天然产物 Zerumol A 的计算机辅助结构修正

天然产物的分离与结构鉴定是全球天然产物化学研究的核心内容，其驱动力主要源于对新结构生物活性分子的持续探索¹。在新型有机物结构解析中，研究人员通常综合运用一维/二维核磁共振（NMR）、高分辨率质谱（HRMS）、红外光谱（IR）及紫外-可见光谱（UV–vis）等技术。然而，基于波谱数据的结构解析至今仍是一项复杂的逻辑组合问题，需处理大量谱图与结构之间的关联信息，导致实践者并不总能成功解析纯化单体的结构，有时甚至造成错误化学结构的发表。研究表明，约有10%的已报道天然产物结构存在误判²，这对后续研究带来严重困扰——例如基于错误结构开展生物学研究时，目标分子可能实为已知化合物或具有完全不同的骨架。

从方法论角度看，基于波谱数据的结构解析属于"逆问题"³，即从观测数据反推结构模型，理论上可能存在多个解。通过引入额外约束条件（如空间构象、化学环境等），可排除与实验证据矛盾的候选结构，从而逼近唯一可靠解。该思路已实现在计算机辅助结构解析（Computer Assisted Structure Elucidation，CASE）系统中，其能够生成所有符合现有谱图信息的化学结构，并筛选出最合理的候选分子³。进一步借助密度泛函理论（DFT）方法^4,5对候选结构进行化学位移预测与验证，可提供关键的理论佐证。大量研究案例表明，CASE与DFT相结合的策略是发现和修正结构误判的有效工具。需要强调的是，在此过程中必须充分融入化学直觉与结构规则^6–10，才能提升解析结果的可靠性。

近期，Zhang等¹¹报道了从草果（Alpinia zerumbet）果实中分离得到的新型天然产物zerumol A (1)的结构（图1）。

图1. 化合物1的结构通过¹H NMR、¹³C NMR、HMBC、COSY和ROESY谱图数据，以及质谱分析（ESI-HRMS测得分子式为C₂₀H₂₂O₅）共同解析确定。相对构型依据ROESY谱中H-3与H-5的相关信号确定。C-1与C-2间双键的构型根据H-1较大的耦合常数判定为Z式。绝对构型通过实验与计算的ECD谱图对比确定。

作者用于解析化合物1结构的光谱数据列于表1。

表1. Zerumol A结构解析所用光谱数据¹¹。表中同时列出基于HOSE 算法及DFT DU8

ML方法^12,13计算的¹³C NMR化学位移预测结果。

值得注意的是，含有氧杂环丁烷（oxetane）环的结构在天然产物中较为罕见¹⁴，且在二芳基庚烷类天然产物中尚未见报道¹⁵。根据《天然产物词典》检索结果，此类结构在已知天然化合物中的占比不足0.5%¹⁶。此外，氧杂环丁烷中氧-碳键的¹³C NMR化学位移值与环状及无环醚类化合物的范围高度重叠，这显著增加了氧杂环丁烷片段的识别难度¹⁶。

基于上述分析，我们首先采用ACD/Structure Elucidator专家系统^17,18对结构1的正确性进行验证。该系统通过三种经验方法预测了1的¹³C NMR化学位移（图2）。

图2. Zhang等¹¹提出的zerumol A (1)结构，其¹³C化学位移预测分别采用基于HOSE算法、神经网络及增量法三种方法完成。图中标注的化学位移值为实验测定结果。三种计算方法得到的¹³C NMR化学位移平均偏差依次表示为d_A、d_N和d_I。各原子按实验值与计算值的差异进行颜色标记：绿色表示偏差在0–3 ppm范围内，黄色表示偏差大于3 ppm但不超过15 ppm。红色箭头指示非标准HMBC相关信号（NSC），即相关路径跨越三个以上化学键（ⁿJ_CH，n > 3）。

经验预测值与实验值的平均偏差（1.0–2.5 ppm）处于正确结构可接受的范围，这一结果通常可视为合理。然而，HMBC谱中由红色箭头标示的两处相关信号跨越了五个化学键，而此类长程相关在HMBC谱中通常信号极弱甚至无法观测。值得注意的是，在HMBC谱图（图S1）中，对应的两组交叉峰（6.63/77.8 ppm和6.52/77.8 ppm，见表1）强度相当，且与常规^2–3J_CH相关信号的强度相近，这一矛盾表明结构1很可能存在误判。

进一步采用DFT DU8ML方法^12,13进行¹³C NMR化学位移预测（表1），所得均方根偏差（rmsd）高达2.92 ppm，明确指示结构1不正确。

为深入验证该结构或寻找可能的替代结构，我们再次使用ACD/Structure Elucidator进行分析。通过对图2的直观分析发现，三个绿色标记的片段在结构1中清晰可辨（图3）。在这些片段中，¹³C NMR化学位移的预测值与实验值偏差均在3 ppm以内。需特别指出的是，偏差最大的碳原子均位于氧杂环丁烷环内（另见表S1）。

图7. Zerumol A的实验ECD谱（蓝色实线）与修正结构6的TD-DFT计算ECD曲线（黑色虚线）及原误判结构1的计算ECD曲线（红色实线）对比图。原始ECD数据转载自Fitoterapia, 2025, 184, 106662, Z. Zhang, G. Li, X. Luo, F. Xiao, Y. Zhang, C. Tang, B. Hu, Z. Xie, S. Yao, Y. Ye. Diterpenoids and diarylheptanoids from the fruits of Alpinia zerumbet and their anti-inflammatory activity © 2025，经Elsevier授权使用。