卤代天然产物 Spiromastixone Z4 的计算机辅助结构解析

来源：微信公众号「凯美科」分类：未知物从头解析案例发布：2025-12-19

卤代天然产物在药物研发领域扮演着关键角色。据统计，目前约有27%的临床小分子药物和超过80%的农用化学品分子结构中含有卤素原子。海洋环境因富含氯离子和溴离子，成为卤代天然产物的一个重要来源。由于海水中氯离子的浓度远高于溴离子（相差近三个数量级），从海洋生物中发现的氯化代谢物的数量约为溴化物的九倍。值得注意的是，卤素原子的种类（如氯、溴）会显著影响化合物的生物活性与理化性质。

Spiromastixone Z4的发现背景

在针对深海来源真菌 Spiromastix sp. MCCC 3A00308 的活性次生代谢产物筛选中，Lin等先前鉴定出一系列氯化缩酚酸环酮类化合物，即 spiromastixones A–S，该类化合物显示出抗菌活性。

为了探究溴代修饰对其活性的影响，该团队采用了一种卤盐胁迫培养策略，在培养基中添加溴化钠对同一株真菌进行发酵。通过这一方法，他们成功分离并利用质谱与核磁共振技术鉴定了11个结构新颖的溴代缩酚酸环酮，命名为 spiromastixones U–Z5。本研究所讨论的化合物 spiromastixone Z4 (1)，正是这组新发现的溴代产物中的一员。

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该化合物的一个显著结构特征是氢原子数量明显偏少。分子中存在一个较大的"沉默片段"（图中以红色高亮显示），该片段仅与一个氢原子相连。

结构解析的挑战与方法

根据Crews规则，当分子中氢原子数与骨架原子数之比小于1时，通常难以仅依靠一维和二维核磁共振谱完成结构解析。对于化合物1（Spiromastixone Z4），该比值为0.68，且因其两条侧链结构较为明确，实际有效的氢原子比例更低，进一步增加了谱图解析的难度。因此，本研究重点关注ACD/Structure Elucidator软件在"从头计算"模式下的应用——该模式不依赖已知类似化合物的核磁数据，完全基于输入的实验谱图数据进行结构推导。

Spiromastixone Z4呈白色粉末状，经高分辨电喷雾质谱（HR-ESI-MS）确定其分子式为C₂₀H₁₉Br₃O₅。研究中，我们将文献[1]中该化合物的一维及二维核磁共振数据（表1）导入该软件系统，以启动后续计算与结构解析流程。

表1. Spiromastixone Z4的核磁共振谱学数据^[1]

分子连接图（MCD）分析

程序基于表1核磁数据自动生成了分子连接图（MCD），该图直观展示了原子间的连接关系与结构约束，为后续计算机辅助结构解析提供了拓扑框架。

图1. Spiromastixone Z4的分子连接图（MCD）

在分子连接图（MCD）中，碳原子的杂化状态通过颜色进行区分：sp²杂化碳原子以紫色标示，sp³杂化碳原子以蓝色标示。程序自动为部分碳原子添加了"ob"（必须连接）或"fb"（禁止连接）标签，用以指示该原子是否必须或禁止与杂原子（如氧、氮等）相连。HMBC相关信号以绿色箭头表示，COSY相关信号则以蓝色箭头表示。此外，为加速结构生成过程，图中C=O双键为手动添加。

红外光谱分析

化合物1的红外光谱（图2）在1690 cm⁻¹处显示一个强吸收峰，此为羰基（C=O）伸缩振动的特征信号。因此，从化学位移为161.9 ppm的碳原子（C161.9）处手动添加了一个指向氧原子的双键。该化学位移值表明该羰基归属于酯基。基于此，C161.9原子被标记为"ob(2)"，表示该碳原子应连接两个杂原子（此处为两个氧原子）。考虑到分子中总共存在五个氧原子，两个化学位移为157.6 ppm的碳原子（C157.6）也被标记为"ob"。值得注意的是，这两个碳原子在HMBC谱中均未检测到相关信号，这在一定程度上增加了结构解析的复杂度。

图2. Spiromastixone Z4的红外光谱图

结构生成与筛选

基于分子连接图（MCD），我们使用Structure Elucidator软件内置的经验方法启动了结构生成与¹³C化学位移预测流程。整个生成与筛选过程高效完成，具体结果如下：软件首先生成了11,320个候选结构，经过结构过滤后剩余559个，进一步去重后得到290个独特结构，全过程仅耗时2分钟。

在输出文件中，所有候选结构均按照其实验¹³C化学位移与HOSE码预测值之间的平均偏差（dA）进行升序排列。排名前六的结构展示于图3中。

图3. 输出文件中排名前六的结构

¹³C化学位移的预测分别采用了HOSE算法、神经网络算法和增量法三种方法。由这三种方法计算得到的¹³C化学位移平均偏差依次标记为d_A、d_N和d_I。在结构图中，每个碳原子的颜色标示了其预测化学位移与实验值之间的差异：绿色表示差异在0-3 ppm之间，黄色表示差异在3-15 ppm之间。

结构验证与DP4分析

如图所示，排名第一的最优结构与化合物1（Spiromastixone Z4）完全一致，仅C1与C5原子的谱峰归属存在对调。如图4所示，三种独立的¹³C化学位移预测方法均支持软件提出的化学位移指认方案，进一步验证了其合理性。

图4. 程序建议的¹³C化学位移指认（结构1）与 Lin 等^[1]提出的指认方案（结构1a）对比

鉴于图3中结构2和6在化学上存在明显不合理之处，我们进一步对结构1及结构3-5进行了DP4概率分析。如图5所示，Structure Elucidator软件推荐的最优结构（结构1）在DP4概率分析中得到了极高概率的支持，进一步证实了该结构的正确性。

图5. 程序计算所得结构1、3-5的DP4_A、DP4_N、DP4_I正确性概率分布

结论

由此可见，通过应用Structure Elucidator软件，即使在氢原子数严重不足的情况下，化合物1（Spiromastixone Z4）的结构仍可在2分钟内被可靠地确定。在此过程中，作者[1]最初提出的¹³C化学位移归属方案得到了修正。修正后具有正确¹³C化学位移归属的Spiromastixone Z4结构如下所示：

参考文献

Huang, Z.; Liu, D.; Chen, S.;Ren, J.; Gao, C.; Li, Z.; Fan, A.; Lin, W. (2024). Brominated Depsidones with Antibacterial Effects from a Deep-Sea-Derived Fungus Spiromastix sp. Drugs, 22, 78. https://doi.org/10.3390/md22020078