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天然产物 Afzeliindanone 的结构修正

Uvaria afzelii Scot Elliot是一种生长在非洲西部地区的灌木,属于番荔枝科。长期以来,它作为传统药物被人们使用,其茎的乙醇提取物具有抗菌活性,研究人员从该提取物中分离出几种化合物。2009年,Okpekon等人[1]报道了从该乙醇提取物种分离出一种比较少见的茚酮类化合物,将其命名为afzeliindanone(1),所报道的结构如下图所示。
天然产物 Afzeliindanone 的结构修正

结 构 1

如果结构解析没问题的话,这是从植物中分离出的第一个1-茚酮类化合物。作者[1]通过一维和二维核磁共振谱(HSQC, HMBC和COZY)确定其结构,并通过NOESY相关性进行确认。然而,Rita等人 [2] 使用图1所示的步骤合成了文献 [1]所报道的afzeliindanone结构。
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图1.文献[1]所报道的afzeliindanone结构的合成路线

Rita等人 [2] 发现,合成的目标结构的1H NMR和13C NMR谱图数据与文献[1]报道的天然产物afzeliindanone有显著的差异。虽然-CH2CH2-部分和甲氧基相关的信号一致性较好,但芳香族环的信号相关性较差。因此,作者认为文献[1]对天然产物afzeliindanone的结构解析有误。直到最近,在Elyashberg发表的一篇文章[3]中,afzeliindanone真正的结构得以正确阐明。
在本案例中,我们将afzeliindanone的分子式(C16H14O3)和由Okpekon等报道的NMR数据输入到ACD/Structure Elucidator (ACD/SE)软件中,通过ACD/SE对天然产物afzeliindanone的结构进行解析。
NMR数据如下表所示:
天然产物 Afzeliindanone 的结构修正
我们将结构1和其对应的13C化学位移信息输入到ACD/SE软件中,并使用ACD/SE常用的三种算法(增量法、神经网络和HOSE算法)进行13C化学位移预测。图2显示了这些计算的结果。
天然产物 Afzeliindanone 的结构修正

图2. 由Okpekon等[1]提出的afzeliindanone(1)结构。

基于HOSE算法、神经网络和增量方法对该结构进行13C化学位移预测。用这些预测结果计算得到的13C化学位移平均偏差分别记为dA、dN和dI。每个原子都被着色,以标记其实验和计算的13C化学位移之间的差异。绿色代表0到3ppm之间的差异,黄色是表示3到15ppm,红色是表示误差大于15ppm。红色箭头表示非标准的HMBC相关关系(NSC) -长度超过三个化学键的相关关系(nJCH, n>3)。

从图2可以看出,计算的化学位移与实验位移的平均和最大偏差(max_d)非常大,这是Okpekon等[1]提出的结构不合理的证据。如果Okpekon等[1]用ACD/SE中至少一种经验算法计算出13C化学位移,他们会立即意识到结构是错误的。此外,为了说明结构1,需要在HMBC的谱中允许三个非标准的HMBC相关关系(NSC)的存在(见图2),这对于这样的结构来说是不太可能的。

为了确定afzeliindanone的正确结构,我们利用了ACD/SE的CASE算法功能。使用表1中的数据,我们通过RUANJIAN 创建了分子连接图(MCD)(见图3)

天然产物 Afzeliindanone 的结构修正

图3. afzeliindanone的分子连接图(MCD)

碳原子的杂化状态通过不同的颜色标记:sp2—紫色,sp3—蓝色,非sp (sp2或sp3)—浅蓝色。标签“ob”和“fb”分别表示:必须为与杂原子相邻是的(ob)或禁止相邻的(fb)碳原子。HMBC连接用绿色箭头表示,而COSY连接用蓝色箭头表示。模糊连接用虚线标记。

MCD分析表明2D NMR数据中没有任何矛盾。因此,我们让软件执行“严格结构生成”,然后通过增量法和人工神经网络算法进行13C化学位移预测。所有产生的结构均通过ACD/SE的光谱和结构过滤标准进行滤过。
结果:k=25→(过滤)→3→(去除重复)→3,tg = 1s,其中k为结构数,tg为处理器时间。
按平均偏差降序排列的输出结构文件如图4所示。
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图4. 输出文件以δA(13C)值降序排列

从图4中我们可以看到,结构#1的13C化学位移偏差是最小的,应该最可能的结构。另外,通过计算三种13C化学位移预测方法的DP4概率,也验证了该结构的合理性。而文献[1]提出的结构1并没有被软件生成,因为它包含三个NSC HMBC关联(见图2)。

为了进一步验证结构#1是最合理的,而不是文献[1]提出的结构1,我们让ACD/SE软件执行“模糊结构生成(FSG)”的选项(允许存在三个NSCs)。

结果:k=63,139→(结构过滤)→1,016→(重复去除)→363,tg = 9 min。

结果表明,结构#1再次排名第1位,而结构1在dN(13C)值排序的文件中位于第113位!

根据文献[4]中提出的方法,文献[3]通过基于DFT方法对结构1和#1的13C化学位移进行计算,最终确定最佳结构。使用DFT选项DU8+。计算结果如下:

Structure #1: RMSD = 1.19 ppm, MAE = 0.89 ppm.

Structure 1: RMSD =5.92 ppm, MAE = 5.26 ppm.

因此,通过CASE算法和DFT方法的联合应用,明确确定了afzeliindanone的正确结构。

afzeliindanone的正确结构的13C化学位移归属如下所示。

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参考文献:

1、T. Okpekon, M. Millot, P. Champy, C. Gleye, S. Yolou, C. Bories, P. Loiseau, Laurens, R. Hocquemille. (2009). A novel 1-indanone isolated from Uvaria afzelii roots. Nat. Prod. Res., 23(10), 909–915. 10.1080/14786410802497240

2、R. Rita, M. H. bin Abdul Rahman, S. S. M. Chong, R. W. Bates. (2020). Synthesis of the Proposed Structure of Afzeliindanone, Synlett, 31, 1479–1481. 10.1055/s-0040-1707470

3、M. Elyashberg, I. M. Novitskiy, R. W Bates, A. G. Kutateladze, C. M. Williams. (2022). Reassignment of Improbable Natural Products Identified through Chemical Principle Screening. European J. Org. Chem., e202200572, https://doi.org/10.1002/ejoc.202200572

4、A.V. Buevich, M. E. Elyashberg. (2018). Towards unbiased and more versatile NMR-based structure elucidation: A powerful combination of CASE algorithms and DFT calculations. Magn. Reson. Chem., 56, 493–504. https://doi.org/10.1002/mrc.4645