引 言
科学家在为追求理解生物多样性的各种学科的研究过程中，持续以惊人的速度报导了很多天然产物。现今的结构解析工作依赖于对不同光谱数据的分析结果，由于天然产物固有的复杂性，因此很多天然产物结构在报导时出现了偏差。
对于这一问题而言，计算机辅助结构解析 (Computer-Assisted Structure Elucidation CASE) 提供了很好的解决问题的方案，高精度的量子化学光谱预测同样扮演重要的角色。这篇文章中报导了一系列结合化学知识，化学合成，计算机辅助结构解析和量化算法谱图预测手段重新修正结构的案例。
图1，结构解析的历史和案例
天然产物结构解析方法学经历了大致三个阶段：通过化学降解了解结构片段，通过科技进步出现的不同光谱分析手段了解结构（NMR，IR，UV-vis，MS，CD，X-ray）以及通过计算机辅助解析结构。
图1中，1为毒药士迭宁（Strychnine），其最早在1818年被分离得到，2为染料茜素（Alizarin）其最早在1826年被发现。在这一阶段，人们对化学键已经结构的概念还不是太确定，直到1857-1859年，结构理论的发明填补了人们对结构认识的空白，引起了人们追求天然产物结构准确确认归属的热情。1960年代后期逐步出现了计算机辅助结构解析和计算化学其可以预测光谱谱图（如NMR和ECD）。计算机辅助结构解析ACD/Structure Elucidator (ACD/SE) 软件既可以解析结构（如图1 中结构3）也可以对结构进行修正（如结构4修正为结构5）。对于天然产物合成方面CASE也能提供很好的帮助如结构6和结构7。
图2，文献中摘取的9个结构解析错误的案例
对于一些化合物的可疑结构，其实可以使用一些基本的化学物理原则来进行判断，如原子连接规则，成键规则，原子价态等。分子和官能团张力尤其需要注意，如反Bredt规则和反芳香性规则 (anti-Bredt, antiaromaticity)。生物合成的因素对于识别潜在缺陷结构也有相当大的价值，可以从立体化学的角度发现错误结构，或者结构中出现很少见的官能团(如乙氧基)也是不正常的。
使用这些手段，我们从化学文献中收集了9个这些年结构解析错误的案例（图2），下面我们就对这些案例逐一分析。
图3，二氯化合物结构重新归属修正
二氯化合物D（Dichocetide D）是一种海洋真菌强氧条件下的产物。原先报导的结构为图2中结构8，含有两个α-chloroalcohol官能团，这种结构很容易就会脱除HCl变成醛基，转变方式如图3。
此外，8是双酚A (18) 的衍生物，而双酚A的双缩水甘油醚是环氧树脂的组分。因此，分离出的物质很可能是由氯引起的双酚A二缩水甘油醚 (19) 开环的结果，这可能是设备制造的污染物离子影响自然界物质从而得到结构20。将结构8物质的NMR谱图导入ACD/SES中，软件使用标准结构生成方式生成备选结构，将备选结构排序后发现平面结构20为最佳结构。
接下来使用DU8+算法计算氯乙醇结构化学位移，但是在计算时发现内消旋体的化学位移差别不大，不足以确定化合物的绝对手性。最后使用合成方法，即以19为前体在三氯化铈乙腈中回流，得到产物（不进行色谱分离）的氢谱与报导的二氯化合物8号物质的氢谱一致，证实了8号物质应该为20，21的混合物。
图4， paronychiarabicine A (9) 和 B (10) 结构重新修正结果
Paronychiarabicine A (9) 和 B (10) 是从植物Paronychia arabica中分离而来，其环氧丙烷结构在其它天然产物结构中有出现，但后来环氧丙烷结构大多都修正为其它官能团结构，在天然产物中存在环氧丙烷的结构非常少见（紫杉醇），所以原先解析的结构很有可能是错误的。
将化合物9的NMR数据导入到ACD/SES中，生成结构列表中排名第一的结构中原先的环氧丙烷片被修正为苯并二氢呋喃结构，这一片段就比较常见。初步确定Isolappal A 23为最有可能的结构，如图4。在生成结构的列表中，软件也给出了备选结构22，这是因为这两个结构的谱图十分接近。DU8+的预测谱图也证明了这一点，因此还需要其它的物理化学性质来区分这两结构。最后通过计算两者的旋光度将原来结构9和10分别更正为结构23和24。
图5，Piperkadsin C结构修正为结构35
虽然Bredt规则最早在1902年就被发现，但是文献中还是不断出现不稳定的烯烃笼状结构。最近在判断天然产物结构中环是否稳定时开始引入烯烃张力能（Olefin strain energy OSE）这一概念。图2中11，12，13化合物结构均违反Bredt规则。
结构11 Piperkadsin C的例子非常有意思，这一错误结构一直在文献中保持了超过10年，其OSE=66 kcal mol-1，表明结构不稳定。更有意思的是这一结构后来被文章原作者修正为图5中结构25，即使这样更正结构也不是最佳的结构，这是因为结构25会烯醇化转化为结构26，芳香化的结构会更加稳定。将结构11的NMR数据导入到ACD/SES中结构发现生成的6个备选结构中含有结构11，但排名第5。将此6个结构应用DU8+计算其碳谱，结构27的计算碳谱与实验碳谱最为接近，其烯醇异构体结构28为次优结构。从生物合成的角度由同一来源的结构29 Kadsurenin B也同时验证了结构27的合理性。
图6，甘草 Cyclooctenone A结构12
和Sausinone结构13分别修正为结构36和结构40
化合物甘草 Cyclooctenone A结构12最初从不同甘草属植物中分离而来，这一结构引起了很多的关注，是因为其结构中不但含有桥头烯烃结构而且含有叔丁基结构。虽然说天然产物中含有桥头烯烃结构的化合物，但是含有叔丁基结构的化合物却非常少见。此外结构12的骨架中含有双环13C体系这在天然产物结构中没有先例，两环均有很高的不饱和度。这些都表明原先的结构存在很大的问题。数据导入到ACD/SES中，软件给出结构36为最优结构，原先的结构12次之。聚合抗氧剂结构37氧化产物结构36此前曾有文献报导过，但是文献中没有核磁数据。因此使用DU8+算法计算其碳谱后发现结构36的碳谱与实验碳谱高度吻合。因此从合成的角度再次说明该化合物不是天然产物，而是在分离过程中引入的物质。
Sausinone 13是从雪莲花中分离出来的化合物，结构比较复杂。ACD/SES的解析结果表明原先的结构13并不正确，虽说其中C和D环基本高度确定（图6中结构13上蓝色标示）, 既然部分结构已经确定再加上分子式已知（C24H32O8），这样就可以去检索数据库。在数据库中找到一个结构38，这可能是一个很好的候选结构，但其谱图与实验谱图吻合度并不是很好。数据库中其它同分异构体的情况也大致差不多如结构39，这两结构与实验谱图最大的差异是在100ppm碳谱峰，在这一区域可能出现的碳谱峰可能是连氟叔碳或缩醛碳，仔细检查实验谱图发现在101ppm左右存在原先没有考虑的小峰，因此很有肯能此结构中含有氟原子，这样就自然联想到抗炎类固醇地塞米松（40）和倍他米松（41）的结构。结构40的谱图与实验谱图比较接近，因此分离出的物质有可能就是地塞米松。
图7，Isatindigoside F和 Isatindigoside G结构重新修正结果
Isatindigoside F（14）和 Isatindigoside G（15）是从草本植物板蓝根中分离而来，这两结构中都存在反芳香性氮杂环丁二烯片段，此片段一般不可能在天然产物中出现。使用ACD软件预测这两结构的化学位移也表明这两结构不正确，与实验谱图存在一定的差异，但发现结构中有可能存在一个吡喃糖和两个吲哚环片段。将这一猜想应用到ACD/SES中，预先给定软件这些片段，软件生成了一些列的这些片段的噻唑环取代同分异构体（图7，42），噻唑环曾出现在该植物的其它提取物中，但此结构的谱图与实验谱图还是有差异，很有可能给定条件可能有问题。因此，再次使用ACD/SES计算结构，给定软件S吡喃糖苷和两个苯环片段。调整策略后，发现了吡啶并吲哚片段出现在生成结构列表前8结构中，吡啶并吲哚片段曾被文献报导过（44）.
由于生成列表中有一系列的不同取代位置的同分异构体（45），因此使用DU8+算法计算它们的谱图后最终确认结构46为最优结构。
图8，Afzeliindanone （16）结构修正为cycloheptenone（47）
Afzeliindanone(16)，分离自西非灌木Uvaria afzelii，在分析其报导的氢谱数据时发现在6.07ppm左右有一耦合为11.5Hz的氢，此氢不应该为芳香氢，很有可能为烯烃氢。将数据导入到ACD/SES中发现结构16并不正确。软件计算的最优结构为图8中结构47。使用DU8+同时计算了结构列表中最优结构47和接下来两个结构48，49的化学位移，再次确认了结构47应该为16的正确结构。
19世纪中叶，伴随着天然产物领域发展，出于科学的需要产生了天然产物结构解析。然而，即使到现在发表的刊物中结构解析错误的情况仍在发生。因此，继续发展和测试新方法和新理论以协助结构解析工作，防止不正确的化学结构进入文献尤为重要。文章中所讨论的案例不仅可以启示化学家识别可疑化学结构，同时也提供了使用CASE (ACD/SES) 和量子力学 (DU8+) 方法结合化学知识直觉修正错误结构方面的经验。
注：本文提到的ACD/SES 全称为ACD Structure Elucidator Suite, 是当前唯一一个被广泛应用的计算机辅助结构解析CASE软件。其功能强大，为药物研究工作的效率提高提供了极大的助力。请参见Structure Elucidator Suite的介绍。
首页
