使用基于液体-晶体的介质测量多溶剂系统中有机分子的残余偶极偶合外文翻译资料

使用基于液体-晶体的介质测量多溶剂系统中有机分子的残余偶极偶合

Si-Yong Qin,* Yan Jiang, Han Sun, Han Liu, Ai-Qing Zhang, and Xinxiang Lei*

摘要：残余偶极耦合（RDC），一种对有机分子结构说明的稳健的各向异性核磁共振参数，只能在一种非均质的环境中获得。本文中，我们介绍了一种基于寡肽两亲体分子自组装的新型排列介质(OPA)。该介质可与不同的中间体和极性溶剂体系兼容，如CD₃OD,[D₆]DMSO和D₂O。基于OPA的介质制备简单、快速，而OPAs只能观察到非常微弱的背景信号。此外，我们表明，OPA的浓度对RDC数据的质量只有很小的影响。这些有点使得RDC测量具有不同极性和溶解度的有机分子具有很高的效率和准确性。

介绍

测定有机分子的相对和绝对构型对有机和天然产品化学家来说是一项常规但有意义的的任务。在过去的十年里，一系列基于各向异性参数的新型核磁共振方法被开发出来，使复杂有机分子的组成、构象和构型具有更高的效率和精度。^[1]在这方面，残余偶极耦合是最常用的各向异性核磁共振参数之一，它提供了有价值的全局定向约束，反映了远手性中心的空间信息。^[2]RDC的应用显著加快了新型天然产物和有机分子的结构测定过程，^[3]这又反过来促进了计算机辅助三维结构解析（CASE-3D协议），^[4]距离几何计算,^[5]使用定向约束的分子动力学模拟^[6]和分子排列模拟等计算方法的发展。^[7]

为了获得残余偶极耦合，一些拉伸和压缩聚合物凝胶^[8]和易溶液晶（LLC）相^[9]在过去已经被开发，用于弱排列溶解在不同有机溶剂中的有机分子。引人注目的是，交联聚环氧乙烷（PEO）显示出独特的能力，作为一种校准介质，能与很多不同类型的溶剂兼容。^[10]相比之下,LC基的介质目前主要用于某一类溶剂，例如氯仿中的聚（g-苄基-l-谷氨酸）（PBLG）^[11]和水中的色甘酸二钠（DSCG）。^[12]尽管二甲基亚砜属于最重要的有机溶剂之一，但用聚合物刷接枝氧化石墨烯是唯一为二甲基亚砜开发的LC相，而其他大多数的二甲基亚砜兼容介质都是基于聚合物凝胶。^[13]

近年来，人们提出了一种将低分子量单元分子自组装成有序微/纳米结构的新方法来排列分析物。^[14]依靠分子内的非共价相互作用，这种自下而上的方法避免了聚合物的复杂合成。在这方面，寡肽由于其结构的多样性和在溶液中形成自组装的强烈倾向被认为是有希望的候选者。在我们之前的研究中，我们提出两种寡肽作为排列介质，分别兼容D₂O^[15]和CD₃OD^[16]。值得注意的是，使用AAKLVFF作为对齐介质，一系列具有挑战性的新型天然产品的相对构型包括螺旋体-球菌素A，^[17]肉甘菊酸盐A，^[18]木犀草素A，^[19]赫氏菌素A和B，^[20]多氧倍半萜，^[21]和草松驰素^[22]已根据RDC和残余化学位移各向异性（RCSA）分析阐明。尽管取得了这些令人鼓舞的成果，但仍存在一些挑战。首先，到目前为止，还没有基于分子自组装的含DMSO介质。第二，在有机溶剂中自组装的形成通常需要几个小时或几天才能完成。第三，残留的背景信号和宽线宽经常阻碍偶极耦合的精确测量。最后，尽管固相肽合成（SPPS）技术可行，但费时的肽纯化步骤往往阻碍了肽基介质的大规模生产。

考虑到这些挑战，我们开发了一种新的基于寡肽两亲性（OPA）的排列介质，可以在三种不同极性的常见氘化溶剂（CD₃OD,[D₆]DMSO和D₂O）中测量高质量的RDC数据。我们使用一系列具有不同分子性质的有机分子（方案一）作为模型系统，证明OPA是一种优良的有机分子对排列质。此外，高质量的RDC数据可以直接在粗制的OPA中测量，无需进一步提纯。最后我们发现OPA表现出对对映体有一种微弱的手性识别特性。

方案1 .用于RDC测量的OPA分子结构和一系列分析物。

结果与讨论

基于SPPS技术，合成了序列为C₁₅H₃₁-CONH-V4K₃-CONH₂的OPA。OPA结构的特征包含在支持信息中（图S1,支持信息）。为了制备对准介质时，分别将一定量的OPA溶解在CD₃OD,[D₆]DMSO和D₂O中。正如预期的那样，所有三个相位立即显示出两个偏振器之间的显著的双折射（图1A）。使用偏振光学显微镜(POM),我们发现自组装相包含大的双折射域（图S2）。以CD₃OD中的OPA(OPA/CD₃OD)为例，我们利用红外光谱研究该介质的自组装形成机理。在1629cm^-1处的酰胺Ⅰ特征吸收带和在1537cm^-1的酰胺Ⅱ特征吸收带表明OPA的自组装采用beta;-片构象（图S3a）。自组装OPA广角X射线衍生（WXRD）曲线中的特征大约是21.3°（图S3b），根据布拉格定律（d=nlambda;/sin2theta;），对应于两个肽链之间4.24Aring;的间距。此外，利用小角X射线散射（SAXS）验证了自组装相的方向顺序。在OPA浓度为2%（w/v）时观察到具有轴向比的椭圆形扩散图案（图S4），清楚地揭示了自组装OPA相的各向异性。

图1.a)在两个交叉偏振器之间的NMR管中自组装OPA（3%，w/v）的照片，b）不同浓度下OPA相的氘核磁共振谱。1：CD₃OD；2：[D₆]DMSO；3：D₂O。

利用氘核磁共振进一步评价了OPA作为对准介质的可行性。当OPA浓度低至1%（w/v）时，可以观察到溶剂CD3OD信号的四极分裂，-OD和-CD3信号的剩余四极耦合（RQCs）分别为39 Hz和7 Hz（图1B）。当OPA浓度增加到5%时，相应的RQCs分别提高到290hz和69hz。我们可以证明RQC值与肽浓度成正比，这表明各向异性相的取向强度可以通过改变OPA浓度来调节。如图1B所示，在[D₆]DMSO和D₂O中也分别观察到可调对准。这一特性使得对不同形状和尺寸的大范围分析物进行精确的RDC测量成为可能。此外，我们注意到自组装介质具有良好的流动性（视频S1，支持信息）。这一观察结果以及清晰对称的氘核磁共振信号都揭示了OPA各向异性相的高度均匀性。

此外，我们还注意到了OPA作为取向介质的三个额外的优良特性：i）OPA的各向异性相的形成简单而快速。如图2A所示，-OD和-CD3信号的RQCs分别为129和29 Hz，在CD3OD中OPA溶解后瞬时观察到。10min后，相应的RQCs分别增加到160hz和36hz，一周后仍保持稳定。在二甲基亚砜和水基体系中也观察到各向异性相的快速形成。这种性质与AAKLVFF形成强烈对比，AAKLVFF需要几天到两周才能达到平衡；^[16]ii）自组装OPA的各向异性相在超声作用下相对稳定。在功率为400 W的超声波作用2分钟后，所有三种介质中的RQCs在10分钟内恢复到原始值（图2 b）；iii）自组装OPA表现出良好的热稳定性。以OPA/CD3OD相为例，RQC仅显示随温度的微小变化，溶剂分子的氘双峰信号在整个加热和冷却过程中保持尖锐和对称（图S5）。

图2.a）溶剂信号在两个或三个不同时间点的RQC分离。b）在1：CD₃OD；2：[D₆]DMSO；3：D₂O中超声作用2min（400w）后，对准强度保持稳定。OPA浓度在中CD₃OD和[D₆]DMSO为3%，在D₂O中为6%。

表1：分析物1-7的RDC分析摘要，包括RDC数据的数量、实验RDC的范围、Q因子和SVD条件数。

[a]数据收集自[¹H,¹³C]-JSB-HSQC实验，因为亚甲基的强耦合效应使[¹H,¹³C]-CLIP-HSQC光谱的测量变得复杂。

利用七个具有不同极性、结构复杂度和生物活性的有机分子（1-7）研究了自组装OPA相用于RDC测量的可行性。赤霉素(1)是一种促进植物器官扩张和发育变化的内源性生长调节剂。雷公藤甲素（2）具有免疫调节、抗炎、促凋亡等多种药理活性。alpha;-桑托宁（3）具有抗炎、抗氧化、抗蛔虫、抗疟、免疫抑制等多种生物学活性。左旋石杉碱甲（4）是一种对乙酰胆碱酯酶具有可逆抑制作用的生物活性类黄酮。冬凌草甲素（5）是一种具有多种生物活性的天冬氨酸二萜类化合物。雌酮（6）是一种天然的雌性激素，在核磁共振各向异性研究中经常被用作测试化合物。^[1g,23]由于这些分析物的极性不同，1-4的RDC测量是在含CD₃OD的介质中进行的，而5-6在含有[D₆]DMSO的介质中进行。此外，左旋脯氨酸（7）被选中是因为它以前被建立为含D₂O介质中RDC研究的模型系统（表1）。^[15,24]支持信息中包括了所有模型化合物1-7的¹H和¹³C NMR分配（表S1-S7）。

首先，5 mg赤霉素（1）在自组装的OPA/CD3OD相（3%，w/v）中对齐。在大约为30mgmL^-1的肽浓度下，可以获得一个干净且高质量的¹H NMR谱图（图S6），其中来自OPA的背景信号非常少。这一观察结果与我们先前报道的AAKLVFF介质形成了显著对比。为了获得RDC，分别在各向异性OPA/CD₃OD介质和各向同性条件下记录了1的[¹H，¹³C]-CLIP-HSQC光谱^[25]（图S12）。¹J（标量耦合常数）和¹

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