核磁共振波谱讲义 核磁共振波谱讲义 药学院天然药物敏研室 Part I:Introduction of UV,IR,MS 史清文 Part II:Application of 'H-,BC-NMR 20131227 核磁共振氢、碳谱 Strategy of Structure Elucidation Nuclear Magnetic Resonance → 双铺环，来原子 ('H-and 13C-NMR) ID NMR 为结构解析提供哪些信息？ 2D NMR O.C. Nuclear Magnetic Resonance Nuclear Magnetic Resonance 所清降解 教睡场共NMR)藏卷为者新的指，它使 者轨物的基发和地构删定造入了一个新白除及。 Windausf德，胆因感)的通力合作下经历了楚不多3刘年克感 是物 与在 了醇的 先后狂1 7年用 年于诺贝尔 有机结构研究中确是空前的。由于射分析和藏共振技的 出现，这样的降解研究当然也就绝后
1 1 药学院天然药物教研室 史清文 2013-12-27 核磁共振波谱讲义 2 核磁共振波谱讲义 Part I：Introduction of UV, IR, MS Part II Part II：Application of Application of 1H-, 13C-NMR 3 核磁共振氢、碳谱 Nuclear Magnetic Resonance (1H- and 13C-NMR) 为结构解析提供哪些信息？ 4 Strategy of Structure Elucidation 1H-NMR 13C-NMR NOE DEPT 1H-1H COSY H-C-C-H, H-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 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 5 核磁场共振(NMR)被誉为有机物的指纹，它使 有机物的鉴定和结构测定进入了一个新的阶段。 核磁共振谱(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy— NMR)是指：低能电磁波（波长约106---109μm)与暴露在磁 场中的磁性核相互作用，使其在外磁场中发生能级的共振跃 迁而产生吸收信号，称为核磁共振谱。 Nuclear Magnetic Resonance 6 没有NMR前要搞清楚复杂结构只有降解一途。所谓降解就 是切断所研究分子的键转化成另一化合物或分解成两个或多个 较小的分子，在阐明后者的结构基础上逐步导出母体化合物的 结构。维兰德（H. O. Wieland [德]，胆酸）和温道斯（A. Windaus[德]，胆固醇）的通力合作下经历了差不多30年完成 了胆甾醇的结构研究，先后在1927年和1928年被授予诺贝尔 奖。应当指出，他们在诺贝尔讲演中报告的甾体结构式并非完 全正确。整个降解过程读来有如一本侦探小说，其复杂程度在 有机结构研究中确是空前的。由于衍射分析和核磁共振技术的 出现，这样的降解研究当然也就“绝后” Nuclear Magnetic Resonance
Nuclear Magnetic Resonance hn 1938 Bloch and Parcell in 1946.Through the 1960sC NMR aktreprent72n 者名化学家、诺贝尔奖金获得者库愿指导下进行票红素化学 的研究。 Nuclear Magnetic Resonance Introduction Spectroscopy is the cornerstone of the econd half of the ules.NMR studies are mov Using spectroscopic techniques to solve n has bee structural problems. 。 Brief History of NMR 上这技术已成为常规方法了，这些技术已成为天然产 1945 Detection of NMR sigals 才完成了结构确定，用了150年时间，番木重装 -Sp 30M 1952 Bloch&Purcell Recsived the First 的主方法法化.而今天确定 个比杂的天 Nobel Prize(Stanford&Harvard) 1953 Overhauser Effect 2
2 7 1935年汪猷赴德国慕尼黑大学化学研究所，在著名化学 家、诺贝尔奖获得者维兰德指导下当研究生。1937年冬，汪 猷获慕尼黑大学最优科学博士学位。1938年秋，他又去海德 堡威廉皇家科学院医学研究院化学研究所任客籍研究员，在 著名化学家、诺贝尔奖金获得者库恩指导下进行藏红素化学 的研究。 Heinrich Otto Wieland 1927 汪 猷 Richard Kuhn 1938 1900.12.3-1967.8.1 8 NMR spectroscopy was developed in the late 1950s following the discovery of nuclear magnetic resonance by Bloch and Purcell in 1946. Through the 1960s 13C NMR became increasingly important and from 1972 was aided by a method known as the Fourier-transform technique. Another variation known as CIDNP (chemically induced dynamic nuclear polarization) appeared in about 1972 and was a valuable probe for free radical reactions of all kinds. Nuclear Magnetic Resonance 9 Through the 1970s NMR was successfully applied to a vast range of problems in conformational analysis, and in due course extended to biological molecules. The coming of 3D NMR in the late 1980s made these studies much more practical for structural analysis of proteins, nucleic acids and other complex molecules. NMR studies are now so ubiquitous that it is hard to imagine chemistry without them. Their impact on structure determination has been immense. Nuclear Magnetic Resonance 10 Introduction Spectroscopy is the cornerstone of the organic chemistry of the second half of the twentieth century. Using spectroscopic techniques to solve structural problems. 11 十几年前像HMBC、TOCSY等2DNMR等技术还是波谱 学家刚开发的脉冲序列，可是在近几年市售的NMR波谱仪 器上这些技术已成为常规方法了，这些技术已成为天然产 物结构测定的强有力的工具。众所周知的吗啡(morphine) 是1803年由Serturner分离得到的，直到1952年全合成成功 才完成了结构确定，用了150年时间，番木鳖碱 (Strychnine，士的宁)的结构确定用了半个多世纪(1891- 1946)，耗费了几代杰出化学家的心血，原因是当时确定结 构的主要方法是湿法化学。而今天确定一个比较复杂的天 然化合物的结构已变成研究生的科研训练课程，一般只需 几个小时、几天、几周或几个月即可完成。 12 Brief History of NMR • 1945 Detection of NMR signals • 1949 Proctor et al Discovery of Chemical Shift • 1951 Hahn et al Discovery of Spin-Spin Coupling • 1952 First NMR Spectrometer (Varian 30 MHz) • 1952 Bloch & Purcell Received the First Nobel Prize (Stanford & Harvard) • 1953 Overhauser Effect • 1959 Vicinal J Dependence on Dihedral Angle (Karplus 1963) Bloch et al. at Stanford Purcell et al. at Harvard Ethanol J. Am. Chem. Soc., 85, 2870 (1963)
Brief History of NMR Brief History of NMR .1979500 MHz Superconducting Spoctromoter 195 .1981 NMR Used to Diagnose a Medical .1992 750 MHz Spectrometer .000 MHzSpectrometer(Varian,Oxford 首次入2 O-NMR C Instrumonts,2001 Installed in Lab.) 2006 950 MHz Spectrometer (Bruker) 时代 Three Waves of NMR 第二阶段 第一阶段 CR技术（碳骨架） 1945-46年：F.Bloch和E.M.Purcell (GC,TC,HPLC技术的发展 两个小组几乎同时发现NMR现象 第三阶段 1950年代初：NMR首次应用于有机化学 1980年代：Two-dimensional(2D)NMR诞生 (COSY,碳骨架连接顺序，非健原 问世，NMR开始广泛应用 子间距离，生物大分子结构，…) 对NMR作过贡献的15位Nobe奖得主 Applications: 2345678901234 核意共摄被谱：实际上是吸收率（纵坐标）对化学位移 (横坐标)的关系线 面核磁共振成象(R):(1)点成像法 (②)老章时间成像法 Magnetic Resona e Imaging also called Spin and eter Mans后e
3 13 Brief History of NMR • 1962 First Superconducting Magnet NMR Spectrometer (Varian 220 MHz) • 1965 Nuclear Overhauser Ehancements (NOE) Used in Conformational Studies • 1965 Fourier Transform (FT) Techniques Introduced • 1966 R. R. Ernst等实现了FT-NMR实验。将信号采集由频率域→时 • 域，使信号累加变得容易，大大提高NMR灵敏度，13C核的测 • 量成为可能，这是一次革命。 • 1969 First FT NMR (Bruker 90 MHz) • 1970-75 13C Studies Become Routine • 1971 J. J. Jeener首次引入2D-NMR Concept • 1974 R.R.Ernst 2D-NMR Technique Developed NMR进入全新 时代 • 1979 Detection of HMQC 14 Brief History of NMR • 1979 500 MHz Superconducting Spectrometer • 1981 NMR Used to Diagnose a Medical Condition • 1987 600 MHz Superconducting Spectrometer • 1991 Ernst Obtained Second NP (2D-NMR) • 1992 750 MHz Spectrometer • 2000 900 MHz Spectrometer (Varian, Oxford Instruments, 2001 Installed in Lab.) 2006 950 MHz Spectrometer (Bruker) 15 第一阶段 1945 ~ 46年：F. Bloch 和 E. M. Purcell 两个小组几乎同时发现NMR现象 1950年代初：NMR首次应用于有机化学 1960年代初：Varian Associates A60 Spectrometer 问世，NMR开始广泛应用 Three Waves of NMR 16 第二阶段 1970年代：Fourier Transform的应用 13C-NMR技术（碳骨架） (GC，TLC，HPLC技术的发展) 第三阶段 1980年代：Two-dimensional (2D) NMR诞生 (COSY，碳骨架连接顺序，非键原 子间距离，生物大分子结构，……) 17 对NMR作过贡献的15位Nobel奖得主 1. 1944: I. Rabi 2. 1952: F. Bloch 3. 1952: E. M. Purcell 4. 1955: W. E. Lamb 5. 1955: P. Kusch 6. 1964: C. H. Townes 7. 1966: A. Kastler 8. 1977: J. H. Van Vleck 9. 1981: N. Bloembergen 10. 1983: H. Taube 11. 1989: N. F. Ramsey 12. 1991: R. R. Ernst 13 2002: Kurt Wiithrich 14. 2003: Paul Lauterbur and Peter Mansfield 18 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
核磁共振波谱 吸 海见你长为种格春 标的类系自 乙中三个接融共段收谱 R.R.Ernst 191年速贝安化线关：民化Em933一)请士物理化学家 一，冲博利叶变换藏共振请 二二难核感共根请 三族共报成像 1957年的NMR样机 Kurt Wiithrich 02请风东化学关 all the
4 19 核磁共振波谱 所谓核磁共振波 谱，实际上是吸 收率(纵坐标)对 化学位移(横坐 标)的关系曲 线。 乙醇中三个核磁共振吸收谱 20 1952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(Felix Bloch ) & 珀赛尔 (Edward Purcell)因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现——核磁共振。 布洛赫 (Felix Bloch ) 珀赛尔 (Edward Purcell) Related Nobel Prize 21 1991年诺贝尔化学奖：R.R. Ernst (1933－) 瑞士物理化学家. 1991年唯一获奖人 主要成就在于他在发展高分辨核磁共振波 谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括： 一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱 二.二维核磁共振谱 三.核磁共振成像 22 R.R. Ernst 瑞士苏黎世理工学院ETH：Richard R. Ernst教授 23 1957年的NMR样机 24 2002诺贝尔化学奖: 瑞士科学家库尔特·. 维特里希“for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the threedimensional structure of biological macromolecules in solution". 他将获得2002年诺贝尔化学奖另一半的奖金。 If one knows all the measurements of a house one can draw a threedimensional picture of that house. In the same way, by measuring a vast number of short distances in a protein, it is possible to create a threedimensional picture of that protein. Kurt Wiithrich
@以 典四科学寒保罗劳特 于07年日在美 人脑纵切面的核磁共领成像 NMR 对有机结构化学影角 是迅速的并且是震端性的。 严格地说，UV和R属于光谱，MS不是光 RI is used for imaging of all organs in the bod， 梁晓天 一叶秋碱 鹰爪甲素 中国核磁共振技術的開拓者 OH 析和应用》 一叶秋能、川镶素、鹤草粉、喜爪甲素及乙 素、创新感素、夹面甲素、芍药新苷、海南 Securinine Yingzhaosu A
5 25 2003年诺贝尔医学奖 :美国科学家保罗·劳特布尔 (Paul Lauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield ) 用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象 Peter 人脑纵切面的核磁共振成像 26 保罗·劳特布尔（Paul Lauterbur），美国科学家。他致力 于核磁共振光谱学及其应用的研究。劳特布尔还把核磁共 振成像技术推广应用到生物化学和生物物理学领域。1985 年至今，他担任美国伊利诺伊大学生物医学核磁共振实验 室主任。因在核磁共振成像技术领域的突破性成就，而和 英国科学家彼得·曼斯菲尔德（Peter Mansfield）共同获得 2003年度诺贝尔生理学或医学奖。于2007年3月27日在美国 伊利诺伊州乌尔班纳市逝世，享年77岁。 MRI is used for imaging of all organs in the body 27 28 NMR • 对有机结构化学影响最大的谱学方法当推 核磁共振（NMR）。它对有机化学的影响 是迅速的并且是震撼性的。 • 严格地说，UV和IR属于光谱，MS不是光 谱而是物质粒子的质量谱，NMR属于波 谱。早年习惯称“四大光谱”，为了方便起 见，我们还统称为波谱法。 29 《核磁共振光谱解释简编》 《核磁共振高分辨氢谱的解析和应用》 梁 晓 天 1923.7-2009.9 一叶秋碱、川楝素、鹤草粉、鹰爪甲素及乙 素、创新霉素、亮菌甲素、芍药新苷、海南 粗榧、杜鹃素以及一些二萜生物碱等数十个 天然产物的结构鉴定。 中国核磁共振技術的開拓者 30 一叶秋碱 鹰爪甲素 O O H N Securinine Yingzhaosu A O O OH OH