量子化学计算在天然产物结构确证中的应用

绝对构型的判定一直是天然产物结构鉴定中的一大难点,因此发展新型测定绝对构型的方法具有十分重要的意义。近年来,随着量子化学计算的发展,含时密度泛函理论ECD(TD-DFT ECD)技术逐渐成为化学家用于判定天然产物绝对构型的一种有力手段。根据适用对象的差别,该技术可分为固态TD-DFT ECD计算与液态TD-DFT ECD计算两种方法。两种方法在应用中均十分直观、明了,简言之是将实测ECD谱图与计算ECD谱图进行比对,二者吻合度越高则判定结果越可靠。

TD-DFT ECD的计算主要经历三个步骤:

1、对待定化合物进行构象分析,一般先根据NMR谱图确定待定化合物的相对构型,从而将可能的绝对构型限定为两种,选取其中一种作为假定的目标构型。具体步骤如下:首先采用Merck分子力场(Merck molecular force field,MMFF)法进行构象分析,得到相对低能量的构象。再用密度泛函理论(density functional theory,DFT)进行结构优化,得到各构象的玻尔兹曼热力学分布,算出每个构象的布居数,选取其中对ECD谱图的计算贡献较大的优势构象进入下一步计算;

2、对得到的每个构象都进行TD-DFT ECD计算得到预测的ECD谱图。首先是采用TD-DFT法计算每一构象,得到其激发能量,以及相应的振动和转动强度,然后通过高斯分布函数拟合转动强度的结果得到相应构象的预测ECD谱图,最后将得到的全部谱图进行玻尔兹曼加权平均后得到假定的目标构型的预测ECD谱图;

3、将计算得到的ECD谱图与实测ECD谱图进行比对,如吻合,说明假定的分子构型为绝对构型,反之,即二者镜像对称,那么假定构型的对映体的构型为绝对构型。接下来,本文将选取几个实例以说明量子化学计算在天然产物结构确证中的应用。

如图1所示,ximaolide A是从中国海南扭曲肉芝软珊瑚(Sarcophyton tortuosum)分离得到的西松烷二萜二聚体。ximaolide A的KCl压片测得的固态ECD谱图中存在着2个正的Cotton效应,分别在282和211 nm,前者由n→π*跃迁产生,后者由π→π*跃迁产生。以其单晶衍射获得的原始构型(1S,2S,5S,9R,12S,21S,26S,27S,30S,31S,33S)为初始假定绝对构型,选用B3LYP/6-31G(d)进行DFT构象优化,再行TD-DFT ECD计算,所用基组为(SV,SVP),泛函为(B3LYP,CAM-B3LYP,BH&HLYP)。以B3LYP/SVP算得的ECD曲线良好地重现了实测ECD曲线(图1),从而确定了ximaolide A的绝对构型为(+)-(1S,2S,5S,9R,12S,21S,26S,27S,30S,31S,33S)。

 

量子化学计算在天然产物结构确证中的应用

图1. ximaolide A的结构图以及实测ECD和计算ECD曲线的比较

图片来源EJOC

如图2所示,木果楝吡啶是从红树林木果楝(Xylocarpus granatum)的枝叶中分离得到的吡啶类生物碱,本身也可看做是含吡啶环的柠檬苦素类降萜。以获得的(3S,5S,10S,13R,17R)为假定绝对构型,经TD-DFT ECD计算(B3LYP/TZVP)后得到其预测的ECD曲线,发现该曲线与实测ECD曲线吻合良好(图2),从而确定2的绝对构型为(+)-(3S,5S,10S,13R,17R)。

量子化学计算在天然产物结构确证中的应用

图2. 木果楝吡啶的结构图以及实测ECD和计算ECD曲线的比较

图片来源Tetrahedron

如图3所示,五味子二内酯A(schisdilactone A)是从中药五味子中分离得到的五味子素类降三萜化合物。考虑生源途径,假定(1R,4R,5S,8R,9S,10R,13S,15S,20R)为目标绝对构型。在MMFF构象分析基础上辅以B3LYP/6-31G(d)进行几何优化。TD-DFT ECD计算运行是基于6-311G(d,p)基组上配合几种不同的泛函进行计算(B3LYP,BH&HLYP,CAM-B3LYP)得到相同的结论,其中尤以BH&HLYP泛函的计算结果与实测吻合度最高。从而将schisdilactone A的绝对构型定为(-)-(1R,4R,5S,8R,9S,10R,13S,15S,20R)。

量子化学计算在天然产物结构确证中的应用

图3. 五味子二内酯A的结构图以及实测ECD和计算ECD曲线的比较

图片来源EJOC

一般地,在确定了天然产物的绝对构型后,还需要对天然产物的生源途径进行推断,而量子化学的过渡态计算可以为生源途径的推断提供理论支持。如图4所示,Caesalpinimin A是从紫花苜蓿种子中分离得到一种新型的螺-A/B环的呋喃二萜化合物。通过B3LYP/6-31+G (d,p)对化合物进行DFT几何优化,然后在通过mPW1PW91/6-311+G (2d,p)计算水平,进行TD-DFT计算并最终获得计算上的ECD曲线,通过和实验ECD对比后最终确定了Caesalpinimin A的绝对构型。与此同时,如图5所示,通过对提出的Caesalpinimin A形成的生源途径进行过渡态计算,确定了提出的生源途径的可靠性。

 

量子化学计算在天然产物结构确证中的应用

图4. Caesalpinimin A的结构图以及实测ECD和计算ECD曲线的比较

图片来源RSC Advances

量子化学计算在天然产物结构确证中的应用

图5. Caesalpinimin A形成的生源途径

图片来源RSC Advances

参考文献:

1. Absolute Configuration of Highly Flexible Natural Products by the Solid-State ECD/TDDFT Method: Ximaolides and Sinulaparvalides. European Journal of Organic Chemistry 2012, 2012(34), 6722.

2. Bioactive Rearranged Limonoids from the Chinese Mangrove Xylocarpus granatum Koenig. Tetrahedron 2014, 70(37), 6444.

3. Structure and Absolute Stereochemistry of Nortriterpenoids from Schisandra chinensis (Turcz.) Baill. European Journal of Organic Chemistry 2012, 2012(28), 5471.

4. Caesalpinimin A, a novel Rearranged Furanoditerpene with an Unprecedented Carbon Skeleton from the Seeds of Caesalpinia minax Hance. RSC Advances, 2014, 4(15), 7440.