细胞松弛素 Boerelasin B 的结构解析

来源：微信公众号「凯美科」分类：未知物从头解析案例发布：2024-10-15

细胞松弛素类化合物（Cytochalasans）是真菌通过聚酮合酶-非核糖体肽合成酶（PKS-NRPS）途径合成的一类天然产物，它们以全氢异吲哚酮核心与大环稠合的化学结构而闻名。这类化合物因其结构复杂且生物活性广泛而备受瞩目。在深入探究内生真菌“Boeremia exigua”（Didymellaceae）的化学成分时，研究人员从药用植物Fritillaria monantha Migo（也被称为Fritillaria hupehensis P. K. Hsiao & K. C. Hsia，隶属于百合科Liliaceae）的叶片中成功分离出这一真菌。在这项研究中，Shi等^[1]鉴定了四种新化合物，boerelasin B（1）便是其中之一。

Boerelasin B（1）以其白色无定形粉末的形态被分离出来，并通过高分辨电喷雾电离质谱（HR-ESI-MS）准确地确定了其分子式为C₂₉H₃₅NO₄。其分子结构的确定依赖于详尽的一维和二维核磁共振（NMR）谱图分析，以及与此前从同一真菌中分离出的类似结构化合物的光谱数据进行的细致比较。

我们收集了NMR数据（详见表1），并利用这些数据对ACD/Structure Elucidator 软件进行了测试挑战，以解析该化合物的结构。

表1. Boerelasin B的核磁共振（NMR）数据

数据输入到ACD/Structure Elucidator Suite软件中，生成了分子连接图（MCD）（见图1）。

图1. Boerelasin B的分子连接图（MCD）

碳原子的杂化状态通过以下颜色标记：sp2杂化 - 紫色，sp3杂化 - 蓝色，非sp杂化 - 浅蓝色。程序为碳原子设置了“ob”（必须）和“fb”（禁止）的标签，以指示它们与杂原子相邻的可能性。HMBC相关性用绿色箭头表示，而COSY相关性用蓝色箭头表示。不明确的相关性用虚线表示。

在分析MCD时，我们注意到了许多不明确的COSY相关性，这主要是由于表1中以红色标出的四对¹H化学位移完全相同所致。此外，99.50 ppm处的碳原子的杂化状态——以浅蓝色标示——也存在不确定性，它可能是sp2杂化（如C=C双键）或sp3杂化（如C-O单键）。这些模糊不清的相关性给手动解析结构带来了挑战，但幸运的是，ACD/Structrue Elucidator软件具备自动解决这类问题的能力。

为了加快结构生成的过程，我们手动在MCD中标注了两个明显的羰基（C=O）键和一个O-H键。这一假设是基于在类似化合物的红外（IR）光谱中观察到的3300 cm^-1处的特征性强吸收带，这通常指示着羟基（OH）的存在。引入O-H键是至关重要的一步，因为它可以避免程序生成大量含有NH₂基团的错误结构。

这一过程强调了红外光谱在结构解析中的重要价值，它能够提供关键的结构信息，对于NMR光谱学家而言，这是一个不容忽视的宝贵资源。

通过ACD/Structure Elucidator软件，我们启动了结构生成流程，其中包括利用神经网络算法和增量法对¹³C NMR化学位移进行预测。这一流程不仅迅速而且高效，仅用了6.5分钟就完成了5,388个初步结构的生成。经过结构过滤和去除重复项后，我们筛选出17个候选结构。这些结构基于实验¹³C NMR化学位移与神经网络预测值之间的偏差进行了初步排序。接着，我们对排名靠前的15个结构采用基于HOSE算法的方法进行了化学位移的精确计算，并据此对结构进行了重新排名。最终，我们在输出文件中展示了得分最高的前八个结构，这些结构的详细信息可见于图2。

图2. 输出文件中排名最高的八个结构

使用基于HOSE算法、神经网络算法和增量方法进行了¹³C化学位移预测。这些方法确定的¹³C化学位移的平均偏差分别用d_A、d_N和d_I表示，每种方法的最大偏差值用max_d表示。每个原子的颜色标记了其实验值与计算值之间¹³C化学位移的差异。绿色代表差异在0到3 ppm之间，黄色代表差异在3到15 ppm之间，红色代表差异超过15 ppm。

在图2中，我们可以看到，排名第一的结构与文献^[1]中为boerelasin B提出的结构是一致的。为了进一步验证这个结构的合理性，我们计算了排名靠前的四个结构的DP4结构正确性概率（参见图3）。

图3. 经过排序的输出文件中位居前四的候选结构

这些结构的¹³C NMR化学位移预测是基于HOSE算法、神经网络算法和增量法得出的。每种方法计算出的¹³C NMR化学位移与实验值之间的平均偏差分别用d_A、d_N和dI来表示。为了直观显示每个原子的实验值与计算值之间的差异，我们对原子进行了颜色编码：绿色表示差异在0至3 ppm之间，黄色表示差异在3至15 ppm之间。此外，DP4_A、DP4_N和DP4_I是程序根据这些数据计算出的结构正确性的统计概率，为这些候选结构的可靠性提供了量化评估。

在我们的分析中，采用基于HOSE算法的化学位移预测方法——这一方法在Structure Elucidator软件中的三种预测技术中准确度最高——我们发现，排名第一的结构的DP4_A值接近100%，并且DP4_I值也达到了100%。这些结果强有力地验证了我们所确定的结构解决方案的正确性。

下图展示了应用ACD/Structure Elucidator软件确定的boerelasin B结构，其中包含了为每个碳原子精确归属的¹³C NMR化学位移数据。

此案例清楚地展示了Structure Elucidator软件在解析复杂天然产物结构时，如何有效地处理¹H NMR谱中出现的四对相同化学位移所带来的解析难题。通过这一过程，软件成功地揭示了分子的结构，充分证明了其在天然产物化学领域的实用性和高效性。

参考文献：

1、B.-B. Shi, C. Tian, X. Lv, J. Schinnerl, K. Ye, H. Guo, F. Xu, Y. He, H.-L. Ai, J.-K. Liu. (2023). Boerelasins A−D, Four Unprecedented Cytochalasins from the Endophytic Fungus Boeremia Exigua. J. Org. Chem., 88, 13926−13933.