天然蕨素結構及核磁共振譜特征的研究進展

彭財英 雷志強盧健 劉建群 舒積成

（江西中醫藥大學， 江西 南昌330004）

蕨素類化合物是具有1H?茚?1?酮母核結構的倍半萜，廣泛存在于蕨類植物中，是此類植物特征性成分，具有較好的專屬性。近年來研究發現，此類化合物具有抗腫瘤［1］、抗炎［2］、抗糖尿病［3］、抗結核［4］、降血脂［5］、抗病毒［6］等多種生物活性。天然蕨素類成分由于其結構的多樣性及較好的生物活性，越來越受到研究者們的關注。據統計，迄今從自然界中分離得到約160 個蕨素類化合物［7］，并有結構新穎的此類化合物仍在不斷地被分離得到。雖然Fukuoka 等［8］在1983 年已經報道蕨素類化合物的核磁共振13C?NMR 特征，但近三十年來，隨著核磁共振測定技術的發展，有100 多個新的蕨素類化合物被發現，有必要重新總結和補充其核磁共振譜特征，這對此類化合物結構推導有參考意義。基于此，本文根據課題組已分離得到的43個蕨素類化合物核磁共振（NMR）數據，并結合文獻報道的其他代表性蕨素類成分的數據，分析與歸納各類天然蕨素成分的結構及其NMR 特征，以期為其進一步研究提供參考。

1 化合物結構

1.1 母核結構 蕨素類化合物的特征主要包括苯環（A環）、駢戊酮（B 環），其中A 環常見2 個甲基（C?5、C?7位）和乙基（C?6 位），B 環有羰基（C?1 位）和甲基（C?2 位）。根據B 環C?2 位的甲基取代的數目，蕨素類成分可分為15 碳蕨素類（C?2 位有2 個甲基）、14 碳蕨素類（C?2位有1 個甲基）、13 碳蕨素類（C?2 位無甲基）［7］，見圖1A。另外，天然蕨素成分還包括2 種型體的二聚體，分別為2 個蕨素單體通過C?2 位與C?3 位駢合四元環（Ⅰ型）和2 個蕨素單體通過C?2 位與C?12 位相連（Ⅱ型），見圖1B～1C。據目前文獻報道顯示，15 碳與14 碳母核的蕨素為天然蕨素類成分的主體部分，占96%以上，而目前只報道了1 個13碳蕨素成分mukagolactone［9］和5 個蕨素二聚體［9?10］。

圖1 天然蕨素類成分母核結構

1.2 常見取代基及其取代位置 蕨素類化合物取代基多樣，但取代位置相對比較固定。常見取代基主要為羥基、葡萄糖、乙酰基，并有桂皮酰基、氯、硫酸根等取代基［11?13］，但數量較少。羥基取代一般常見于C?3、C?11、C?13位，而在A 環甲基（C?12、C?15 位）取代的羥基也有個別報道［14］。C?3、C?14 位易形成葡萄糖糖苷［15］。另外，也有C?2、C?3 位雙鍵［16］，C?6、C?13、C?14 位三元環［17］，C?5、C?6、C?12、C?13、C?14 位六元環，C?6、C?7、C?13、C?14、C?15 位六元環［18］等取代。

1.3 立體構型 天然蕨素類化合物的手性碳相對較少且集中，多數是由于羥基取代而產生手性。常見于B 環的C?2、C?3 位和A 環支鏈的C?13 位。C?2、C?3 位的R／S構型均有報道［19］。C?13 位由于羥基在烷基鏈上，迄今為止未有對C?13 位的羥基構型確定的報道。目前確定C?2、C?3 位立體構型常采用圓二色譜和二維NOE 譜相結合的方法［20］。若圓二色譜在325 nm 波長處顯示正Cotton 效應，C?3 位為S構型，并與C?2 位的構型無關［20］，再結合二維NOE 譜的信息，推導出C?2 位的構型。然而，天然蕨素類化合物中C?3 位羥基多為α 構型，β 構型較少［7］。

2 核磁共振譜特征

2.11H?NMR

2.1.1 A 環質子 A 環質子主要由芳香質子（H?4 位）、苯環上的甲基或羥甲基質子（H?12、H?15 位）、C?6 位連接的乙基鏈上質子（H?13、H?14 位）組成。

2.1.1.1 芳香質子（H?4 位）絕大多數天然蕨素類成分的1H?NMR 中為單峰，化學位移在7.50 左右［21?22］，這是蕨素成分特征性較強的質子信息，見圖2。

圖2 蕨素D 3?O?β?D?葡萄糖苷的1H?NMR 譜圖（CD3OD，600 MHz）

2.1.1.2 苯環上的甲基質子（12?CH3、15?CH3）12?CH3、15?CH3為蕨素1H?NMR 特征性質子信號，甲基均為單峰，因連接在苯環上，處于相對較低場，化學位移約為2.50～2.70。由于15?CH3受C?1 位羰基負屏蔽作用影響，其化學位移較12?CH3更低，化學位移為2.70 左右，而12?CH3化學移位處于2.50 左右，兩者較易識別［12，23］，見圖2。

2.1.1.3 苯環上的次甲基質子（12?CH2OH 或15?CH2OH）苯環上的次甲基質子在蕨素成分的1H?NMR 中較少見［15，21，24］，并且尚未見報道稱A 環上2 個甲基可以同時被羥基取代。12?CH2OH 的2 個質子特征性明顯，以單峰出現，化學位移為4.80。而15?CH2OH 的2 個質子由于受鄰位羰基的磁各向異性影響，以同碳偶合的雙峰（J＝12.1 Hz）出現，分別位于5.10、5.00 左右，與C?12 位羥基取代區分明顯。

2.1.1.4 C?6 位連接的乙基鏈上質子（H?13、H?14 位）C?6 位連接的乙基鏈上質子直接與A 環相連的H?13 位上2個質子顯示三重峰（J＝7.5 Hz），化學位移為3.10 左右，見圖3；若C?13 位有羥基取代，則向低場移動約2.50，并且H?13 位裂分為雙二重峰（J＝4.9，8.3 Hz），見圖4。目前報道的天然蕨素類化合物C?14 位除極個別為氯原子及硫酸根外均為羥基取代，H?14 位化學位移在3.70 左右，與C?13 位上2 個質子鄰位偶合，形成三重峰，偶合常數為7.5 Hz。若H?14 位羥基被糖苷化或乙酰化，其化學位移向低場移動不明顯，約0.05［25］。若C?13 位羥基取代，2 個質子裂分為雙二重峰［J＝8.3，11.4 Hz（H?14a）和J＝4.9，11.4 Hz（H?14b）］，化學位移分別為3.90、3.65，見圖4。C?14 位硫酸根離子取代衍生物（如2S，3S?硫酸代蕨素C）和羥基取代物（如2S，3S?蕨素C），其H?13、H?14 位的化學位移非常接近，在1H?NMR 中無明顯差異［13］。

圖3 （2S，3S）?蕨素S 的1H?NMR 譜圖（CD3OD，600 MHz）

圖4 （2S，3S）?蕨素Q 的1H?NMR 譜圖（CD3OD，600 MHz）

2.1.2 B 環質子 B 環質子主要由H?2、H?3、C?2 位上的甲基（10?CH3、11?CH3）或羥甲基（10?CH2OH 或11?CH2OH）組成。

2.1.2.1 H?2位若蕨素類化合物為15 碳母核結構，則H?2 位無信號。若為14 碳母核結構，H?2 位的化學位移為2.45左右，與H?3、H?11 位偶合形成dq 峰［5］。H?2 與H?3 位的偶合常數會隨著甲基（11?CH3）的構型不同而變化，若甲基為α 構型，J＝6.5 Hz，若甲基為β 構型，J＝4.0 Hz［5］。因此，可依據H?3 的偶合常數判斷C?2 位的立體構型。

2.1.2.2 H?3位天然蕨素成分C?3 位常有OH 取代，且大部分為β 構型，化學位移為4.75 左右。若C?3 位羥基被糖苷化，H?3 位的化學位移向低場移動約0.1［26］。若C?11位羥基取代，H?3 位于其負屏蔽區，化學位移向低場移動約4.95［24］。若C?3 位無羥基取代，H?3 位的2 個質子產生同碳偶合外，并與H?2 位偶合，信號顯示dd 峰［27］。

2.1.2.3 C?2 位上的甲基（10?CH3和11?CH3）蕨素類化合物為15 碳母核結構，2 個均為單峰甲基質子信號，化學位移分別為1.08、1.28 左右［28］。若為14 碳母核結構，其中1 個甲基信號消失，另1 個甲基依據不同的構型，其裂分和化學位移不相同。若甲基為β 構型，偶合常數為7.0 Hz 的雙峰，化學位移為1.30 左右［19］；若甲基為α 構型，偶合常數為7.5 Hz 雙峰，化學位移為1.20 左右［19］；若C?2位與C?3 位形成雙鍵，11?CH3向低場移動，并與H?3 位遠程偶合，偶合常數為1.6 Hz，化學位移約1.80，見圖5。

圖5 脫氫蕨素B 的1H?NMR 譜圖（CD3OD，600 MHz）

2.1.2.4 C?2 位上的羥甲基（10?CH2OH 或11?CH2OH）C?2 位僅見有1 個羥基取代。形成的連氧亞甲基2 個質子以偶合常數為12.0 Hz 的雙峰出現，化學位移分別處于3.68、3.73 附近。若此位羥基進一步糖苷化，2 個質子偶合常變小（J＝9.5 Hz），兩者化學位移相差進一步拉大，分別處于3.48、4.10 附近，見圖6。

圖6 creticoside A 的1H?NMR 譜圖（CD3OD，600 MHz）

2.213C?NMR

2.2.1 A 環碳信號 A 環碳主要由6 個苯環碳（C?4～C?9位）、苯環上的甲基或羥甲基碳（C?12、C?15 位）及C?6 位連接的乙基碳（C?13、C?14 位）組成。

2.2.1.1 苯環碳（C?4～C?9 位）苯環碳的化學位移在126.0～156.0 之間，但一般具有相對的范圍，從小到大依次為C?4＜C?8＜C?6≈C?7＜C?5＜C?9。C?4 位由于未取代（叔碳），其化學位移值最少，并受C?2、C?5、C?6 位苯環碳的取代情況影響較少，化學位移為1.0 左右。C?5 苯環碳的化學位移處于144.0～146.0。C?6、C?7 位的化學位移接近，處在134.0～139.0 之間，兩者大小受不同取代基影響。C?8位化學位移處于131.0～133.0，而C?9 位由于受羰基的負屏蔽作用，其化學位移值最大，約為151.0～156.0，見圖7。

圖7 蕨素D 3?O?β?D?葡萄糖苷的13C?NMR 譜圖（CD3OD，150 MHz）

2.2.1.2 苯環上的甲基碳（C?12、C?15 位）12?CH3處于15?CH3較低場，受周圍取代基的影響較小，故化學位移值相對固定，12?CH3的化學位移值在21.0～22.0，而15?CH3的化學位移值在13.0～14.0。

2.2.1.3 苯環上的羥甲基碳（C?12、C?15 位）若C?12位羥基取代，向低場移動，化學位移為63.5。若C?15 位羥基取代，化學位移約為58.0。兩者羥基取代后化學位移有明顯區別，在13C?NMR 上較易鑒別。若C?14 與C?15 位形成環醚（六元環為C?6、C?13、C?14、O、C?15、C?7），則C?15 位的化學位移值約為68.0［19］。

2.2.1.4 C?6 位連接的乙基碳（C?13、C?14 位）C?13 位的化學位移約為33.0，若C?14 位羥基糖苷化后，向高場移動，化學位移約為30.0［29］；若C?13 位有羥基取代，向低場移動，化學位移約為72.5［30］。目前報道的天然蕨素類化合物的C?14 位均有羥基取代，化學位移為62.0；若C?13位羥基取代，C?14 位的化學位移向低場移動約3.0，處于65.0；若C?14 位羥基進一步糖苷化，其化學位移向低場移動更明顯，在70.0 附近［31］。

2.2.2 B 環碳信號 B 環碳主要由C?2 位、C?3 位及C?2 位上的甲基（10?CH3、11?CH3）或羥甲基（10?CH2OH 或11?CH2OH）組成。

2.2.2.1 C?2位在15 碳蕨素結構中，由于C?2 位為季碳，化學位移在52.0 附近，并受C?11 位羥基取代影響較大，取代后向低場移動5.0 左右［32］。在14 碳蕨素結構中，化學位移與C?2 位甲基的構型有關，若甲基為α 構型，化學位移在50.0 附近［31］；若甲基為β 構型，則化學位移約為55.0［29］。通過化學位移大小，有助于C?2 位的立體構型的確定。另外，若C?2 位與C?3 位形成雙鍵，化學位移約為123.0［16］。

2.2.2.2 C?3 位 C?3 位常見有羥基取代。15 碳蕨素中，化學位移約為77.7。而在14 碳蕨素中，其化學位移受C?2位甲基立體構型影響最為明顯，若甲基為β 構型，處于76.0 左右［29］；若甲基為α 構型，則在70.0 附近［31］。依據化學位移值可判斷C?2 位的立體構型。若C?3 位羥基有糖苷化，化學位移相應地向低場移動約8.0；若此處無羥基取代，化學位移約為35.0～38.0［16］。若C?2 位與C?3 位形成雙鍵，化學位移由于羰基的負屏蔽作用處于較C?2 位低場，約為143.0［16］。

2.2.2.3 C?2 位上的甲基碳（10?CH3和11?CH3）在15 碳蕨素結構中，2 個甲基的化學位移約為21.0、23.5，與A 環上C?5 位的甲基化學位移較相近。而在14 碳蕨素結構中，其中1 個甲基碳信號消失，并且化學位移與其構型有關，若甲基為β 構型，化學位移約為13.0，并與A 環C?7 位甲基化學位移相近［29］；若甲基為α 構型，化學位移約為11.0［33］。若C?2 位與C?3 位形成雙鍵，甲基的化學位移約10.0［16］。

2.2.2.4 C?2 位上的羥甲基碳（10?CH2OH 或11?CH2OH）C?2 位僅見有1 個羥基取代，其化學位移約67.0。若進一步糖苷化，向低場位移約7.0［24］。

2.3 蕨素二聚體的核磁共振譜特征 Ⅰ型蕨素二聚體為2個相同的單個蕨素通過C?2、C?3 位駢合四元環而成，有C2?C2′、C3?C3′（頭?尾）和C2?C3′、C3?C2′（頭?頭）這2 種相駢方式，并表現出不對稱與對稱2 種類型結構［10］。不對稱二聚體的核磁共振譜顯示2 套單個蕨素數據，其平面結構可通過異核多鍵相關譜推導確認，但對稱結構的二聚體平面結構［（對稱中心，頭?尾相連）或（對稱面，頭?頭相連）］，僅通過核磁 共振多鍵相關譜（HMBC 譜）及Chemdraw 軟件顯示的化學結構模型難于確定。因為其13C?NMR、1H?NMR 數據表現為 1 套單個蕨素數據，如bimutipterosins B，見圖8～9，并與單個蕨素的核磁共振譜非常相似，最大的不同是C?2 位與C?3 位分別為非連氧季碳和叔碳，且H?3 位和11?CH3均為單峰。對于首次鑒別對稱結構屬于頭?尾相連還是頭?頭相連，需要借助于化合物的單晶衍射數據方可確定，故課題組在2011 年發表的對稱性二聚體bimutipterosins B 的結構［10］值得商榷，若由此帶來不便表示抱歉。后續課題組將分別選擇頭?頭相駢和頭?尾相駢的稱性二聚體做單晶衍射（目前已培養出單晶），通過分析及總結其核磁共振譜的差異性，歸納出核磁共振譜的數據鑒定對稱的類型。Ⅱ型蕨素二聚體為2 個蕨素單體通過C?2位與C?12′位相連，核磁共振譜顯示2 套單個蕨素信號，其平面結構可根據HMBC 譜確認。

圖8 bimutipterosins B 的1H?NMR 譜圖（CD3OD，600 MHz）

圖9 bimutipterosins B 的13C?NMR 譜圖（CD3OD，150 MHz）

3 小結

綜上所述，蕨素類化合物的是波譜特征比較強，目前已積累了豐富的參考數據，對于絕大多數的蕨素類化合物而言，通過和已知的化合物數據對比，并借助1H?NMR 與13C?NMR基本可以完成結構的確定，但對于結構新穎如新骨架的蕨素成分的確定，還需要結合各種二維譜及高分辨質譜的數據。另外，本文中對于蕨類成分的立體構型未全面而具體歸納，確認立體構型可以參考其他相關文獻。