晶體海綿法在天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)測(cè)定中的研究進(jìn)展

王玉林，韋美玉

(1.黔南民族師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，貴州 都勻 558000；2.黔南民族師范學(xué)院 生命科學(xué)與農(nóng)學(xué)院，貴州 都勻 558000)

1 晶體海綿法

目前在天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)研究中，單晶X射線衍射(SCD)、手性試劑核磁共振(NMR)、手性光學(xué)法(ECD/VCD)和有機(jī)合成法是結(jié)構(gòu)研究中的常用方法。但這些技術(shù)都有一定的局限性：NMR需要手性衍生化、溶劑化或位移試劑[1]；ECD涉及理論計(jì)算并且需要結(jié)構(gòu)中的發(fā)色團(tuán)[2]；全合成具有挑戰(zhàn)性且耗時(shí)較長；單晶X射線衍射(SCD)是公認(rèn)的最可靠的結(jié)構(gòu)確定方法[3]，但其需要大小合適且高質(zhì)量的單晶，因此粉末、無晶態(tài)固體、液體、揮發(fā)性物質(zhì)或油性化合物不適合于此類分析，這成為制約X射線晶體學(xué)發(fā)展的瓶頸。

最近發(fā)展起來的晶體海綿法克服了單晶X線衍射測(cè)定的目標(biāo)分子必須是單晶的局限性，能夠在不進(jìn)行任何特殊處理的情況下分析非晶態(tài)和微量化合物。2013年，F(xiàn)ujita等人提出了一種新興的無需樣品結(jié)晶的X射線晶體學(xué)方法，稱為“晶體海綿法”，這種方法是使用網(wǎng)狀多孔金屬配合物作為“晶體海綿”[4]，并將小晶體放入目標(biāo)分子的溶液中，像海綿一樣吸收周圍的小分子。 短暫孵育后，目標(biāo)分子按順序排列，然后通過單晶衍射對(duì)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，無需目標(biāo)化合物本身結(jié)晶[5]。即使目標(biāo)化合物不含有重原子，也可以確定被吸收客體的絕對(duì)構(gòu)型，因?yàn)殇\和碘原子(重原子)已經(jīng)裝載在主體海綿網(wǎng)絡(luò)中[6]。該方法克服了單晶X射線衍射的局限性，減少了繁瑣結(jié)晶的步驟，使 X 射線晶體分析變得更容易、更快速，同時(shí)也增加了靈敏度。并且該方法還具有明顯優(yōu)勢(shì)，就是其使用了一個(gè)小的晶體支架，因此只需要納克至微克之間的樣品量。

晶體海綿法的核心是多孔框架材料，包括金屬有機(jī)框架(MOFs)和多孔配位聚合物(PCP)[7-8]。近年來報(bào)道了以MOFs作為晶體海綿確定不同化合物的結(jié)構(gòu)。MOFs是由無機(jī)(金屬離子/金屬簇)和有機(jī)配體組成。這兩種成分的豐富程度原則上可以提供無限數(shù)量的MOF雜化材料。MOFs因其豐富的結(jié)構(gòu)化學(xué)和在該領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而得到廣泛研究[9-11]，如氣體儲(chǔ)存和分離、多相催化、藥物輸送、生物成像和能量儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化。此外，結(jié)合其他材料，它也可能像相關(guān)多孔材料一樣被用作電化學(xué)傳感器[12]。而且，獨(dú)特的類結(jié)晶固體結(jié)構(gòu)使得MOFs具有廣泛的應(yīng)用。大量MOFs的固有永久孔隙率進(jìn)一步促進(jìn)了分子的吸收，進(jìn)而增強(qiáng)了主客體相互作用。它們也有大而規(guī)則的空腔就像“水晶海綿”，可以吸收周圍的小分子，讓分子有序地排列在空腔中。此外，因其高度有序的晶體性質(zhì)，MOFs是研究結(jié)構(gòu)-性質(zhì)相關(guān)性和主客體相互作用的優(yōu)良體系，使其能夠準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便地鑒別和表征其結(jié)構(gòu)(例如通過X射線衍射法)。早在1995年，人們就在MOFs領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)了一種結(jié)合了2,4,6-三(4-吡啶基)-1,3,5-三嗪(tpt)與氰化物配體的混合配體物質(zhì)的形狀，它捕捉到了多達(dá)20個(gè)溶劑分子的 “納米滴”[13]。Fujita研究組也曾在2002年報(bào)道了[(ZnI2)3(tpt)2] ·6C6H5NO2在晶格膨脹和收縮的動(dòng)態(tài)行為[14]。

晶體海綿法使以前不可能結(jié)晶的分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定成為可能。在Fujita 最初發(fā)表后，其他研究人員也利用晶體海綿法和相關(guān)技術(shù)成功確定了小分子的結(jié)構(gòu)[15]。近兩年來，F(xiàn)ujita研究組報(bào)道了該方法在絕對(duì)結(jié)構(gòu)測(cè)定、代謝物分析和反應(yīng)機(jī)理確認(rèn)等方面的實(shí)際應(yīng)用[16-18]。最近他們還開發(fā)了一種基于甘露糖的晶體海綿，用于分析親水性化合物[19]。

2 天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)測(cè)定的應(yīng)用

天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，難以確定其結(jié)構(gòu)，晶體海綿法為確認(rèn)天然產(chǎn)物完整結(jié)構(gòu)提供了可靠方法。由于晶體海綿法在無需特殊處理的非晶態(tài)和微量化合物的X射線晶體學(xué)分析中顯示出很強(qiáng)的實(shí)用性，有研究組將高效液相色譜(HPLC)分離和晶體海綿法相結(jié)合，在微克水平上對(duì)順式細(xì)辛醚(順式-1-丙烯基-2,4,5-三甲氧基-苯)、反式細(xì)辛醚(反式-1-丙烯基-2,4,5-三甲氧基-苯)、香芹酚(5-異丙基-2-甲基苯酚)和麝香草酚(2-異丙基-5-甲基苯酚)進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，并將該方法應(yīng)用于石菖蒲揮發(fā)油中主要揮發(fā)性成分的結(jié)構(gòu)解析[20]。實(shí)現(xiàn)了無需結(jié)晶或衍生化，通過X射線直接觀察揮發(fā)性甚至油性化合物的分子結(jié)構(gòu)。

該研究組還通過晶體海綿法測(cè)定細(xì)辛素的絕對(duì)構(gòu)型，進(jìn)一步加深對(duì)呋喃木質(zhì)素天然產(chǎn)物的認(rèn)識(shí)[21]。由于細(xì)辛素?zé)o可衍生基團(tuán)，故不宜采用Mosher法。且由于所得量為微量，也難以得到合適的晶體進(jìn)行單晶X射線衍射分析?；谶@些原因，使用晶體海綿發(fā)來確定其絕對(duì)構(gòu)型，可以借助晶體主體框架分析非晶化合物，從而繞過了單晶X射線衍射的限制。在實(shí)驗(yàn)期間，隨著溶劑的蒸發(fā)，客體溶液中的晶體海綿由無色變?yōu)辄S色，表明客體進(jìn)入了晶體海綿的孔隙中。細(xì)辛素通過π-π、CH-π相互作用以及細(xì)辛素與主體骨架之間的氫鍵固定在晶體海綿的孔隙中，將客體裝入晶體海綿后，晶體海綿仍保持單晶狀態(tài)，通過單晶X射線衍射確定含有客體的晶體結(jié)構(gòu)從而成功測(cè)定了細(xì)辛素的絕對(duì)構(gòu)型。根據(jù)X射線晶體結(jié)構(gòu)，可以清楚地觀察到分子骨架的摻入及其R/S立體化學(xué)。晶體海綿法的一大優(yōu)點(diǎn)是可以利用主體骨架來確定絕對(duì)構(gòu)型，且與為得到合適晶體和后續(xù)數(shù)據(jù)而花費(fèi)大量時(shí)間和精力獲得更多純品相比，晶體海綿法僅需幾微克樣品，無需制備單晶即可獲得其絕對(duì)立體化學(xué)。

3 局限

盡管晶體海綿法為微量化合物以及其他揮發(fā)性甚至油性化合物的單晶X射線分析展示了新的可能性，但這一方法仍存在著局限性和挑戰(zhàn)。首先，晶體海綿孔的大小決定了客體分子的大小，因此只能分析具有合適大小的能夠進(jìn)入晶體海綿孔的客體分子。為了擴(kuò)大這一方法的應(yīng)用范圍，需要開發(fā)各種不同種類的替代晶體海綿，用于分析不同尺寸和功能的客體。第二，足夠強(qiáng)的主客體相互作用使客體分子在晶體海綿中有序排列起著重要作用，從而允許通過X射線分析觀察客體和框架。當(dāng)主客體相互作用不明顯或相對(duì)較弱時(shí)，客體分子將會(huì)嚴(yán)重?zé)o序，導(dǎo)致衍射數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，嚴(yán)重影響了對(duì)客體的精確結(jié)構(gòu)解析，因此只能對(duì)與主體形成良好相互作用的客體進(jìn)行分析。第三，晶體海綿的穩(wěn)定性決定了客體溶液特性，目前只能選擇少量的溶劑。

4 展望

晶體海綿法將成為微量化合物結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)非常重要的工具。首先，金屬有機(jī)框架有豐富的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，未來可以從現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)新的晶體海綿。我們可以從 MOFs 的配體開始，因?yàn)樗粌H決定了孔道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還決定了MOFs孔徑大小，這取決于有機(jī)配體分子鏈的長度。同時(shí)，隨著有機(jī)配體分子的改變，孔道結(jié)構(gòu)和孔道內(nèi)的理化性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。 因此，依靠上述晶體海綿的膨脹，我們可以開發(fā)出一種新的晶體海綿來克服孔徑的限制，從而可以用來確定大分子的結(jié)構(gòu)。

另外，溶劑決定了孔隙的環(huán)境，可以通過改變?nèi)軇﹣砀淖兛紫兜沫h(huán)境。 溶劑的選擇非常關(guān)鍵，因?yàn)槿軇┓N類繁多，而溶劑的極性是反映溶劑特性的最重要參數(shù)，因此可以作為 溶劑選擇的關(guān)鍵因素。 需要考慮客體分子的溶劑溶解度，以及溶劑極性對(duì)客體分子進(jìn)入晶體海綿的影響。 因此尋找新的浸泡溶劑也是一個(gè)重要方面。

晶體的質(zhì)量決定了對(duì)客體分子測(cè)定的準(zhǔn)確性，而晶體的穩(wěn)定性會(huì)影響晶體質(zhì)量。因此，穩(wěn)定性是另一個(gè)需要考察的關(guān)鍵因素。我們可以從影響晶體制備的因素入手，如晶體制備和溶劑交換。此外，如何合成具有超大孔的晶體海綿，以解決藥物研發(fā)過程中生物大分子如蛋白質(zhì)、多糖或其他天然產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)解析和中間分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定將是研究者們探索的熱點(diǎn)。