有機合成人的眼睛:NMR在結構確證中的應用策略

　　核磁共振(NMR)在當今有機化合物結構解析中佔有舉足輕重的地位。大到複雜天然產物的結構鑑定，小到有機合成產物的結構表徵，NMR的身影無處不在。毫不誇張地說，NMR就是有機合成人的眼睛。NMR技術博大精深，每個人掌握的水平也是良莠不齊，可能很多同學對NMR的應用還停留在看看化學位移，數數積分數值的層面上。以ChemDraw結果為標準研判NMR的同學請自行面壁。今天，借用魁北克大學Steven R. LaPlante課題組在Bioorg. Med. Chem. Lett.發表的文章幫大夥擦亮雙眼，分享一下各種NMR技術在有機化合物結構解析中的應用策略。

　　作者開篇先舉了兩個藥物研發領域中結構表徵錯誤的例子。2012年，C&EN警告消費者博舒替尼(Bosutinib，1b)的錯誤異構體1a被在市面上出售，而該異構體是沒有活性的。C&EN原文指出這兩個化合物的質譜和元素分析是完全一樣的，雖然兩個化合物氫譜的芳環信號有所差異，但是如果不將這兩個化合物對比分析很難發現問題。

圖片來源：Bioorg. Med. Chem. Lett.

　　另一個例子則是關於誘導腫瘤細胞凋亡的化合物TIC10。這個化合物於1973年和2013年被兩個不同的公司申請了專利。隨後當Scripps研究所人員在研究這個化合物時發現他們製備的化合物居然沒有活性。經過仔細分析後發現，被兩個公司先後申請專利的化合物2a沒有活性，有活性的化合物是其異構體2b。這個例子也真夠對得起BMCL作者給的這個化合物編號，雖然原文作者不是中國人。

圖片來源：Bioorg. Med. Chem. Lett.

　　咱們接下來就按照原文作者的思路學習一下什麼情況下該用什麼NMR實驗鑑定結構。

　　區域異構(Regioisomerism)

　　有的反應由於不可控性會使得一些官能團以非常規形式連接到另一分子上從而產生區域異構體。這種情況下利用常規的LC-MS和1H NMR是很難進行有效區分的。這時應用HMQC(HSQC)和HMBC兩種2D-NMR實驗通常可以輕而易舉地解決這種問題。如下圖所示，作者隨手給了一個應用HMBC鑑定區域異構體的例子。

圖片來源：Bioorg. Med. Chem. Lett.

　　當然，作者也提到了HMBC實驗本身的一些不足，比如會有1JH,C和4JH,C信號的幹擾，這有時會影響一些化合物的解析。分享一個我個人的經驗吧：1JH,C信號結合HSQC譜很容易分辨，所以也有人管這個信號叫QC殘留信號。對於4JH,C信號，當用核磁軟體讀取原始HMBC數據圖時可以通過調整切面高度，比較信號強度等手段排除4JH,C信號的幹擾。

　　另外，作者認為2D-NMR實驗中的ROESY實驗在判別區域異構體時也可以作為重要的依據，它可以提供分子內空間距離在5埃之內的氫原子信息。如下圖所示，作者又舉了一個例子。

圖片來源：Bioorg. Med. Chem. Lett.

　　同樣，作者也提到了ROESY實驗的一些缺點，主要是會有一些假信號的幹擾。說到這，再跟大夥分享一個自己的實戰經驗吧：ROESY實驗確實方便，一下子能獲得分子所有氫原子之間的空間關係。ROESY譜中有相關信號的兩個氫原子位置相近這毋庸置疑，但是ROESY譜中沒有相關信號的兩個氫原子不一定空間距離遠。對於這種有疑問的氫原子需要做1D-NOE差譜來最終給出結論。[此處可以有掌聲]

　　幾何異構(Geometric Isomerism)

　　幾何異構體(E/Z)常見於各種含雙鍵化合物當中。通常，大家可以通過雙鍵上兩個氫原子的耦合常數進行判斷，cis構型的耦合常數大約在3-13 Hz，trans構型的耦合常數大約在12-20 Hz。基礎知識稍微紮實點的同學都是知道這些考點的。可是，當雙鍵上的氫原子和其他原子存在耦合時，圖譜變得複雜，耦合常數很難準確讀出。作者提示咱們，可以嘗試選擇性去耦氫譜讀出耦合常數，具體的例子見下圖，藍色圖譜是選擇性去耦之後的氫譜。

圖片來源：Bioorg. Med. Chem. Lett.

　　看完作者舉的圖，我想到一個簡單粗暴方法，換機器唄(混過網吧的同學肯定懂的)，400 MHz測的不行就換600 MHz，要不換800 MHz，還有1G的呢，備不住過兩年聽著更像U盤了，2G、4G、8G，神馬都有。

　　旋轉異構/阻轉異構(Rotamers/Atropisomers)

　　在某些分子中，一些特殊因素可以限制單鍵的自由旋轉或者環的自由翻轉，這就產生了旋轉異構體或阻轉異構體。遇到這種情況，作者提供了常見的解決辦法：換溶劑、變溫度以及ROESY。作者以三級醯胺的NMR變溫實驗和ROESY實驗為例介紹了這種旋轉異構體的NMR信號特點。

　　圖片來源：Bioorg. Med. Chem. Lett.

　　N-烷基化和O-烷基化(N- vs. O-Alkylation)

　　當分子中的氮原子和氧原子都可被烷基化時，我們需要對產物的烷基化位點進行分辨。除去之前提到的ROSEY、HBMC或HSQC實驗可以用於解析烷基化位點以外，碳譜中的化學位移值也可以很容易地鑑定出產物的烷基化位置。這個簡單也常見，咱就不多說了。

圖片來源：Bioorg. Med. Chem. Lett.

　　立體化學異構體(Stereoisomerism)

　　確定手性分子的絕對構型一直以來都是富有挑戰性的。作者也承認X射線單晶衍射技術無疑是最合適的手段，但是ROESY實驗在很大程度上能夠給出化合物的相對立體構型。作者以化合物9為例，利用ROESY譜相關信號的強弱解析了該化合物的相對立體構型。

圖片來源：Bioorg. Med. Chem. Lett.

　　文末，作者總結了一個超級實用的表格告訴大家什麼情況應該用哪種NMR技術。

圖片來源：Bioorg. Med. Chem. Lett.

　　絕對的實用乾貨，適用於大多數有機合成初學者，同學們可以多多轉發，拯救更多被NMR困擾的小夥伴們。我們更歡迎各位整日以鑑定結構為業的植化/天然藥化大牛們也來分享自己的寶貴經驗。

　　最後，本人安利兩本書吧，絕對是學習結構解析的經典教材。英語閱讀無障礙，喜歡原汁原味的同學請看原著;能夠接受翻譯版本的同學就看藥明康德分析部譯的這個中文版吧。

圖片來自網絡