晶体海绵法在天然产物结构测定中的研究进展

王玉林，韦美玉

(1.黔南民族师范学院 化学化工学院，贵州 都匀 558000；2.黔南民族师范学院 生命科学与农学院，贵州 都匀 558000)

1 晶体海绵法

目前在天然产物结构研究中，单晶X射线衍射(SCD)、手性试剂核磁共振(NMR)、手性光学法(ECD/VCD)和有机合成法是结构研究中的常用方法。但这些技术都有一定的局限性：NMR需要手性衍生化、溶剂化或位移试剂[1]；ECD涉及理论计算并且需要结构中的发色团[2]；全合成具有挑战性且耗时较长；单晶X射线衍射(SCD)是公认的最可靠的结构确定方法[3]，但其需要大小合适且高质量的单晶，因此粉末、无晶态固体、液体、挥发性物质或油性化合物不适合于此类分析，这成为制约X射线晶体学发展的瓶颈。

最近发展起来的晶体海绵法克服了单晶X线衍射测定的目标分子必须是单晶的局限性，能够在不进行任何特殊处理的情况下分析非晶态和微量化合物。2013年，Fujita等人提出了一种新兴的无需样品结晶的X射线晶体学方法，称为“晶体海绵法”，这种方法是使用网状多孔金属配合物作为“晶体海绵”[4]，并将小晶体放入目标分子的溶液中，像海绵一样吸收周围的小分子。 短暂孵育后，目标分子按顺序排列，然后通过单晶衍射对化合物进行结构解析，无需目标化合物本身结晶[5]。即使目标化合物不含有重原子，也可以确定被吸收客体的绝对构型，因为锌和碘原子(重原子)已经装载在主体海绵网络中[6]。该方法克服了单晶X射线衍射的局限性，减少了繁琐结晶的步骤，使 X 射线晶体分析变得更容易、更快速，同时也增加了灵敏度。并且该方法还具有明显优势，就是其使用了一个小的晶体支架，因此只需要纳克至微克之间的样品量。

晶体海绵法的核心是多孔框架材料，包括金属有机框架(MOFs)和多孔配位聚合物(PCP)[7-8]。近年来报道了以MOFs作为晶体海绵确定不同化合物的结构。MOFs是由无机(金属离子/金属簇)和有机配体组成。这两种成分的丰富程度原则上可以提供无限数量的MOF杂化材料。MOFs因其丰富的结构化学和在该领域的潜在应用而得到广泛研究[9-11]，如气体储存和分离、多相催化、药物输送、生物成像和能量储存与转化。此外，结合其他材料，它也可能像相关多孔材料一样被用作电化学传感器[12]。而且，独特的类结晶固体结构使得MOFs具有广泛的应用。大量MOFs的固有永久孔隙率进一步促进了分子的吸收，进而增强了主客体相互作用。它们也有大而规则的空腔就像“水晶海绵”，可以吸收周围的小分子，让分子有序地排列在空腔中。此外，因其高度有序的晶体性质，MOFs是研究结构-性质相关性和主客体相互作用的优良体系，使其能够准确、简便地鉴别和表征其结构(例如通过X射线衍射法)。早在1995年，人们就在MOFs领域中发现了一种结合了2,4,6-三(4-吡啶基)-1,3,5-三嗪(tpt)与氰化物配体的混合配体物质的形状，它捕捉到了多达20个溶剂分子的 “纳米滴”[13]。Fujita研究组也曾在2002年报道了[(ZnI2)3(tpt)2] ·6C6H5NO2在晶格膨胀和收缩的动态行为[14]。

晶体海绵法使以前不可能结晶的分子的结构测定成为可能。在Fujita 最初发表后，其他研究人员也利用晶体海绵法和相关技术成功确定了小分子的结构[15]。近两年来，Fujita研究组报道了该方法在绝对结构测定、代谢物分析和反应机理确认等方面的实际应用[16-18]。最近他们还开发了一种基于甘露糖的晶体海绵，用于分析亲水性化合物[19]。

2 天然产物结构测定的应用

天然产物的结构通常比较复杂，难以确定其结构，晶体海绵法为确认天然产物完整结构提供了可靠方法。由于晶体海绵法在无需特殊处理的非晶态和微量化合物的X射线晶体学分析中显示出很强的实用性，有研究组将高效液相色谱(HPLC)分离和晶体海绵法相结合，在微克水平上对顺式细辛醚(顺式-1-丙烯基-2,4,5-三甲氧基-苯)、反式细辛醚(反式-1-丙烯基-2,4,5-三甲氧基-苯)、香芹酚(5-异丙基-2-甲基苯酚)和麝香草酚(2-异丙基-5-甲基苯酚)进行结构解析，并将该方法应用于石菖蒲挥发油中主要挥发性成分的结构解析[20]。实现了无需结晶或衍生化，通过X射线直接观察挥发性甚至油性化合物的分子结构。

该研究组还通过晶体海绵法测定细辛素的绝对构型，进一步加深对呋喃木质素天然产物的认识[21]。由于细辛素无可衍生基团，故不宜采用Mosher法。且由于所得量为微量，也难以得到合适的晶体进行单晶X射线衍射分析。基于这些原因，使用晶体海绵发来确定其绝对构型，可以借助晶体主体框架分析非晶化合物，从而绕过了单晶X射线衍射的限制。在实验期间，随着溶剂的蒸发，客体溶液中的晶体海绵由无色变为黄色，表明客体进入了晶体海绵的孔隙中。细辛素通过π-π、CH-π相互作用以及细辛素与主体骨架之间的氢键固定在晶体海绵的孔隙中，将客体装入晶体海绵后，晶体海绵仍保持单晶状态，通过单晶X射线衍射确定含有客体的晶体结构从而成功测定了细辛素的绝对构型。根据X射线晶体结构，可以清楚地观察到分子骨架的掺入及其R/S立体化学。晶体海绵法的一大优点是可以利用主体骨架来确定绝对构型，且与为得到合适晶体和后续数据而花费大量时间和精力获得更多纯品相比，晶体海绵法仅需几微克样品，无需制备单晶即可获得其绝对立体化学。

3 局限

尽管晶体海绵法为微量化合物以及其他挥发性甚至油性化合物的单晶X射线分析展示了新的可能性，但这一方法仍存在着局限性和挑战。首先，晶体海绵孔的大小决定了客体分子的大小，因此只能分析具有合适大小的能够进入晶体海绵孔的客体分子。为了扩大这一方法的应用范围，需要开发各种不同种类的替代晶体海绵，用于分析不同尺寸和功能的客体。第二，足够强的主客体相互作用使客体分子在晶体海绵中有序排列起着重要作用，从而允许通过X射线分析观察客体和框架。当主客体相互作用不明显或相对较弱时，客体分子将会严重无序，导致衍射数据质量较差，严重影响了对客体的精确结构解析，因此只能对与主体形成良好相互作用的客体进行分析。第三，晶体海绵的稳定性决定了客体溶液特性，目前只能选择少量的溶剂。

4 展望

晶体海绵法将成为微量化合物结构分析的一个非常重要的工具。首先，金属有机框架有丰富的结构数据库，未来可以从现有结构中发现新的晶体海绵。我们可以从 MOFs 的配体开始，因为它不仅决定了孔道的拓扑结构，还决定了MOFs孔径大小，这取决于有机配体分子链的长度。同时，随着有机配体分子的改变，孔道结构和孔道内的理化性质也会发生变化。 因此，依靠上述晶体海绵的膨胀，我们可以开发出一种新的晶体海绵来克服孔径的限制，从而可以用来确定大分子的结构。

另外，溶剂决定了孔隙的环境，可以通过改变溶剂来改变孔隙的环境。 溶剂的选择非常关键，因为溶剂种类繁多，而溶剂的极性是反映溶剂特性的最重要参数，因此可以作为 溶剂选择的关键因素。 需要考虑客体分子的溶剂溶解度，以及溶剂极性对客体分子进入晶体海绵的影响。 因此寻找新的浸泡溶剂也是一个重要方面。

晶体的质量决定了对客体分子测定的准确性，而晶体的稳定性会影响晶体质量。因此，稳定性是另一个需要考察的关键因素。我们可以从影响晶体制备的因素入手，如晶体制备和溶剂交换。此外，如何合成具有超大孔的晶体海绵，以解决药物研发过程中生物大分子如蛋白质、多糖或其他天然产物的晶体结构解析和中间分子的结构测定将是研究者们探索的热点。