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计算机辅助解析天然产物 Myrtinol E 的结构

Backhousia myrtifolia - cinnamon myrtle - a photo on Flickriver

桃金娘科植物 硬木香桃叶 (Backhousia myrtifolia)是一种原生于澳大利亚东部亚热带雨林的小型乔木。该植物最初由澳大利亚原住民发现并利用,其叶片传统上被用于缓解婴儿肠绞痛症状。该物种以其芳香精油而闻名,具有类似肉桂的香气,并表现出抗菌和抗真菌特性。

Radju及其研究团队[1]在寻找新型抗炎分子的过程中,对B. myrtifolia叶片进行了深入研究,成功分离鉴定出六种新型peltogynoid类黄酮化合物以及三种已知化合物。

其中一种新化合物被命名为Myrtinol E (1)。

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Myrtinol E (1) 为黄色固体化合物。通过高分辨电喷雾电离质谱(HR-ESI(-)MS)分析确定其分子式为C₂₀H₂₀O₇。本研究采用ACD/Structure Elucidator软件对该化合物结构进行重新解析。

参考文献[1]中提供的核磁共振数据(包括HSQC、HMBC、COSY和NOESY二维谱)详见表1。

表1. Myrtinol E的核磁共振波谱数据

在开展计算机辅助结构解析前,我们首先验证了原文献中结构1的正确性。利用软件内置的三种¹³C化学位移预测方法对结构1进行计算验证,结果如图1所示。

在开展计算机辅助结构解析前,我们首先验证了原文献中结构1的正确性。利用软件内置的三种¹³C化学位移预测方法对结构1进行计算验证,结果如图1所示。

图1. Raju等[1]提出的Myrtinol E (1)结构式。

图1. Raju等[1]提出的Myrtinol E (1)结构式。

采用HOSE算法、神经网络算法及增量法对该结构进行13C化学位移预测,三种方法测得的13C化学位移平均偏差分别标记为dA、dN和dI。各原子按实验值与计算值的差异进行颜色标注:绿色表示差异在0-3 ppm之间,黄色表示差异在3-15 ppm之间。

通过计算谱与实验谱的平均偏差分析,我们发现这些数值尚不足以完全确认该结构的准确性。为进一步验证,我们系统性地对比了实验测得的13C化学位移与HOSE算法计算值(表1中dC与dCcalc(HOSE)列)。分析结果表明,结构中存在两组需要关注的化学位移对:(134.9/148.8)和(118.4/128.4)。基于HMBC相关峰提供的结构约束条件,这些信号位点可能存在互换关系。这一结构假设将通过Structure Elucidator的自动解析流程进行系统性验证。

研究团队将Myrtinol E的分子式(C20H20O7)及表1提供的完整波谱数据集导入系统后,程序自动构建了分子连接图(Molecular Connectivity Diagram, MCD)(图2)。该图通过不同颜色标注原子杂化状态,并识别出关键的长程耦合关系(如nJCH,n>3),为后续结构解析提供了可视化分析基础。

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图2. Myrtinol E的分子连接图(MCD)
碳原子杂化状态通过颜色标记:sp2杂化(紫色)、sp3杂化(蓝色)、非sp杂化(浅蓝色)。程序对碳原子标注的"ob"(必须)和"fb"(禁止)表示其与杂原子的连接约束。HMBC相关峰用绿色箭头标示,COSY相关峰则用蓝色箭头标示。

经MCD一致性检查确认,所有二维核磁数据均无矛盾。随后启动严格结构生成流程并同步进行13C化学位移预测,得到如下结果:

  • 候选结构总数 k:2188个 → (结构过滤) → 32个 → (去重处理) → 8个

  • 总耗时 tg:12秒

输出文件中的结构按计算谱与实验谱的偏差值升序排列,结果展示于图3。

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图3. 结构排序输出结果。
采用HOSE算法、神经网络算法及增量法对13C化学位移进行预测,三种方法的平均偏差值分别标记为dA、dN和dI。各原子按实验值与计算值的差异进行颜色标注:绿色表示差异在0-3 ppm之间,黄色表示差异在3-15 ppm之间。

分析显示,文献[1]提出的结构位列第二,而结构#5至#8可予以排除。为确定最优结构,需进一步补充验证数据。在此情况下,可参考此前未用于结构解析的NOESY数据(表1),其相关峰信息如图4所示。

图4. 输出文件中排名前四的结构候选。

图4. 输出文件中排名前四的结构候选。

NOESY相关峰以棕色箭头标示。

从图中可见,仅结构#2能完全满足观测到的NOESY相关峰。该结构与文献[1]提出的结构基本一致,但需对前文所述的两组13C化学位移值(134.9/148.8与118.4/128.4)进行位置互换。这一调整在现有HMBC相关峰(图5)的约束范围内具有合理性。

图5. 结构#2的13C化学位移归属结果。

图5. 结构#2的13C化学位移归属结果。

HMBC与COSY相关峰分别以绿色和蓝色箭头标示。

进一步对结构#1和#2进行DP4概率分析,计算结果如图6所示,证实结构#2的正确性。

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图6. 结构#1与#2的DP4概率计算结果

通过计算分析,我们确认了文献[1]提出的结构1基本正确,但同时发现其中两对化学位移归属存在偏差。这一偏差源于原文[1]在报道新结构时,未通过经验方法或DFT计算对化学位移进行充分验证。

值得注意的是,与结构1 相似的Myrtinol A结构中,同样需要对两对13C化学位移(134.9/148.8与118.4/128.4)进行重新归属。

参考文献:
1、S. Mathew, K. Zhang, X. Zhou, R. Raju. (2023). Myrtinols A–F: New Anti-Inflammatory Peltogynoid Flavonoid Derivatives from the Leaves of Australian Indigenous Plant Backhousia myrtifolia. Molecules, 28, 2160. https://doi.org/10.3390/molecules28052160