有机化合物和药物结构分析中的核磁共振技术

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1、有机化合物和药物结构分析中的核磁共振技术薛思佳柯少勇    核磁共振(NMR)是一种用来研究物质分子结构及物理特性的光谱学方法，它经历了从1960年代的连续波（continuouswave,CW）技术到1970年代的脉冲傅里叶变换（pulsefouriertransform,PFT）以及超导核磁共振等几个发展阶段。尤其是近年来脉冲傅里叶变换以及超导核磁共振的引用，提高了核磁共振谱仪的灵敏度，使核磁共振技术在微量分析方面得到广泛应用。大型高速计算机的发展和应用使二维和三维核磁共振技术得到长足的发展，成为科技人员不可缺少的结构分析工具。  早期NMR技术的应用仅局限于物理学领域，主

2、要用于测定原子核的磁矩等物理常数。1950年代，普罗克特（W.G.Proctor）等人发现处在不同化学环境的同种原子核具有不同的共振频率，即化学位移。接着又发现相邻自旋核会引起核磁共振谱的分裂，即自旋-自旋耦合。这一切开拓了NMR技术在化学领域中的应用。1966年,瑞士科学家厄恩斯特（R.R.Ernst）发明了脉冲傅里叶变换NMR，将NMR仪器和技术推向一个崭新的高度，并因此于1991年获得诺贝尔化学奖。1990年代，超高场核磁共振谱仪的问世，极大地提高了检测的灵敏度和分辨率，加之NMR与计算机科学的完美结合，二维和三维NMR、固体高分辨NMR、液相色谱-核磁共振联用（LC/N

3、MR）等新技术如雨后春笋般不断涌现，使NMR成为理论严密、技术先进、结果可靠、独立的物质结构分析方法，被广泛应用于药物有机分子结构确证、蛋白质三维结构研究、物质科学的固体成像，以及临床医学疾病诊断等领域。  NMR在药物发现和药物结构分析中的应用  就本质而言，核磁共振谱与红外和紫外吸收光谱一样，是由物质与电磁波相互作用而产生的，属于吸收光谱范畴。根据核磁共振谱图上共振峰的位置、强度和精细结构就可以研究物质的分子结构。  药物发现是合成新化合物、确认其结构和发现生物活性的全过程。其中，新化合物主要来源于两种途径：一种是从天然产物中提取活性物质，另一种是人工化学合成。不管由哪种方

4、法获得新化合物，接下来要做的首要工作就是确证该化合物的分子结构。一般未知物的NMR解析步骤如下：(1)做出13C谱，确定碳的总数；(2)做出碳分类谱（DEPT)，确认伯、仲、叔、季碳，确定碳的骨架单元；(3)做出13C-1H相关谱(HMQC)，确认各碳上可能存在的氢；(4)做出1H-1H化学位移相关谱(TOCSY)，找出各氢之间的链接及耦合关系，确定可能的结构单元；(5)做出异核多键远程相关谱(HMBC)，将可能的结构单元相连接；(6)做出空间效应谱(nuclearoverhausedeffectspectroscopy，NOESY)，充分考虑分子结构的空间效应，精确连接结构单

5、元；(7)对分子结构进行全面确认。  对确定一个未知物的分子结构来说，最重要的有两个谱：碳分类谱(DEPT)和13C-1H相关谱(HMQC)。DEPT谱是一种不失真的最好的极化转移增强与谱编辑技术，主要用于有机物结构测定中增强碳谱的灵敏度，并对属于伯、仲、叔和季碳的NMR信号进行分类，从而确定碳原子级数。DEPT谱包括三个子谱：DEPT-45、DEPT-90和DEPT-135谱。而HMQC谱是异核多量子化学位移相关谱，它实现了13C和与之相连的质子的相关，即一键相关。  有了以上两个谱图的重要信息，可以基本勾画出一个未知物的结构单元，再结合同核1H-1H化学位移相关谱（COSY

6、）、异核多键远程相关谱和空间效应谱，就可全面准确地确证一个未知物的分子结构。  二维NMR谱与有机化合物和药物结构分析  随着化学、化工、生化、制药等研究领域的迅猛发展，人们越来越关注蛋白质、天然及合成药物或其他天然产物等复杂分子的结构和构型。从1970年代起国际上发展了自旋-自旋耦合质子的二维NMR技术，即在同核1H-1H化学位移相关谱中，采用各种脉冲序列，在两个独立的时间域进行两次傅里叶变换得到两个独立的垂直频率坐标系的谱图。二维NMR大大提高了谱分辨率，清楚准确地反映出各种复杂分子结构中各种原子之间的链接、耦合及空间信息。二维核磁共振谱主要有三类谱图：J分解谱（即自旋耦合

7、分解谱）、化学位移相关谱和多量子跃迁谱。其中化学位移相关谱（又称δ-δ谱）是二维核磁共振谱的核心，它表明共振信号的相关性。这其中共有三种位移相关谱：同核耦合、异核耦合和化学交换。  在研究中可以通过相敏的1H-1H化学位移相关谱研究分子结构中各种氢的相关性，再通过灵敏度增强的异核位移相关谱，1H-13C相关谱实验以及带有梯度场脉冲的1H-13C异核远程相关实验来研究分子结构中碳与氢的互相键合与耦合关系，还可以通过空间效应谱实验来研究更为复杂的分子空间立体结构。  1H-1H化学位移相关谱是全