3.2 挑战任务2

“未知物”的结构如下：

质谱分子离子峰m/z 191 的奇偶性规律显示该分子符合含奇数氮原子的结构特征。除分子离子峰外，观测到M+2 与M+4 同位素峰强度比为100:65:10，此特征明确指向分子中含两个氯原子。质谱中46 amu（NO₂基团丢失）与30 amu（NO 基团丢失）的碎片峰，协同IR光谱1521 cm⁻¹与1350 cm⁻¹的强吸收带，共同证实硝基（NO₂）的存在。IR 光谱1600 cm⁻¹与1575 cm⁻¹处的特征峰进一步显示苯环骨架振动模式。¹³C NMR 谱检测到6 个独立碳信号，¹H NMR 积分显示3 个等价质子，由此确定分子中至少含6 个碳原子和3 个氢原子。

将上述元素组成参数及其误差容限输入分子式生成器(Molecular Formula Generator)，经多谱数据协同验证，系统最终输出唯一匹配分子式C₆H₃NO₂Cl₂（图3.9）。

需特别说明的是，NO₂基团的存在是通过质谱（MS）和红外（IR）光谱数据联合推断得出的结论。尽管¹H 和¹³C NMR 谱无法直接识别该官能团，但StrucEluc 系统通过"功能基团特征分析"功能（参见第1.3.2.6 节），可基于典型功能基团库生成推测性提示（非确证性证据）。以下通过本案例演示该流程：

首先，利用¹³C NMR 谱对片段库进行结构片段搜索（路径：Structure Elucidation\Search Fragments by CNMR spectrum…），系统共匹配到52 个候选片段（点击View/Structures Lists/Found Fragments 查看）。随后打开官能团库（路径：Structure Lists\ACD Functional Groups Library），执行官能团搜索命令（路径：Structure Elucidation/Advanced/Search Functional Groups）。系统根据52 个候选片段中官能团的出现频率进行降序排列，生成优先级列表（图3.10）。

图3.10 显示，苯环和硝基（NO₂）是候选片段中出现频率最高的功能基团，同时提示苯环取代模式可能为1,2,4 位。该列表还标注了未在52 个碎片中出现的基团类型。这些官能团被标记为属于排除列表（BadList），若将其纳入用户自定义排除列表，则可在结构生成过程中应用。需特别说明，官能团搜索所得的结论具有概率性特征，需谨慎验证其可靠性。尽管如此，该分析结果仍有助于识别未知物结构中可能包含或排除的官能团类型。

表3.2 汇总了待测化合物的¹H NMR、¹³C NMR、HSQC 及HMBC 谱图中提取的光谱数据。

注：a 此处符号"u"表示JHH 耦合常数值未被测量（未定义）或在StrucEluc 系统进行结构解析时未被使用。

为解析未知物结构，首先创建了分子连接图（MCD，图3.11a）。鉴于MS 和IR 光谱已明确显示NO₂官能团的存在，并通过官能团搜索得到确认，因此手动在MCD 上绘制了NO₂基团（使用"Draw Chemical Bond"图标），如图3.11b 所示。

在绘制NO₂基团时，通过编辑氮原子和其中一个氧原子的属性（使用MCD 窗口工具栏中的"Edit Atom Properties"图标）完成设置，如图3.12a 和3.12b 所示。

经MCD 检查，HMBC 数据中未发现矛盾，随后启动严格结构生成，结果如下：k = 452→310 →27，tg = 0.145 秒。输出文件中排名前六的结构如图3.13 所示。

图3.13 显示，程序将1,2-二氯-4-硝基苯（3.3）判定为最佳结构。随后的四个竞争结构显示了苯环上硝基和两个氯原子的不同取代模式。

由于未知物的分子式相对简单，StrucEluc 系统仅需¹H NMR、¹³C NMR 和HSQC 谱图（无需HMBC）即可完成解析。为关闭HMBC 数据，可使用删除工具移除MCD（图3.11b）中所有HMBC 连接关系，或在"编辑谱图查询"窗口中禁用HMBC 谱图并重新创建MCD。此条件下获得的结果为：k = 1,476 →972 →29，tg = 0.482 秒。尽管初始生成的结构数量显著增加，但由于高效过滤机制，最终候选结构数量几乎相同。生成时间的三倍增长可忽略不计，因为tg 值仅为零点几秒。

上述解析过程基于MS 和IR 光谱对NO₂官能团的确认。这些结构信息虽有助于简化计算，但并非必需。为验证系统的独立解析能力，我们基于初始MCD（图3.11a）并使用图3.14 所示选项运行了结构生成，结果如下：k = 18,996 →10,109 →1,508，tg = 6 秒。输出文件中排名前两位的结构与图3.14 所示结果一致。

之所以结构生成数量较高，其根本原因在于系统需遍历氮原子的所有可能价态组合，同时产生大量不符合化学稳定性的非合理结构。最终解析获得的结构3.4 及其系统自动完成的¹³C 化学位移归属如下所示：

针对分子式C₆H₃NO₂Cl₂，理论计算表明数学组合学可能的异构体总数达2,858,492。尽管难以准确界定其中热力学稳定异构体的绝对数量，但通过将N–Cl 与O–Cl 键合模式纳入用户自定义排除列表（User BadList），在经典结构生成过程中有效剔除了含此类高能不稳定键的异构体，最终筛选出至少980,116 个热力学稳定的异构体（Ns）。当候选结构数量k=29 时，系统计算得到结构信息提取度μ=0.76（源于CASE 智能解析算法与组合学约束的协同贡献），而μ(^¹³Ccalc)=0.24（源自¹³C 化学位移预测模型的验证权重）。