倍半萜类天然产物 Salvicatone A 的结构解析

鼠尾草属(Salvia genus)是唇形科中重要的一个属，囊括了逾千种植物，广泛分布于全球温带与热带地区。其中，部分种类在传统医学领域的应用历史源远流长。截至2011年，科研工作者已成功从134种鼠尾草属植物中分离出773种化合物。近十年来，对鼠尾草属的研究不断深入，科学家持续发现了更多结构新颖的独特化合物。

为了发掘这一植物种属中的新颖生物活性成分，沈阳药科大学研究团队^[1]对藏丹参的根和根茎进行了详尽的植物化学分析。他们研究发现了一对稀有的C₂₇-倍半萜烯醇异构体，即(±)-salvicatone A（1），这种化合物具有一个独特的五环结构，其碳骨架的排列模式为6/6/6/6/6。

文献作者通过两个阶段确定了该化合物的结构：在第一阶段，他们运用¹H/¹³CNMR、HMBC和COSY谱以及分子式，采用传统的结构解析方法来推断未知化合物的结构。在第二阶段，作者们利用ACD/Structure Elucidator(ACD/SE)软件套件来验证所提出的结构。基于软件构建分子连接图（MCD），并且假设分子中键的多重性最高为叁键。经过编辑的MCD如图1所示。在MCD中检查非标准相关性（NSCs）以确认所有HMBC和COSY的相关性均为标准长度（ⁿJ_{CH,HH, n}=2-3）。随后，所有原子的杂化状态根据所提出的结构1 进行设置。尽管MCD分析的结果表明如此，但在MCD中仍手动绘制了13个潜在的非标准相关，文章中并未对此决策及其导致结构生成时间增加的原因给出解释。为了减少程序计算量，两个苯环和一个羰基基团被人工定义（在MCD中手动绘制）。

图1. 分子连接图

经过严格的结构生成过程，21秒内产生了5591种结构，经过谱图筛选后保留了52种结构。使用ACD/Structure Elucidator提供的三种经验计算方法（HOSE算法-d_A；增量算法-d_I；以及神经网络-d_N）对每个候选结构的¹³C化学位移进行了预测，然后输出文件根据实验值与计算值之间¹³C化学位移的平均偏差（d_A）按递增顺序排列。排名前八的结构如图2所示。

图2. 输出文件中排名前八的结构

我们可以看到，ACD/SE软件计算得到的最佳结构与作者^[1]通过手动分析结合HMBC和COSY数据推断出的结构完全一致。作者利用基于密度泛函理论（DFT）的计算，确定了最可能的构象，其平均偏差（MAE）为1.31 ppm。这个MAE值对于正确结构来说是典型的，这证实了CASE答案的正确性。

ACD/Structure Elucidator软件为基于核磁共振（NMR）的结构解析提供了多种策略，研究人员可根据自身偏好选择最合适的方法。然而，一种经过大量案例验证并在教科书^[2]中详细描述的标准策略，在大多数情况下被认为最高效。在ACD/Labs网站上，可以找到超过一百个采用此策略成功解析的案例。基于此，我们遵循了文献^[1]中所描述的方法，应用了推荐的策略来复现解决方案。

文章中展示的1D NMR和关键的2D NMR相关性数据如表1所示，伴随着分子式C₂₇H₃₀O₄，被输入到Structure Elucidator中，软件自动创建了分子连接图（图3）。

表1. 化合物1的NMR数据

图3. 根据表1中NMR数据自动生成的分子连接图（MCD）

图4. 在甲醇中记录的化合物1的红外光谱片段

化合物1的红外光谱（图4）显示，在2000至2500 cm^-1的区域内没有吸收，这让人推测未知化合物不含有叁键。因此，在创建MCD的选项中，最大可能的键的多重性被设定为2。

在MCD上没有进行任何手动编辑，随后启动了严格的结构生成过程，其结果如下：

 图5. 排名靠前的输出结果

 图6. 排名前三的结构及其计算出的经验DP4概率

图7. 自动创建的MCD，假设分子中可能存在叁键。杂化状态未定义的碳原子用黑色标记。

在本案例中，我们成功地利用ACD/Structure Elucidator软件的全自动解析功能，迅速且无需人工干预地阐明了一种结构复杂的天然产物——Salvicatone A的化学结构，该化合物特征性地拥有一个6/6/6/6/6五环碳骨架。在解析结果中，我们获得了包括¹³C NMR化学位移归属信息在内的详细结构信息，具体结构如下所示。

参考文献：