对称螺旋结构的化学合成产物结构解析案例

两个样品都打了相关的核磁谱图，包括氢谱、碳谱、COSY、HSQC和HMBC谱。从COSY谱中可以清楚地看到一些奇怪的现象——在6.79 ppm (dt)、7.06 ppm (td)、7.14 ppm (tt)、7.3 ppm (td)和7.25 ppm (dt)相互耦合。这些无疑都是苯环上的H，但是一般来讲苯环上H一般不可能出现5个非等价H信号。

图1. 化合物A 的碳谱( 130.7和127.9ppm附近的信号)

由于这些信号非常接近，一般在核磁二维谱图中，不可能有这么高的分辨率能观察到他们之间的相关信号。通常情况下，这对结构解析也不是什么大问题，但是对于这个结构对称的案例而言，会对Structure Elucidator软件进行解析产生一定的难度。Structure Elucidator软件需要考虑他们之间的相关的所有可能性，内部需要生成多个分子连接图（MCD），这大大会延长结构解析时间。为了解决这个问题，我们采集了HMBC的局部谱图（区域选择性实验），F1方向上只采集120-140ppm区域的信号。在采集时间和灵敏度方面，它们与标准实验相似，但由于它们在F1更窄的光谱窗口下记录了相同数量的增量，因此分辨率可以提高很多。

区域选择性实验在现代核磁仪器上非常容易设置，建议大家多使用。图2所示的是正常脉冲序列和区域选择性序列下的2D谱图比较，使用这种实验可以增加模糊区域的谱图分辨率，因此，在SE软件生成的分子连接图（MCD）中，不会产生很多虚线连接线（模糊相关）。

图2. 化合物A的传统（左边）和区域选择性（右边）HMBC谱图，谱图显示的区域均为F2 7.0-8.0ppm，F1 129.8-131.6ppm区域。两者的采集时间基本相同，500MHz仪器非超低温探头下采集时间均少于60min。 

由于化合物有轻微的质子缺乏和由于它们的对称性，HMBC谱被采集了两次，优化了两个耦合常数:8 Hz和5 Hz。这样就可以观察到更多的HMBC相关信号。

化合物A的核磁谱图数据如表1所示。由于化合物结构的对称性，我们对13C谱数据表进行了编辑，让每个信号对应2个C，得到的MCD图如图3所示。

表1. 化合物A的核磁谱图数据

图3. SE软件生成的MCD图

MCD图中显示有38个碳原子，与分子式一致。有4个sp3和4个sp2原子被标记为“ob”，这意味着它们必须与一个杂原子相连。4个sp3是自动设置的，而4个sp2是手动设置的，因为它们处于典型的羰基化学位移范围。有两个sp3碳被标记为“fb”，意思是它们不能与杂原子相连。还有6个氧原子是“漂浮的”，这意味着没有证据表明它们在哪里成键。我们还看到，有些相关性被标记为绿色，而另一些则是洋红色。这表明了相关的估计长度:绿色表示两者间的距离最远相隔3个键，而洋红色表示多两者间的距离最远相隔4个键。这主要是由HMBC的峰值强度得出的，当有疑问时，软件一般设置为4个键。

对MCD图进行了一些人为编辑：甲基信号和CH之间的键是手动设置的，因为它们在HSQC和COSY谱上非常清楚地存在。其它119 ppm以上的碳信号的杂化均设置为sp2杂化，因为确定产物中没有sp杂化的碳原子。

在软件执行结构生成的操作之前，由于我们有非常高分辨率的HMBC谱，13C化学位移偏差的容忍度被设置为0.001 ppm，而不是默认的0.0076 ppm。由于每个碳信号的位置不允许有很大的变化，有助减少软件生成结构的时间。

软件对MCD图进行了检查，通过没问题后即开始生成结构：k = 2449 → (结构化学位移过滤)→ 113 → (剔除重复结构) → 113，最终的计算时间为tg = 1 h 46 m 26 s。

最终软件打分排名前3的化合物结构如图4所示：

图4. SE软件计算得到的打分排名前3的化合物结构

我们可以看到，前两个结构是非常密切相关的，第二个结构可以看作是从第一个结构“打破”中间的芳环，旋转一半，重新形成环得到。另外，ACD/SE内置的三种预测化学位移方法，预测的化学位移和实验化学位移之间的平均偏差非常接近，但是第三个结构的最大偏差几乎是其他两个结构的两倍。再加上极不寻常的10元双键桥环，我们可以有信心地排除了这种可能性。

正确的结构显然是前面两个中的一个。我们可以看到，根据实验化学位移的和计算出的化学位移之间的平均偏差，两者都比较接近，不容易判断哪个是正确的结构——使用HOSE算法计算得到的化学位移偏差值，第一个结构更小，似乎是正确的，但是使用神经网络方法得到的偏差值，第二个结构似乎也是正确的。此外，没有任何键相关的二维相关信号可以辅助判断出正确结构。此外，我们仔细地观察结构，可以看到为什么会有5个等价耦合芳香质子：单取代芳香环,在这两种情况下使得它不可以自由旋转。因此，观察到的不等价质子是由于立体结构效应导致的。

如果对化合物b的数据进行分析，也会得到类似的结果，同样的两个结构出现在排名前2位，这意味着合成产生了两个同分异构体，这两个异构体后来被分离分析。为了解决这个最后的问题，我们打了2D-NOESY谱。化合物B的谱图如图5所示。

图5. 化合物B的2D-NOESY局部放大谱图，可以清晰看到酯基上甲基与单取代苯环上H的相关信号

可以清楚地看到，对于化合物B，酯基上的甲基质子和单取代环上的一些质子之间没有相关性，说明它们在空间上很接近(约<5 Å)。在化合物A中没有观察到这样的关联，这清楚地证明了化合物A的正确结构是图4中的第一个，而化合物B的正确结构是第二个。它也提供了单取代环旋转空间位阻的直接证据:5个质子中只有3个相互关联被观察到，那些是最接近的。如果有自由旋转的可能，那么所有的质子之间的相关性就会被发现。

化合物A和B的最终结构如图6所示，以及13C化学位移的归属情况。

图6：最终解析的化合物A（左边）和化合物B（右边）的结构

综上所述，ACD/Structrue Elucidator软件能够在较短的时间内解决两个螺旋对称合成化合物的结构问题。

1. Carbery, D. R.; Lowe, J. P.; Moser, A.; Argyropoulos, D., "Computer Assisted Structure Elucidation of Two Isometic, Highly Symmetrical Helical Molecules". In EUROMAR Aarhus, Denmark, 2016.

2. M. E. Elyashberg, A. J. Williams, Computer-based Structure Elucidation from Spectral Data. The Art of Solving Problems, Springer, Heidelberg, 2015.

3. M. Elyashberg, D. Argyropoulos, in eMagRes, Vol. 8 (Eds.: R. K. Harris, R. L. Wasylishen), Wiley, 2019, pp. 239.

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