计算化学挑战复杂化合物的结构鉴定

对于化学家来说，如何鉴定未知化合物的结构一直是至关重要的研究任务之一，这是因为只有解析出分子结构才能准确理解分子的物理、化学和生物特性。这项任务目前主要依靠核磁共振（NMR）波谱解析来完成。虽然近十年来核磁检测技术取得了长足进步，但文献中化合物结构解析的错误依然屡见不鲜。尤其是化合物的立体结构鉴定，这已经成了核磁解析的瓶颈，并且造成了众多结构误解“事故”。同样是在近十年，通过密度泛函理论（DFT）计算核磁数据来解析化合物结构逐渐被学术界所接受。这一系列基于DFT的计算都以DP4置信度为核心，然而DP4方法仍存在不少局限，如计算理论水平较低、计算成本高（需要更大服务器、更多机时），对中等或小分子量以及刚性分子尚可应付，一旦遇到分子量大、柔性度大的分子往往就力不从心。

2019年，阿根廷国家科学与技术研究理事会（CONICET）的Ariel M. Sarotti 教授和西班牙国家研究委员会天然产物与农业生物学研究所（IPNA-CSIC）的Antonio Hernández Daranas教授等人开发了一种高精度低成本的计算方法——J-DP4（Org. Lett., 2019, 21, 4003–4007），并用这种方法评估了69种分子，包括5元环、7元环、8元环以及大环化合物。在此基础上，近日他们利用该方法挑战了一个复杂天然产物——Belizentrin的结构鉴定（图1）。相关成果于近期发表在Organic Letters 上。

图1. Belizentrin的化学结构。图片来源：Org. Lett.

如图1所示，Belizentrin分离自一种海洋鞭毛藻（dinoflagellate），不仅结构复杂而且不稳定，直到最近才通过甲酯衍生物的全合成确定了其结构。Belizentrin整个结构可分为4个手性片段，含有66个重原子，一个25元环，一个高度亲水的侧链。此外，其结构上的9个羟基能形成若干分子内氢键，并且16个手性中心可产生总数达32768个非对映异构体，因此要想用计算化学方法鉴定其结构极具挑战性。

为了降低计算成本，他们将Belizentrin 拆分为3个不同的片段（F1-F3），同时运用J-DP4与DP4进行计算分析，分别确定3个片段的相对构型。有趣的是，对于片段F1，DP4计算显示原本正确的anti-anti-anti-syn立体取向结构（F1-01）存在概率非常低（1.8%），还不如另外两个异构体，这表明用标准DP4计算这个片段时解析能力不高。相比之下，J-DP4 以高置信度（93.7%）成功地鉴定出F1的正确相对构型。而且J-DP4方法通过引入实验耦合常数（J值）显著降低了构象取样数量，从而降低了工作量。同样地，对于片段 F2，J-DP4相对于DP4 提供了更高的正确鉴定置信度（98.6% vs 48%）和更低的单点核磁计算值 （166 vs 745）。最后，对于片段 F3，由于两个季碳（C₂₇和C₂₉）的存在，他们综合引入了J值和奥弗豪塞尔核效应（NOE）实验参数，结果显示J-DP4相比于DP4依然提供了更高的正确鉴定置信度（97.7% vs 91.7%，图 2）。

图2. Belizentrin 片段 F1、F2和F3 正确相对构型的DP4和J-DP4值。图片来源：Org. Lett.

随后，他们评估了J-DP4和DP4 在计算片段连接成整体分子时判断相对构型的能力，这一步计算更为关键和困难。为此，他们假定C₂₅位绝对构型是R，并计算了8种可能的非对映异构体。鉴于J-DP4以计算耗费相对较低的MMFF分子力场为基础，但是MMFF分子力场在分析类似Belizentrin 这样的极性分子能量时不够准确，因此他们将分子构象保持在一个安全的能量窗口范围内，以便于进一步的DFT核磁计算。伴随着 iJ-DP4 步骤对构象取样数的缩减，他们成功地通过 J-DP4 置信度从8个可能的立体异构体中筛选出具有正确结构的化合物1 （a > 99.9%）。有趣的是，DP4计算却显示正确的结构置信度极低 （< 0.1%，图3）。

图3. 分别运用DP4和J-DP4计算出Belizentrin的最高置信度立体异构体02和01。图片来源：Org. Lett.

接下来，为了验证用计算化学方法鉴定质量和柔性大的复杂分子结构是否实用，他们评估了整个计算过程占用服务器CPU的时间。为此，他们选择了一个标准Pentium i7-4790 CPU，整个过程在J-DP4 计算条件下需耗时11天，相比标准DP4方法（耗时90天）大大缩短了计算时间（图4）。更重要的是，后者不仅耗时更长，还未能鉴定出目标分子的正确结构。因此，在任何实验室都能获得的计算资源条件下，使用J-DP4能够在数天内就鉴定出复杂分子的结构。若能获得更多更好的计算服务器，那么结构解析任务就能够更快完成。这些结果进一步证实了J-DP4在天然产物结构解析中的重要作用。

图4. 解决Belizentrin 所需的相对计算耗时。图片来源：Org. Lett.

最后，Ariel M. Sarotti教授和Antonio Hernández Daranas 教授团队总结了这项研究在鉴定柔性大分子立体结构方面的主要发现，有以下4点：

1. 如果在计算中未包含可接受的构象，那么分析结果显然不准确。因此，需要将大量的步骤应用于构象搜索以找到正确的结构。

2. 利用力场进行能量计算产生的结果不一定理想，因此设定阈值时必须在最低成本和好的构象取样数量之间寻找平衡。

3. 即便使用可行性高的DP4处理方法，其构象取样数依然超出了核磁计算能力范围，因此可使用iJ-DP4 步骤消除不适合的构象以减轻工作量。

4. 在计算中引入³J_HH参数，会对结果产生重要影响。

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Are Computational Methods Useful for Structure Elucidation of Large and Flexible Molecules? Belizentrin as a Case Study

Antonio Hernández Daranas*, Ariel M. Sarotti*

Org. Lett., 2021, 23, 503−507, DOI: 10.1021/acs.orglett.0c04016

（本文由水村山郭供稿）