天然产物螳螂黄素 A 的结构解析
深圳大学程永现教授及其研究团队近年来系统开展了昆虫源非肽类小分子天然产物的发现研究。他们已成功鉴定出一系列结构新颖且具有生物活性的分子，这些分子在常见骨架上形成了独特的环系结构。最近，该团队将研究重点转向中华大刀螘（Tenodera sinensis）卵鞘中的小分子，并从中分离出一种前所未有的6/6/6/5/5环系骨架化合物——螳螂黄素A（mantidisflavin A，1），该化合物的骨架结构源于核黄素 [1]。
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在该化合物中，核黄素骨架通过一种新的 C-C 键和氧桥在核黄素主链上形成两个额外的稠合杂环，从而使核黄素骨架得到扩展。研究人员综合运用一维/二维核磁共振谱（1D/2D NMR）、高分辨电喷雾质谱（HR-ESI-MS）及红外光谱（IR）成功解析了螳螂黄素A的结构。
螳螂黄素A以白色粉末形式被分离，其分子式经13C NMR、DEPT谱及负离子HR-ESI-MS（实测值m/z 375.1302 [M−H]−，理论值C17H19N4O6为375.1310）确定为C17H20N4O6（不饱和度为10）。
研究团队将mantidisflavin A的分子式及核磁数据（见表1）输入Structure Elucidator Suite软件进行结构验证。
化合物 1 的分子式表明其分子存在氢缺失现象，氢原子数与骨架原子数的比例为 0.7。根据 Crew 规则，这使得解析这种全新化合物的结构成为一项极具挑战性的任务。遗憾的是，正如当前许多研究中常见的情况，该文章未提供完整的HMBC相关数据表，仅以图示形式展示了关键的 HMBC 和 COSY相关信号（见图 1）。
图1. 化合物1的关键HMBC与COSY相关信号
值得注意的是，在图1中观察到来自哌嗪环NH质子（δH 8.12）的一个远程相关信号跨越了非常规的三键距离（3JCH）。由于在常规二维核磁谱解析中难以直接识别此类异常相关峰，这一特殊现象为结构确证工作带来了额外的困难。
基于表1提供的波谱数据（包括1H NMR、13C NMR、HSQC等）和分子式信息，我们采用ACD/Structure Elucidator Suite软件构建了分子连接图（Molecular Connectivity Diagram，MCD），如图2所示。
图2. 螳螂黄素A（mantidisflavin A）的分子连接图（MCD）
碳原子的杂化状态通过相应颜色标记：sp2杂化（紫色），sp3杂化（蓝色）。程序对碳原子标注的"ob"（必须与杂原子相邻）和"fb"（禁止与杂原子相邻）标签用于结构约束。HMBC相关信号以绿色箭头标示，COSY相关信号以蓝色箭头标示。其中C=O双键系根据谱图特征手动添加，以加速结构生成过程。
根据已知的谱图-结构对应关系，我们对部分原子的属性进行了人工指定。红外光谱中显著的羰基吸收峰（νmax 1715 cm-1）证实了化学位移168.10 ppm处的碳原子应与氧原子形成双键（该约束条件被手动添加至MCD）。
程序对MCD中非标准相关信号的检测结果显示："当前分子连接图（MCD）通过全部检测，未进行任何修正"。由此可见，程序未能识别出该非标准相关信号（3JCH）。问题统计数据显示，此类情况的发生概率约为10%，这与MCD矛盾性分析的启发式算法特性有关。
根据程序提示，我们启动了严格结构生成流程并同步进行13C化学位移预测。结果如下：
完成所有输出结构的13C化学位移预测后，我们按照计算值与实验值的平均偏差对结构进行排序。排序结果如图3所示。
图3. 结构排序结果文件。
13C化学位移预测采用三种方法：基于HOSE码的方法、神经网络算法及增量法，其计算值与实验值的平均偏差分别标记为dA、dN和dI。各原子按实验值与计算值的差异程度进行颜色标注：绿色（0-3 ppm）、黄色（>3-15 ppm）、红色（>15 ppm）。
显然，这些结构均不可能正确：其平均偏差和最大偏差值均过大，且多数结构含有有机分子（尤其是天然产物）中不存在的异常片段。这表明二维核磁数据中至少存在一个非标准相关信号。针对此情况，需采用模糊结构生成方法[2]来识别非标准相关信号的存在。
我们启动了模糊结构生成程序，设定参数允许存在一个键长未知的非标准相关信号。生成结果如下：
排名前六的结构如图 4 所示。
图4. 输出文件中排序前六位的候选结构（按dA偏差值升序排列）
结构#1具有最小的化学位移偏差，但其含有一个非标准相关信号（红色箭头标示），该信号指向12号原子（而非化合物1中的15号原子）。值得注意的是，该分子含有一个有机化学中极为罕见的三元氮杂环结构片段。经查证，无论是ACD/Labs数据库还是PubChem化合物库均未收录含有此类结构单元的化合物。
结构#2与文献[1]中鉴定的螳螂黄素A结构完全一致，其非标准相关信号与图1所示完全吻合。结构#4同样含有不常见结构片段，并存在一个键长达六个化学键的不合理相关信号；而结构#5和#6则表现出过大的化学位移偏差。因此，仅结构#2和#3可视为合理候选结构。通过DP4概率计算表明（图5），结构#2确实具有极高的存在概率（98.7%）。
图5. 结构#2与#3的DP4概率计算结果
因此，通过运用程序中提供的模糊结构生成功能及其他选项，得以正确解析螳螂黄素 A 的结构。其 13C NMR化学位移归属如下：
参考文献：
1、S.-G. Peng, X.-N. Liu, M. B. Sura, Y.-M. Yan, Y.-X. Cheng. (2024). Mantidisflavin A: A Riboflavin Derivative Featuring a 6/6/6/5/5 Skeleton from the Egg Cases of the Insect Tenodera sinensis Saussure and Its Anti-Renal Fibrosis Activity, Org. Lett., 26, 1316−1320；
2、M.E. Elyashberg, A.J. Williams. Computer-based Structure Elucidation from Spectral Data. The Art of Solving Problems. Springer, Heidelberg, 2015, 454 p. https://www.springer.com/978-3-662-46401-4.