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天然产物 Wheldone 的结构修订

Oberlies等[1]通过构建Aspergillus fischeri (NRRL 181)与Xylaria flabelliformis (G536)的真菌共培养体系,成功分离获得一个结构新颖的天然产物Wheldone (A)。研究人员综合运用一维和二维核磁共振技术,结合质谱分析,完成了该化合物的结构鉴定。活性测试表明,Wheldone (A)对乳腺癌、卵巢癌和黑色素瘤细胞系均表现出显著的细胞毒活性。

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A

基于文献数据,本案例采用Structure Elucidator Suite软件对化合物 A进行结构解析验证。该化合物呈白色无定形粉末状,其分子式经高分辨电喷雾电离质谱(HR-ESI-MS)测定为C25H34O6,并通过1H NMR、13C NMR、HSQC(经编辑的)及HMBC等核磁共振数据进行系统确证。相关核磁共振数据详见表1。

表1. Wheldone的核磁共振波谱数据[1]
将上述数据输入软件后,程序自动生成了如图1所示的分子连接图(Molecular Connectivity Diagram,MCD)。

将上述数据输入软件后,程序自动生成了如图1所示的分子连接图(Molecular Connectivity Diagram,MCD)。

图1. Wheldone的分子连接图(MCD)

图1. Wheldone的分子连接图(MCD)

碳原子杂化类型通过相应颜色标注:sp2杂化-紫色,sp3杂化-蓝色。程序对碳原子标记的"ob"和"fb"分别表示必须(obligatory)或禁止(forbidden)与杂原子相连。HMBC相关信号由绿色箭头标示。化学位移208.7处的C=O键为手动绘制。

完成MCD中HMBC数据的矛盾性检查后,系统提示:"检测到至少1个非标准连接",表明HMBC谱图中存在跨越三个以上化学键的长程相关信号。根据程序建议,我们采用模糊结构生成(Fuzzy Structure Generation, FSG)方法[2]进行处理。系统自动选择参数,执行FSG结合13C化学位移计算,整个结构生成过程仅耗时5秒,经过筛选后最终获得36个候选结构(初始生成97个结构)。

随后,我们运用Structure Elucidator软件内置的三种算法(HOSE算法、神经网络算法和增量法)对所有候选结构进行13C化学位移预测。根据预测化学位移与实验值的平均偏差进行排序,最终筛选出最优的六个候选结构如图2所示。

图2. 输出文件中排名前六位的候选结构

图2. 输出文件中排名前六位的候选结构

13C化学位移预测采用三种方法:基于HOSE算法、神经网络算法和增量法。各方法计算所得13C化学位移的平均偏差分别标记为dA、dN和dI。各原子按其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>3-15 ppm,红色>15 ppm。红色箭头指示程序在模糊结构生成过程中检测到的非标准HMBC相关信号。

最优结构(编号#1)在所有三种计算方法中均表现出最小的平均偏差值。然而,基于HOSE算法对5号碳原子化学位移的预测值与实验值存在20 ppm的显著偏差(该原子标为红色),而其余原子的预测值与实验值均高度吻合。经分析发现,HOSE计算的后台数据库中缺乏足够的结构片段来精确计算5号原子的化学位移——现有数据库仅能提供2层球面(shell)内的相似结构片段,导致预测结果存在较大不确定性。

为验证结构#1的正确性,我们对图2所示的六个候选结构进行了DP4概率分析。

图3. 结构正确性概率分析

图3. 结构正确性概率分析

图中DP4A、DP4N和DP4I分别表示程序基于不同算法计算得到的结构正确概率:DP4A对应HOSE算法,DP4N为神经网络算法,DP4I代表增量法。

图3数据显示结构#1的正确性概率达到100%。但该结构中存在的"红色标记原子"(化学位移预测偏差超过15 ppm)表明仍需通过补充实验或DFT化学位移计算进行进一步验证。值得注意的是,文献作者最初提出的结构A[1]并未出现在本次结构生成结果中。

图4对比展示了结构A与结构#1的差异。可以看出,结构A包含多达6个非标准HMBC相关信号,而结构#1仅存在1个此类信号。文献作者[1]在推导结构A时放宽了对HMBC相关信号长度的限制。由于Structure Elucidator软件[2]默认将HMBC相关信号严格限定在2-3个化学键范围内,这一算法设置导致结构A无法被自动生成。

图4. 结构A与结构#1中的非标准HMBC相关信号对比

图4. 结构A与结构#1中的非标准HMBC相关信号对比

为验证结构A的合理性,我们将其分子结构输入Structure Elucidator程序进行13C化学位移计算。如图5所示,三种计算方法(HOSE算法、神经网络法和增量法)均显示出显著的化学位移偏差(平均偏差>15 ppm),这一系统性偏差充分证明该结构存在根本性错误。值得注意的是,若研究者在结构解析阶段进行此类计算化学验证,应当能够及时发现其结构假设的缺陷。

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图5. 候选结构A的13C化学位移预测结果对比

研究团队在后续研究中[3]对结构A进行了修正,并最终确证了结构#1的正确性。此次研究结合HMBC和1,1-HD-ADEQUATE实验数据,辅以DFT计算的NMR化学位移预测和晶体学分析,多维度验证了结构#1的可靠性。

修正后的wheldone结构及其13C化学位移归属如下所示:

本案例研究充分证明了利用快速经验方法进行NMR化学位移预测对验证结构假设的重要性。通过实证分析可见,这类验证在绝大多数情况下能够有效避免错误结构的推导与发表。

本案例研究充分证明了利用快速经验方法进行NMR化学位移预测对验证结构假设的重要性。通过实证分析可见,这类验证在绝大多数情况下能够有效避免错误结构的推导与发表。

参考资料:

1. Knowles, S. L.; Raja, H. A.; Isawi, I. H.; Flores-Bocanegra, L.; Reggio, P. H.; Pearce, C. J.; Burdette, J. E.; Rokas, A.; Oberlies, N. H. Wheldone: Characterization of a Unique Scaffold from the Coculture of Aspergillus fischeri and Xylaria flabelliformis. Org. Lett. 2020, 22, 1878−1882.

2. M.E. Elyashberg, A.J. Williams. Computer-based Structure Elucidation from Spectral Data. The Art of Solving Problems. Springer, Heidelberg, 2015, 454 p. https://www.springer.com/978-3-662-46401-4

3. M. Rangel-Grimaldo, C. E. Earp, H. A. Raja, J. S. Wood, L. Mardiana, K. L. Ho, A. Longcake, R. T. Williamson, L. Palatinus, M. J. Hall, M. R. Probert, N. H. Oberlies. Wheldone Revisited: Structure Revision Via DFT-GIAO Chemical Shift Calculations, 1,1-HD-ADEQUATE NMR Spectroscopy, and X‑ray Crystallography Studies. J. Nat. Prod. 2024, 87, 8, 2095–2100