晶體海綿法在天然產物結構測定中的研究進展

王玉林，韋美玉

(1.黔南民族師范學院 化學化工學院，貴州 都勻 558000；2.黔南民族師范學院 生命科學與農學院，貴州 都勻 558000)

1 晶體海綿法

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

最近發展起來的晶體海綿法克服了單晶X線衍射測定的目標分子必須是單晶的局限性，能夠在不進行任何特殊處理的情況下分析非晶態和微量化合物。2013年，Fujita等人提出了一種新興的無需樣品結晶的X射線晶體學方法，稱為“晶體海綿法”，這種方法是使用網狀多孔金屬配合物作為“晶體海綿”[4]，并將小晶體放入目標分子的溶液中，像海綿一樣吸收周圍的小分子。 短暫孵育后，目標分子按順序排列，然后通過單晶衍射對化合物進行結構解析，無需目標化合物本身結晶[5]。即使目標化合物不含有重原子，也可以確定被吸收客體的絕對構型，因為鋅和碘原子(重原子)已經裝載在主體海綿網絡中[6]。該方法克服了單晶X射線衍射的局限性，減少了繁瑣結晶的步驟，使 X 射線晶體分析變得更容易、更快速，同時也增加了靈敏度。并且該方法還具有明顯優勢，就是其使用了一個小的晶體支架，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，包括金屬有機框架(MOFs)和多孔配位聚合物(PCP)[7-8]。近年來報道了以MOFs作為晶體海綿確定不同化合物的結構。MOFs是由無機(金屬離子/金屬簇)和有機配體組成。這兩種成分的豐富程度原則上可以提供無限數量的MOF雜化材料。MOFs因其豐富的結構化學和在該領域的潛在應用而得到廣泛研究[9-11]，如氣體儲存和分離、多相催化、藥物輸送、生物成像和能量儲存與轉化。此外，結合其他材料，它也可能像相關多孔材料一樣被用作電化學傳感器[12]。而且，獨特的類結晶固體結構使得MOFs具有廣泛的應用。大量MOFs的固有永久孔隙率進一步促進了分子的吸收，進而增強了主客體相互作用。它們也有大而規則的空腔就像“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，MOFs是研究結構-性質相關性和主客體相互作用的優良體系，使其能夠準確、簡便地鑒別和表征其結構(例如通過X射線衍射法)。早在1995年，人們就在MOFs領域中發現了一種結合了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的形狀，它捕捉到了多達20個溶劑分子的 “納米滴”[13]。Fujita研究組也曾在2002年報道了[(ZnI2)3(tpt)2] ·6C6H5NO2在晶格膨脹和收縮的動態行為[14]。

晶體海綿法使以前不可能結晶的分子的結構測定成為可能。在Fujita 最初發表后，其他研究人員也利用晶體海綿法和相關技術成功確定了小分子的結構[15]。近兩年來，Fujita研究組報道了該方法在絕對結構測定、代謝物分析和反應機理確認等方面的實際應用[16-18]。最近他們還開發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 天然產物結構測定的應用

天然產物的結構通常比較復雜，難以確定其結構，晶體海綿法為確認天然產物完整結構提供了可靠方法。由于晶體海綿法在無需特殊處理的非晶態和微量化合物的X射線晶體學分析中顯示出很強的實用性，有研究組將高效液相色譜(HPLC)分離和晶體海綿法相結合，在微克水平上對順式細辛醚(順式-1-丙烯基-2,4,5-三甲氧基-苯)、反式細辛醚(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)進行結構解析，并將該方法應用于石菖蒲揮發油中主要揮發性成分的結構解析[20]。實現了無需結晶或衍生化，通過X射線直接觀察揮發性甚至油性化合物的分子結構。

該研究組還通過晶體海綿法測定細辛素的絕對構型，進一步加深對呋喃木質素天然產物的認識[21]。由于細辛素無可衍生基團，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行單晶X射線衍射分析。基于這些原因，使用晶體海綿發來確定其絕對構型，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。在實驗期間，隨著溶劑的蒸發，客體溶液中的晶體海綿由無色變為黃色，表明客體進入了晶體海綿的孔隙中。細辛素通過π-π、CH-π相互作用以及細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，通過單晶X射線衍射確定含有客體的晶體結構從而成功測定了細辛素的絕對構型。根據X射線晶體結構，可以清楚地觀察到分子骨架的摻入及其R/S立體化學。晶體海綿法的一大優點是可以利用主體骨架來確定絕對構型，且與為得到合適晶體和后續數據而花費大量時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立體化學。

3 局限

盡管晶體海綿法為微量化合物以及其他揮發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。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入晶體海綿孔的客體分子。為了擴大這一方法的應用范圍，需要開發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。當主客體相互作用不明顯或相對較弱時，客體分子將會嚴重無序，導致衍射數據質量較差，嚴重影響了對客體的精確結構解析，因此只能對與主體形成良好相互作用的客體進行分析。第三，晶體海綿的穩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構分析的一個非常重要的工具。首先，金屬有機框架有豐富的結構數據庫，未來可以從現有結構中發現新的晶體海綿。我們可以從 MOFs 的配體開始，因為它不僅決定了孔道的拓撲結構，還決定了MOFs孔徑大小，這取決于有機配體分子鏈的長度。同時，隨著有機配體分子的改變，孔道結構和孔道內的理化性質也會發生變化。 因此，依靠上述晶體海綿的膨脹，我們可以開發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構。

另外，溶劑決定了孔隙的環境，可以通過改變溶劑來改變孔隙的環境。 溶劑的選擇非常關鍵，因為溶劑種類繁多，而溶劑的極性是反映溶劑特性的最重要參數，因此可以作為 溶劑選擇的關鍵因素。 需要考慮客體分子的溶劑溶解度，以及溶劑極性對客體分子進入晶體海綿的影響。 因此尋找新的浸泡溶劑也是一個重要方面。

晶體的質量決定了對客體分子測定的準確性，而晶體的穩定性會影響晶體質量。因此，穩定性是另一個需要考察的關鍵因素。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，以解決藥物研發過程中生物大分子如蛋白質、多糖或其他天然產物的晶體結構解析和中間分子的結構測定將是研究者們探索的熱點。