3.4 挑战任务4

“未知物”的结构如下：

在此次挑战中，¹³C NMR 谱图中仅能明确观察到六个信号。由于分子式中包含11 个碳原子，通过仔细检查¹³C NMR 谱图，可以识别出另外三个非常微弱的信号，分别位于140.5、148.4 和165.9 ppm，这些信号来自季碳（表3.5）。

表3.5. 挑战4：推断分子式事实数据（Factual Data）结论（Conclusions）

质谱（MS）

- [M]⁺ = 221氮原子数量为奇数（nN = 1、3 或5...）

- 无[M+2]峰硫（S）元素不存在- 无氯（Cl）、溴（Br）同位素模式氯（Cl）、溴（Br）元素不存在核磁共振（13C NMR）

- 未观测到氟（F）的多重峰氟（F）元素不存在- 6 个信号（含2 组等价CH 基团）最小碳原子数=8（提示1,4-芳环取代模式）

红外光谱（IR）

- 1,518 cm⁻¹、1,342 cm⁻¹（极强）硝基（NO2）可能存在- 3108、3080、1599、1505 cm⁻¹苯环特征吸收（C–H 伸缩振动与C=C 骨架振动）

- 1714 cm⁻¹（强）羰基（C=O）存在- 1645 cm⁻¹（中等）烯烃（C=C）可能存在氰基（CN）、氨基（NH/NH2）、羟基（OH）不存- 无CN、NH/NH2、OH 吸收峰在原子数量约束- ¹³C 与¹H 谱数据最小氢原子数=11- 元素组成范围C:8–12；H:11–12；O:3–5；N:1最终分子式推导C11H11NO4采用模式泛化分析（Generalized Portrait）算法检测到分子结构潜在异常：通过片段检索（Fragment Search）获得210 个结构片段，并基于ACD 官能团数据库(ACD Functional Group Library)进行特征过滤，最终筛选出高频官能团组合如图3.17 所示。

对比结构3.8 与图317 发现，置信度最高的#1、#2、#3、#5、#6 号官能团确实存在于目标分子中。需要特别说明，该方法仅提供官能团存在的概率线索，而非确证性结论。

为完成结构确证，综合文献^[1]报道的1D NMR、HSQC、HMBC 及COSY 多维数据（表3.6），构建分子连接图谱（MCD）如图3.18 所示。

表3.6. 挑战任务4：核磁共振数据

在分子连接图（MCD）中，NO₂基团被手动绘制上，因为其在分子中的存在具有较高的可能性。值得注意的是，除CH₃和CH₂之间的连接外，所有COSY 相关性以及部分HMBC相关性均以虚线表示。这些虚线用于标示由于¹³C 和¹H NMR 谱中信号重叠而产生的模糊相关性。具体而言，非等价碳原子C3 和C5 所连接的氢原子在化学位移7.66 ppm 处共振（见表3.6）。基于CASE（计算机辅助结构解析）的基本原理，在存在模糊相关性的情况下，生成的结构数量和计算时间往往会增加，因为模糊约束允许某些在严格约束下可能被禁止的原子组合。对于大分子而言，这种差异会变得尤为显著（我们将在第三部分看到更多示例），但对于当前分子，这种差异几乎可以忽略。

使用图3.18 所示的MCD 运行严格结构生成，得到以下结果：k = 14 →7 →2，总生成时间（tg）= 0.1 秒。排名后的结构如图3.19 所示。

通过三种方法计算的偏差值，可靠地选出了正确的结构。为了进一步阐明COSY 和HMBC 相关性在结构解析中的关键作用，我们进行了第二次运行，这次基于未包含COSY和HMBC 谱的MCD（在创建MCD 时，通过编辑谱图查询窗口取消了这些谱图的选择）。结果显示：k = 4,592 →1,688 →163，tg = 1 分18 秒。这一结果直观地表明，即使是不明确的COSY 和HMBC 相关性，其所携带的结构信息也具有重要意义：非相同结构的数量增加了80 倍，初始生成的结构数量增加了300 倍，生成时间更是延长了800 倍。输出文件中排名前四的结构如图3.20 所示。

值得注意的是，结构#2–#4 的平均偏差小于图3.19 中第二结构的偏差，这是因为结构#2–#4 的生成仅是由于缺少COSY 和HMBC 数据施加的约束。例如，CH₃和CH₂基团之间通过明确的COSY 相关性连接（见图3.18），因此可以通过化学键直接相连，但在结构#2 和#3 中，CH₂和CH₃基团之间的距离分别为3 个和4 个键。

在本任务中，NO₂基团的存在已通过红外光谱（IR）明确显示，并在片段搜索（Fragment Search）中通过功能库检索（Functional Library Search）进一步确认。尽管如此，我们仍然可以在“从头计算”（ab initio）模式下获得问题的正确解决方案，而无需在MCD 窗口中手动绘制硝基基团。为此，重新创建了MCD，并在生成选项中勾选了“枚举可能价态”（Enumerate Possible Valences）和“允许杂原子间成键”（Allow Bonds between Heteroatoms），随后重复了结构生成过程。结果如下：k = 136 →74 →44，总生成时间（tg）= 1.7 秒。排名输出文件中的前两个结构与图3.19 所示的结构完全一致。

结构3.9 展示了程序解析的分子结构及其¹³C 化学位移的自动归属结果。这一结果表明，即使在未预先标注NO₂基团的情况下，通过动态价态枚举和杂原子成键允许策略，CASE 系统仍能高效地识别并验证目标分子中的硝基基团，同时完成化学位移的精确归属。