMR 13C-NMR NOE DEPT 1H-1H COSY H-C-C-H HMQC H-C HMBC H-C-C, H-C-C-C, H-C-C=C-C NOESY (ROESY) H-H conformation INADEQUATE C-C 1D NMR 2D NMR UV IR HR-MS 化合物类型和共轭体系 官能团 分子式:双键,环数,杂原子 H的个数和相互关系 C的个数和SP, SP2, SP3 H的空间关系 C的种类C, CH, CH2, CH3 12
河北医科大学药学院 NMR Spectroscopy-Where is it? 如何区别下列两个化合物 Properties R 结构 分子一原子 小h Function MS NMR,X-Ray 子 如何区别下列两个化合物 如何区别下列两个化合物 猫眼草素 CioHgOa 2 Difference of IR,'H-NMR,C-NMR 2 精眼大教 如何区别下列两个化合物 如何区别下列两个化合物 的r图 ☐ 天然药物化学室史清文教授 3
河北医科大学药学院 天然药物化学室史清文教授 3 13 振动能级跃迁 IR 结构——— 分子 ——— 原子 MS 带电物质粒子 的质量谱 电子能级跃迁 UV NMR,X-Ray NMR-核自旋能级越迁 X-Ray-原子中的电子跃迁 NMR Spectroscopy-Where is it? Properties Function O 1 2 O 如何区别下列两个化合物 15 如何区别下列两个化合物 OH O O O O O H3CO OH 1 2 Difference of IR, 1H-NMR, 13C-NMR C10H8O4 如何区别下列两个化合物 O O O O OH HO HO O O O O HO HO OH 1 2 猫眼草素 猫眼大戟 Euphorbia lunulata 如何区别下列两个化合物 如何区别下列两个化合物
河北医科大学药学院 Danshensu C,HOs 推导结构 騁 试推导其可能的结构。 甘明精合常数计兴 向心性原则 J-8Hz 合关系 n 罗册 J1.8 Hz -82,34H2 批 8,18 向心性原则 理！踢 祸合常数计算 8.2.34 13537b OH C-0 C-c C-ORC-C 1 天然药物化学室史清文教授 4
河北医科大学药学院 天然药物化学室史清文教授 4 推导结构 从某一常见中药的根中分离得到一个化合物，HR-MS 给出分子式是 C9H10O5。 1H-NMR 和13C-NMR图谱如下。 试推导其可能的结构。 Danshensu C9H10O5 溶剂-CD3OD 400 MHz 20 J=1.8 Hz J=8.0 Hz J=8.0, 1.8 Hz 21 J=8.2, 3.4 Hz J=13.5, 3.7 Hz J=13.7, 8.4 Hz J=1.8 Hz J=8.0 Hz J=8.0, 1.8 Hz 22 向心性原则 耦合常数计算 耦合关系 J=8.2, 3.4 Hz J=13.5, 3.7 Hz J=13.7, 8.4 Hz 23 溶剂-CD3OD 400 MHz 向心性原则 耦合常数计算 溶剂峰 24 4 7 2 3 5 6 8 9 1 OH O OH HO OH C=O C=C C-OR C-C
河北医科大学药学院 丹参素 医大网页一组织机构一药学院一天然药物 0 ●河业区锋大子 HO OH OH htp:202.206.48213:8091/ 河北科大学天然药物化学教研室？ Structure Elucidation How many methods(means)? Advantages and Limitation of every method? What is the procedure? hp:202.206.48.213:3097 Structure Determination What is the most complex structure ever you have solved? What is the most challenging problem eve solved in the field of structure elucidation? 天然药物化学室史清文教授
河北医科大学药学院 天然药物化学室史清文教授 5 4 7 2 3 5 6 8 9 1 OH O OH HO OH C9H10O5 Exact Mass: 198.05 丹参素 25 26 医大网页—组织机构—药学院—天然药物 http://202.206.48.213:8091/ http://202.206.48.213:8091/ 27 28 Structure Elucidation How many methods (means)? Advantages and Limitation of every method? What is the procedure? 29 Structure Determination What is the most complex structure ever you have solved? What is the most challenging problem ever solved in the field of structure elucidation? Current MS, NMR, and X-ray diffraction are presented as structure elucidation tools for analytical chemistry of natural products
河北医科大学药学院 MS,NMR,X-Ray与结构鉴定 天然产物化学结构研究与诺贝尔化学奖修心 化合物的结构鉴定重要吗？ Why? 有多少科学家因结构研究获得诺贝尔奖？ 茶是上 What Is Structure Elucidation? Structure Elucidation only finding where chemical bomds are but also how they are spatially arranged in the relative as well as in the m of a m s History of Structure Elucidation What are the tools which permit solving chemical structure? ◆Elemental analysis ◆飞lass spertrometry Ultra Violt,Infra Red,Raman,Circular Dichroism Nuelear Magnetic Resonance NMR 、 proton,carbon-13,1D-NMR.2D-NMR ◆X-ray diffraction Betwcen1920-195 ◆Chemistry-.Chemical degra山ion and Total 天然药物化学室史清文教授 6
河北医科大学药学院 天然药物化学室史清文教授 6 化合物的结构鉴定重要吗？ Why？ 有多少科学家因结构研究获得诺贝尔奖？ Robert Robinson 吗啡、马钱子碱 James Dewey Watson DNA Dorothy Hodgkin 青霉素、维生素B12 R. B. Woodward 河豚毒素、土霉素 Before 1950s, structure studies were life-long Nobel Prize-winning activities MS, NMR, X-Ray与结构鉴定 因阐明糖和嘌呤(purine)的结构而获奖 因阐明靛蓝(indigo)的结构而获奖 因研究植物色素包括叶绿素(chlorophy)的结构而获奖 因阐明胆酸(bile acid)等甾体化合物的结构而获奖 因在甾体化合物结构鉴定及阐明甾体化合物和维生素D结构关系方面的工作而获奖 因在血红素和叶绿素结构研究方面的工作而获奖 因在维生素C结构阐明和糖的Haworth投影方面的工作而获奖 因在维生素A和B2结构研究方面的工作而获奖 因在类胡萝卜素和维生素方面的工作而获奖 因在胰岛素发现和结构鉴定方面的工作而获奖， 因在核酸结构测定方面的工作而二次获奖 因在维生素B12、青霉素和胰岛素结构鉴定方面的工作而获奖 因在众多化合物的结构鉴定和合成方面的工作而获奖 因在肌红蛋白(myoglobin)和血色素(haemoglobin)方面的工作而获奖 因在甾体激素、信息素和萜类化合物以及古老 的香水成分灵猫酮(civetone)的结构而获奖 因在马钱子碱、花青素和吗啡等生物碱的结构鉴定方面的工作而获奖 Emil Fischer (1852-1919) Adolf von Baeyer(1835-1917) Richard M. Willstätter(1872-1942) Heinrich Wieland (1877-1957) Adolf R. Windaus (1876-1959) Hans Fischer (1881-1945) Norman Haworth (1883-1950) Paul Karrer (1889-1971) Richard Kuhn (1900-1967) Adolf F. J. Butenandt (1903-1995) Leopold Ruzicka (1887-1976) Robert Robinson (1886-1975) Frederick Sanger (1918-2013) Max Perutz (1914-2002) John Kendrew (1917-1997) Dorothy Hodgkin (1910-1994) Robert B. Woodward (1917-1979) 1938 1902 1930 1939 1962 1927 1937 1928 1915 1905 天然产物化学结构研究与诺贝尔化学奖 1947 1958 1980 1964 1965 33 What Is Structure Elucidation? From a chemist’s standpoint, a structure is a three dimensional array of atoms and solving a structure is not only finding where chemical bonds are but also how they are spatially arranged in the relative as well as in the absolute mode. Finally, molecules have mobility and therefore conformation around bonds and in rings must be defined also. 34 Structure Elucidation During all of the 19th century and most of the early half of the 20th century, natural product structure elucidation was an art that depended almost entirely on the power of chemical synthesis, or, more specifically, on the effectiveness of degradation or derivatization processes, to reveal the architectural design of a molecule. Assuming both that gram quantities of the substance under investigation were available and that the chemical transformations employed proceeded along expected lines, researchers of that era might have expected to solve their molecular puzzles after a few years of painstaking effort. 35 History of Structure Elucidation Amount of the sample, time and precies Before 1920——化学、常量分析——大师、诺贝尔奖 Between 1920-1950——微量分析——大师、诺贝尔奖 After 1950——仪器分析——专家、研究生、技术员 36 What are the tools which permit solving chemical structure? Elemental analysis Mass spectrometry Ultra Violt, Infra Red, Raman, Circular Dichroism Nuclear Magnetic Resonance NMR proton, carbon-13, 1D-NMR, 2D-NMR X-ray diffraction Chemistry-Chemical degradation and Total Synthesis
河北医科大学药学院 Structure? Structure Elucidation Strategy Degradation-Professional Work es and rec What information we have gotten from A B+C+D+E+F. each spectrum? Howiotsetheseinormafoaoestabib 1902 Nobel Prize in Chemistry 1927,28 Nobel Prize in Chemistry OH 乐7 子 化法 Structure and Synthesis of Penicillin First Two natural product's structures 漫有陆构一知无从谈起 08 I1,the Ti 务时 e the of th 天然药物化学室史清文教授
河北医科大学药学院 天然药物化学室史清文教授 7 37 What information we have gotten from each spectrum? How to use these information to establish a structure? Structure? 38 Structure Elucidation Strategy Deconstructing into smaller and less complex pieces and reconstruct the pieces Degradation-Professional Work A B+C+D+E+F..... A Emil Louis Fischer (1852 – 1919) Glucose 1892 研究了10多年 化学法 1902 Nobel Prize in Chemistry Heinrich O. Wieland and formulae Wieland, Dane formula (also crystal structure) H. Wieland 1927 NP A. Windaus 1928 NP 1927，28 Nobel Prize in Chemistry 胆固醇 1769 年分离 1815 年命名 1932 年正确结构 First Two Natural Product’s Structures 41 尼古丁(烟碱) Nicotine 结构确定65年(1828-1893) 毒芹碱 Coniine 结构确定68年(1827-1895) 42 Structure and Synthesis of Penicillin • For three decades after the discovery of natural penicillin by Sir Alexander Fleming, the source of the antibiotic hardly changed. Scientists made the drug by natural fermentation of Penicillium mold. However, during World War II, the United States government undertook a massive effort to determine the chemical structure of penicillin and to chemically synthesize it in large quantities. • The scale of this project was compared to the development of the atomic bomb. This stemmed from the dire need for the antibiotic to treat soldiers on the battlefield. More than a thousand chemists working at thirty-nine laboratories were involved in the project. Despite the huge investment by the government, none proved to be successful in solving this elusive problem. 没有结构一切无从谈起
河北医科大学药学院 What Differences Between Them What Differences Between Them What Differences Between Them 一、Ultraviolet Spectroscopy Chromophore and Auxochrome CH0 非做电 而使 Ultraviolet Spectroscopy UV在有机化合物结构研究中的应用 增色 蓝移◆ ◆红移 1.定品是香为己知化合 被长X 2.兼断木知化合物的都分站转 可用于酒反异构休的区别，由于 立体啡耳反人.m大些 天然药物化学室史清文教授 8
河北医科大学药学院 天然药物化学室史清文教授 8 43 What Differences Between Them O OH C8H10O 1 2 44 What Differences Between Them CHO O C8H8O 1 2 45 What Differences Between Them O O 1 2 COOH O O 3 O 4 O C9H10O2 • 生色基：能在某一段光波内产生吸收的基团，称为这一 段波长的生色团或生色基。常见的生色团有 C=C-C=C，C=O，-COOH，C=C，Ph-， -NO2，-CONH2，-COCl，-COOR等 • 助色基: 当具有非键电子的原子或基团连在双键或共轭 体系上时，会形成非键电子与电子的共轭(p- 共轭)，从而使电子的活动范围增大，吸 收向长 波方向位移，颜色加深，这种效应称为 助色效 应。能产生助色效应的原子或原子团称为助色 基。如：-X，-OH，-OR，-NH2，-NR2，-SR….. 一、Ultraviolet Spectroscopy 46 Chromophore and Auxochrome A shift to a longer wavelength is called a red shift. A shift to shorter wavelength is called a blue shift. Ultraviolet Spectroscopy 47 UV在有机化合物结构研究中的应用 1. 确定检品是否为已知化合物 紫外光谱相同，但结构不一定完全相同，因为UV只 能表达两个化合物的发色团和显色的分子母核。 2. 推断未知化合物的部分结构 可用于顺反异构体的区别，由于 立体障碍反式λmax大些 O O H H H 48
河北医科大学药学院 外光U 的 利血平的结构研究 特点上美装水水方 ◆应用范周广 ·操作简单、方便 不昆 如何区别下列两个化合物 小结 中中 二、红外光谱 Infrared Spectroseopy 有机化合物用不周波长的红外线丽射，分子 吸枚红外线后引起化拳幢的兼动成特动能额联迁 西形成的光，称为缸外暖妆先潘。 天然药物化学室史清文教授 9
河北医科大学药学院 天然药物化学室史清文教授 9 紫外光谱 Ultraviolet Spectrum —— 给出共轭双键的信息 灵敏度和准确度高 应用范围广 操作简单、方便 价格便宜 可定量 特点： 不足：UV图谱简单，吸收峰少，主要表现发色团和助色团 的特征需要其他手段配合方可准确测定结构。 49 N N H H H OCH3 H3CO OCH3 OCH3 OCH3 O O MeOOC H 利血平的结构研究 UV在解析一系列维生素、抗生素以及一些天然产物中曾起过重要作用， 如维生素A1、A2、 B1、B12、青霉素、链霉素、土霉素、利血平等。利 血平含有两个共轭体系-吲哚和没食子酸。 维生素A1 利血平 维生素B1 O 1 2 O 如何区别下列两个化合物 红移 现象： 蓝移 现象： 增色 效应： 由于取代基 或溶剂的影 响使最大吸 收峰向长波 方向移动的 现象称为红 移现象。 由于取代基 或溶剂的影 响使最大吸 收峰向短波 方向移动的 现象称为蓝 移现象。 使值增加 的效应称为 增色效应。 使值减少 的效应称为 减色效应。 减色 效应： 小 结 52 有机化合物用不同波长的红外线照射，分子 吸收红外线后引起化学键的振动或转动能级跃迁 而形成的光谱，称为红外吸收光谱。 二、红外光谱 Infrared Spectroscopy 53
河北医科大学药学院 IR of Salicylic Aeid IR ofAspirin 红外光谱的分区 红外光谱的分区 ◆官能团区Functional group region ◆指纹区Fingerprint region(3s0-60cmr ◆130600m是单能兼功和因变形兼功产生的复杂光潘区 ◆4000-1350cm是盖团仲编振动出现的 事分子村构精有不两时，被区的级散道有脚藏的道来，对 区城，对鉴定很有价值。 于区别姓构头银的化合指准有市购。 ◆1300-900cm单能泰米些双能的作偏兼动。 在中虹外光区中.一教老4000-1350cm1区城叫徽言能国日 ◆900-600cm变形兼功. 何谓指纹区？它有什么特点和用途？ 红外光谱中的重要区段 四区法划分 ,在R光灌中，顺率位于130-600cm的能领区兼为雅敏 区，指胶区的主要价值在子表杀整个分子的精征，因而 4000-2500cmr氢键区0-HN-HvC 适用于与粽准清阳或巴如物酒阳的对概，以得出术知物 2500-2000cr1叁赞区vC=CvC=N 与已知物是香湘两的准瑞州论，任有两个化合南的指款 2000-1500cmr1双第区vC-CvC-NvC-0 区特征春是不相同的。 1500900cm1单铺区C-CC.NC-0 天然药物化学室史清文教授 10
河北医科大学药学院 天然药物化学室史清文教授 10 IR of Salicylic Acid -OH -COOH -C=O -C-O OH O OH IR of Aspirin -COOH -C=O O OH OAc 官能团区 Functional group region 4000~1350 cm-1是基团伸缩振动出现的 区域，对鉴定基团很有价值。 红外光谱的分区 在中红外光区中,一般把 4000-1350cm-1 区域叫做官能团区 57 指纹区 Fingerprint region (1350~600 cm-1) 1350~600 cm-1是单键振动和因变形振动产生的复杂光谱区， 当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，对 于区别结构类似的化合物很有帮助。 1300~900 cm-1单键和某些双键的伸缩振动。 900~600 cm-1 变形振动。 红外光谱的分区 58 何谓指纹区？它有什么特点和用途？ • 在IR光谱中，频率位于1350-600 cm-1的低频区称为指纹 区．指纹区的主要价值在于表示整个分子的特征，因而 适用于与标准谱图或已知物谱图的对照，以得出未知物 与已知物是否相同的准确结论，任何两个化合物的指纹 区特征都是不相同的． 59 四区法划分 4000~2500 cm-1 氢键区 νO-H νN-H νCH 2500~2000 cm-1 叁键区 νC≡C νC≡N 2000~1500 cm-1 双键区 νC=C νC=N νC=O 1500~900 cm-1 单键区 νC-C νC-N νC-O 红外光谱中的重要区段 60