运用ACD/Structure Elucidator软件辅助解析疣孢菌素C的结构

2026-03-17 16:25:34, 编译| 胡炽文 Advanced Chemistry Development, Inc. (ACD/Labs)

美国Scripps海洋研究所的William Fenical团队^[1]对采集自北马里亚纳群岛的疣孢菌属菌株TAA-831（分类学归属于放线菌门的小单孢菌科）展开了系统研究。通过对该菌株发酵提取物进行化学谱分析，发现其中存在大量未知的次级代谢产物。

随后的质谱与核磁共振分析证实了这些代谢产物结构的独特性。为全面鉴定这些潜在的新型天然产物，研究者进行了系统的分离与纯化，最终获得五种新型聚酮类化合物——疣孢菌素A-E（verrucosins A-E）。

"这些化合物的平面结构及相对构型通过综合运用光谱学（UV、IR、MS、1D/2D NMR）、计算化学预测及基因组学分析得以最终确定。"

本研究旨在利用该文献报道疣孢菌素C（verrucosin C）的结构解析数据，对ACD/Structure Elucidator软件的自动化结构解析能力进行测试与验证。

疣孢菌素C（verrucosin C）的结构式

疣孢菌素C以亮橙色油状物形式分离获得。其(−)-HRESIMS谱图在m/z 533.2585处显示脱质子分子离子峰[M–H]⁻，对应分子式为C₂₉H₄₁O₇S⁻（计算值533.2574），不饱和度为9。

其¹H NMR、¹³C NMR、HMBC及COSY光谱数据详见表1。

表1. 疣孢菌素C（verrucosin C）的核磁共振光谱数据

上述实验数据（分子式及1D/2D NMR相关数据）被导入ACD/Structure Elucidator软件。软件随后基于输入数据自动构建了分子连接图（Molecular Connectivity Diagram, MCD），如图1所示。

图1. 疣孢菌素C的分子连接图（MCD）

碳原子杂化类型通过颜色标识：sp²杂化（紫色）、sp³杂化（蓝色）、非sp杂化（浅蓝色，即sp²或sp³未定）。"ob"表示必须连接杂原子，"fb"表示禁止连接杂原子，这均由程序根据化学位移与化学环境规则自动设定。HMBC相关（²,³J_CH）以绿色箭头表示，COSY相关（³J_HH）以蓝色箭头表示。尚不明确的连接性以虚线标注。

分子连接图中所有原子的属性（杂化状态、化学环境约束）均由程序根据输入的光谱数据自动判定。需特别指出，化学位移位于95.00、109.50、117.80和125.7 ppm的四个浅蓝色碳原子被程序归类为"非sp杂化"，即其杂化状态可能为sp³或sp²。

这一设定是考虑到结构中可能存在O–C–O（缩醛或半缩醛）片段的可能性，此类片段中碳的化学位移常落于此区间。上述原子的所有可能杂化类型将在后续的结构生成过程中进行穷举尝试。本案例中，未对自动生成的分子连接图进行任何手动修改。

对二维核磁共振（2D NMR）数据一致性进行检查后，程序判定谱图中未出现长程异核耦合（ⁿJ_CH,HH, n>3）等非标准相关性（Non-Standard Correlations, NSCs）。因此，软件启动了严格结构生成（Strict Structure Generation）流程，并同步进行¹³C NMR化学位移预测。

结构生成完成后得到以下统计结果：候选结构总数k = 1496 → （经化学合理性过滤）→ 2，总计算耗时t_g = 10秒。

生成的两个候选结构及其对应的¹³C NMR化学位移预测偏差如图2所示。

图2. 疣孢菌素C结构解析的输出结果

¹³C化学位移预测采用三种算法：基于HOSE算法、神经网络算法及增量法。

三种方法计算得到的¹³C化学位移平均偏差分别标记为d_A、d_N和d_I。

图中每个原子根据其实验值与预测值的差值（Δδ, ppm）进行颜色标识：绿色（0 ≤ Δδ < 3 ppm）、黄色（3 ≤ Δδ < 15 ppm）、红色（Δδ ≥ 15 ppm）。

如图所示，图2中的第一个候选结构（Structure #1）与已知的疣孢菌素C结构完全一致。第二个候选结构（Structure #2）应当予以排除。排除依据不仅在于其平均偏差（d_A, d_N, d_I）和最大偏差值显著高于结构#1，更关键的是其含有一个张力极大的四元环结构——这对于已知的天然产物聚酮类化合物而言是极为罕见的，违背了相关的化学结构与生物合成合理性原则。

因此，对于疣孢菌素C这样一个分子量较大（C₂₉H₄₂O₇S，m/z ~533）、结构复杂的分子，利用ACD/Structure Elucidator软件在完全自动化的模式下，仅用时10秒便完成了明确且正确的结构解析。此案例的成功，主要归功于其二维核磁共振（HMBC和COSY）数据具备高度的一致性与完整性，为软件提供了充足的"结构公理"。初始数据的全面性，亦得益于其分子式中含有较高数量的氢原子，从而产生了丰富且解析度良好的¹H-¹H与¹H-¹³C相关信号。

最终经13C NMR化学位移详细归属的疣孢菌素C结构展示如下：

参考文献：

C. Holland, R. Iizumi, V.V. Shende, W. Fenical. (2025). Isolation of Verrucosins A−E from a Marine Verrucosispora sp. Reveals a Unifying Biosynthetic Hypothesis for Linear and Macrocyclic Polyketides. J. Nat. Prod., 88(7), 1631–1642. https://doi.org/10.1021/acs.jnatprod.5c00373