小分子化學(xué)結(jié)構(gòu)解析顛覆性進(jìn)展

2018年10月20日 | Filed under: 制藥工業(yè),制藥企業(yè),藥物化學(xué),文獻(xiàn)綜合 | Posted by: 路人丙

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【新聞事件】：前兩天一篇由Caltech的Stoltz教授和UCLA的Rodriguez教授將在ACIEE雜志發(fā)表的工作引起業(yè)界熱議，這個(gè)稿件放到Chemrxiv.org網(wǎng)站24小時(shí)內(nèi)點(diǎn)擊超過(guò)5000。這個(gè)工作對(duì)前兩年獲得諾獎(jiǎng)的CryoEM技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)（叫MicroED），用極微量樣品（百萬(wàn)分之一納克）、較短時(shí)間（幾分鐘）即可獲得高分辨化學(xué)結(jié)構(gòu)（<1埃）。樣品不需是單晶、甚至不需是純品，而且可以同時(shí)測(cè)定多個(gè)樣品結(jié)構(gòu)。很多人認(rèn)為這是小分子化學(xué)結(jié)構(gòu)鑒定的顛覆性進(jìn)展。

【藥源解析】：分子結(jié)構(gòu)在化學(xué)研究中十分重要。同樣是白色粉末，有的可以治療腫瘤、有的可以毒死所有生物，要知道哪個(gè)是哪個(gè)必須知道其分子結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)鑒定是有機(jī)化學(xué)早期的核心工作。因?yàn)樵胤治黾夹g(shù)出現(xiàn)較早所以一個(gè)純品的元素比例可以實(shí)驗(yàn)測(cè)定，簡(jiǎn)單的化合物如乙醇根據(jù)元素分析就可以推算出分子結(jié)構(gòu)。但稍復(fù)雜的化合物如苯就可以難住當(dāng)時(shí)頂級(jí)化學(xué)家，多虧凱庫(kù)勒有一次半夢(mèng)半醒想出了現(xiàn)在這個(gè)結(jié)構(gòu)。再?gòu)?fù)雜的結(jié)構(gòu)就得通過(guò)化學(xué)降解、分解成簡(jiǎn)單已知分子再倒推整個(gè)分子結(jié)構(gòu)。所以光譜技術(shù)之前定分子結(jié)構(gòu)需要大量（數(shù)十毫克）樣品以通過(guò)各種降解反應(yīng)推斷結(jié)構(gòu)，可以想象這是一個(gè)耗時(shí)耗力的工作。

光譜技術(shù)的出現(xiàn)大大提高了結(jié)構(gòu)鑒定效率。紫外光譜是最早的技術(shù)，有機(jī)化學(xué)的愛(ài)因斯坦Woodward就曾在40年代總結(jié)一套紫外光譜規(guī)律，叫做Woodward規(guī)則。紅外可以區(qū)分很多有機(jī)化學(xué)功能團(tuán)，如以前鑒定羧基需要在顯微鏡下觀察與小蘇打反應(yīng)生成CO2的氣泡，而紅外只需少量樣品就可看到其舞大龍的特征峰。紅外在60-70年代是主力。但最顛覆性的工具是核磁共振，這個(gè)技術(shù)可以區(qū)分不同化學(xué)環(huán)境下的各類(lèi)原子、后來(lái)的2D技術(shù)可以推導(dǎo)這些原子的空間關(guān)系。著名天然產(chǎn)物化學(xué)家Nakanishi回憶第一次看到甾體30兆核磁譜時(shí)非常激動(dòng)，說(shuō)雖然分辨率極低、但7個(gè)角甲基清晰可見(jiàn)，而以前需要通過(guò)氧化降解數(shù)產(chǎn)生了幾個(gè)乙酸分子。現(xiàn)在核磁是有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)鑒定的最常用技術(shù)。絕對(duì)立體構(gòu)型鑒定可以使用CD、VCD等技術(shù)，分子量可由質(zhì)譜測(cè)定。

核磁測(cè)量的是原子之間的連接方式，這類(lèi)似GRE考試分析部分的那些無(wú)聊的座位問(wèn)題。比如A坐第一位、B與A隔兩個(gè)坐、C不在兩邊、D睡著了，問(wèn)ABCD的座次。光譜技術(shù)不總能準(zhǔn)確推算出結(jié)構(gòu)，而X-光衍射則可以準(zhǔn)確測(cè)定每個(gè)原子的空間位置，所以是結(jié)構(gòu)鑒定的金標(biāo)準(zhǔn)。X-光衍射雖然非常可靠但是樣品制備非常不可靠，培養(yǎng)高質(zhì)量晶體有時(shí)需要運(yùn)氣。這個(gè)技術(shù)原來(lái)叫單晶衍射、后來(lái)好像不一定是單晶也可以，前兩年還有人利用與蛋白的共結(jié)晶來(lái)定小分子絕對(duì)構(gòu)型，但后來(lái)說(shuō)不是很準(zhǔn)確。MicroED不僅對(duì)晶體要求很低、混晶沒(méi)有問(wèn)題，而且粗品也可以。作者甚至可以把買(mǎi)來(lái)的感冒藥磨碎了就能分析其活性物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、也可以同時(shí)測(cè)定4個(gè)化合物的混晶。這個(gè)技術(shù)也幾乎不需要什么樣品、也不需太長(zhǎng)儀器時(shí)間，最低只要10的-15次方克幾分鐘就可以測(cè)定，而核磁低于0.1毫克碳譜就需要很長(zhǎng)時(shí)間搜集。現(xiàn)在的主要障礙是儀器比較貴，但如果這個(gè)技術(shù)能得到廣泛驗(yàn)證儀器價(jià)格不會(huì)成為長(zhǎng)期障礙。

當(dāng)然這些技術(shù)都不是100%準(zhǔn)確，即使X-光衍射如果兩個(gè)原子大小接近也可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。我印象中比較有名的一個(gè)例子是Diazonamide A。雖然有X-光衍射數(shù)據(jù)、但因?yàn)橐粋€(gè)特殊的氮和氧定錯(cuò)位置而定錯(cuò)了整個(gè)結(jié)構(gòu)。Patrick Harran通過(guò)全合成證明這個(gè)結(jié)構(gòu)定錯(cuò)了，名噪一時(shí)。遺憾的是現(xiàn)在大家一提起Harran就知道他實(shí)驗(yàn)室一個(gè)技術(shù)員因?yàn)槭宥』囍鸩恍疑硗觥Ｐ》肿咏Y(jié)構(gòu)的最可靠方法還是全合成，這可算是逆向化學(xué)降解。當(dāng)然現(xiàn)在的諸多技術(shù)如MicroED令絕大多數(shù)化合物結(jié)構(gòu)鑒定不再需要全合成，這個(gè)曾經(jīng)紅極一時(shí)的研究領(lǐng)域現(xiàn)在已是門(mén)可羅雀。

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