18-降单萜类吲哚生物碱 Tabernaecorymine A 的结构解析

Fitoterapia . 2022 Mar;157:105129. 

doi: 10.1016/j.fitote.2022.105129. 

图1. 化合物1(Tabernaecorymine A)的结构

   化合物1的样品为白色粉末状，通过高分辨质谱数据(m/z 337.1513 [m+H]⁺)推断其分子式为C20H20N2O3，其不饱和度为12。化合物1的核磁共振(NMR)数据如表1所示。

表1. 化合物1的核磁共振数据

   紫外光谱显示在196和298 nm处有最大吸收，提示化合物的结构存在吲哚结构。红外光谱提示该结构存在碳基(1675 cm−1)、-NH基团(3428 cm−1)和芳香环(1609、1432 cm−1)。

  ¹H NMR谱(表1)显示，在δH 3.77 (s, H-COOCH3)处有一个甲氧基，在δH 8.72 (s, H-19)处有一个醛基，以及四个芳香质子δH 7.43 (d，J = 7.54 Hz, H-9), 6.95 (td, J = 7.54, 1.34 Hz, H-10), 7.23 (td, J = 7.54, 1.34 Hz, H-11), 7.02 (d, J = 7.54 Hz, H- 12)。连同1H–1H COSY谱中δH 7.43 (H-9)/6.95 (H-10)/7.23 (H-11)/7.02 (H-12)的相关信号(图1)，以及从δH 7.43 (H- 9)到δC 58.4 (C-7) HMBC相关峰提示存在一个吲哚环(环A和环B)。

   化合物1的13C NMR和DEPT表明共有20个碳信号(表1)，除了8个吲哚碳信号(δC 165.6、145.5、136.8、129.9、122.6、122.1、111.2、58.4)，还余下12个碳信号：一个甲氧基(δC 51.7)，四个亚甲基(δC 52.9、45.5、25.5、23.1)，四个次甲基(δC 188.1、156.6、63.3、33.8)，以及三个季碳原子(δC 169.6、109.3和96.0)。分析NMR数据表明化合物1可能是单萜吲哚生物碱类化合物，但与一般单萜吲哚生物碱骨架相比缺少一个碳原子。

   在化合物1的HMBC谱图中(图2)，δH 4.21 (d, H-3)与δC 58.4 (C-7)和136.8 (C-8)的相关性表明次甲基δC 63.3 (C-3)与C-7相邻。δH 4.21 (H-3)与1.86 (H-14)在1H−1H COSY谱中的相关信号，连同HMBC谱中从δH 4.21 (H-3)到δC 25.5 (C-17)，以及从δH 2.44 (1H, m, H-17a)到δC 165.6 (C-2)和96.0 (C-16)的相关信号建立了环己烯C环。同时，由HMBC中δH 2.44 (Ha-17)到δC 169.6 (-COOCH3)的相关峰，以及δH 3.77 (-COOCH3)和δC 169.6之间的HMBC相关峰表明在C-16处存在一个甲酯片段(-COOCH3)。δH 3.80 (Hb-5)与δC 63.3 (C-3)的HMBC相关峰表明是与氮(N-4)相邻的C-3和C-5信号。此外，1H−1H COSY中δH 3.94 (Ha-5)与δH 1.97、1.90 (H2-6)的相关峰，以及HMBC中从δH 1.90 (Ha-6)到δC 58.4 (C-7)、63.3 (C-3)和136.8 (C-8)的相关峰建立了吡咯环D。

图2. 化合物1主要的HMBC、COSY和ROESY相关信号

为满足其分子式和不饱和度(12)，还需要一个醛基(δC 188.1，δH 8.72)、一个烯烃(δC 156.6, 109.3)和一个以上的环状结构。从芳烃氢δH 7.60 (H−21)到δC 63.3 (C-3)和52.9 (C-5)，以及从δH 3.80、3.94 (H2-5)到δC 156.6 (C-21)的HMBC相关信号分析，异常往低场偏移的甲烷信号δC156.6、δH 7.60应该与杂原子N4相连。结合这些关键的相关信号, HMBC谱中δH7.60 (H-21)与δ C 109.3 (C-20)和23.1 (C-15)相关,，1 H−1 H COSY谱中δH 1.86 (H-14)和2.39 (Hb-15)相关，这提示了二氢吡啶环的存在(环E)。最后，从甲酰基氢δH 8.72 (H-19)到δC 23.1 (C-15)、109.3 (C-20)和156.6 (C-21)的HMBC相关性表明，醛基侧链位于C-20。

由于分子中存在重叠的氢信号（δH=1.86, H-14, H-17b），以及不常见的(E)-3-氨基丙烯醛共轭片段，为了进一步确定其平面结构，作者采用了计算机辅助结构解析(CASE)算法进行解析。ACD/structure elucidator (ACD/SE)是一个功能强大的CASE专家系统，能够根据化学规则和化学常识自动快速地计算出最可能的结构。近年来，越来越多的天然产物化学研究工作使用CASE算法对结构进行修正和识别。

首先，我们把化合物1的NMR谱图(包括1D NMR、2D NMR)及其分子式信息输入到ACD/SE软件进行处理、分析。ACD/SE自动生成分子连接图(MCD)，在此我们并没有对MCD进行人为定义编辑，如图3所示。在生成的MCD图中，原子的杂化状态以不同的颜色标识：sp3 -蓝色，sp2 -紫色，未定义-黑色。同事，连接线的颜色标识为：绿色-HMBC相关，蓝色-cosy相关，紫色-nJHH和nJ_CH (n > 3)非标准相关，重叠的氢和碳信号用虚线表示模糊相关。

图3. 化合物1的分子连接图(MCD)

   在ACD/SE软件的解析过程中，软件会利用三种经验方法(HOSE算法,增量算法以及神经网络算法）对候选结构进行碳谱化学位移预测，用这些方法预测的13C化学位移平均偏差分别记为dA、dI、dN; 当平均碳化学位移值偏差> 4 ppm或单个碳原子化学位移值偏差> 20 ppm阈值标准时，软件会对生成的结构进行过滤排除。所生成的结构在实验和计算的化学位移之间的13C化学位移的平均偏差(dA)按升序排列。 

   ACD/SE在生成MCD图后进行结构生成操作，共生成104个结构，最终3个候选结构被保留，该过程的计算时间仅需3秒！(k = 104→3→3,tg = 3 s)。排名第 1的结构与我们分析确定的结构一致，匹配因素(MF)分别是(d_A = 2.047, d_N = 2.190和d_I = 1.910), 因此，我们通过CASE算法进一步确定了化合物1的平面结构(图4)，化合物1结构被确认为含有共轭(E)-3-氨基丙烯醛片段的18-降单萜吲哚生物碱。

图4. ACD/SE生成的排名前三的结构式

软件会对生成的结构进行不同颜色标注，表示13C化学位移预测的准确性：绿色:d≤3ppm，黄色:3 < d≤15ppm(图4)。

  化合物1的立体结构是基于ROESY谱图进行确证(图2)。在分子模型中，δH 7.43 (H-9)/ 1.90 (Ha-6)、7.43 (H-9)/ 3.94 (Ha-5)、7.43 (H-9)/ 4.21 (H-3)、3.94 (Ha-5)/ 4.21 (H-3) 和 4.21 (H-3)/ 2.39 (Ha-15)的NOE相关确定了它们在分子吡咯环(D环)同侧。故δH 3.80 (Hb-5)和1.97 (Hb-6)位于吡咯环D的另一侧并暂为α-构型。同时，ROESY谱图中δH 4.21 (H-3)/ 1.86 (H-14)的强相关性表明H-3和H-14位于吡啶环E环同侧；H-3和H-14的偶合常数(J3, 14 = 3.67 Hz)，以及H-14和Ha-15的偶合常数(J14, 15a = 4.69 Hz)进一步确证了这种构型。随后，δH 3.80 (Hb-5)/ 7.60 (H-21)、7.60 (H-21)/ 1.86 (Hb-17)和1.86 (Hb-17)/1.97 (Hb-6)的NOE相关信号表明这些质子位于同侧，均为α-构型。因此，化合物1的相对构型为3R*, 7S*, 14R*。

图5. 化合物1的实验和计算ECD谱

   为了进一步确定化合物1的绝对构型，作者使用电子圆二色谱(ECD)和NMR密度泛函理论(DFT)计算予以确证。ECD采用B3LYP/6-31G (d, p)水平的时间依赖性密度泛函理论(TD-DFT)计算。比较1及其对映异构体ECD光谱，表明1的构型为3R, 7S, 14R时与实验数据一致(图5)。进一步在mPW1PW91/6-311+G (2d, p)能级和IEFPCM模型下，采用Gauge-Including Atomic Orbitals (GIAO)方法进行13C NMR化学位移计算为其绝对构型的确证提供证据。13C NMR数据的计算值和实验值之间的线性回归分析相关系数R2为0.9990，平均绝对偏差(MAD)为1.21 (图6)。因此，化合物1的绝对构型为3R, 7S, 14R，命名为tabernaecorymine A。

图6. 化合物1实验与计算13C NMR回归分析

  化合物1的生源前体可追溯到iboga型生物碱catharanthine，它是Tabernaemontana属植物的主要成分(图7)。首先，catharanthine前体可通过C16-C21键断裂生成衍生物A。然后在酸性条件下，通过异构化/跨环Pictet-Spengler反应得到pseudotabersonine (C)。随后，通过烯烃迁移、氧化和脱水形成含(E)-4-氨基丁二烯片段的中间体(F)，再进一步通过氧化和降碳得到化合物1。

图7. 化合物1可能的生源合成途径