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基于 ACD/Labs 核磁谱图数据库的化合物快速结构定性

碳谱检索结构排重谱图比对NMR 谱图数据库

导读:在天然产物化学、中药化学等领域的物质基础研究中,基于谱图数据库的快速结构定性( DEREPLICATION,即已知化合物的排重识别)可减少不必要的重复测试、降低实验成本。ACD/Labs 核磁谱图数据库以碳谱检索为核心,支持导入碳谱数据 → 谱图处理 → 设置检索参数 → 查看结果并分析的标准流程。本文按该流程说明各环节要点,并通过三个实际案例展示谱图比对与结构修正的做法。

一、基本操作流程

ACD/Labs 核磁谱图数据库的检索操作相对简单,以碳谱检索为主,基本流程为:导入碳谱数据 → 谱图处理 → 设置检索参数 → 查看结果、分析。

1. 导入碳谱数据

用户可直接导入原始的碳谱数据文件(FID 文件),也可以手工输入化学位移数据,由软件转化为谱图后再进行检索,两种入口适应不同来源的数据。

导入原始碳谱数据文件界面
导入原始碳谱数据文件(FID)

2. 谱图处理

碳谱的谱图处理相对较简单,一般的操作流程是先定标、再标峰。需要注意的是:如果样品不纯、碳谱中存在杂质峰,标峰时不要把杂质峰一并标入,否则会对后续的谱图检索结果造成干扰。

碳谱定标与标峰处理界面
谱图处理:先定标、再标峰

3. 设置检索参数

ACD/Labs 核磁数据库平台允许用户对检索参数进行灵活设置,通过不同参数的限定获得满足要求的检索结果。关键参数包括:可根据需要按偏差值上限剔除候选结构、限定分子式或分子量范围、容许结构中信号缺失/多余的个数,以及是否忽略峰强度等。

如果检索结果不理想,可通过调整检索参数重新获取结果:结果太少时适当放宽限定范围,反之则收紧。

Search Structures by 13C NMR Spectrum 检索参数设置界面
检索参数设置界面(Search Structures by 13C NMR Spectrum Options)

4. 结果查看与分析

检索结束后,用户可切换到 Structure List 窗口查看所有匹配的结构,每个结构下方列出该化合物的分子式、分子量以及 dE(13C) 误差值——该数值越小表示匹配度越高,结果按此排序。

Structure List 阳离子结构列表与 dE 误差值
Structure List 窗口:候选结构列表与其 dE(13C) 误差值

对于感兴趣的结构,可切换到 Structure and Properties 窗口进行谱图比对等详细分析。在该窗口中,用户可用鼠标指认不同峰信号对应的碳原子,允许对结构进行修正,并对修正后的结构重新预测谱图,再与实验谱图比对验证。

Structure and Properties 窗口谱图比对
Structure and Properties 窗口:上方为结构预测谱,下方为用户提交的实验碳谱信号

二、案例学习

案例 1 仅提供碳谱,直接命中

本案例中,用户仅提供了碳谱谱图,谱图比较干净,标峰后直接检索。

案例1 干净的碳谱与标峰结果
案例 1:样品碳谱(信号干净)及标峰结果

检索采用较宽的参数(如不限制元素组成区间、分子量范围 0–1000、容差 0.5 Da)。排名第一的化合物误差值仅为 0.136,通过谱图比对发现两者信号一一对应、非常吻合,基本可确认该化合物的结构。

案例1 检索结果,第一命中 dE 0.136
案例 1:检索结果列表,首命中 dE(13C) = 0.136

案例 2 已知分子式,辅以氢谱验证

本案例中,样品已测氢谱、碳谱,并已知分子式 C17H14O6。由于该碳谱信号较弱,标峰时容易把溶剂峰旁边的噪音峰一并标取,需要小心检查。

案例2 弱信号碳谱,标峰需注意噪音峰
案例 2:样品碳谱(信号较弱),标峰时需甄别噪音峰

由于已知分子式,可在检索参数中加入分子式作为限制条件。碳谱检索结果中排名第一的化合物误差值为 0.990,化学位移比对基本一致;为进一歩验证,取该样品的氢谱进行归属验证,结果基本吻合,软件验证评分达到 0.97(该数值越接近 1 越吻合)。

案例2 命中结构与(+)-2'S-isorhodoptilometrin 属性
案例 2:命中结构及其分子式、CAS 登记信息

本案例说明:把碳谱检索与分子式限制、氢谱验证结合使用,能快速对化合物做出定性判断。

案例 3 首轮结果不理想时的参数调整与结构修正

本案例中,样品测试了氢谱、碳谱、DEPT90 和 DEPT135 等谱图。首先用碳谱进行检索,初次按较窄的组成区间(如 C 34–36)限定。

案例3 样品碳谱谱图
案例 3:样品碳谱(已标峰)

初次检索结果中,化合物的谱图差异度都比较大(1.8 以上),结果不理想。此时可将检索范围适当调宽(如放宽至 C 33–37,并增加容许缺失/多余的信号数)。

案例3 初次检索结果,偏差在1.8以上
案例 3:初次检索结果,差异度均在 1.8 以上

调宽参数后重新检索,排名第一的化合物差异度降到 0.705,明显优于首轮。

案例3 调宽参数后的检索结果,首命中0.705
案例 3:调整参数后检索结果,首命中 dE(13C) = 0.705

进一步做谱图比对分析发现,两组谱峰绝大部分比较吻合,但有两处化学位移存在缺失差异,分别为 217.61 与 78.98。这一提示表明该化合物的羟基基团可能为羰基。据此对化合物进行结构修正,重新预测谱图后再比对验证。

案例3 结构修正后重新预测并比对
案例 3:结构修正后,基于 ACD 碳谱预测重新预测的谱图与实验谱图基本吻合

三、小结

综合上述案例,使用碳谱数据库进行快速定性时有三点值得注意:

  • 标峰质量直接决定检索质量:杂质峰、噪音峰若被一并标入,会明显干扰检索结果。
  • 参数宜动态调整:结果过少时放宽限定范围,结果过多或不理想时收紧——案例 3 正是通过调宽参数把差异度从 1.8 以上降至 0.705。
  • 多谱印证与结构修正是关键:结合分子式、氢谱归属(验证评分越接近 1 越好)以及对候选结构的修正再预测,才能较可靠地完成定性。

目前 ACD/Labs 碳谱核磁数据库与核磁谱预测功能结合使用,为化合物结构快速定性、结构排重等工作提供了有力支撑。当然,对于结构新颖、复杂的化合物,通过数据库检索未必能得到理想的参考结果,这需要结合其他谱图(如二维核磁谱、高分辨质谱、红外等)进行综合解析与确证。对于未知物的从头解析,ACD/Labs 提供了基于 CASE(Computer-Assisted Structure Elucidation)的软件方案。

说明:本文正文与数据依据凯美科公众号原文整理,配图按原文阅读顺序排布。若发现某张配图与正文描述不符,请告知具体位置以便替换。

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