海洋超级碳链化合物的结构鉴定方法研究进展_吴军.pdf

第 41 卷第 1 期2023 年 2 月广东医科大学学报JOURNAL OF GUANGDONG MEDICAL UNIVERSITYVol.41 No.1Feb.20231海洋超级碳链化合物的结构鉴定方法研究进展吴军（广东医科大学广东天然药物研究与开发重点实验室，广东东莞 523808）专家简介：吴军，教授，博士生导师，广东医科大学广东天然药物研究与开发重点实验室主任，国家杰出青年科学基金获得者，百千万人才工程国家级人选，第 12 届广东丁颖科技奖获得者，国务院特殊津贴专家，北京大学生药学专业博士，中国药学会海洋药物专业委员会委员，德国杜塞尔多夫大学药用生物学和生物技术科学研究所高级访问学者。研究方向主要为南海甲藻超级碳链化合物的结构与功能。曾应邀在第 12 届国际天然产物化学大会、太平洋区域国际化学会等国际学术会议作邀请报告 10 余次。至今共主持国家自然科学基金等项目 20 余项。已在 Science Advances Angewandte Chemie International Edition Chemical Science Natural Product Reports等国际期刊发表SCI论文 100 余篇。所培养研究生中有 2 人获中国科学院百篇优秀博士学位论文奖。E-mail:摘要：超级碳链化合物特指骨架为一根高度氧化、碳碳链接从头彻尾而成长碳链的天然产物类型。该类化合物主要来源于海洋甲藻，为海洋特有超级聚酮。其柔性多羟基主碳链上拥有数十个手性碳，结构上无可水解的重复单元，立体化学极其复杂。该文总结了超级碳链化合物结构鉴定方法的研究进展及面临的挑战。关键词：海洋天然产物；超级碳链化合物；结构鉴定方法；绝对构型中图分类号：Q 946 文献标志码：A 文章编号：2096-3610（2023）01-0001-06Research advances in structure identification methods of marine super-carbon-chain compoundsWU Jun（Guangdong Key Laboratory of Natural Medicine Research and Development,Guangdong Medical University,Dongguan 523808,China）Abstract:Super-carbon-chain compounds(SCCCs)are a type of natural products,characterized by a highly-oxidized long-carbon-chain backbone with the chain connection of carbons from beginning to end.SCCCs,mainly produced by marine dinoflagellates,are marine endemic super polyketides.SCCCs,often possessing dozens of chiral carbons on a flexible polyol carbon chain,contain no hydrolysable constitutional repeating units.The stereochemistry of SCCCs is extremely complex.Since this century,new types of SCCCs are rarely reported.During the recent five years,our team has obtained new types of SCCCs from new resources of dinoflagellates collected in the South China Sea.The structures and absolute configurations of these SCCCs have been successfully established by combined chemical cleavage,spectroscopic analysis,and quantum-chemical calculation approaches.This article summarizes the research advances in structure identification methods of SCCCs,as well as challenges.Key words:marine natural products;super-carbon-chain compounds;structure identification method;absolute configuration海洋是生命的摇篮，因潮汐、海流、高压、高盐、寡营养和低光照等特点而引人瞩目。浩瀚的海洋是人类巨大的“蓝色药库”，蕴藏着大量超乎想象的化学结构新颖、药理活性独特的天然产物。迄今，从海洋生物中分离鉴定了新结构天然化合物 3 万余个。其中不乏有化收稿日期：2022-01-28基金项目：国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目（U20A2001），国际合作研究项目（42261144740）合物在抗感染、抗肿瘤和抗代谢性疾病等方面具有崭新的作用机制，并已研发成了现代新药。甲藻为海洋低等单细胞藻类，起源于 1415 亿年前，是地球上最古老的生物之一。其重要生物学特征之一是有两根鞭毛，又称双鞭毛藻（Dinoflagellate）。广东医科大学学报22023年 第41卷甲藻为海洋第二大浮游植物，其个体大小通常为几到几十微米，且大部分种属分布于热带海洋。甲藻基因组庞大，以产生结构高度复杂、分子量高达数千道尔顿的非蛋白类毒素而著称，例如刺尾鱼毒素（Maitotoxin）和岩沙海葵毒素（Palytoxin）。它们分别源自冈比亚藻属（Gambierdiscus）和蛎甲藻属（Ostreopsis）海洋甲藻。刺尾鱼和海葵等海洋动物仅仅是捕获和利用了这些海洋毒素，并把它们作为防御天敌的“化学武器”。迄今，岩沙海葵毒素是人类能够全合成的最复杂天然产物分子。2006 年，日本著名海洋药物学家Daisuke Uemura在国际期刊Chemical Record 发表的综述文章Bioorganic studies on marine natural productsDiverse chemical structures and bioactivities中最早提出了超级碳链化合物（Super-Carbon-Chain Compound）的概念：特指骨架为一根高度氧化、碳碳链接从头彻尾而成长碳链的天然产物类型1。刺尾鱼毒素和岩沙海葵毒素就是典型的例子。它们的主碳链是分别由 142 和115 个碳原子链接而成。通常，超级碳链化合物分子量大于 1 000 Da，碳链长度超过 60 个碳原子。该类化合物为海洋特有的“超级聚酮”。超级碳链化合物不但骨架新颖，而且结构多样性丰富。迄今，已报道分子量大于 1000 Da的超级碳链化合物共计 180 余个，可分为梯形聚醚类（Ladder-Shaped Polyether）、岩沙海葵毒素类（Palytoxin）、超级大环内酯类（Super Macrolide）和多羟基-多烯类化合物（Polyol-Polyene Compound）四大主体类型。本文总结了超级碳链化合物结构鉴定方法的研究进展及面临的挑战。1超级碳链化合物的平面结构鉴定对于超级碳链化合物的结构鉴定来说，确定其平面结构是成功的第一步，也是最重要的一步。常用手段有质谱（Mass Spectrometry,MS）、紫外吸收光谱、核磁共振波谱和各种化学裂解方法等。上述方法之间尚可相互补充、取长补短，并互相佐证所获取数据信息的可靠性和正确性，以确保超级碳链化合物平面结构鉴定的正确性。1.1MS根据离子源的不同，可以将MS 分为化学电离源（CI）、电子轰击电离源（EI）、快原子轰击源（FAB）、电喷雾电离源（ESI）和大气压化学电离源（APCI）等类型。在超级碳链化合物的分子式和分子量信息获取方面ESI 和FAB 更合适。因灵敏度高和样品量需求少等优点，高分辨ESI 和FAB 可以精准读取超级碳链化合物的准确分子式，并给出正确的碳和杂原子数目。此外，多级MS 在确定超级碳链化合物的平面结构中也起着重要作用。例如，2013 年 Hwang 等2从韩国济州岛海洋蛎甲藻属甲藻Ostreopsis cf.ovata 中分离得到一种非海葵毒素类化合物，命名为Ostreol A，经由高分辨FAB-MS 确定了其分子式为 C67H112N2O23（M+Na+m/z=1335.7561,D=0.7 mmu），再通过1H-1H COSY（Correlation Spectroscopy）、HMBC（Heteronuclear Multiple-Bond Correlation）、ROESY（Rotating Frame Overhauser Effect Spectroscopy）等二维核磁共振（NMR）图谱初步确定了Ostreol A 的平面结构，同时采用正离子模式的ESI-MS/MS 技术对所有碎片峰的裂解规律进行了分析，研究表明，Ostreol A 是一种主碳链上包含 2 个四氢吡喃环单元和 1 个酰胺基团的新结构超级碳链化合物。1.2紫外吸收光谱紫外吸收光谱是由于价电子的跃迁而产生的，属于分子光谱。紫外吸收光谱中最大吸收波长的位置被称为化合物的最大吸收波长（max）。它可用于推断化合物结构中共轭体系的组成及特征结构单元。2021 年，Satake 等3从凯伦藻属甲藻 Karenia brevisulcata 中分离得到 2 个新结构梯形聚醚毒素，即Brevisulcenal A1（KBT-A1）和Brevisulcenal A2（KBT-A2），后者的UVmax为 227 nm，由此可推断KBT-A2 具有类似于KBT-G 的烯醛侧链。1.3NMR 波谱NMR 波谱，尤其是 700 MHz 以上高兆数NMR 波谱技术已成为复杂天然产物结构解析的重要手段。超级碳链化合物的结构解析也不例外。但因其结构复杂、碳氢信号常常严重重叠，常见的一维和二维NMR 图谱并不足以准确读取和完整归属超级碳链化合物的碳氢信号，从而获得其正确的平面结构。在一维 NMR 图谱中，可以找出目标超级碳链化合物的特征信号。然后，通过各种二维 NMR 波谱技术进一步指认。常见一维 NMR 图谱有1H-NMR、13C-NMR 和 DEPT 135；而常用二维 NMR 图谱有1H-1H COSY、HSQC（Heteronuclear Single Quantum Correlation）、HMBC、H2BC（Heteronuclear Two-Bond Correlation）、HSQC-TOCSY（Total Correlation Spectroscopy）和 NOESY（Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy）等。第1 期吴军.海洋超级碳链化合物的结构鉴定方法研究进展3HSQC 为异核单量子相关谱，给出与1H 核单键连接的13C 核直接相关信号。其F1 轴为碳信号，F2 轴为质子信号。TOCSY 为全相关谱，通过特殊的脉冲序列实现从一个1H 核出发，找到与它处于同一个自旋体系中的所有1H 核。其F1 轴和F2 轴均为质子信号，交叉峰为相关信号4。HSQC-TOCSY 图谱是异核单量子相关谱和全相关谱的完美结合。只要一个自旋体系中1H 和13C 信号与其他自旋体系不重叠，就可以将它们区分开来。如果复杂天然产物的某些13C 信号重叠，也可用HSQC-TOCSY 图谱区分不同自旋体系里的