全 文 ：中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 47 卷 第 16 期 2016 年 8 月

·2779·
·专 论·
天然药物化学史话：“四大光谱”在天然产物结构鉴定中的应用
王思明 1, 2，付 炎 2，刘 丹 2，王于方 2，李力更 2，霍长虹 2，李 勇 1，刘 江 1*，张嫚丽 2，史清文 2*
1. 河北医科大学第四医院 药剂科，河北 石家庄 050011
2. 河北医科大学药学院 天然药物化学教研室，河北 石家庄 050017
摘 要：天然产物化学研究在药物研发中起着非常重要的作用，结构研究又是天然产物化学研究中最重要的工作之一。在天
然药物化学史话系列文章的基础上，对在天然产物结构研究中起绝对主导作用的“四大光谱”分析技术，即红外光谱、紫外
光谱、质谱、核磁共振波谱在天然产物结构鉴定中的应用历史进行回顾与总结，并对其发展前景进行展望。
关键词：天然产物化学；天然药物化学；结构鉴定；紫外光谱；红外光谱；质谱；核磁共振波谱
中图分类号：R284 文献标志码：A 文章编号：0253 - 2670(2016)16 - 2779 - 18
DOI: 10.7501/j.issn.0253-2670.2016.16.001
Historical story on natural medicine chemistry: Application of UV, IR, MS, and
NMR spectra in structure elucidation of natural products
WANG Si-ming1, 2, FU Yan2, LIU Dan2, WANG Yu-fang2, LI Li-geng2, HUO Chang-hong2, LI Yong1, LIU
Jiang1, ZHANG Man-li2, SHI Qing-wen2
1. Fourth Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050011, China
2. College of Pharmaceutical Sciences, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, China
Abstract: The study on natural product chemistry plays an important role in drug development, and the structure elucidation is one of
the vital tasks in the natural product chemistry research. This paper summarized the application of UV, IR, MS, and NMR spectra in the
structure elucidation of natural products with 123 papers cited. This article is one of the series of historical stories on natural product
chemistry published in this journal, which are reviewed and summerized. The developing future is looked forward.
Key words: natural product chemistry; natural medicine chemistry; structural elucidation; ultraviolet spectroscopy; infrared spectroscopy;
mass spectrometry; nuclear magnetic resonance spectroscopy

天然产物是自然界的生物在千百万年的进化过
程中通过自然选择合成以及保留下来的结构各异的
次生代谢产物，这些次生代谢产物由于结构的多样
性而具有多种多样的生物活性。天然产物对人类最
大的贡献之一就是成为药物，在人类历史上，天然
药物一直是人们防病治病的主要手段。天然产物具
有结构多样性、生物活性多样性和类药性而成为新
药开发研究的重点，临床上应用的许多药物都直接
或间接来源于天然产物，天然产物在新药开发、绿
色生物农药研制、保健功能食品和天然化妆品开发
中扮演了非常重要的角色[1-7]。
对天然产物的研究一直是科学家们特别关注的
领域，尤其是天然产物的结构鉴定更被视为其中最
为关键、困难的工作之一。天然产物数量巨大、结
构类型繁多，特别是立体化学结构的测定尤为困难。
早期研究中，天然产物的结构确定主要是通过各种
化学反应如制备衍生物、化学降解甚至全合成方法
对照等手段来完成，最初一个复杂化合物的结构鉴

收稿日期：2016-02-26
基金项目：河北省重点基础研究课题（15962704D）；河北省中医药管理局课题（2016040）；河北省教育厅重点课题（ZD2016093）；河北省重点
课题（ZD2016093）；河北医科大学教育科学研究重点课题资助项目（2012yb-19，2014yb-21）；2016 年河北医科大学校内科研发展基
金（kyfz111）
作者简介：王思明（1988—），女，河北石家庄市人，药剂师。Tel: (0311)86265634 E-mail: fuyan0228@hebmu.edu.cn
*通信作者 刘 江（1968—），女，河北石家庄市人，主任药剂师。
史清文（1964—），男，河北沧州人，教授，博士生导师，主要从事天然产物中活性成分的研究。
Tel: (0311)86261270 86265634 E-mail: shiqingwen@hebmu.edu.cn
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定往往需要花费十几年、几十年甚至上百年的努力。
随着科学技术的迅猛发展，对天然产物结构的研究
手段与方法也发生了巨大变化，从最早的化学法为
主导发展成为以仪器分析即波谱分析为主导，特别
是近 30 年来，现代波谱技术的应用更是促使天然产
物的研究速度大为提升[8]。
本文在天然药物化学史话系列文章[9-17]的基础
上对“四大光谱”分析技术即红外光谱（infrared
spectroscopy，IR）、紫外光谱（ultraviolet spectroscopy，
UV）、质谱（mass spectrometry，MS）、核磁共振波
谱（nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR）
等技术的应用历史特别是对 MNR 技术进行回顾与
总结，并对其发展前景进行展望。
1 天然产物结构研究历史简介
20 世纪前半叶，天然产物的结构鉴定主要还是依
靠化学手段，包括一系列官能团的化学反应、化学降
解、制备衍生物、化学转换甚至全合成对照等，这些
方法不仅费时耗力，而且对样品量需求很大，还要求
研究者有相当深厚的有机化学知识与技能，因此被视
为一项极其复杂且富有挑战性的艰苦工作。如吗啡
（morphine，1）和马钱子碱（士的宁，strychnine，2），
从分离得到单体到结构确定分别花费 118 年和 127
年，耗费了几代人的心血，整个结构研究过程跌宕起
伏，仅仅为了对吗啡的结构进行研究，英国著名化学
家、诺贝尔化学奖获得者 Robinson 就发表了 50 余篇
研究论文[18-19]。1937 年我国著名药物化学家赵承嘏教
授从防己科植物粉防己 Stephania tetrandra S. Moore
中分离得到防己诺林碱（fangchinoline），其化学结构
直到 20 年后的 1958 年才由我国著名科学家庄长恭教
授、邢其毅教授用化学方法确定。在 20 世纪 60 年代
NMR 技术应用以前，鉴定天然产物的结构主要依靠
化学家渊博的化学知识和丰富的想象力，这期间的代
表当属美国有机化学大师 Woodward 推测出的土霉素
（oxytetracycline，3）和青霉素（penicillin，4）的结构。
但是由于天然产物结构的复杂性，以及当时仪器技术
水平和结构鉴定手段的局限性，科学家有时还会得出
错误的结论，如 1927 年和 1928 年诺贝尔化学奖获得
者德国化学家 Wieland 与 Windaus 推测出的胆固醇
（cholesterol，5）结构，在 1932 年就被 X 射线衍射证
明是不正确的[20-21]。
进入 20 世纪后半叶，由于 MS 和 NMR 的普
遍应用，在天然产物结构鉴定中 UV、IR、MS 和
NMR（以下简称“四大光谱”）的联用技术越来越
成熟，四大光谱法逐渐取代了化学法，大大加快了
结构鉴定的速度。如从夹竹桃科植物萝芙木
Rauvolfia verticillata Lour. Baill. 根部得到的一种
结构非常复杂的生物碱利血平（reserpine，6），1952
年分离获得纯品，1955 年就确定了其结构，1956
年完成了其全合成，总共历时仅有 4 年[22-23]。20
世纪 80 年代以后，软离子场解吸质谱（ field
desorption mass spectrometry，FDMS）的应用和高
分辨率核磁共振技术的发展，特别是二维核磁技术
的应用，使天然产物的结构鉴定发生了颠覆性的技
术革命。从此以后，四大光谱已经成为实验室的常
规手段，结构鉴定也不再是“令人却步”的工作。
化合物 1～6 的结构见图 1。
严格地说，把 UV、IR、MS、和 NMR 统称
为四大光谱并不严格，其实 UV、IR 属于光谱，

C C
O
NH
N
S
H
HH
COOH
H
H
O
4 青霉素（penicillin）3 土霉素（oxytetracycline）
O O
NH2
O
OH
OHOH
OHHO N
OH
Me
Me
Me
Me
OH
Et Me
Me
Me
Me
Me
HO
H H
H
5 胆固醇（cholesterol），1927 5 胆固醇（cholesterol），1932
N
NH
O
O
OCH3O
OCH3
OCH3
OCH3
H3CO
OCH3H
6 利血平（reserpine）
N
N
H H HO
HH
O
2 马钱子碱（strychnine）
N
OH
OH
O
H3C
1 吗啡（morphine）

图 1 具有历史意义的部分天然产物的化学结构
Fig. 1 Chemical structures of morphine and other natural products with historical significance
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NMR 属于波谱，MS 是物质粒子的质量谱，但在
我国早年习惯称之为四大光谱，为方便起见，如
今很多教科书和文献杂志还在延续习惯叫法，把
它们统称为“四大光谱”。鉴于 NMR 在结构鉴定
中的作用越来越重要，甚至不可或缺，本文将对
其进行重点介绍。
2 四大光谱的应用历史介绍
2.1 UV
1666 年英国科学家牛顿（Isaac Newton）证明一
束白光可分解为一系列不同颜色的可见光，并用“光
谱（spectrum）”一词来描述这一现象，从此科学家
开始对光谱进行了深入研究。紫外光是德国科学家
Ritter 于 1801 年发现。紫外光谱法（一般主要是指
200～400 nm 的近紫外区）真正用于化合物结构研究
始于 20 世纪 30 年代，特别是在对于甾体化合物、
维生素 D（vitamin D，VD）等含有共轭双烯键、α，
β-不饱和羰基（醛、酮、酸、酯）及芳香环化合物的
结构研究中应用特别广泛。著名化学家、诺贝尔奖
获得者 Woodward（图 2）于 1940 年左右的早期工作
就集中在利用 UV 来阐明天然产物分子的结构上，
他通过大量的实验数据，在 1941—1942 年总结出了
Woodward 规则（Woodward rules），即著名的酮规则
（Ketone rules），用来计算含有 α，β-不饱和羰基化合
物发色团（chromophores）的紫外光最大吸收波长
（absorption maximum，λmax）[24-25]，后经 Fieser 进行

图 2 Robert Burns Woodward 教授
Fig. 2 Prof. Robert Burns Woodward
了补充[26]，形成了 Woodward-Fieser 规则（Woodward-
Fieser rules）；后来斯科特又发展了芳香羰基化合物
最大吸收波长的计算规则即 Scott规则（Scott rules）。
这些经验规则可以对分子结构的鉴定提供帮助，通
过测定化合物的 λmax，推断出化合物中官能团和取
代基的情况，改变了沿用已久的冗长繁琐的传统化
学分析方法，例如可以先计算孕甾酮（progesteron，
7）的 λmax，再利用 UV 测定得到的 λmax 来推断化合
物 8 和 9 的结构（图 3）；罗藻毒素（karlotoxins）
是从引起赤潮的剧毒卡罗藻 Karlodinum veneficum
中分离得到的一类毒性化合物，根据卡罗藻毒素的
λmax 将其划分为两大类：KmTx-1（10，图 4）和
KmTx-2（11，图 4），其中 KmTx-1 的 λmax 为 225 nm，
而 KmTx-2 的 λmax 为 235 nm，后者就是由于末端共
轭二烯的氯取代导致了 KmTx-2 家族化合物 λmax 发
生了红移[27-28]。
H
O
H H
O
7 孕甾酮（progesteron）
O
H
O
GlcO
H
H
12
3 4
5 6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
9
OH
O
H
OH
H
12
3 4
5 6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
8
OHGlcO

图 3 化合物 7～9 的化学结构
Fig. 3 Chemical structures of compounds 7—9
UV 具有测定快速、操作方便简单，谱图简单、
易识别、干扰峰少的特点。一般情况下，可以根据
化合物的 UV 光谱中吸收峰的位置、峰形或 λmax和
强度来推测化合物的共轭体系，如推测其可能含有
的功能团（发色团和助色团），判断结构上共轭体系
中取代基的位置、种类和数目，甚至可以区分化合
物的构型、构象和同分异构等，是测定含有共轭双
键、α，β-不饱和羰基（醛、酮、酸、酯）及芳香环
化合物结构的一种重要手段。虽然 UV 可以反映分
子结构中发色团和助色团的特征信息，但特征性还
是不尽人意，如若分子结构中含有多个独立的共轭
体系会产生吸收峰的叠加，会对推断整个分子的结
构造成混乱，因此只能作为结构鉴定的一个辅助手
段。但因为 UV 的灵敏度和准确度高，因此在微量
定量分析上应用更广。
紫外分光光度计在有机分析的四大光谱仪器中
相对价廉，虽然目前很少将其用于复杂天然产物的
结构分析，但如果在一些复杂化合物结构测定工作
中应用恰当，特别是在不同的诊断试剂的帮助下，
也能迅速准确得出较多待测化合物的结构信息。如
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10
HO OH
OH OH OH OH CH3
OH
OH
CH3
OH
OH
OH CH3
OH
OH O
OH
OH
OH
OCl
OH
OH
OH
HO
OH
OH
H
H
H
H
HO OH
OH OH OH OH CH3
OH
OH
CH3
OH
OH
OH CH3
OH
OH O
OH
OH
OH
O
OH
OH
OH
HO
OH
OH
H
H
H
H
11
图 4 化合物 10、11 的化学结构
Fig. 4 Chemical structures of compounds 10 and 11
在天然产物黄酮类（flavonoids）的基本骨架类型、
羟基的取代类型以及蒽醌类（anthraquinones）、香
豆素类（coumarins）化合物的结构测定中，通过测
定其UV光谱以及加入某种诊断试剂后的UV光谱，
比较峰形和吸收波长的变化，就可推断出分子的结
构类型、取代基的类型和取代位置、数目以及排列
方式；UV 也可用来区别甾体类化合物（steroids）[29]，
如甲型强心苷（A cardiac glycosides）和乙型强心苷
（B cardiac glycosides）。
UV 在复杂天然产物结构确定中最典型的成功
应用实例是利血平（reserpine，6）的结构鉴定。1952
年成功分离得到利血平单体，通过 UV 解析分析出
其分子中含有吲哚（indole）环和没食子酸（gallic
acid）衍生物 2 个共轭体系；通过化学法水解后得到
利血平酸和 3,4,5-三甲氧基苯甲酸；利血平酸经
LiAlH4 还原后得到利血平醇；将合成的利血平醇与
3,4,5-三甲氧基苯甲酸的 UV 光谱叠加得到的谱线和
利血平的紫外吸收曲线基本吻合，从而确定了利血
平的基本结构单元，加速了利血平分子结构的确定。
利血平分子结构阐明1年后Woodward即完成了其全
合成[24-25]。另外，UV 在维生素和抗菌素等一系列天
然产物结构解析中也曾起过重要作用，如 VA1、VA2、
VB1 、 VB12 以及青霉素（ penicillin ）、链霉素
（streptomycin）、土霉素（oxytetracycline）等[30]。
2.2 IR
在牛顿之后，科学家对光的认识逐渐从可见光
区扩展到红外和紫外区。1800 年英国科学家
Herschel 将来自太阳的辐射构成一幅与牛顿所测大
致相同的光谱，然后将一支温度计通过不同颜色的
光，并且用另外一支不在光谱中的温度计作为参考，
发现当温度计从光谱的紫色末端向红色末端移动
时，温度计的读数逐渐上升。当温度计移动到红色
末端之外的区域时，温度计上的读数达到最高。
Herschel 认为在可见光区域红色末端之外还有看不
见的其他辐射区域存在，由于这种射线存在的区域
在可见光区末端以外而被称为红外线（ infrared
ray）。1881 年英国科学家 Abney 和 Festing 第一次
将红外线用于分子结构的研究。1889 年瑞典科学家
Angstrem首次证实尽管 CO 和 CO2都是由碳原子和
氧原子组成，但因为是不同的气体分子所以具有不
同的红外光谱图，这个实验最根本的意义在于它表
明了红外吸收产生的根源是分子而不是原子，也就
是说红外吸收是因为分子中原子间化学键的因素才
产生，最终在此基础上建立了分子光谱学。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 IR。红外光谱仪的研制可追溯到 20 世纪初期。
20 世纪 40 年代开始研究双光束红外光谱仪，1950
年美国 Perkin-Elmer 公司开始商业化生产名为
Perkin-Elmer 21 的双光束红外光谱仪，此仪器的出
现促进了红外光谱仪的普及。现代红外光谱议是以
傅里叶变换为基础的仪器，傅里叶红外光谱仪具有
快速、高信噪比和高分辨率等特点，它的产生也是
一次革命性的技术飞跃。
IR 主要是通过测定分子结构中化学键的振动
频率来推测化合物中所含有的官能团，确定化合物
的主要结构类型，例如芳香族、脂肪族、饱和与不
饱和以及环的大小，也可区别甲型强心苷和乙型强
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心苷等。有时 IR 还能提供关于化合物精细结构的一
些信息，如直链、支链、链长、结构异构以及官能
团之间的关系等。由于一个官能团会有多种振动方
式，在 IR 中产生多组相应的吸收峰，即特征峰之外
的相关吸收峰，相关峰的存在是官能团存在与否的
有力佐证。习惯上，将 IR 图分为特征区（4 000～
1 330 cm−1）与指纹区（1 330～400 cm−1），其中指
纹区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。指纹区
的主要价值在于表示整个分子的特征，因而适用于
与标准图谱或已知物图谱的对照，以得出未知物与
已知物是否相同的准确结论，任何 2 个化合物的指
纹区特征都是不相同的，因此在核对和确认化合物
时非常有用，根据特征峰的有无，确定官能团存在
与否时否定比肯定更可靠。哥伦比亚大学中西香尔
（Nakanishi Koji，图 5）教授对 IR 应用于天然产物
结构鉴定颇有造诣，曾经编写过多部关于红外光谱
分析的专著，在 20 世纪 50～70 年代 IR 为天然产物
的结构鉴定起到很好的推广示范作用[31-35]。


图 5 中西香尔教授
Fig. 5 Prof. Koji Nakanishi
根据 IR 分析的三大要素，即吸收峰的位置、强
度、峰形，解析 IR 的一般程序是先特征，后指纹；
先强峰，后次强峰；先粗查，后细找；先否定，后
肯定；最后寻找解析一组相关峰。20 世纪 50 年代
Woodward 在合成降压药利血平的论文中，所附 IR
谱图达 30 张之多，并对 IR 做过这样的评价：“不管
反应所得的化合物纯度多么差，可生成预期产物的
希望多么渺茫，如果用 IR 做常规的检测，往往会对
重大的发现提供某些线索，这是其他方法难以胜任
的。”这道出了 IR 在结构确认中的重要性。
但是在 IR 中，如果在特征吸收峰处可能的官能
团有 2～3 种，对未知化合物结构进行推断时有较大
不确定性，如果再有样品的浓度、纯度和仪器的影
响，目前在结构鉴定工作中 IR 已基本成为 NMR 结
构解析的辅助工具，更多的是在未知化合物结构解
析出来后，用 IR 加以佐证，使在鉴定未知化合物时
错误率降至最低。例如在推测青蒿素（artemisinin，
12，图 6）的结构时，除用 NMR 和 MS 解析外，还
通过 IR 中在 831、881、1 115 cm−1 处有特征吸收峰，
进一步佐证过氧桥的存在。又如在 1978 年，美国科
学家Moore等从瓦胡岛的Kahala海滩浅水层的门林
氏藻属蓝藻 Majuscula sp. 中首次分离得到了一
个手性不饱和脂肪酸（13，图 6），通过 IR 数据
在 970 cm−1 处有特征吸收峰从而确定了其双键为
反式构型[36]。

O
O
O
CH3
CH3
CH3
O
O
12 青蒿素（artemisinin）
OCH3
OH
O
13
图 6 青蒿素和化合物 13 的化学结构
Fig. 6 Chemical structures of artemisinin and compound 13
2.3 MS
MS 技术是天然产物结构研究的重要手段之
一。质谱仪是利用物理学科中的电磁学原理，通过
测定分子或分子裂解成若干碎片的质核比（m/z）来
推测分子的结构，不同结构的分子会裂解成不同的
碎片。MS 的最大优点是灵敏度高、需要样品量极
少——只要微克级甚至纳克级的样品即可得到分析
结果，而且能够给出众多碎片，分析这些碎片离子
可获得化合物的相对分子质量以及结构特征、裂解
规律和由单分子分解形成的某些离子间相互关系等
信息。MS 是目前常用的能给出准确相对分子质量
甚至确定分子式的技术手段，特别是用于判断结构
中是否含有杂原子、推算不饱和度进而判断化合物
中含有双键、三键和环的数量以及结构的对称性等，
这在天然产物的结构分析中非常重要。
1898 年 Wien 发现带正电荷的离子束在磁场中
发生偏转；1918 年 Dempster 发现采用电子轰击技
术可使分子离子化；1919 年 Aston 研制出了第一台
速度聚焦质谱仪；在 20 世纪 40 年代以前 MS 还主
要 用 于 同 位 素 的 研 究 。 1942 年 美 国 CEC
（Consolidated Engineering Corporation）公司推出第
一台商用质谱仪[37-38]，当时主要应用在石油精炼和
橡胶工业领域。1954 年英国帝国化学工业的
Beynon[39]在Nature发表文章阐明MS可用于已知化
合物的定性分析；1962 年 Biemann[40]发表了一篇
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关于 MS 在有机化学中应用的文章，从此引发众多
科学家的研究兴趣，MS 技术得到了突飞猛进的发
展。1965 年 MS 开始用于天然产物吲哚生物碱的
结构分析[41-42]，如对生物碱 cassipourine（14，图 7）
的结构鉴定[43]。20 世纪 60 年代末 70 年代初，科学
家开始使用 MS 对甾体化合物结构进行研究，这大
大加快了甾体结构鉴定的速度，例如应用 MS 阐明
麦角甾-4,6,8,22-四烯-3-酮（4,6,8,22-ergostatetraen-
3-one，15，图 7）的化学结构。这期间美国普渡大
学（Purdue University）的 Cooks 教授（图 8）和
McLaughlin 教授发表了大量关于天然产物 MS 研究
的文章[44]。Cooks 教授是世界最著名的专门从事
MS 基础研究和质谱仪研发、应用的科学家，美国
艺术与科学学院（American Academy of Arts and
Science）院士，早在 1985 年就获得了质谱学领域
的最高荣誉 Thomson 奖，2002 年曾经获得过诺贝
尔化学奖提名。我国 20 世纪 80 年代中国医学科学
院北京协和医学院药用植物研究所丛浦珠教授编写
了我国第一部天然产物 MS 专著[45]。
N S S
SS
NH
H
H
H
H
14 cassipourine
O
H
15 ergostatetraene-3-one
H

图 7 化合物 14 和 15 的结构
Fig. 7 Chemical structures of compounds 14 and 15

图 8 R. Graham Cooks 教授
Fig. 8 Prof. R. Graham Cooks
20 世纪 80 年代以后，MS 技术又得到了飞速发
展，1981 年Barber 等[46]开发出快速原子轰击电离（fast
atom bombardment，FAB-MS）技术，较好地解决了
易分解、难挥发、中低等极性化合物的质谱测定，大
大提高了 MS 的应用范围，成为天然产物结构鉴定中
常用的离子化手段。1984 年梁晓天[47]根据 MS 信息确
定了从民间治疗支气管炎的中药猫眼草 Euphorbia
lunulata Bge. 中 分 离 的 新 化 合 物 猫 眼 草 素
（maoyancaosu）的化学结构（17，图 9），而非之前确
定的结构（16，图 9），就是根据 MS 中碎片离子
M-CH2OH，否定了化合物 16 的可能。这期间美国康
奈尔大学（Cornell University）的 McLafferty 还开发
了 MS 联用技术[48]。后逐步发展了许多软离子技术，
如场致电离（field ionization，FI）、场解吸电离、SI-MS
（second ion mass spectrometry）、基质辅助激光解析电
离 （ matrix-assisted laser desorption ionization ，
MALDI）、电喷雾质谱技术（electrospray ionization
MS，ESI-MS）等，更多的质谱技术得到了实际应用。

O
O
O O
OH
HO
HO O
O
O O
HO
HO
OH
16 17

图 9 化合物 16 和 17 的化学结构
Fig. 9 Chemical structures of compounds 16 and 17
电子轰击质谱（EI-MS）是天然化合物结构测定
中应用最多的 MS 方法，易出现分子离子峰且重现性
好，可以用于测定相对分子质量、分子式、碎片离子
的元素组成和分子的裂解方式等，其中裂解碎片离子
峰在不少情况下对推断化合物的分子骨架很有用，可
以确定某些特定类型化合物分子结构片段连接顺序。
例如齐墩果酸（oleanolic acid）[49]，由于其分子在
C12-C13 位存在双键，在 EI-MS 中的优势裂解方式是
RDA 裂解（retro Diels-Alder fragmentation），而 RDA
裂解会产生 2 个关键的碎片离子峰，一个是以 A、B
环为骨架的碎片离子峰 m/z 208，另一个是以 D、E 环
为骨架的碎片离子峰 m/z 248（通常为基峰或强峰），
这 2 个离子可称为互补离子，二者之和为相对分子质
量，因此当该化合物的 A 环和（或）D、E 环上有取
代基时，上述 2 种离子的质量数会根据取代基的质量
数发生有规律的变化，即如果 D 或 E 环上连有 1 个羟
基，那么相应于 m/z 248 的离子就是 m/z 264，这对于
推断齐墩果酸类三萜骨架取代基的位置很有用。不仅
仅是齐墩果酸，含 C12-C13 双键的所有五环三萜及其
类似物都有这个规律[50]，如乌苏酸（ursolic acid）是
齐墩果酸的同分异构体，也含 C12-C13 双键，二者的
EI-MS 几乎完全一致，但是当 C-11 存在羰基同时
C12-C13位存在双键时，除了 RDA 裂解，还存在麦氏
重排（McLafferty rearrangement）[51]。在黄酮类化合
物中也有同样的 RDA 裂解，产生 2 个分别以 A、B
环为骨架的碎片离子 A1（m/z 120）和 B1（m/z 102），
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 47 卷 第 16 期 2016 年 8 月

·2785·
这 2 个离子也可称为互补离子，二者之和即为黄酮母
核的相对分子质量。此外，还可以根据黄酮类化合物
A、B 环碎片离子的质量推测 A、B 环上的取代情况，
例如 A1 m/z 136 增加的 16 个质量单位，说明在 A 环
上有 1 个羟基取代，同理，如果 A 环碎片离子增加了
32 个质量单位则说明在 A 环上有 2 个羟基取代，增
加 30 个质量单位说明在 A 环上有 1 个甲氧基或羟甲
基取代，在 B 环上也是一样。蒽醌、香豆素、甾体化
合物等都有明确的裂解规律可循（图 10）[52-54]。
RDA
O H
OCH3
O
+ +
CH3OH
RDA

图 10 RDA 裂解
Fig. 10 Retro Diels-Alder fragmentation
2.4 NMR
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。1946 年美国物理学家 Bloch 和 Purcell 因分别
首次独立观测到NMR信号而共同获得 1952年的诺
贝尔物理奖。第一台核磁共振仪（Varian 公司）于
1952 年问世，当时的分辨率仅有 30 MHz。1959 年
发现偶合常数（coupling constant）取决于邻位氢的
二面夹角，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[55]。1962年第一台 220
MHz 的超导核磁共振仪问世。1965 年美国科学家
Overhauser（图 11）发现了 NOE（nuclear overhauser
effect）并应用于化合物的构象研究。1966 年发展
起来的脉冲傅里叶变换（fourier transform）技术被
应用到 NMR 领域，使信号采集由频域变为时域，
大大提高了检测灵敏度，同时这种方法可以利用不
同的脉冲组合来得到所需要的分子信息。1969 年第
一台 90 MHz 的傅里叶变换核磁共振仪（Bruker 公
司）被商业化生产。1971 年 Jeener 提出具有 2 个独
立时间变量的二维核磁共振概念，Ernst（图 11）等
首次成功实现二维核磁共振实验，从此 NMR 技术
进入了一个新时代。20 世纪 70 年代中期，13C-NMR
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）[56-58]。1981 年 NMR 技术被应用于医疗

图 11 Albert W. Overhauser (左) 和Richard R. Ernst (右) 教授
Fig. 11 Prof. Albert W. Overhause (left) and Prof. Richard
R. Ernst (right)
诊断。1986 年观测到了碳氢远程相关二维核磁共振
谱[59-60]。1987 年 600 MHz 的超导核磁共振仪问世
（Varian 公司）。1991 年瑞士苏黎世大学（University
of Zurich）科学家 Ernst 由于对二维核磁共振的贡献
获得了在 NMR 领域的第 2 个诺贝尔奖。二维核磁
共振谱是将化学位移、偶合常数等核磁共振参数展
开在二维平面上，这样在一维谱中重叠在一个频率
坐标轴上的信号分别在 2 个独立的频率坐标轴上展
开，不仅减少了谱线的拥挤和重叠，而且提供了自
旋核之间相互作用的信息，对推断一维核磁共振谱
图中难以解析的复杂天然产物的结构具有重要作
用。1992 年 750 MHz 的超导核磁共振仪被用于结
构鉴定。目前，NMR 已形成为一门有完整理论体
系的新学科，NMR 被誉为有机物的指纹，它的应
用使天然产物的结构鉴定进入了全新时代，尤其适
用于不能获得单晶的化合物或液态化合物的构型、
构象的结构分析。
20 世纪 60 年代中西香尔教授利用 NMR 研究
紫杉宁（ taxinine）的立体结构和确定银杏内酯
（ginkgolide，18，图 12）结构，代表了当时应用 NMR
进行复杂天然产物结构鉴定的最高水平[61]。银杏内
酯虽然相对分子质量并不太大，但其具有非常紧凑
而奇特的碳骨架结构，碳骨架上碳原子高度官能团
化，还有自然界很少出现的叔丁基、11 个手性中心、
2 个季碳、6 个五元环。20 世纪 70 年代 NMR 用于
结构确定的代表作是 1975 年印楝素（azadirachtin，
19，图 13）的结构鉴定，尽管该结构在 1986 年被
证实有一个环的环化位置出现了错误[62-63]。代表 20
世纪 80年代NMR技术应用最高水平当属从岩沙海
葵Palythoa toxicus中分离得到的一个复杂的超级长
链聚醚化合物岩沙海葵毒素（palytoxin，PTX，20，
图 13）的结构鉴定，其相对分子质量高达 2 677，
分子式为 C129H221O54N3，耗费 10 年时间于 1981
年底完成了其分子结构的测定，1982 年平田义正
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 47 卷 第 16 期 2016 年 8 月

·2786·

图 12 银杏内酯 (18) 的化学结构及其 1H-NMR 谱
Fig. 12 Chemical structure and its 1H-NMR spectrum of ginkgolide (18)
MeOOC OH
AcO
O
H
OH
O
O
MeOOCO
OH O
H
H
O
H
HO
19 印楝素（azadirachtin），1975
MeOOC
O
O
O
O
OH
OH
AcO
O O
H
OH
COOMe
OH
19 印楝素（azadirachtin），1986
O
OH OH
OH
HO
O OH
OH
O
HO
OH
OH
OH
OH
OHO
OHHO
OH
OH
OHOO
O OH
NH2
HOOH
OO
O
OH
OH
OHHO
OH
OH
OHHO
HN
O
NH
OH
O
OH
OH
OH
OH
OH
HO
OH OH
OH
OH
OH
OH
OH
20 沙海葵毒素（palytoxin）
HO
OO
O
O
O
O
O O
O
O
O
O
O
H
H
H
H
H
H
H
H H
H
H
H
O
H
H
O
H
HO
OH OH
HH
44
21大田软海绵素B（halichondrin B）
图 13 化合物 19～21 的化学结构
Fig. 13 Chemical structures of compounds 19—21
6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0
δ
GA in TFA 100 MHz
“GA triether-d6”, CDCl3; all C=O→CD2
“GA triether”, in CDCl3+H2O; all C=O→CH2
i)LiAlH4
ii)150 ℃/5 mmHg,2～3 h
J
6.17
c′
c
H
e e′
J
B f f′
A
HDO
I C
E F G D
HB A
J
I
2°-Me
1.43
But
1.18
I
5.73 B
5.10
H
5.04 A3.44
C
2.99
D
2.59 E.F.G 2.0～2.5
O
Bu
O O HF
HE
GHHH
O
O
HA
OH
DH HC
O
O
HI
HO
HJ
O
Bu
O HF
HE
GHHH
OHA
OH
DH
OHI
HO
HJ
HC
HfHf
HC HC
He
He
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 47 卷 第 16 期 2016 年 8 月

·2787·
（Yoshimasa Hirata）小组和美国的 Moor 小组同时报
道了其立体构型[64-67]，这是光谱技术和化学方法相
结合进行结构鉴定的经典实例。另一个典型范例是
1985 年日本科学家上村大浦（Daisuke Uemura）和
平田义正确定了大田软海绵素 B（halichondrin B，
21，图 13）的结构[68]。1992 年日本科学家安元健
（Takeshi Yasumoto）和村田道雄（Michio Murata）
对刺尾鱼毒素（maitotoxin，MTX，22，图 14）结
构鉴定的完成无疑代表了 NMR 在天然产物结构鉴
定 中 的 最 高 水 平 [69] ， MTX 的 分 子 式 为
C164H256O68S2Na2，相对分子质量高达 3 422，是目
前发现的最复杂的天然化合物。
O
O
O
O
O
O
O
O
O
OO
O O
OH
O
O
O
OH
OO
O
O
HO
OH
O
OH
S
O
O
ONa
HO
OH
OH
OHOH
OH
S OO
ONa
HO OH
O
H
H H
H H
H
HHO
H
H H
H
H H
H
HOH
OHH
HH H
H
H OH
H OH
HO
OH
H
H
OH
H
H
OH
OH
H
H
HO
H H
H
H
H
O
OO
O
O
O
O
OHH
H
H
H
H H
H
H
H
HO
H
O
O
O
O
HO
OH H H H
H
HH
O
22 刺尾鱼毒素（maitotoxin）

图 14 刺尾鱼毒素的化学结构及其 1H-NMR、13C-NMR 谱
Fig. 14 Chemical structure of maitotoxin and its 1H-NMR and 13C-NMR spectra
现在 800、900 和 950 MHz 的核磁共振仪已
经可以用于生物大分子的结构分析。20 世纪 80
年代以后，瑞士科学家 Wüthrich 发展了一套将
NMR 技术应用于测定生物大分子结构领域的思
路，并发明了一套系统方法，即将每一个 NMR
信号与生物大分子的氢质子一一对应起来，把这
种方法叫做“序列指认”，为 NMR 研究生物大分
子奠定了基础。1985 年利用 Wüthrich 的方法确
定了第一个蛋白质的结构。2002 年诺贝尔化学奖
的一半就授予 Wüthrich，以表彰他用多维 NMR
6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0
δH
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
δC
刺尾鱼毒素的 1H- NMR、13C- NMR 谱
C164H256O68S2Na2
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 47 卷 第 16 期 2016 年 8 月

·2788·
波谱学在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方
面的开创性贡献。
科学界认为对 NMR 在天然产物结构鉴定中的
应用主要分为 3 个阶段：在 20 世纪 60 年代主要应
用氢谱 [70] ， 1961 年第一次完成天然产物 α-
thujaplicinol（23，图 15）NMR 信号归属[71]，次年
完成了植物抗毒素 pisatin（24，图 15）的 NMR 信
号归属[72]，1963 年根据甲基的远程偶合确定了白桦
脂醇（betulin，25，图 15）中甲基的相对立体构型
并修正了由 X-衍射确定的 morellin（26，图 15）的
结构[73-74]；20 世纪 70 年代出现碳谱[75]；20 世纪 80
年代发展了二维谱[76-77]，特别是碳氢相关谱和碳氢
远程相关谱的应用，给复杂天然产物化学的结构研
究带来了革命性的发展[78-80]。
O
HO OH
O
O
O
O
OH
H3CO
23 α-thujaplicinol 24 pisatin
OH
HO
25 betulin
H
H
H
H
O O
O OO
OOH
26 morellin
图 15 化合物 23～26 的化学结构
Fig. 15 Chemical structures of compounds 23—26
1H-NMR 对于结构鉴定提供的信息主要有①吸
收峰的组数，对一级图谱而言，能清楚表明分子中
化学环境不同的质子有几组。②积分曲线高度说明
各基团的质子数之比。③确定活泼氢的数目，在非
极性溶剂如氘代氯仿中活泼氢的信号往往看不到，
换成极性溶剂如氘代丙酮和氘代二甲基亚砜就能看
到。④质子的化学位移值（d），说明分子中的不同
的质子情况。⑤峰的分裂个数及偶合常数（J），主
要说明各不同的质子之间的连接关系，最常利用二
面夹角和 J 的关系确定相对构型[81-84]。⑥利用端基
质子的 J 和端基碳的 d 判断苷键构型（α 或 β），但
并非适用所有的糖，主要是用来确定吡喃醛糖
（aldopyranosides）的苷键构型，有时还需要借助
13C-NMR 谱数据分析。⑦氢 -氢相关谱（ 1H-1H
COSY）可以把相互有偶合关系的质子关联起来。
⑧HMQC）[85]、1H 检测的异核多量子相干实验（1H
detected heteronuclear muliple quantum coherence）或
碳 - 氢异核单量子关系（ heteronuclear singular
quantum correlation, HSQC）、1H 检测的异核单量子
相干实验（1H detected heteronuclear single quantum
coherence）[86]可以把分子中各个碳原子上的质子直
接归属起来，而碳-氢远程相关谱（heteronuclear
multiple bond correlation，HMBC）[77]可以把因为有
杂原子或季碳原子而断开的质子链（有时相邻质子间
二面夹角等于或接近 90°时，J 等于零也可能导致断
链）相互连接起来完成化合物的平面结构，如一个
黄酮分子（图 16）、一个倍半萜分子（图 17）的
HMBC。再利用 NOESY（nuclear Overhauser effect
spectroscopy）或 ROESY（rotating frame Overhause
effect spectroscopy）[87-89]确定各个质子在三维空间
上的分布（图 18）。⑨利用 NOE 效应，不仅可以用
来确定分子中某些基团的位置、立体构型，还可以
确定糖与糖及糖苷链与苷元的连接位置，是研究立
体构型和优势构象的重要方法。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
是由于分子中含较多季碳原子或杂原子相连而用碳
氢远程偶合无法判断时，可借助 NOE 差谱来完成
碎片的连接。从举例化合物的 HMBC 图谱可以看
出，HMBC 是所有图谱中最为复杂的，分析起来也
最为困难，但 HMBC 才能把因为有杂原子或季碳原
子而断开的质子链相互关联起来，所以在天然产物
结构鉴定中尤为重要。建议分析 HMBC 图谱最好从
最强的甲基信号开始。
13C-NMR 谱提供的最重要的信息也是化学位
移。根据化学位移数据可以判断碳原子是 sp2 杂化
还是 sp3 杂化、确定碳原子级数、准确测定驰豫时
间、帮助指认碳原子以及确定是否连有杂原子，如
果是羰基碳，还可初步判断羰基的类型即酮羰基还
是醛羰基或是酯基上的羰基碳。碳原子的 d 范围非
常大，甚至可超过 2×10−4，而且碳原子对所处的化
学环境比质子更敏感，如碳原子处于不同的构型和
构象中，在碳谱中很少有信号完全重叠（图 18）。
对于季碳原子的判断，碳谱比氢谱更具有优势。但
是 13C-NMR 也有缺点，如灵敏度较低（在同等实验
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 47 卷 第 16 期 2016 年 8 月

·2789·

图 16 一个黄酮的化学结构及其 HMBC 谱
Fig. 16 Chemical structure and HMBC spectrum of a flavonoid

图 17 一个倍半萜的化学结构及其 HMBC 谱
Fig. 17 Chemical structure and HMBC spectrum of a sesquiterpene
条件下是 1H-NMR 的 1/6 000）、信噪比差等。在解
析时不要遗漏季碳的谱线，因为季碳信号非常弱，
此外还需注意区分杂质峰、溶剂峰[90]。
尽管核磁共振仪的灵敏度还远远不如质谱仪的
灵敏度高[91]，但现在使用微量探头（microprobe）
或超低温微量探头测定 0.5 mg 以下微量样品的结
13 18
13 12 5
17 17 2 12 14
6 10 5 5 11
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
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
f2 (δ)
f1
(δ)

9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5
f2 (δ)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
f1
(δ)

O
OH
OCH3
HO
H3CO
O
2
3
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 47 卷 第 16 期 2016 年 8 月

·2790·


图 18 一个倍半萜的化学结构及其 13C-NMR 谱与 NOESY 谱
Fig. 18 Chemical structure of a sesquiterpene and its 13C-NMR and NOESY spectra
构鉴定已经不成问题[92-93]。如 1992 年出现了 3 mm
样品管，样品用量由 600 μL 降至 140 μL，并且灵
敏度（S/N）增加；1995 年利用一维和二维 NMR
技术用 800 μg 样品完成复杂结构短裸甲藻毒素 C
（brevetoxin C，27，图 19）的氢谱和碳谱数据的归
属[94]；2000 年发展的低温探头进一步增加约 3.5 倍
的灵敏度，现在 1 mm 的样品管需要样品量已经降
到 nmol 级别[95]。例如用毛细管 NMR 法（capillary
1.0


1.5


2.0


2.5


3.0


3.5


4.0


4.5


5.0
δ
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
δ

O
OH
O
OH
13C NMR 图谱
77.00 76.25
30.00
180 160 140 120 100 80 60 40 20
δ
30
.29

29
.84

29
.59
77
.21

77
.00

76
.79

17
9.3
2
1
44
.91





11
2.4
0




8
1.6
9
7
6.6
4




71
.71




4
5.3
9
44
.51



13
.20
41
.19

30
.26

29
.84

29
.59

22
.76

12
.43

77
.21

77
.00

76
.79

76
.64

O
OH
O
OH
13C-NMR
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 47 卷 第 16 期 2016 年 8 月

·2791·
NMR，CapNMR）测定 2 个从昆虫中得到的甾体
化合物（28、29，图 19）的结构仅需 40 nmol 的样
品[95]，测定马钱子碱的 HMBC 谱仅需 15 nmol（5.4
μg）的样品。
从 20 世纪 60、70 年代，我国科学家在核磁技
术研究与应用中也做出过重要贡献。中科院院士、
药物化学家梁晓天（图 20）是我国核磁共振技术的
开拓者，曾编写过《核磁共振光谱解释简编》（1964
年）和《核磁共振高分辨氢谱的解析和应用》（1976
年）2 本专著，对于在我国推广和普及 NMR 技术
起到非常重要的作用。梁晓天院士先后完成了一叶
荻碱（securinine，30，图 20）、川楝素（toosendanin）、
鹤草酚（agrimophol）、鹰爪甲素（yingzhaosu A，
31，图 20）、鹰爪乙素（yingzhaosu B）、创新霉素
（creatmycin）、亮菌甲素（armillarisin A）、芍药新苷
（lactiflorin）、杜鹃素（farrerol）以及一些二萜生物
碱类等数十个复杂天然产物的结构鉴定。鹰爪甲素
（31）中的过氧桥对于青蒿素的结构鉴定起到一定的
启发作用，尽管有关鹰爪甲素结构的论文比青蒿素
结构的论文发表得略晚。

O
O
O
O
O
O
O
O O
O O
Me
O
HO
MeMe
MeMe
Me
Me
H H H H H H
H
H
H
H H H
H H
H
CH2Cl
O
27 短裸甲藻毒素 C（brevetoxin C）
NH2
O
O
O
O
O
OOH HO
HO
OHH
H
H
H
O
O
O
HO
OH
H
H
O
O
OHHO
HO
O
28 29
图 19 Brevetoxin C 以及化合物 28 和 29 的化学结构
Fig. 19 Chemical structures of brevetoxin C and compounds 28 and 29

O
O
NH
O
O
OH
OH
30 一叶荻碱（securinine） 31鹰爪甲素（yingzhaosu A）
图 20 梁晓天院士以及一叶荻碱、鹰爪甲素的化学结构
Fig. 20 Chemical structures of securinine and yingzhaosu A identified by Academician Liang Xiao-tian
2.5 结构鉴定中的错误修正
虽然“四大光谱”技术经日臻完善，但在结构
鉴定中也时有错误发生，尤其在海洋天然产物的立
体结构的确定中，有文献总结了近年被修正的天然
产物的结构[21,96-98]，如 2001 年上村大浦从日本海绵
Pseudoceratina purpurea 中分离得到的 zamamistatin
（32，图 21），用二维核磁技术确定了平面结构并用
Mosher 法确定了其立体构型[99]，2006 年该结构得
到了修正[100]。
从专业文献查阅以及笔者曾经研究的课题
看，天然产物结构确定中的错误比较集中在 11
(15→1) 重排紫杉烷类化合物的结构，这类化合物
最初都是被当作最常见的正常 6/8/6 环系紫杉烷
类化合物。
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 47 卷 第 16 期 2016 年 8 月

·2792·
O NH
OHNBr
Br
Br
Br
OCH3
H3CO
HO
OH
32 zamamistatin, 2001
O
Br
Br
Br
Br
OCH3
H3CO
HO
OH
32 zamamistatin, 2006
NH
HN O

图 21 Zamamistatin 的化学结构
Fig. 21 Chemical structure of zamamistatin
Brevifoliol（33，图 22）是分离得到的第一个
具有这种骨架的紫杉烷类二萜，最初将其结构误定
为 6/8/6 环系，1993 年才更正为 5/7/6 环[101-102]，事
实上这种新的紫杉烷骨架早在 1992 年就被中国吴
大刚和日本京都大学的富士熏（Fuji K.）2 个研究
小组同时分离得到，但因为吴大刚以中文发表研究
论文所以未引起人们的注意[103-104]，后来一大批该
类化合物都是通过和文献比较来确定结构，再后来
具有这种重排骨架的紫杉烷越来越多地被分离出
来，直到从日本红豆杉中得到的 taxuspine A（34，
图 22），正确确定了 11 (15→1) 重排紫杉烷的结
构[104]并第一个用英文发表后，研究者才开始重新
对比这类化合物和正常的 6/8/6 环系紫杉烷类化合
物波谱，发现这两个骨架的化合物 1H-NMR 谱基
本一致，13C-NMR 谱的差别主要在 C-1 和 C-15 上，
实际上在 11 (15→1) 骨架的紫杉烷中 C-1 比正常
6/8/6 环系紫杉烷类化合物明显向低场位，导致一
批此类化合物的结构被修正[105-106]，出现这种错误
的根本原因是没有做或没有做好 HMBC 谱。在
HMBC 谱中，11 (15→1) 骨架的紫杉烷中看不到
16、17 位甲基上质子和 C-11 的远程偶合，而这个
远程偶合在正常 6/8/6 环系紫杉烷类化合物很明
显；相反，在 11 (15→1) 骨架的紫杉烷中可以看
到 H-14 和 C-11 的远程偶合，而这个偶合在正常
6/8/6 环系紫杉烷类化合物却是看不到的[106]。

BzO OAc
HO
H OHHO
OAcAcO OBz
H OH
OAc
HO
OH
33 brevifoliol, 1991 33 brevifoliol, 1993
BzO OAc
AcO
H OCinn
HO H
OAc
34 taxuspine A
1
2
3
4
5
6
7
8
9101112
13
14
15
16
17
18
19
20 15
1
11
14
16 17

图 22 化合物 33 和 34 的化学结构
Fig. 22 Chemical structures of compounds 33 and 34
3 结语
随着“四大光谱”技术在结构鉴定中的应用越
来越普及、越来越重要，化学鉴定法已经基本处于
辅助角色。光谱鉴定法在天然产物结构鉴定中的突
出优势就是样品用量少，一般 2～3 mg 即可，省时、
简便；除 MS 外，其他方法无样品消耗，可回收再
利用；高分辨 MS 还可以准确地确定化合物的分子
式。特别是核磁共振仪，可以长时间处于待机工作
状态，随时可以测定结构，而且操作简便无需培训。
需要注意的是，光谱法推断结构中的“一致性”非
常重要：四大光谱要相互佐证、相互支持、相互吻
合，如出现不一致或矛盾，说明推出的结构一定存
在问题。
测 定 天 然 产 物 的 绝 对 构 型 （ absolute
configuration）的可靠的方法还是 X 射线衍射法
（X-ray diffraction）但是 X 射线衍射法需要单晶，对
于不易结晶或量很少的天然产物来说有很大的局限
性。20 世纪 50 年代，旋光色散光谱法（optical rotatory
dispersion，ORD）和圆二色谱（circular dichroism，
CD）广泛用于天然产物绝对构型研究。1961 年
Djerassi[107-108]收集大量甾体化合物的数据归纳出了
“八区律（Octet rules）”。20 世纪 60 年代，中西香尔
提出“CD 激子手性法（exciton chirality CD method，
ECCD）”确定化合物的绝对构型[109]。但是这些方法
需要专门的技术以及复杂的计算，都不如四大光谱
法应用简便。现在 NMR 技术不仅可以确定天然产物
的相对构型（relative configuration）[110]，还可以确
定它们的绝对构型，如采用 Mosher 法测定仲醇类化
合物的手性[111-113]。
近 30 年来，现代结构解析方法（NMR、MS、
IR、UV、ORD、CD、X-ray），尤其是二维 NMR
技术的应用，如 1H-1H COSY、HMQC、HMBC、
NOESY 等，都促使天然产物化学的研究速度大大
加快。除了 1991 年诺贝尔化学奖获得者 Ernst 对二
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 47 卷 第 16 期 2016 年 8 月

·2793·
维NMR技术应用研究的贡献，还有如村田（Murata）
创立的根据邻位的偶合常数决定构型的方法
（ Murata’s method of J-based configurational
assignment），岸义人（Yoshito Kishi）创立的核磁数
据库（Kishi’s NMR database method）、Mosher 酯衍
生物分析法（Mosher ester analysis）、Rychnovsky’s
acetonide method 等。目前，鉴定技术的进步也使得
待确定结构的化合物样品需要量越来越小，几毫克、
几微克就能够完成[78,82,114-116]。
特别值得一提的是近年来发展起来三维 NMR
（3D-NMR）、固相 NMR[112]和气相核磁共振[113]以及
碳-碳偶合、碳-氢偶合常数[117-120]计算机辅助数据处
理[121-122]等技术已经应用到结构鉴定中，对于一些
结构特别复杂的天然产物的结构鉴定，还有一些比
较特殊的核磁共振技术偶尔也被应用[123-125]。低温
超导探头的应用也将 NMR 的灵敏度大大提高，可
使原来需要几天的实验缩短为几个小时[126-128]。800
MHz 以上的超高场超导核磁共振仪将在生命科学
研究领域特别是蛋白质的结构测定中发挥越来越重
要的作用。美国科学家首次利用 NMR 技术测定分
子间的相互作用、活性分子和受体结构的构象并提
出用 NMR 技术研究药物构-效关系（SAR）的概念，
将为小分子药物的结构优化和新药研发带来更大的
帮助[129-131]。近 20 年来，新的 NMR 技术在不断被
发明及应用，在将来天然产物的结构鉴定水平还会
迈上一个新的台阶。
天然产物对人类最大的贡献就是作为药物为人
类所用，自从有人类历史以来，天然产物一直是人
类防病治病的主要来源。天然产物作为化学和生物
学之间的天然通道，是大自然经过漫长的筛选和进
化选择出来的，可作为药物半合成的前体物、药物
化学合成的模板以及为药物设计提供新的思路[15]。
天然产物的结构与功能研究将对新药发现、生命科
学的认识、探索药物作用机制都具有重要科学意义。
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