咨询方案

药物起始原料杂质结构解析:C 谱检索、NMR 归属与 MS 验证联合作证

这是一个来源于药物起始原料有关物质解析的真实案例。客户提供的数据仅包括 NMR 和 MS 相关谱图,其中 NMR 包括 1H、13C、HSQC、COSY、HMBC、DEPT 等常规谱图,未提供起始物料的任何结构信息。本文完整记录"谱图特征分析 → 数据库检索 → 结构修正 → 多轮谱图归属 → MS 验证"的解析全过程。

解析思路

由于客户未提供起始物料信息,解决问题的思路分四步:

  1. 初步分析 13C 谱图中一些特征性峰;
  2. 用 13C 谱检索数据库,期望发现有用线索;
  3. 结合检索结果和 NMR 谱图特征推断结构式;
  4. 考察推断的结构式与 MS 谱图吻合度。

第一步:初步分析 13C 谱

该有关物质的碳谱并不复杂,仅有 9 个峰。低场区域有两个峰,位置分别为 154 和 165 ppm,此位置通常为羰基碳;80 ppm 左右有一个碳谱峰,通常为连接杂原子的 sp3 杂化碳原子;28 ppm 有一较大的碳谱峰,通常为脂肪族碳原子。结合积分值,可初步判断该化合物中大概含有磁等价片段。

该有关物质的 13C 核磁共振碳谱:低场 154/165 ppm 两个羰基峰,高场多个脂肪族碳峰
该有关物质的 13C 谱(CDCl3,TMS 内标)

第二步:13C 谱检索数据库

使用碳谱图检索 Structure Elucidator Suite 内部 NMR 实验数据库与 PubChem 第三方预测数据库,检索参数如下:

13C 谱数据库检索参数设置:匹配因子阈值、碳个数偏差容差与化学位移容差等选项
检索数据库参数设置

检索时排除碳谱平均偏差 2 ppm 以上的结构;允许检索到的结构碳个数与实验碳个数偏差 ±1(以考虑杂峰与未采集出的谱峰影响);允许软件考察碳峰对应氢谱峰的化学位移(HSQC 信息);允许单个碳谱峰化学位移最大偏差为 5 ppm。检索完成后共得到 12 个命中结构:

12 个命中结构列表:每个结构标注 13C 谱平均偏差 dE,编号 1 至 12
碳谱检索数据库得到的 12 个命中结构,dE(13C) 为结构碳谱与实验碳谱的平均偏差

接下来依次查看每个结构的碳谱与实验碳谱的偏差情况,其中第 8 个和第 12 个结构需要仔细观察:

第 8 个命中结构与实验碳谱对比:上为命中结构碳谱,下为实验碳谱,碳峰按类型着色
第 8 个命中结构与实验碳谱的对比(紫色为季碳,绿色为 CH,蓝色为 CH2,青色为 CH3)
第 12 个命中结构与实验碳谱对比:低场两个碳峰与实验谱吻合,高场区基本一致
第 12 个命中结构与实验碳谱的对比

第 8 个命中结构右侧高场区碳的类型和化学位移与实验结构基本相同;左侧高场区域实验结构中应含有两种羰基,而命中结构只有一个 Boc 羰基,且该 Boc 羰基的化学位移与实验碳谱高度吻合,因此可初步判定其含甲基哌嗪连 Boc 片段。第 12 个命中结构低场区有两个碳与实验碳谱比较吻合,高场区也基本一致,同样含哌嗪连 Boc 片段。两个检索结果与人工分析碳谱的结论基本吻合,可考虑将这两个结构向实验的 2D 谱图信号进行归属。

第三步:结构修正与 NMR 归属

归属时发现两个结构都不能做完全归属——化合物中应不含 BF3 片段(碳谱均为单峰),因此需要结合两个结构对结构进行修正。将修正的结构式与实验谱图信号作归属,结果如下:

修正后结构与实验谱图信号归属结果:二维相关信号与化学位移检查均吻合
修正后的结构与实验谱图信号归属结果(不同颜色连接线表示不同类型 2D NMR 信号)

由归属结果看,所有 2D NMR 信号基本吻合,氢碳化学位移也基本吻合(结构式上不同色块显示化学位移检查情况,所有原子基本均为绿色)。接下来需要结合 MS 结果考察此结构的正确性。

MS 谱图的考验

该化合物的 HRMS 谱图如下:

该化合物的 HRMS 谱图:ESI+ 模式,主要峰位于 m/z 449.2733 与 427.2908
该化合物的 HRMS 谱图(ESI+)

检查发现初步推断的结构式存在很大问题,与 MS 结构严重不符。且该化合物的 MS 谱图中存在多个大于 244 的峰,最大的峰 449 大致为 244 的两倍,因此需要首先考虑结构中是否有重复对称片段。

初步推断的结构式:含单个 Boc 保护哌嗪片段的非对称结构
初步推断的结构式

再次检查碳谱情况:考察所有碳谱谱峰的积分值后发现,低场区两个碳的积分值并不一致——积分值为 0.45 的碳谱峰初步推测为结构中 Boc 羰基,积分值为 0.29 的碳谱峰为哌嗪另一侧羰基。因此可考虑进一步修正结构式,将 Boc 甲基哌嗪对称后相连接。

碳谱高场区积分值:低场两个羰基碳积分分别为 0.45 与 0.29
碳谱高场区积分:两个羰基碳积分值不一致(0.45 与 0.29)

再次修正与最终确证

将再次修正后的结构式与 NMR 谱图信号进行归属,考察归属情况:

再次修正后的对称结构与 NMR 谱图信号归属结果:化学位移与二维相关信号均吻合
再次修正后的结构式与 NMR 谱图信号归属结果

归属结果发现,无论化学位移还是所有 2D 谱图信号的相关连接均吻合。接下来进一步复核 MS 的归属情况——使用 MS Fragmenter 对 MS 谱图进行自动归属,结果如下:

使用 MS Fragmenter 对 MS 谱图自动归属的结果:各级碎片结构在谱图上完成标注
使用 MS Fragmenter 对 MS 谱图进行归属后的结果

该化合物的分子离子峰为 427,MS 谱图上主要的碎片离子均能有效归属,因此最终确定再次修正后的结构为正确结构。由于化合物结构中含有两个 Boc 片段,MS 谱图中出现较多的 100、56 中性丢失,这些均为 Boc 片段在 MS 谱图中的特征碎裂峰。

结构修正过程示意:由两个候选片段构建对称化最终结构
结构修正过程示意:据两个候选片段构建对称化结构

思路总结

本案例的解析路径为:通过分析化合物碳谱特征和碳谱数据库检索发现两个候选结构式;结合两个候选结构式经 NMR 谱图初步修正结构式;与 MS 谱图验证发现不符后,再次考察碳谱积分和 MS 信息,将结构修正为对称化结构;最终与 MS 谱图进行归属验证,确认再次修正的结构为正确结构。整个过程中,碳谱数据库检索大幅缩小候选范围,而 MS Fragmenter 的碎片预测与自动归属为最终结构提供了决定性佐证。

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本文整理自凯美科公众号文章,配图取自原文。原文中的推荐链接、二维码与推广信息已按站内统一规范移除。