呋喃木脂素的旋光分散立体化学：潜力与陷阱（Stereochemistry of Furofuran Lignans from Optical Rotatory Dispersion: Potential and Pitfalls）

《Frontiers in Natural Products》：Stereochemistry of furofuran lignans from optical rotatory dispersion: potential and pitfalls

　　

背景：手性次级代谢产物的绝对构型测定是天然产物化学中的主要瓶颈之一。目前已有多种方法可用于解决这一结构难题，例如X射线晶体学、核磁共振波谱和手性光谱学。在手性光谱学方法中，旋光度和电子圆二色光谱至今仍是天然产物化学家最常使用的工具。然而，这种使用主要基于对结构相关分子所获数据的经验性比较。这是一种高风险的方法，尤其考虑到旋光度通常是在单一波长（钠D线）下获得。除波长范围外，手性光谱学中另一个重要方面是溶剂对目标性质的影响。近期，研究人员已证明不同极性和氢键能力的溶剂对呋喃木脂素振动圆二色光谱的影响。方法：为进一步研究溶剂化效应对该类次级代谢产物手性性质的影响，并探索基于旋光度进行绝对构型确定的更可靠方案，本文对一系列呋喃木脂素在CH₃CN、CHCl₃和CH₃OH中的旋光分散进行了系统的实验和理论研究。在589、578、546、436、405和365 nm波长下测量了比旋光度，并与B3LYP/PCM/6–311G++(d,p)水平的DFT模拟进行了比较。结果：实验与计算数据之间的比较表明，除芝麻脂素（sesamin，2）在CH₃OH溶液中以外，所有目标木脂素的绝对构型均可明确确定。对于后者，进一步采用了分子动力学和量子力学/分子力学计算进行研究。结论：结果表明CHCl₃是旋光分散测定的优选溶剂，而CH₃OH的使用应谨慎，因为它会不可预测地影响该类天然产物电子性质的模拟。

**论文解读：呋喃木脂素旋光分散的立体化学研究——潜力与陷阱**

**1. 研究背景与问题**

天然产物化学中，手性次级代谢产物的绝对构型测定长期是一项核心挑战。自然界通过高度特化的生物合成机制能够产生具有复杂分子骨架的次级代谢产物，这些分子通常含有多个立体中心，从而可能形成多种立体异构体，包括对映异构体。此外，同一物种或不同物种产生的天然产物可能具有不同的对映体纯度或过量值，进一步增加了结构表征的复杂性。次级代谢产物的立体化学不仅影响其理化性质，还直接影响其生物活性和环境功能，立体化学识别甚至被视为自然界化学通讯的最高层级。因此，可靠测定天然产物立体化学的方法始终是迫切需求。

目前测定绝对构型的方法中，单晶X射线晶体学被认为是金标准，但其应用局限于能够获得高质量单晶的固态物质，对于许多天然产物而言，获得合适晶体可能困难甚至完全不可能。核磁共振波谱在灵敏度和信号色散方面不断进步，但其本质上是非手性的，在各项同性介质中无法区分对映体，必须引入手性辅助试剂（如手性衍生化试剂、手性溶剂化试剂、手性主体化合物、金属配合物等）方能用于该目的。手性光谱学方法则在过去数十年间经历了复兴，得益于仪器和量子化学软件预测光谱的重要发展。这类方法直接针对溶液中的光学活性进行非破坏性测量，无需结晶或衍生化。主要的手性光谱方法包括旋光度（OR）、其随波长变化的版本旋光分散（ORD）、电子圆二色光谱（ECD）、振动圆二色光谱（VCD）和拉曼光学活性（ROA）。

在天然产物结构解析流程中，一旦通过NMR等方法确定了相对构型，旋光度通常是评估手性最常用的手性光学性质。最常见的做法是将旋光度符号和数值与结构相关分子进行比较，这种经验性比较也常用于ECD光谱。但ORD的使用存在明显问题：旋光度只是一个不携带结构信息的数字，且对溶剂、浓度、光程和温度等实验参数极为敏感。已有研究表明，非常相似的结构之间，细微的结构变化可能导致旋光度符号完全反转。唯一可接受的经验性比较方案仅适用于同一分子的对映异构体之间，而且其中一个对映体的绝对立体化学必须已通过独立方法确认，且比较须在相同实验条件下进行。

呋喃木脂素是木脂素中最重要的亚类之一，在植物界广泛分布。此类化合物由苯丙烷（C₆-C₃）二聚体通过中心碳连接形成，含有2,6-二芳基-3,7-二氧杂双环[3.3.0]辛烷骨架。大量报道的呋喃木脂素表现出抗氧化、抗炎、细胞毒和抗微生物等生物活性。虽然其相对构型可通过NMR方法较易确定，但绝对构型的测定更具挑战性，文献中可能存在模糊之处，原因在于广泛使用了OR和ECD数据的经验性相关分析。近年来，VCD被提出用于测定一系列呋喃木脂素的绝对构型和溶液中的主要构象，是一种更可靠的方法。然而，VCD增强的结构敏感性也带来了量子化学模拟的额外复杂性：呋喃木脂素的部分VCD光谱特征已被证明需要包含显式溶剂分子，即使在乙腈这类无直接氢键相互作用的溶剂中也是如此。对于芝麻脂素，在氯仿溶液中甚至史无前例地需要显式溶剂化。一种结合分子动力学（MD）模拟和量子力学/分子力学（QM/MM）计算的计算方案对乙腈和氯仿溶液均证明特别有效。显式溶剂化壳层的存在稳定了构象，导致芳香环振动模式的有效取向和偶合，这对于复现所有木脂素在约1,510 cm^-1处观察到的类耦合信号至关重要。然而，溶剂效应随结构特征（如柔性和对称元件）变化，随着分子对称性和柔性增加，显式溶剂化的引入对VCD模拟变得必要。

尽管过去十年使用VCD的天然产物化学家显著增多，但该技术对很大一部分群体而言仍较陌生。此外，上述溶剂效应在电子光学活性方法ECD中似乎不太显著。因此，为进一步研究溶剂化对呋喃木脂素手性性质的影响，并探索基于OR确定绝对构型的更可靠方案，研究人员对一系列呋喃木脂素在CH₃CN、CHCl₃和CH₃OH中的ORD进行了系统的实验和理论研究。虽然已有文献报道了多种手性分子的ORD广泛实验和理论研究，并考察了不同溶剂、方法和理论水平的影响，但此前尚未对呋喃木脂素进行此类研究。

**2. 研究方法概述**

研究人员选取了6种呋喃木脂素（eudesmin、sesamin、kobusin、epieudesmin、episesamin、phillygenin）作为目标化合物。这些化合物分别从不同的马兜铃属植物中分离：化合物1和3来自大花马兜铃（*Aristolochia gigantea*），化合物2来自毛马兜铃（*A. pubescens*），化合物4和6来自瓦尔马兜铃（*A. warmingii*），化合物5来自盔状马兜铃（*A. galeata*）。其分离和结构鉴定程序已有文献报道，对映体纯度通过手性HPLC测定。

实验中，使用配备钠灯和汞灯及相应滤光片的Jasco P2000旋光仪，在589、578、546、436、405和365 nm六个波长下，分别于氯仿、乙腈和甲醇中测量了化合物1–6的旋光度。样品浓度保持在0.25 mg·mL^-1，使用光程1 dm、内径10 mm的圆柱形玻璃样品池，比旋光度值以3–5组测量块（每组5次重复）的平均值报告。

计算方面，采用分子力学MMFF力场进行初步构象搜索，然后在B3PW91/PCM/6–311G(d,p)水平进行几何优化。ORD性质在B3LYP/6–311G++(d,p)水平、使用PCM溶剂模型于氯仿、乙腈和甲醇溶液中计算。对相对能量≤2.0 kcal·mol^-1的构象体，使用B3PW91/PCM/6–311G(d,p)吉布斯自由能进行玻尔兹曼加权。对于芝麻脂素（2）在甲醇溶液中的特殊情况，研究人员还进行了20 ns的分子动力学（MD）模拟（OPLS-AA力场，T=300 K，P=1 bar），然后采用ONIOM双层QM/MM方法（QM层为B3PW91/6–311G(d,p)，MM层为UFF力场）对快照进行几何优化，随后在高斯程序中进行ORD计算（B3LYP/PCM(MeOH)/6–311G++(d,p)和CAM-B3LYP/SMD(MeOH)/aug-cc-pVDZ水平）。

**3. 主要研究结果**

**3.1 不同溶剂中ORD实验与计算的整体比较**

实验和计算数据的比较使所有目标化合物的绝对构型得以可靠确定：右旋化合物1–3和5的绝对构型根据计算所选的任意构型进行反向对应，分别被指认为(7S,8R,7′S,8′R)（化合物1–3）和(7S,8R,7′R,8′R)（化合物5）；左旋化合物4和6的计算构型与分离天然产物一致，分别被指认为(7R,8S,7′S,8′S)。对于每个化合物，色散趋势和比旋光值的大小在实验与计算之间相当。总体而言，不同溶剂的实验数据量级相似，其中氯仿中的计算数据与实验的比较以微弱优势优于其他溶剂（对化合物2–4）。乙腈和甲醇中计算的色散数据彼此之间对应更好。实验数据方面，氯仿中记录的色散性质更优，所有木脂素的变化较小，这归因于光电倍增管检测器饱和度较低，也可能与极性较低溶剂引起的构象扰动较小有关。部分化合物在乙腈和甲醇中低波长下出现实验偏差，可能与溶剂的电子性质（折射率和/或极化率）以及木脂素较高的构象柔性相关。

**3.2 芝麻脂素在甲醇溶液中的异常行为**

尽管总体一致性良好，但芝麻脂素（2）在CH₃OH溶液中使用PCM的模拟数据将右旋化合物指认为(7R,8S,7′R,8′S)，这与乙腈和氯仿中的数据以及文献结果相矛盾。当对已鉴别的构象体赋予等权重（简单平均）时，色散曲线呈现负趋势，与其他溶剂的结果一致，这暗示构象集合的选择可能存在问题（几何结构不准确或能量估算不正确），而溶剂效应直接影响这些性质。实验比旋光度随溶剂变化的符号反转相对常见，通常可被PCM很好地重现，但(+)-sesamin的实验中三个溶剂的色散曲线均一致为正，仅甲醇中的计算未能重现(7R,8S,7′R,8′S)构型的正确趋势。类似情况在(S)-(+)-carvone中也有报道，作者认为需要进一步考虑振动修正，但仅包含振动效应通常不足以改善与实验溶液数据的一致性，需要结合振动和溶剂效应。

**3.3 MD/QM/MM模拟与微溶剂化尝试**

为更好解释溶剂效应，研究人员对2在甲醇中的情况进行了MD/QM/MM组合方案。由于收敛问题，在采用QM/MM ONIOM方法（显式溶剂分子参与几何优化）优化后的几何上仅用隐式溶剂模型PCM计算ORD。尽管采用了更真实的方法，但(7R,8S,7′R,8′S)-2在甲醇溶液中的ORD数据仍基本为正。在CAM-B3LYP/SMD(MeOH)/aug-cc-pVDZ水平上也得到类似结果。随后测试了微溶剂化方法：将1至4个显式甲醇分子放置在可与亚甲二氧基和/或呋喃环氧原子形成氢键的位置，重新优化后进行ORD计算（含或不含PCM）。结果表明，虽然显式溶剂分子的加入引起了重要结构变化（呋喃环部分从扭曲变为平坦），显著影响VCD性质，但对ORD值几乎无影响，计算结果仍基本为正，仅在使用PCM模拟时旋光度略小。决定比旋光符号的关键结构因素似乎是两个相同芳香环偶极矩的相对取向，而隐式溶剂化在几何优化和频率计算中对这些取向及相应能量变化的估计似乎被高估。

**3.4 总结讨论**

研究人员证明溶剂极性及氢键倾向会影响呋喃木脂素的电子光学活性；首次系统研究了CH₃CN、CHCl₃和CH₃OH对呋喃木脂素（1–6）ORD性质的影响。通过实验与计算数据比较，除芝麻脂素（2）在甲醇溶液中的情况外，所有目标木脂素的绝对构型均可明确确定。对(7R,8S,7′R,8′S)-2的计算产生正色散曲线，使其被错误指认为右旋(+)-2的绝对构型，与乙腈、氯仿结果及文献相反。即使采用MD模拟和显式溶剂化几何优化，理论ORD值仍基本保持为正。因此，尽管甲醇常被用于呋喃木脂素的分离和结构表征，但在旋光度测定中应谨慎使用。由于天然产物化学中常采用比旋光度经验性比较进行立体化学指认，上述结果具有更深远的意义：仅基于比旋光度数值的经验性比较很可能得出错误结论。研究人员建议：CHCl₃是ORD测定的首选溶剂，因其能产生较高信号强度、较低的分子间相互作用和改进的实验重现性；若溶解性有问题，推荐使用CH₃CN；此外，建议在多种溶剂中获得旋光度数据以获得更可靠的指认结果。研究结论部分明确指出：溶剂化对手性分子的手性性质起关键作用；呋喃木脂素的电子光学活性受不同溶剂的极性和氢键倾向影响；为获得可靠绝对构型指认，应采用多波长、多溶剂策略，并谨慎对待经验性比较。