彭財(cái)英 雷志強(qiáng)盧健 劉建群 舒積成

（江西中醫(yī)藥大學(xué)， 江西 南昌330004）

蕨素類化合物是具有1H?茚?1?酮母核結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)，此類化合物具有抗腫瘤［1］、抗炎［2］、抗糖尿病［3］、抗結(jié)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(jié)構(gòu)的多樣性及較好的生物活性，越來越受到研究者們的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，迄今從自然界中分離得到約160 個(gè)蕨素類化合物［7］，并有結(jié)構(gòu)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(jīng)報(bào)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(cè)定技術(shù)的發(fā)展，有100 多個(gè)新的蕨素類化合物被發(fā)現(xiàn)，有必要重新總結(jié)和補(bǔ)充其核磁共振譜特征，這對(duì)此類化合物結(jié)構(gòu)推導(dǎo)有參考意義?；诖?，本文根據(jù)課題組已分離得到的43個(gè)蕨素類化合物核磁共振（NMR）數(shù)據(jù)，并結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道的其他代表性蕨素類成分的數(shù)據(jù)，分析與歸納各類天然蕨素成分的結(jié)構(gòu)及其NMR 特征，以期為其進(jìn)一步研究提供參考。

1 化合物結(jié)構(gòu)

1.1 母核結(jié)構(gòu) 蕨素類化合物的特征主要包括苯環(huán)（A環(huán)）、駢戊酮（B 環(huán)），其中A 環(huán)常見2 個(gè)甲基（C?5、C?7位）和乙基（C?6 位），B 環(huán)有羰基（C?1 位）和甲基（C?2 位）。根據(jù)B 環(huán)C?2 位的甲基取代的數(shù)目，蕨素類成分可分為15 碳蕨素類（C?2 位有2 個(gè)甲基）、14 碳蕨素類（C?2位有1 個(gè)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(gè)蕨素單體通過C?2 位與C?3 位駢合四元環(huán)（Ⅰ型）和2 個(gè)蕨素單體通過C?2 位與C?12 位相連（Ⅱ型），見圖1B～1C。據(jù)目前文獻(xiàn)報(bào)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(bào)道了1 個(gè)13碳蕨素成分mukagolactone［9］和5 個(gè)蕨素二聚體［9?10］。

圖1 天然蕨素類成分母核結(jié)構(gòu)

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(duì)比較固定。常見取代基主要為羥基、葡萄糖、乙?；⒂泄鹌；⒙?、硫酸根等取代基［11?13］，但數(shù)量較少。羥基取代一般常見于C?3、C?11、C?13位，而在A 環(huán)甲基（C?12、C?15 位）取代的羥基也有個(gè)別報(bào)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(huán)［17］，C?5、C?6、C?12、C?13、C?14 位六元環(huán)，C?6、C?7、C?13、C?14、C?15 位六元環(huán)［18］等取代。

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

2 核磁共振譜特征

2.11H?NMR

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

2.1.1.1 芳香質(zhì)子（H?4 位）絕大多數(shù)天然蕨素類成分的1H?NMR 中為單峰，化學(xué)位移在7.50 左右［21?22］，這是蕨素成分特征性較強(qiáng)的質(zhì)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(huán)上的甲基質(zhì)子（12?CH3、15?CH3）12?CH3、15?CH3為蕨素1H?NMR 特征性質(zhì)子信號(hào)，甲基均為單峰，因連接在苯環(huán)上，處于相對(duì)較低場(chǎng)，化學(xué)位移約為2.50～2.70。由于15?CH3受C?1 位羰基負(fù)屏蔽作用影響，其化學(xué)位移較12?CH3更低，化學(xué)位移為2.70 左右，而12?CH3化學(xué)移位處于2.50 左右，兩者較易識(shí)別［12，23］，見圖2。

2.1.1.3 苯環(huán)上的次甲基質(zhì)子（12?CH2OH 或15?CH2OH）苯環(huán)上的次甲基質(zhì)子在蕨素成分的1H?NMR 中較少見［15，21，24］，并且尚未見報(bào)道稱A 環(huán)上2 個(gè)甲基可以同時(shí)被羥基取代。12?CH2OH 的2 個(gè)質(zhì)子特征性明顯，以單峰出現(xiàn)，化學(xué)位移為4.80。而15?CH2OH 的2 個(gè)質(zhì)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(xiàn)，分別位于5.10、5.00 左右，與C?12 位羥基取代區(qū)分明顯。

2.1.1.4 C?6 位連接的乙基鏈上質(zhì)子（H?13、H?14 位）C?6 位連接的乙基鏈上質(zhì)子直接與A 環(huán)相連的H?13 位上2個(gè)質(zhì)子顯示三重峰（J＝7.5 Hz），化學(xué)位移為3.10 左右，見圖3；若C?13 位有羥基取代，則向低場(chǎng)移動(dòng)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(bào)道的天然蕨素類化合物C?14 位除極個(gè)別為氯原子及硫酸根外均為羥基取代，H?14 位化學(xué)位移在3.70 左右，與C?13 位上2 個(gè)質(zhì)子鄰位偶合，形成三重峰，偶合常數(shù)為7.5 Hz。若H?14 位羥基被糖苷化或乙?；浠瘜W(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)不明顯，約0.05［25］。若C?13 位羥基取代，2 個(gè)質(zhì)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(xué)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(xué)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(huán)質(zhì)子 B 環(huán)質(zhì)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(jié)構(gòu)，則H?2 位無信號(hào)。若為14 碳母核結(jié)構(gòu)，H?2 位的化學(xué)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(shù)會(huì)隨著甲基（11?CH3）的構(gòu)型不同而變化，若甲基為α 構(gòu)型，J＝6.5 Hz，若甲基為β 構(gòu)型，J＝4.0 Hz［5］。因此，可依據(jù)H?3 的偶合常數(shù)判斷C?2 位的立體構(gòu)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(gòu)型，化學(xué)位移為4.75 左右。若C?3 位羥基被糖苷化，H?3 位的化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)約0.1［26］。若C?11位羥基取代，H?3 位于其負(fù)屏蔽區(qū)，化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)約4.95［24］。若C?3 位無羥基取代，H?3 位的2 個(gè)質(zhì)子產(chǎn)生同碳偶合外，并與H?2 位偶合，信號(hào)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(jié)構(gòu)，2 個(gè)均為單峰甲基質(zhì)子信號(hào)，化學(xué)位移分別為1.08、1.28 左右［28］。若為14 碳母核結(jié)構(gòu)，其中1 個(gè)甲基信號(hào)消失，另1 個(gè)甲基依據(jù)不同的構(gòu)型，其裂分和化學(xué)位移不相同。若甲基為β 構(gòu)型，偶合常數(shù)為7.0 Hz 的雙峰，化學(xué)位移為1.30 左右［19］；若甲基為α 構(gòu)型，偶合常數(shù)為7.5 Hz 雙峰，化學(xué)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(chǎng)移動(dòng)，并與H?3 位遠(yuǎn)程偶合，偶合常數(shù)為1.6 Hz，化學(xué)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(gè)羥基取代。形成的連氧亞甲基2 個(gè)質(zhì)子以偶合常數(shù)為12.0 Hz 的雙峰出現(xiàn)，化學(xué)位移分別處于3.68、3.73 附近。若此位羥基進(jìn)一步糖苷化，2 個(gè)質(zhì)子偶合常變?。↗＝9.5 Hz），兩者化學(xué)位移相差進(jìn)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(huán)碳信號(hào) A 環(huán)碳主要由6 個(gè)苯環(huán)碳（C?4～C?9位）、苯環(huán)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(huán)碳（C?4～C?9 位）苯環(huán)碳的化學(xué)位移在126.0～156.0 之間，但一般具有相對(duì)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(xué)位移值最少，并受C?2、C?5、C?6 位苯環(huán)碳的取代情況影響較少，化學(xué)位移為1.0 左右。C?5 苯環(huán)碳的化學(xué)位移處于144.0～146.0。C?6、C?7 位的化學(xué)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(xué)位移處于131.0～133.0，而C?9 位由于受羰基的負(fù)屏蔽作用，其化學(xué)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(huán)上的甲基碳（C?12、C?15 位）12?CH3處于15?CH3較低場(chǎng)，受周圍取代基的影響較小，故化學(xué)位移值相對(duì)固定，12?CH3的化學(xué)位移值在21.0～22.0，而15?CH3的化學(xué)位移值在13.0～14.0。

2.2.1.3 苯環(huán)上的羥甲基碳（C?12、C?15 位）若C?12位羥基取代，向低場(chǎng)移動(dòng)，化學(xué)位移為63.5。若C?15 位羥基取代，化學(xué)位移約為58.0。兩者羥基取代后化學(xué)位移有明顯區(qū)別，在13C?NMR 上較易鑒別。若C?14 與C?15 位形成環(huán)醚（六元環(huán)為C?6、C?13、C?14、O、C?15、C?7），則C?15 位的化學(xué)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(xué)位移約為33.0，若C?14 位羥基糖苷化后，向高場(chǎng)移動(dòng)，化學(xué)位移約為30.0［29］；若C?13 位有羥基取代，向低場(chǎng)移動(dòng)，化學(xué)位移約為72.5［30］。目前報(bào)道的天然蕨素類化合物的C?14 位均有羥基取代，化學(xué)位移為62.0；若C?13位羥基取代，C?14 位的化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)約3.0，處于65.0；若C?14 位羥基進(jìn)一步糖苷化，其化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)更明顯，在70.0 附近［31］。

2.2.2 B 環(huán)碳信號(hào) B 環(huán)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(jié)構(gòu)中，由于C?2 位為季碳，化學(xué)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(chǎng)移動(dòng)5.0 左右［32］。在14 碳蕨素結(jié)構(gòu)中，化學(xué)位移與C?2 位甲基的構(gòu)型有關(guān)，若甲基為α 構(gòu)型，化學(xué)位移在50.0 附近［31］；若甲基為β 構(gòu)型，則化學(xué)位移約為55.0［29］。通過化學(xué)位移大小，有助于C?2 位的立體構(gòu)型的確定。另外，若C?2 位與C?3 位形成雙鍵，化學(xué)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(xué)位移約為77.7。而在14 碳蕨素中，其化學(xué)位移受C?2位甲基立體構(gòu)型影響最為明顯，若甲基為β 構(gòu)型，處于76.0 左右［29］；若甲基為α 構(gòu)型，則在70.0 附近［31］。依據(jù)化學(xué)位移值可判斷C?2 位的立體構(gòu)型。若C?3 位羥基有糖苷化，化學(xué)位移相應(yīng)地向低場(chǎng)移動(dòng)約8.0；若此處無羥基取代，化學(xué)位移約為35.0～38.0［16］。若C?2 位與C?3 位形成雙鍵，化學(xué)位移由于羰基的負(fù)屏蔽作用處于較C?2 位低場(chǎng)，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(jié)構(gòu)中，2 個(gè)甲基的化學(xué)位移約為21.0、23.5，與A 環(huán)上C?5 位的甲基化學(xué)位移較相近。而在14 碳蕨素結(jié)構(gòu)中，其中1 個(gè)甲基碳信號(hào)消失，并且化學(xué)位移與其構(gòu)型有關(guān)，若甲基為β 構(gòu)型，化學(xué)位移約為13.0，并與A 環(huán)C?7 位甲基化學(xué)位移相近［29］；若甲基為α 構(gòu)型，化學(xué)位移約為11.0［33］。若C?2 位與C?3 位形成雙鍵，甲基的化學(xué)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(gè)羥基取代，其化學(xué)位移約67.0。若進(jìn)一步糖苷化，向低場(chǎng)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(gè)相同的單個(gè)蕨素通過C?2、C?3 位駢合四元環(huán)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(xiàn)出不對(duì)稱與對(duì)稱2 種類型結(jié)構(gòu)［10］。不對(duì)稱二聚體的核磁共振譜顯示2 套單個(gè)蕨素?cái)?shù)據(jù)，其平面結(jié)構(gòu)可通過異核多鍵相關(guān)譜推導(dǎo)確認(rèn)，但對(duì)稱結(jié)構(gòu)的二聚體平面結(jié)構(gòu)［（對(duì)稱中心，頭?尾相連）或（對(duì)稱面，頭?頭相連）］，僅通過核磁 共振多鍵相關(guān)譜（HMBC 譜）及Chemdraw 軟件顯示的化學(xué)結(jié)構(gòu)模型難于確定。因?yàn)槠?3C?NMR、1H?NMR 數(shù)據(jù)表現(xiàn)為 1 套單個(gè)蕨素?cái)?shù)據(jù)，如bimutipterosins B，見圖8～9，并與單個(gè)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(duì)于首次鑒別對(duì)稱結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)方可確定，故課題組在2011 年發(fā)表的對(duì)稱性二聚體bimutipterosins B 的結(jié)構(gòu)［10］值得商榷，若由此帶來不便表示抱歉。后續(xù)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(yǎng)出單晶），通過分析及總結(jié)其核磁共振譜的差異性，歸納出核磁共振譜的數(shù)據(jù)鑒定對(duì)稱的類型。Ⅱ型蕨素二聚體為2 個(gè)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(gè)蕨素信號(hào)，其平面結(jié)構(gòu)可根據(jù)HMBC 譜確認(rèn)。

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(jié)

綜上所述，蕨素類化合物的是波譜特征比較強(qiáng)，目前已積累了豐富的參考數(shù)據(jù)，對(duì)于絕大多數(shù)的蕨素類化合物而言，通過和已知的化合物數(shù)據(jù)對(duì)比，并借助1H?NMR 與13C?NMR基本可以完成結(jié)構(gòu)的確定，但對(duì)于結(jié)構(gòu)新穎如新骨架的蕨素成分的確定，還需要結(jié)合各種二維譜及高分辨質(zhì)譜的數(shù)據(jù)。另外，本文中對(duì)于蕨類成分的立體構(gòu)型未全面而具體歸納，確認(rèn)立體構(gòu)型可以參考其他相關(guān)文獻(xiàn)。