利用NMR和DFT方法研究从大叶藻中分离的四环二芳基庚烷类化合物的结构和构象

NMR谱是非常重要的研究平衡状态下的化学交换动力学的物理手段。当交换速率（Hz）低于参与交换的核的化学位移差时，二维（2D）交换谱（EXSY）就可以反映出交换的途径或者说交换的网络，并且也给出交换的动力学过程的定量信息，包括配位化学、金属有机化合物的构象转换以及在生物分子系统内的质子的交换。EXSY实验在研究化合物构象行为有独到优势：能够测定化合物两种构象的交换速率；区分同一组成中的两种构象；区分对映异构体；观测交换过程中的中间体。值得一提的是，EXSY用得是NOESY的脉冲序列，只是改变交换混合时间d8,做一系列二维实验。

文章作者从海草中分离出两个四环二芳基庚烷类化合物zosteraphenol A (1)、zosteraphenol B (2)，二者仅有一个取代基的区别。这类化合物最大的特点在于同时存在两个手性因素：一个手性碳（C-9）、手性轴(联苯结构)，这就决定了其核磁特点。本文以zosteraphenol A (1)为例进行学习。

首先，通过HRESIMS确定zosteraphenol A (1)的分子式为C₂₀H₂₈O₃。然后在常温下（25℃）测试其氢谱（¹H-NMR）和碳谱（¹³C-NMR），发现了异常现象：氢谱中出现大量的单峰信号；碳谱中碳信号比分子式给出的碳数要少。二者矛头都指向了同一个方向：常温下的核磁信号出现了堆积（coalescent signals）。随后作者降低核磁测试温度（-15℃），氢信号变得尖锐锋利，碳信号个数也与分子式给出的一致。于是，接下来的2D-NMR也在该温度下进行测试。

从COSY谱得出分子中存在一个C7脂肪链；J_10/11=11.2Hz得知10位双键为顺式；J_7/8=5.4Hz得知存在一个五环内的顺式双键；¹H-NMR中存在两个苯环信号（一个1,2,4-三取代；一个五取代）、一个甲氧基信号。通过HMBC，确定两个苯环通过2/2'连接，最终解析出zosteraphenol A (1)的平面结构：

接下来，作者试着探讨常温下为什么会发生核磁信号的堆积。作者推测化合物不是单一的光学纯化合物，而是存在异构体，并且异构体产生的原因是联苯结构所具有的轴手性。那么问题来了，分子中除了轴手性外还存在另一个手性因素：C-9手性碳，所以这两个异构体应该是差向异构体，但是在-15℃下的谱图中只有一组明显的核磁信号。

NOESY/EXSY谱很好地解释了这个问题。在正相下，对角峰和交换峰均为正相而NOE峰为负相。如下如所示：黑色信号现实的是主要异构体（major rotamer）和次要异构体（minor rotamer）之间产生的交换相关信号。据此可以得出两种信息：次要异构体含量仅约1/6；归属出次要异构体氢化学位移。

在-15℃下次要异构体仍是宽峰，这是因为次要异构体的寿命相当短，所以其同核/异核偶合信息均不得而知，仅能得到氢化学位移。次要异构体和主要异构体相比，存在明显的屏蔽和去屏蔽现象，这与苯环的磁各向异性有关。

为了定量的研究这种影响，作者进行了分子模型和DFT计算核磁实验。首先，围绕联苯的两个异构体（1a/1b）在逐渐升温的状态下进行分子动态模拟（MD）。1500K以前，两种异构体表现明显的刚性构型，在模拟过程中没有出现构型的翻转。这被认为是一种足够慢的平衡，但足以导致核磁信号的聚积。最后，在2000K的模拟中，多次观测到轴向手性反转。

MD模拟出的1a/1b分子在Gaussian 16软件中经优化后进行计算氢谱和计算碳谱。通过RMSD的计算，1a的氢谱和碳谱计算结果与实测值误差在可承受范围以内。更有趣的是，1b计算氢谱与通过EXSY确定的化学位移高度吻合（RSMD=0.1），并且所有屏蔽和去屏蔽常数精确度控制在0.08以内。因此，DFT计算结果完全支持构象平衡假设。