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ACD/Labs 核磁结构验证方案

ACDLabs CN
2022.4.24
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Advanced Chemistry Development, Inc. (ACD/Labs)

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在药物合成领域使用核磁共振(NMR)技术对化合物结进行构验证是合成化学的基础工作之一,通常这个工作需要耗费大量的人工资源来处理。如何提高结构验证工作的效率和准确度是结构验证工作的痛点和难点。80b43000892bd1b30d3bd9b148f7ac60.png


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本文的内容来源于2022年4月7号ACD/Labs和安特百科合作的一场题为 “ACD/Labs核磁结构验证方案” 的网络报告。报告人为ACD/Labs中国区高级应用工程师葛师成。葛师成, 2006 年毕业于浙江大学,2006年到2014年任职于全球最大的CRO企业药明康德,担任核磁专家,2014 年加入ACD/Labs,现任 ACD/Labs中国区软件高级应用工程师,负责ACD/Labs软件应用技术支持。工作中接触过很多结构解析案例,在小分子药物研发API及其有关物质结构鉴定和天然药化新化合物鉴定方面有丰富的工作经验。


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首先简单介绍一下ACD/Labs公司的情况,公司成立于1994年,总部位于加拿大多伦多,在全球各地均有销售和支持团队,总人数超过200人。在全世界89个国家和地区,有4200多家软件用户。ACD/Labs中国团队位于上海目前团队人数6人

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ACD/Labs软件结构验证方案针对四种应用场景分别为:

  1. 单一结构验证,合成化学家需要确认合成的产物是否是目标化合物,通常会使用H,C谱或其它必要的2D谱图来验证,单一结构验证工具可以提供快速判断依据。
  2. 多结构同时验证(CCV),在合成化学中通常会有副反应的发生,会生成同分异构体,可以使用该工具对同分异构体结构加以区分。
  3. 无偏向结构验证(UBV),可以应用于结构解析过程中需要进行结构修正的场景。
  4. 自动结构验证(ASV)可适用于高通量实验室需要批量验证结构谱图正确性的场景。

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单一结构验证需要解决的是结构正确与否的问题。提供谱图的类型可以是单一谱图,如H谱,C谱甚至是2D谱图,也可以是任意谱图的组合。例子中给定谱图类型为H和HSQC组合。

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软件会给出谱图与结构的匹配度数值(MF=Match Factor),此数值的区间为0-1之间,越接近1,表明谱图与结构匹配度越好。软件会比较实验谱图和预测标准谱图,从化学位移,积分值,峰的类型以及相关信号(2D谱图存在的情况下)综合给定MF值。此例子中的MF为0.92,看上去谱图与结构匹配度很高,似乎没有什么问题。

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但是化学反应中可能会有副反应,会生成同分异构体。会不会其它同分异构体的结构更符合谱图呢?在此案例中五元环位置的存在同分异构的情况,因此需要对这几个同分异构体作一个判断,传统的人工检查是依次检查每个同分异构体与谱图对映的情况然后作判断,效率不是太高。而软件可以一次针对这四个同分异构体同时验证同时打分(MF),此功能即为多结构同步验证,多结构同步验证解决的是同分异构判定的问题。在给定同分异构体时可以人工给定,也可以由软件自动生成。

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经过同步验证后发现第二个结构的MF值更高(MF=0.95),优于我们刚开始认为正确的结构第一个结构(MF=0.92)。第三个结构MF数值为0是因为结构中存在偏差过大的化学位移。再观察DP4数值(概率算法下结构正确可能性概率),对于前两个结构来讲两者的MF比较接近,单纯使用MF来作为判定依据是很难确定哪个结构更符合当前谱图,而DP4数值则有很好的区分度。但是此案例中提供的H谱和HSQC谱,并不能充分区分这两个结构,因为此两谱图中并没有C=O和C=S的化学位移信息,而仔细观察第一个第二个结构的差别就是C=O和C=S位置的区别,因此需要作进一步工作。

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为了能准确区分第一个第二个结构可以考虑增加谱图类型,如增加该化合物的C谱图。增加C谱后再使用CCV进行同步验证,此时发现第二个结构MF还是很好0.95,而第一个结构分数只有0.19,这是因为C=O和C=S的化学位移跟标准化学位移值相差过大导致分数很低。DP4的分数98. 96也说明第二个结构是正确的。对于不正确的结构在diagnostics栏中也有很多信息,告诉用户结构与谱图信号间哪里存在不匹配的情况。

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再来比对一下有无C谱的情况下软件的结果,在增加C谱后判定的结果更明显,理由更充分。

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在做结构谱图验证时,任意的谱图类型均可,谱图的类型越多,往往结果更准确可靠。MF和DP4是判定结构是否正确的标准,分数越高,谱图与结构更吻合。


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有时候会有这样的情况,提供的参考结构只有部分正确,有没有办法找到最正确的结构呢?此时可以考虑使用UBV,由于是需要推导最终正确结构,因此需要提供的谱图类型越多越好,此案例中提供的谱图为 H C HSQC COSY以及HMBC。

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UBV的工作流程是,首先需要对提供的参考结构进行归属(或部分归属),保留人工专家确定的部分或让软件自动判定保留部分结构,其余部分结构由软件进行全排列生成备选结构列表,然后根据MF和DP4数值来自动筛选出最优结构。

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对于此案例,我们首先使用CCV功能对备选结构进行归属打分,此时的同分异构体结构式是由软件自动生成的,CCV生成同分异构体结构时,结构的整体变动不是太大,因此从结果上看并没有一个结构比给定的参考结构更优。

 

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在使用UBV时,我们保留了原有参考结构的下面一小部分结构片段,其它结构部分由软件自由排列组合。软件自动根据MF值对生成的结构列表中的结构进行排序,MF高的排名靠前,最终软件找到了一个MF=0.78 DP4=99.99的最优结构,明显高于原先的参考结构分数。对比起始参考结构和最优结构,明显的区别是软件将起始结构中过氧酸改成了最优结构中的过氧桥环,此结构其实就是青蒿素的结构,其过氧桥环结构是合理的,在自然界除了青蒿素外还有很多化合物的结构中含有过氧桥环片段。


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使用UBV工具时必须注意以下几点。

  1. 谱图的组合至少为H HSQC HMBC的组合,当然谱图越多越好。

  2. 需要对原有的初始参考结构进行归属,归属度不低于25%

  3. 化合物的结构式中碳原子数目小于20,碳和氮原子数目小于22,分子量小于800,这是因为UBV可以认为是简化版的ACD/Structure Elucidator Suite (SES),如果用户的结构式不符合上述条件,推荐使用ACD/Structure Elucidator Suite (SES)来解析。

关于ACD/Structure Elucidator Suite (SES)介绍,请点击此处


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ASVAutomatedStructure Verification的缩写,可以用以高通量的进行结构确证。ACDASV有两种版本,一种是单机桌面版,另一种是全自动企业版。单机桌面版ASV是基于ACD/NMR Workbook Suite软件上开发的脚本,用户需要指定NMR数据和结构文件的位置,手动触发运行ASV,运行结果会存放到本地的文件型数据库中;全自动企业版是ACD/Automation Server上运行自动化程序,监视指定目标文件夹中的NMR数据和结构文件,一旦发现新的数据和结构系统自动触发验证工作,可以做到对化合物结构与谱图匹配情况实时判定。运行的数据结果会放置到企业级的中央数据库中,组织内部人员均可查看结果。因此能够实现桌面版功能所缺少的实时性。


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我们先来看一下桌面版本的ASV,在NMR Workbook Suite软件界面左上角Batch ASV按钮可以开始单机版自动结构验证工作。这个桌面版本的ASV需要单独的license,使用前要先获得授权码。在做结构验证时可以选择需要验证谱图的类型,需要告诉软件谱图和结构的位置。然后就可以批量运行自动结构验证工作。对于谱图类型组合,在兼顾效率和准确度的情况下,推荐至少为HHSQC的组合。


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自动结构验证完成后,数据处理结构会存本地数据库中,打开数据处理结果如上图,左下角为当前批次样品验证的结果,每一个方块为一个样品,软件根据每个样品的MF值不同确定不同方块的不同颜色,绿色为验证通过的样品,红色表示结构和谱图不匹配验证失败,有时候还会由黄色,这表示这个样品需要人工进一步确认。在软件界面中还可以看到样品的结构和谱图情况,另外在Diagnostic窗口可以看到一些样品的诊断情况,如样品纯度情况,验证失败时结构和谱图间哪里存在矛盾的地方等信息。在这样的工作流程下可以减少70%-80%人工察看谱图结构验证的工作量,大大提高效率。


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全自动企业版是ACD/Automation Server上运行ASV程序,ASV程序可以监视指定目标文件夹中的NMR数据,还可以跟ELN等系统关联获取相关信息,如结构式,注册信息等。此实时系统一旦发现新的数据和结构系统就会自动触发验证工作,验证结果会放到组织内部企业级中央数据库,组织内部人员均可查看结果,专家也可以对结果进行复核。数据库还可以跟其它系统关联,将验证结果发布到其它系统中。全自动的ASV方案还可以根据不同组织不同的工作流程进行一些个性化定制工作。


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最后,欢迎已有用户登录ACD/Labscustom portal网站学习相关软件知识。同时欢迎大家关注ACD/LabsCN微信公众号了解更多的关于ACD/Labs软件的信息。


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ACD/Labs的结构确证专家工具NMR Workbook Suite 在国内广受药物研发相关的核磁专家的欢迎,使用它的确能够提高专业的核磁确证工作的效率以及准确度。熟练掌握NMR Workbook Suite(点击查看) 能够为使用ACD最顶级的结构解析Structure Elucidator Suite(点击查看) 打下坚实的基础。


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完 整 视 频6b0ef6c7d39c4e855c6442b0dcd62a2f.png
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