天然蕨素结构及核磁共振谱特征的研究进展

彭财英 雷志强卢健 刘建群 舒积成

（江西中医药大学， 江西 南昌330004）

蕨素类化合物是具有1H⁃茚⁃1⁃酮母核结构的倍半萜，广泛存在于蕨类植物中，是此类植物特征性成分，具有较好的专属性。近年来研究发现，此类化合物具有抗肿瘤［1］、抗炎［2］、抗糖尿病［3］、抗结核［4］、降血脂［5］、抗病毒［6］等多种生物活性。天然蕨素类成分由于其结构的多样性及较好的生物活性，越来越受到研究者们的关注。据统计，迄今从自然界中分离得到约160 个蕨素类化合物［7］，并有结构新颖的此类化合物仍在不断地被分离得到。虽然Fukuoka 等［8］在1983 年已经报道蕨素类化合物的核磁共振13C⁃NMR 特征，但近三十年来，随着核磁共振测定技术的发展，有100 多个新的蕨素类化合物被发现，有必要重新总结和补充其核磁共振谱特征，这对此类化合物结构推导有参考意义。基于此，本文根据课题组已分离得到的43个蕨素类化合物核磁共振（NMR）数据，并结合文献报道的其他代表性蕨素类成分的数据，分析与归纳各类天然蕨素成分的结构及其NMR 特征，以期为其进一步研究提供参考。

1 化合物结构

1.1 母核结构 蕨素类化合物的特征主要包括苯环（A环）、骈戊酮（B 环），其中A 环常见2 个甲基（C⁃5、C⁃7位）和乙基（C⁃6 位），B 环有羰基（C⁃1 位）和甲基（C⁃2 位）。根据B 环C⁃2 位的甲基取代的数目，蕨素类成分可分为15 碳蕨素类（C⁃2 位有2 个甲基）、14 碳蕨素类（C⁃2位有1 个甲基）、13 碳蕨素类（C⁃2 位无甲基）［7］，见图1A。另外，天然蕨素成分还包括2 种型体的二聚体，分别为2 个蕨素单体通过C⁃2 位与C⁃3 位骈合四元环（Ⅰ型）和2 个蕨素单体通过C⁃2 位与C⁃12 位相连（Ⅱ型），见图1B～1C。据目前文献报道显示，15 碳与14 碳母核的蕨素为天然蕨素类成分的主体部分，占96%以上，而目前只报道了1 个13碳蕨素成分mukagolactone［9］和5 个蕨素二聚体［9⁃10］。

图1 天然蕨素类成分母核结构

1.2 常见取代基及其取代位置 蕨素类化合物取代基多样，但取代位置相对比较固定。常见取代基主要为羟基、葡萄糖、乙酰基，并有桂皮酰基、氯、硫酸根等取代基［11⁃13］，但数量较少。羟基取代一般常见于C⁃3、C⁃11、C⁃13位，而在A 环甲基（C⁃12、C⁃15 位）取代的羟基也有个别报道［14］。C⁃3、C⁃14 位易形成葡萄糖糖苷［15］。另外，也有C⁃2、C⁃3 位双键［16］，C⁃6、C⁃13、C⁃14 位三元环［17］，C⁃5、C⁃6、C⁃12、C⁃13、C⁃14 位六元环，C⁃6、C⁃7、C⁃13、C⁃14、C⁃15 位六元环［18］等取代。

1.3 立体构型 天然蕨素类化合物的手性碳相对较少且集中，多数是由于羟基取代而产生手性。常见于B 环的C⁃2、C⁃3 位和A 环支链的C⁃13 位。C⁃2、C⁃3 位的R／S构型均有报道［19］。C⁃13 位由于羟基在烷基链上，迄今为止未有对C⁃13 位的羟基构型确定的报道。目前确定C⁃2、C⁃3 位立体构型常采用圆二色谱和二维NOE 谱相结合的方法［20］。若圆二色谱在325 nm 波长处显示正Cotton 效应，C⁃3 位为S构型，并与C⁃2 位的构型无关［20］，再结合二维NOE 谱的信息，推导出C⁃2 位的构型。然而，天然蕨素类化合物中C⁃3 位羟基多为α 构型，β 构型较少［7］。

2 核磁共振谱特征

2.11H⁃NMR

2.1.1 A 环质子 A 环质子主要由芳香质子（H⁃4 位）、苯环上的甲基或羟甲基质子（H⁃12、H⁃15 位）、C⁃6 位连接的乙基链上质子（H⁃13、H⁃14 位）组成。

2.1.1.1 芳香质子（H⁃4 位）绝大多数天然蕨素类成分的1H⁃NMR 中为单峰，化学位移在7.50 左右［21⁃22］，这是蕨素成分特征性较强的质子信息，见图2。

图2 蕨素D 3⁃O⁃β⁃D⁃葡萄糖苷的1H⁃NMR 谱图（CD3OD，600 MHz）

2.1.1.2 苯环上的甲基质子（12⁃CH3、15⁃CH3）12⁃CH3、15⁃CH3为蕨素1H⁃NMR 特征性质子信号，甲基均为单峰，因连接在苯环上，处于相对较低场，化学位移约为2.50～2.70。由于15⁃CH3受C⁃1 位羰基负屏蔽作用影响，其化学位移较12⁃CH3更低，化学位移为2.70 左右，而12⁃CH3化学移位处于2.50 左右，两者较易识别［12，23］，见图2。

2.1.1.3 苯环上的次甲基质子（12⁃CH2OH 或15⁃CH2OH）苯环上的次甲基质子在蕨素成分的1H⁃NMR 中较少见［15，21，24］，并且尚未见报道称A 环上2 个甲基可以同时被羟基取代。12⁃CH2OH 的2 个质子特征性明显，以单峰出现，化学位移为4.80。而15⁃CH2OH 的2 个质子由于受邻位羰基的磁各向异性影响，以同碳偶合的双峰（J＝12.1 Hz）出现，分别位于5.10、5.00 左右，与C⁃12 位羟基取代区分明显。

2.1.1.4 C⁃6 位连接的乙基链上质子（H⁃13、H⁃14 位）C⁃6 位连接的乙基链上质子直接与A 环相连的H⁃13 位上2个质子显示三重峰（J＝7.5 Hz），化学位移为3.10 左右，见图3；若C⁃13 位有羟基取代，则向低场移动约2.50，并且H⁃13 位裂分为双二重峰（J＝4.9，8.3 Hz），见图4。目前报道的天然蕨素类化合物C⁃14 位除极个别为氯原子及硫酸根外均为羟基取代，H⁃14 位化学位移在3.70 左右，与C⁃13 位上2 个质子邻位偶合，形成三重峰，偶合常数为7.5 Hz。若H⁃14 位羟基被糖苷化或乙酰化，其化学位移向低场移动不明显，约0.05［25］。若C⁃13 位羟基取代，2 个质子裂分为双二重峰［J＝8.3，11.4 Hz（H⁃14a）和J＝4.9，11.4 Hz（H⁃14b）］，化学位移分别为3.90、3.65，见图4。C⁃14 位硫酸根离子取代衍生物（如2S，3S⁃硫酸代蕨素C）和羟基取代物（如2S，3S⁃蕨素C），其H⁃13、H⁃14 位的化学位移非常接近，在1H⁃NMR 中无明显差异［13］。

图3 （2S，3S）⁃蕨素S 的1H⁃NMR 谱图（CD3OD，600 MHz）

图4 （2S，3S）⁃蕨素Q 的1H⁃NMR 谱图（CD3OD，600 MHz）

2.1.2 B 环质子 B 环质子主要由H⁃2、H⁃3、C⁃2 位上的甲基（10⁃CH3、11⁃CH3）或羟甲基（10⁃CH2OH 或11⁃CH2OH）组成。

2.1.2.1 H⁃2位若蕨素类化合物为15 碳母核结构，则H⁃2 位无信号。若为14 碳母核结构，H⁃2 位的化学位移为2.45左右，与H⁃3、H⁃11 位偶合形成dq 峰［5］。H⁃2 与H⁃3 位的偶合常数会随着甲基（11⁃CH3）的构型不同而变化，若甲基为α 构型，J＝6.5 Hz，若甲基为β 构型，J＝4.0 Hz［5］。因此，可依据H⁃3 的偶合常数判断C⁃2 位的立体构型。

2.1.2.2 H⁃3位天然蕨素成分C⁃3 位常有OH 取代，且大部分为β 构型，化学位移为4.75 左右。若C⁃3 位羟基被糖苷化，H⁃3 位的化学位移向低场移动约0.1［26］。若C⁃11位羟基取代，H⁃3 位于其负屏蔽区，化学位移向低场移动约4.95［24］。若C⁃3 位无羟基取代，H⁃3 位的2 个质子产生同碳偶合外，并与H⁃2 位偶合，信号显示dd 峰［27］。

2.1.2.3 C⁃2 位上的甲基（10⁃CH3和11⁃CH3）蕨素类化合物为15 碳母核结构，2 个均为单峰甲基质子信号，化学位移分别为1.08、1.28 左右［28］。若为14 碳母核结构，其中1 个甲基信号消失，另1 个甲基依据不同的构型，其裂分和化学位移不相同。若甲基为β 构型，偶合常数为7.0 Hz 的双峰，化学位移为1.30 左右［19］；若甲基为α 构型，偶合常数为7.5 Hz 双峰，化学位移为1.20 左右［19］；若C⁃2位与C⁃3 位形成双键，11⁃CH3向低场移动，并与H⁃3 位远程偶合，偶合常数为1.6 Hz，化学位移约1.80，见图5。

图5 脱氢蕨素B 的1H⁃NMR 谱图（CD3OD，600 MHz）

2.1.2.4 C⁃2 位上的羟甲基（10⁃CH2OH 或11⁃CH2OH）C⁃2 位仅见有1 个羟基取代。形成的连氧亚甲基2 个质子以偶合常数为12.0 Hz 的双峰出现，化学位移分别处于3.68、3.73 附近。若此位羟基进一步糖苷化，2 个质子偶合常变小（J＝9.5 Hz），两者化学位移相差进一步拉大，分别处于3.48、4.10 附近，见图6。

图6 creticoside A 的1H⁃NMR 谱图（CD3OD，600 MHz）

2.213C⁃NMR

2.2.1 A 环碳信号 A 环碳主要由6 个苯环碳（C⁃4～C⁃9位）、苯环上的甲基或羟甲基碳（C⁃12、C⁃15 位）及C⁃6 位连接的乙基碳（C⁃13、C⁃14 位）组成。

2.2.1.1 苯环碳（C⁃4～C⁃9 位）苯环碳的化学位移在126.0～156.0 之间，但一般具有相对的范围，从小到大依次为C⁃4＜C⁃8＜C⁃6≈C⁃7＜C⁃5＜C⁃9。C⁃4 位由于未取代（叔碳），其化学位移值最少，并受C⁃2、C⁃5、C⁃6 位苯环碳的取代情况影响较少，化学位移为1.0 左右。C⁃5 苯环碳的化学位移处于144.0～146.0。C⁃6、C⁃7 位的化学位移接近，处在134.0～139.0 之间，两者大小受不同取代基影响。C⁃8位化学位移处于131.0～133.0，而C⁃9 位由于受羰基的负屏蔽作用，其化学位移值最大，约为151.0～156.0，见图7。

图7 蕨素D 3⁃O⁃β⁃D⁃葡萄糖苷的13C⁃NMR 谱图（CD3OD，150 MHz）

2.2.1.2 苯环上的甲基碳（C⁃12、C⁃15 位）12⁃CH3处于15⁃CH3较低场，受周围取代基的影响较小，故化学位移值相对固定，12⁃CH3的化学位移值在21.0～22.0，而15⁃CH3的化学位移值在13.0～14.0。

2.2.1.3 苯环上的羟甲基碳（C⁃12、C⁃15 位）若C⁃12位羟基取代，向低场移动，化学位移为63.5。若C⁃15 位羟基取代，化学位移约为58.0。两者羟基取代后化学位移有明显区别，在13C⁃NMR 上较易鉴别。若C⁃14 与C⁃15 位形成环醚（六元环为C⁃6、C⁃13、C⁃14、O、C⁃15、C⁃7），则C⁃15 位的化学位移值约为68.0［19］。

2.2.1.4 C⁃6 位连接的乙基碳（C⁃13、C⁃14 位）C⁃13 位的化学位移约为33.0，若C⁃14 位羟基糖苷化后，向高场移动，化学位移约为30.0［29］；若C⁃13 位有羟基取代，向低场移动，化学位移约为72.5［30］。目前报道的天然蕨素类化合物的C⁃14 位均有羟基取代，化学位移为62.0；若C⁃13位羟基取代，C⁃14 位的化学位移向低场移动约3.0，处于65.0；若C⁃14 位羟基进一步糖苷化，其化学位移向低场移动更明显，在70.0 附近［31］。

2.2.2 B 环碳信号 B 环碳主要由C⁃2 位、C⁃3 位及C⁃2 位上的甲基（10⁃CH3、11⁃CH3）或羟甲基（10⁃CH2OH 或11⁃CH2OH）组成。

2.2.2.1 C⁃2位在15 碳蕨素结构中，由于C⁃2 位为季碳，化学位移在52.0 附近，并受C⁃11 位羟基取代影响较大，取代后向低场移动5.0 左右［32］。在14 碳蕨素结构中，化学位移与C⁃2 位甲基的构型有关，若甲基为α 构型，化学位移在50.0 附近［31］；若甲基为β 构型，则化学位移约为55.0［29］。通过化学位移大小，有助于C⁃2 位的立体构型的确定。另外，若C⁃2 位与C⁃3 位形成双键，化学位移约为123.0［16］。

2.2.2.2 C⁃3 位 C⁃3 位常见有羟基取代。15 碳蕨素中，化学位移约为77.7。而在14 碳蕨素中，其化学位移受C⁃2位甲基立体构型影响最为明显，若甲基为β 构型，处于76.0 左右［29］；若甲基为α 构型，则在70.0 附近［31］。依据化学位移值可判断C⁃2 位的立体构型。若C⁃3 位羟基有糖苷化，化学位移相应地向低场移动约8.0；若此处无羟基取代，化学位移约为35.0～38.0［16］。若C⁃2 位与C⁃3 位形成双键，化学位移由于羰基的负屏蔽作用处于较C⁃2 位低场，约为143.0［16］。

2.2.2.3 C⁃2 位上的甲基碳（10⁃CH3和11⁃CH3）在15 碳蕨素结构中，2 个甲基的化学位移约为21.0、23.5，与A 环上C⁃5 位的甲基化学位移较相近。而在14 碳蕨素结构中，其中1 个甲基碳信号消失，并且化学位移与其构型有关，若甲基为β 构型，化学位移约为13.0，并与A 环C⁃7 位甲基化学位移相近［29］；若甲基为α 构型，化学位移约为11.0［33］。若C⁃2 位与C⁃3 位形成双键，甲基的化学位移约10.0［16］。

2.2.2.4 C⁃2 位上的羟甲基碳（10⁃CH2OH 或11⁃CH2OH）C⁃2 位仅见有1 个羟基取代，其化学位移约67.0。若进一步糖苷化，向低场位移约7.0［24］。

2.3 蕨素二聚体的核磁共振谱特征 Ⅰ型蕨素二聚体为2个相同的单个蕨素通过C⁃2、C⁃3 位骈合四元环而成，有C2⁃C2′、C3⁃C3′（头⁃尾）和C2⁃C3′、C3⁃C2′（头⁃头）这2 种相骈方式，并表现出不对称与对称2 种类型结构［10］。不对称二聚体的核磁共振谱显示2 套单个蕨素数据，其平面结构可通过异核多键相关谱推导确认，但对称结构的二聚体平面结构［（对称中心，头⁃尾相连）或（对称面，头⁃头相连）］，仅通过核磁 共振多键相关谱（HMBC 谱）及Chemdraw 软件显示的化学结构模型难于确定。因为其13C⁃NMR、1H⁃NMR 数据表现为 1 套单个蕨素数据，如bimutipterosins B，见图8～9，并与单个蕨素的核磁共振谱非常相似，最大的不同是C⁃2 位与C⁃3 位分别为非连氧季碳和叔碳，且H⁃3 位和11⁃CH3均为单峰。对于首次鉴别对称结构属于头⁃尾相连还是头⁃头相连，需要借助于化合物的单晶衍射数据方可确定，故课题组在2011 年发表的对称性二聚体bimutipterosins B 的结构［10］值得商榷，若由此带来不便表示抱歉。后续课题组将分别选择头⁃头相骈和头⁃尾相骈的称性二聚体做单晶衍射（目前已培养出单晶），通过分析及总结其核磁共振谱的差异性，归纳出核磁共振谱的数据鉴定对称的类型。Ⅱ型蕨素二聚体为2 个蕨素单体通过C⁃2位与C⁃12′位相连，核磁共振谱显示2 套单个蕨素信号，其平面结构可根据HMBC 谱确认。

图8 bimutipterosins B 的1H⁃NMR 谱图（CD3OD，600 MHz）

图9 bimutipterosins B 的13C⁃NMR 谱图（CD3OD，150 MHz）

3 小结

综上所述，蕨素类化合物的是波谱特征比较强，目前已积累了丰富的参考数据，对于绝大多数的蕨素类化合物而言，通过和已知的化合物数据对比，并借助1H⁃NMR 与13C⁃NMR基本可以完成结构的确定，但对于结构新颖如新骨架的蕨素成分的确定，还需要结合各种二维谱及高分辨质谱的数据。另外，本文中对于蕨类成分的立体构型未全面而具体归纳，确认立体构型可以参考其他相关文献。