基于 NMR 进行结构验证，如何消除主观偏见的影响？
NMR结构验证SSVCCVUBV
导读：利用核磁共振波谱对化学结构进行验证，是合成化学中最基本、也是最具挑战性的工作之一。随着数据量和化合物库规模的急剧扩大，通过 NMR 数据进行自动结构验证的软件，正在成为合成工作中实现快速、准确结构表征的宝贵工具。NMR Workbook 是唯一一款可以在不同级别上执行结构验证、以增加用户分析信心和灵活性的商业软件。
导读：利用核磁共振波谱对化学结构进行验证，是合成化学中最基本、也是最具挑战性的工作之一。随着数据量和化合物库规模的急剧扩大，通过 NMR 数据进行自动结构验证的软件，正在成为合成工作中实现快速、准确结构表征的宝贵工具。NMR Workbook 是唯一一款可以在不同级别上执行结构验证、以增加用户分析信心和灵活性的商业软件。
第一个级别的结构验证方法称为单一结构验证（Single Structure Verification，SSV），这也是最简单的一种情况：用户仅需向软件提供实验得到的核磁谱图以及预期的化合物结构式（Proposed Structure）。核磁谱图可以是一张一维谱图、二维谱图，也可以是一维和二维谱图组合的整套谱图。软件会评估所提供的结构式与核磁信号之间的匹配度，并提供匹配因子（Match Factor，MF）。对于 SSV 的结构验证方式，当预期的结构未能通过软件的「匹配评估」时，如果用户没有其他「更适合」的候选结构，软件也不会进一步提供更合理的参考结构。
为了避免 SSV 的缺陷，NMR Workbook 提供了第二种结构验证工具——组合并发验证（Combined and Concurrent Verification，CCV）。该先进的算法可以同时验证用户提议的结构和指定数量的同分异构体之间的匹配度（MF），MF 排名将提示哪个结构与 NMR 数据更一致。然而，由于该方法是将实验数据与用户提供的或软件算法定义的特定数量的同分异构体进行匹配，化学家最初的主观偏见仍然可能影响最终是否得到最合理的结果。
为了保证绝对的可信度，用户可以在软件中一键激活第三种结构验证功能——无偏向性结构验证（Unbiased Structure Verification，UBV）。该工作流程基于市场上最先进的结构生成器，再加上计算机辅助结构解析（Computer Assisted Structure Elucidation，CASE）系统中使用的最佳排名算法，可以避免用户的主观偏见，选择出最佳的结构。这对合成化学家特别有益，因为它可以大大减少花在分子表征上的时间和精力。
自 2019 版以来，NMR Workbook 就增加了 UBV 功能，该功能具有以下最低要求：
在运行 UBV 之前，用户需要对 NMR 数据进行处理，并对提议结构进行核磁信号归属。基于这些数据，软件会在后台自动运行 CASE 系统，并可以选择 UBV 工作流以获得最高的可信度进行结构验证。
通过 UBV 功能，软件利用先进的结构生成器输出与 NMR 数据匹配的所有可能结构，此过程无需用户的任何输入，并确保最佳匹配的结构完成了所有核磁信号的归属。这个计算过程可能很耗时，为了减轻计算量，用户可以在执行结构生成前，定义一个或多个已知确定的分子片段。最终，软件通过计算出的匹配因子、预测化学位移值与实验值之间的平均偏差，对得到的结构进行打分排序。
UBV 方法可以在不受用户主观偏见影响的情况下，自动识别正确的「最佳匹配结构」，因此其结构验证效果优于 SSV 和 CCV。为了更直观地证明这一点，测试中特意从人为故意给出的不正确提议结构开始，而软件最终确定了与 NMR 数据最一致的结构。以下给出两个这样的例子：选择了两个市售化合物并获得了它们对应的 NMR 数据。
对于这两个提议结构，通过 SSV 方法得到了可接受的匹配度打分，MF 分别为 0.83 和 0.75；随后，CCV 方法也将这两个提议结构作为最佳匹配的结构——这正是「主观偏见」容易导致假阳性的地方。
与 CCV 之前分配的结构相比，UBV 增加了 5 个匹配因子更高的结构，其中「最佳结构」与核磁数据之间的吻合度更好（MF = 0.91）。
该案例采用一维碳谱、氢谱以及二维 HSQC、HMBC 和 COSY 谱图进行结构验证（2019 版及以后的版本中，结构验证不再需要用户提供碳谱谱图）。在 CCV 验证流程中，软件自动生成了 10 个同分异构体：该提议结构的 MF 为 0.75，而所有其他生成的同分异构体 MF 为 0。
随后对提议结构以 UBV 方式运行计算，软件总共花费 5 分 40 秒生成了 227 个独特的同分异构体。其中五个软件生成的结构与谱图的匹配度都优于原来的提议结构——UBV 选择的「最佳结构」正是正确的结构：青蒿素。
为了加快计算时间，用户可以在运行 UBV 之前，对提议结构 #2 定义已知确定的分子片段作为固定结构片段。这将大大减少软件生成同分异构体的数量（从 227 减少到 57）和计算时间（从 340 秒减少到 15 秒）。
NMR Workbook 软件中的 UBV 功能为用户提供了一个快速识别正确结构的最有效工作流程：软件通过给定的分子式（从提议结构中获得），可以协助用户彻底地考察与 NMR 数据匹配的所有可能候选结构。只要满足 UBV 计算的最低条件要求，该方法就可以应用于评估任何通过标准核磁共振验证的提议结构——当然，该提议结构有可能是「不正确」的结构。
这对合成化学家特别有帮助：UBV 方法建立了最可信的结构验证流程，不存在假阳性的错误，以确保化合物的结构表征是正确的。此外，NMR Workbook Suite 软件能够大大提高化学分析工作者的分析效率和可靠性、减少人力成本，是核磁实验室非常值得投入使用的有价值工具。
凯美科提示：如需了解 NMR Workbook Suite 的 UBV/CCV/SSV 结构验证功能、产品试用与培训安排，欢迎与我们联系。