利用NMR和DFT方法研究從大葉藻中分離的四環(huán)二芳基庚烷類(lèi)化合物的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象
前言 NMR譜是非常重要的研究平衡狀態(tài)下的化學(xué)交換動(dòng)力學(xué)的物理手段。當(dāng)交換速率（Hz）低于參與交換的核的化學(xué)位移差時(shí)，二維（2D）交換譜（EXSY）就可以反映出交換的途徑或者說(shuō)交換的網(wǎng)絡(luò)，并且也給出交換的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的定量信息，包括配位化學(xué)、金屬有機(jī)化合物的構(gòu)象轉(zhuǎn)換以及在生物分子系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)子的交換。EXSY實(shí)驗(yàn)在研究化合物構(gòu)象行為有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)：能夠測(cè)定化合物兩種構(gòu)象的交換速率；區(qū)分同一組成中的兩種構(gòu)象；區(qū)分對(duì)映異構(gòu)體；觀測(cè)交換過(guò)程中的中間體。值得一提的是，EXSY用得是NOESY的脈沖序列，只是改變交換混合時(shí)間d8,做一系列二維實(shí)驗(yàn)。 文章亮點(diǎn) 文章作者從海草中分離出兩個(gè)四環(huán)二芳基庚烷類(lèi)化合物zosteraphenol A (1)、zosteraphenol B (2)，二者僅有一個(gè)取代基的區(qū)別。這類(lèi)化合物最大的特點(diǎn)在于同時(shí)存在兩個(gè)手性因素：一個(gè)手性碳（C-9）、手性軸(聯(lián)苯結(jié)構(gòu))，這就決定了其核磁特點(diǎn)。本文以zosteraphenol A (1)為例進(jìn)行學(xué)習(xí)。 首先，通過(guò)HRESIMS確定zosteraphenol A (1)的分子式為C20H28O3。然后在常溫下（25℃）測(cè)試其氫譜（1H-NMR）和碳譜（13C-NMR），發(fā)現(xiàn)了異?，F(xiàn)象：氫譜中出現(xiàn)大量的單峰信號(hào)；碳譜中碳信號(hào)比分子式給出的碳數(shù)要少。二者矛頭都指向了同一個(gè)方向：常溫下的核磁信號(hào)出現(xiàn)了堆積（coalescent signals）。隨后作者降低核磁測(cè)試溫度（-15℃），氫信號(hào)變得尖銳鋒利，碳信號(hào)個(gè)數(shù)也與分子式給出的一致。于是，接下來(lái)的2D-NMR也在該溫度下進(jìn)行測(cè)試。 從COSY譜得出分子中存在一個(gè)C7脂肪鏈；J10/11=11.2Hz得知10位雙鍵為順式；J7/8=5.4Hz得知存在一個(gè)五環(huán)內(nèi)的順式雙鍵；1H-NMR中存在兩個(gè)苯環(huán)信號(hào)（一個(gè)1,2,4-三取代；一個(gè)五取代）、一個(gè)甲氧基信號(hào)。通過(guò)HMBC，確定兩個(gè)苯環(huán)通過(guò)2/2'連接，最終解析出zosteraphenol A (1)的平面結(jié)構(gòu)： 接下來(lái)，作者試著探討常溫下為什么會(huì)發(fā)生核磁信號(hào)的堆積。作者推測(cè)化合物不是單一的光學(xué)純化合物，而是存在異構(gòu)體，并且異構(gòu)體產(chǎn)生的原因是聯(lián)苯結(jié)構(gòu)所具有的軸手性。那么問(wèn)題來(lái)了，分子中除了軸手性外還存在另一個(gè)手性因素：C-9手性碳，所以這兩個(gè)異構(gòu)體應(yīng)該是差向異構(gòu)體，但是在-15℃下的譜圖中只有一組明顯的核磁信號(hào)。 NOESY/EXSY譜很好地解釋了這個(gè)問(wèn)題。在正相下，對(duì)角峰和交換峰均為正相而NOE峰為負(fù)相。如下如所示：黑色信號(hào)現(xiàn)實(shí)的是主要異構(gòu)體（major rotamer）和次要異構(gòu)體（minor rotamer）之間產(chǎn)生的交換相關(guān)信號(hào)。據(jù)此可以得出兩種信息：次要異構(gòu)體含量?jī)H約1/6；歸屬出次要異構(gòu)體氫化學(xué)位移。 在-15℃下次要異構(gòu)體仍是寬峰，這是因?yàn)榇我悩?gòu)體的壽命相當(dāng)短，所以其同核/異核偶合信息均不得而知，僅能得到氫化學(xué)位移。次要異構(gòu)體和主要異構(gòu)體相比，存在明顯的屏蔽和去屏蔽現(xiàn)象，這與苯環(huán)的磁各向異性有關(guān)。 為了定量的研究這種影響，作者進(jìn)行了分子模型和DFT計(jì)算核磁實(shí)驗(yàn)。首先，圍繞聯(lián)苯的兩個(gè)異構(gòu)體（1a/1b）在逐漸升溫的狀態(tài)下進(jìn)行分子動(dòng)態(tài)模擬（MD）。1500K以前，兩種異構(gòu)體表現(xiàn)明顯的剛性構(gòu)型，在模擬過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)構(gòu)型的翻轉(zhuǎn)。這被認(rèn)為是一種足夠慢的平衡，但足以導(dǎo)致核磁信號(hào)的聚積。最后，在2000K的模擬中，多次觀測(cè)到軸向手性反轉(zhuǎn)。 MD模擬出的1a/1b分子在Gaussian 16軟件中經(jīng)優(yōu)化后進(jìn)行計(jì)算氫譜和計(jì)算碳譜。通過(guò)RMSD的計(jì)算，1a的氫譜和碳譜計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差在可承受范圍以內(nèi)。更有趣的是，1b計(jì)算氫譜與通過(guò)EXSY確定的化學(xué)位移高度吻合（RSMD=0.1），并且所有屏蔽和去屏蔽常數(shù)精確度控制在0.08以內(nèi)。因此，DFT計(jì)算結(jié)果完全支持構(gòu)象平衡假設(shè)。
未完待續(xù)
