案例摘要：错误的结构确定在天然产物研究中仍然相当普遍，而结构修订通常依赖全合成验证——繁琐、耗时且耗费资源。本文提出联合应用计算机辅助结构解析（CASE）与密度泛函理论（DFT）的方法：先用 Structure Elucidator 对最初提出的结构进行预防性验证，在确认原始结构不正确的情况下揭示正确的结构。研究分析了 12 个真实天然产物结构修订案例（这些案例此前均通过全合成完成修订），结果表明：仅使用最初报道的 NMR 和 MS 数据，经验算法预测仅需几分钟、DFT 计算需要数小时，即可确定正确的结构，从而避免耗时的全合成工作。
每年全球都会分离出大量天然产物，确定其化学结构需要综合运用 NMR、MS、UV-IR、ECD、VCD 等多种光谱技术。尽管结构解析技术进展显著，结构误判仍是一个常见问题：投入到错误分子合成中的资源和时间通常被浪费，研究人员还必须重新确定所需分子的正确结构。
修订一个结构是一项艰巨的任务。如果还有真实样品，研究人员可以基于新的一组光谱数据重新进行结构解析；但若没有可用样品，就必须合成所有可能的候选化合物，希望其中之一具有与真实样品相似的光谱特征——这种"全合成证明"虽被认为是确定真实结构的最有力证据，却非常繁琐，耗费合成化学家宝贵的时间，使他们无法专注于探索天然产物及其类似物的生物特性这一主要工作目标。
CASE（Computer-Assisted Structure Elucidation）方法为此提供了新路径：它基于两个关键过程——高效的结构生成（由实验数据获得限制条件）与准确高效的 NMR 化学位移预测（基于大量实验数据训练的经验算法）。CASE 不仅能逻辑推导出符合实验谱图的所有可能结构，还能给出概率估计；当存在多个同等可能的结构时，可进一步用DFT 计算对化学位移进行精准预测辅助决策。更重要的是，CASE 可以直接利用已发表的原始光谱数据（即使它们对应的是误判的结构），无需重新收集数据，也无需全合成即可确认结构。
本研究使用 Structure Elucidator（SE）专家系统作为验证和修订错误结构的主要工具。其典型工作流为：将 1D/2D NMR 实验数据（13C、1H 化学位移，COSY、HMBC、HSQC 相关性）与 HRMS 确定的分子式输入程序，创建分子连接图（MCD）；程序基于 MCD 进行结构生成，用13C 化学位移预测对候选结构排序；最后按平均偏差 dA、dN、dI 升序输出。
结构生成提供两种模式：严格生成（假设所有 HMBC/COSY 相关均为标准长度 2–3 键）与模糊结构生成（FSG）（允许存在未知长度的非标准相关 NSC）。程序使用增量算法和神经网络算法预测化学位移，速度可达每秒 10–30 万个化学位移值。结构验证还有两种辅助模式：当文献未报道 2D NMR 数据时，可用 "create project for structure"（基于已知结构生成包含所有理论相关信号的 MCD）或 "cutting out a green fragment"（剪切出化学位移匹配良好的片段参与结构生成）。
DFT 计算在联合方法中承担三个任务：其一，当经验算法无法区分候选结构时，通过 DFT 化学位移计算验证正确结构；其二，当使用 FSG 时，通过 DFT 计算 nJCH（n > 3）耦合常数验证非标准相关；其三，在手性分子的结构修订中确定相对立体构型。
研究团队对 12 个曾通过全合成完成结构修订的天然产物案例进行了 CASE 回溯分析，结果汇总如下。所有案例均仅使用最初报道的 NMR/MS 数据：
| # | 化合物 | 结构修订 | 原证明方式 | CASE 结构生成（k → 过滤 → 去重，耗时 tg） |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Macahydantoin B | 1 → 2 | 全合成 | 1987 → 161 → 124，tg = 6 s |
| 2 | Clionastatin A | 3 确认为唯一结构 | ABC 三环 12 步合成 | 2 → 2 → 1，tg = 1 s |
| 3 | Pyrostatin B | 6 → 7（ectoine） | 文献数据比对 | 18 → 16 → 16，tg = 1 s |
| 4 | Madurastatin C1 | 9 → 12 | 片段合成比对 | 6672 → 712，tg = 2 min |
| 5 | Dichomitol | 13 → 15 | 全合成＋重新解析 | 2208 → 453 → 269，tg = 2 s |
| 6 | Samoquasine A | 16 → 17（perlolidine） | 近 20 年多轮全合成 | 182 → 94 → 73，tg = 4 s |
| 7 | Palmarumycin B6 | 19 → 20 | 全合成＋X 射线 | 13524 → 1050 → 209，tg = 30 s |
| 8 | Nocarbenzoxazole G | 22 → 23 | 全合成 | 552 → 72 → 22，tg = 4 s |
| 9 | Hetiamacin A | 24 → 25 | 全合成（AI-77-B 路线） | 172800 → 60，tg = 3 min 15 s |
| 10 | Uniflorine A | 27 → 30 | 9 步全合成＋X 射线 | 6674400 → 10296 → 13，tg = 6 min 30 s |
| 11 | Altechromone A | 34 → 35 | 类似物合成比对 | 396696 → 866 → 42，tg = 2 min 20 s |
| 12 | Aruncin B | 37 → 39 | 全合成 | 20918 → 10740 → 4556，tg = 12 s |
下文选取三个具有代表性的场景展开：全自动修订的完整流程、DFT 对立体化学的协同确认、以及缺乏 2D NMR 数据时的应对策略。
Qiu 等从马卡根（Lepidium meyenii）根部分离出具有新颖 1,3-二氮杂双环[3.3.1]-壬烷骨架的 Macahydantoin A/B。Macahydantoin A 的结构经全合成确认后，作者认为结构类似的 Macahydantoin B（1）也是正确的。随后 Zhou 等在分离骨架仅差一个甲氧基的 Macahydantoin C 时发现异常，通过全合成证明修订结构 2 才是正确的。
我们首先将原始结构 1 及其归属的 13C NMR 化学位移输入 SE 进行结构验证：分子右侧几乎所有的碳原子在预测值与实验值之间存在显著偏差（黄色标出），平均偏差达 7.76 ppm，提示该结构需要进一步检查。
随后将文献的 13C 化学位移及 HMBC、COSY 相关性输入程序，创建分子连接图（MCD），并以限制非标准相关数量为 1 的模糊结构生成（FSG）进行 CASE 计算：
CASE 计算结果：k = 1987 →（结构过滤）→ 161 →（去除重复）→ 124，tg = 6 秒。按 13C 化学位移预测对 124 个候选结构排序，排名前四的结构如下：
排名第一的结构与 Zhou 等提出并经全合成确认的修订结构 2 完全一致，且 DP4A(13C) 值达到 99.99%。值得注意的是，这次结构修订在自动模式下完成，没有任何用户干预，仅花费几秒钟计算。
Dichomitol（13）是 2004 年从白腐木属真菌 Dichomitus squalens 分离的新颖倍半萜。2006 年的全合成发现合成物与天然产物光谱差异显著；2011 年 Wei 等重新解析并提出修订结构 15。CASE 分析中，原始结构 13 的平均偏差未显示明显异常，但五元环四个碳的预测值超出可接受范围；随后基于原始数据的两轮模糊结构生成（允许两个未知 NSC）得到 k = 2208 → 453 → 269，tg = 2 秒，修订结构 15 以最低的平均偏差和接近 100% 的 DP4 参数排名第一。
为展示 CASE 与 DFT 的协同效应，研究者进一步对 dichomitol 进行了立体化学分析：分子包含 5 个手性中心，共 32 个可能的立体异构体（16 对对映异构体）。固定 C11 为 R 构型，对 16 个非对映异构体分别进行构象分析（Spartan'20，MMFF94）与 DFT 化学位移计算（Gaussian16），并按 Boltzmann 分布加权平均：
天然异构体 15a 具有最低的 1H 和 13C RMSD 值，且 CASE 中假设的两个非标准相关与 DFT 预测的 4JCH 耦合常数一致（−1.35 / −1.46 / −1.68 Hz）。该案例体现了DFT 使 CASE 对构型异构体的分析更为强大，并扩展了 CASE 解决立体化学问题的能力。
在研究的另一半案例中，文献并未报道 2D NMR 光谱数据。此时 SE 提供了两种应对策略——"cutting out a green fragment" 与 "create project for structure"。
Hetiamacin A 的原始结构 24 由光谱与化学方法确定，但五个手性中心的立体化学未定；后续通过从胃保护剂 AI-77-B 出发的多步全合成证明原始结构是错误的，并修正为结构 25。由于修正文献只给出了结构 25 的 1D NMR 数据，无法使用实验 2D NMR 进行结构生成，研究者使用了 "create project for structure" 模式——基于错误结构 24 创建包含所有理论上可能的 HMBC 连接信息的 MCD：
结构生成结果为 k = 172800 → 60，tg = 3 分 15 秒。CASE 排名将修正后的结构 25 排在第一位（原始结构 24 排在第 17 位）；由于前三结构的平均偏差非常接近，进一步对候选结构进行 DFT 分析，RMSD、max_dev 和 r 参数明确证明了结构 25 的正确性。需要说明的是，"create project for structure" 方法缺乏确定不正确相关长度的能力，不建议作为基于 CASE 的结构修订的常规工具。
Palmarumycin B6 的修订则展示了 "cutting out a green fragment" 技术：当原始结构中存在化学位移匹配良好的片段时，程序可将该"绿色片段"剪切出来并用于完整的结构分析。该案例（k = 13524 → 1050 → 209，tg = 30 秒）中，仅使用 1D 光谱即在前六候选中可靠识别出正确结构；进一步的 DFT 分析为最终确认提供了决定性证据：
NMR 在天然产物结构解析中起关键作用，但光谱信息本身存在局限：HMBC/COSY 中标准长度相关性（2–3 键）的不确定性、信号缺失导致的信息不完整、长相关（>3 键）的存在、信号重叠，以及专家解释中的主观性——人工解读仍可能将错误结构发表。本研究表明：
CASE+DFT 联合方法不仅减少了结构修订所需的人力和材料，还展示了如何预防性地阻止错误结构的发表。尽管全合成在天然产物结构阐明中仍将继续作为可靠手段使用，但对于结构修订这一具体任务，CASE+DFT 提供了一条显著更高效的路径。
凯美科提示：Structure Elucidator Suite 集结构生成、13C/1H 化学位移预测（HOSE/神经网络/增量三种算法）、模糊结构生成与 DP4 概率分析于一体，配合 DFT 计算可支撑从结构验证到立体化学确定的完整结构修订工作流。如您所在课题组遇到可疑的天然产物结构或需要结构修订支持，欢迎与我们联系，了解软件产品方案与技术合作。
