计算化学在天然产物构型鉴定中的若干研究实例

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具有新颖结构和广泛生物活性的天然产物是大自然的馈赠,从古至今在人类健康方面做出了巨大贡献。但种类繁多、结构复杂的天然产物的构型鉴定问题却一直困扰着研究人员。长期以来,天然产物绝对构型鉴定的手段主要有化学合成、X-ray单晶衍射、Mosher法和手性光谱学方法,如ECD、VCD等,其中前三者虽然可以解决部分手性天然产物的构型问题,但是这些方法要么就是对化合物的量和研究人员的手法有很高的要求,要么就是需要形成高质量的单晶,要么是对分子内基团有一定要求等,这些条件都限制了传统方法的应用范围。手性光谱学方法因应用范围宽、对样品的性质要求不高、测试过程无损耗等优势,应用较为广泛。然而,仅凭经验规则、缺乏结果判定标准等问题严重限制了这种方法的发展。近十几年来,以量子力学为主要理论基础的计算化学方法,很大程度上克服上述方法的不足,极大地丰富了天然产物绝对构型鉴定的手段,再乘上计算机算力和相配套量化软件快速发展的东风,使得该方法被迅速推广并得到了广泛的应用,成为天然产物绝对构型鉴定工作中的重要方法之一。本文首先对计算化学方法应用于天然产物相对构型、绝对构型的方法进行了梳理。进而分别以研究实例的形式分章介绍了:1)两项以确定相对构型为任务目标的NMR计算实例。运用密度泛函方法对一个新石松型生物碱和一个新型苯并呋喃类化合物各原子的化学位移进行计算,通过将计算数据与实验数据进行DP4+可能性分析确定了这俩个新化的相对构型;2)14项以确定绝对构型为目标的ECD计算模拟研究实例。着重描述了运用含时密度泛函方法对其中的5个新化合物(两个石松型生物碱,两个大戟二萜和一个高度异构化的巨大戟烷型二萜)的ECD进行计算模拟;3)两项以确定绝对构型为目标的旋光计算研究实例。运用密度泛函的方法计算了两个新型葫芦烷型三萜的旋光值,将理论计算值与实验数据对比,辅助确定了这两个化合物的绝对构型;4)结合NMR以确定绝对构型为目标的运用构象分析、约化密度梯度方法考察分子内氢键的计算实例。可视化地考察了一个新环菠萝蜜烷型三萜分子内弱相互作用力的情况,确证了其分子内氢键的形成,结合实测的NOESY数据,分析确定了该化合物的绝对构型。此外,还对各计算任务密度泛函和基组的选择给出了建议。通过共达19种计算实例,较为系统地阐述了计算化学在天然产物构型鉴定的中应用,文中对整个计算的操作流程和理论方法的选择均有简要的概括,为该方法的进一步推广提供了一定的帮助。
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