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小分子晶體養不好？先“找個伴”吧
由 X一MOL資訊 發表于 農業2021-10-22
簡介最近，德國斯圖加特大學的Clemens Richert教授課題組在Angew. Chem.上提出了一種新策略——使用“金剛烷結晶伴侶（adamantane crystallization chaperone）”來解決小分子的結晶難題
油狀物如何重結晶
本文來自微信公眾號：X-MOLNews
題注：不要有壓力，並不是號召養晶體的先“找個伴”……
小分子手性化合物，無論源自化學合成還是天然分離，它們絕對構型的鑑定往往是結構解析的重中之重。但是，很多情況下，化合物結構解析的主力軍——NMR波譜資料面對絕對構型鑑定卻無能為力，這時，能依靠的就只有X-射線單晶衍射（XRD）了。然而，小夥伴們都知道，養晶體不容易，養出能收衍射資料的單晶更是難上加難，這個過程更像是一種難以言明的“藝術”。每個養晶體的，所求都是如鑽石一樣晶瑩剔透、稜角分明、八心八箭的理想晶體，但摸索各種條件、費盡各種心機，夜以繼日培養出來的往往是油狀物、玻璃渣狀物、無定形沉澱或有序性差的碎晶，殫精竭慮卻以“單晶焦慮”收場，讓人慾哭無淚。
圖片來自網路
為了拿到分子結構，有人用上了號稱“無需長單晶”晶體海綿法（點選閱讀詳情），有人搬出了諾獎認證的冷凍電鏡（點選閱讀詳情），還有更多人在想辦法降低晶體培養的難度，比如來一通“簡單粗暴”的攪拌（點選閱讀詳情），或者抹點矽油（點選閱讀詳情）。最近，
德國斯圖加特大學
的
Clemens Richert
教授課題組在
Angew. Chem.
上提出了一種新策略——
使用“金剛烷結晶伴侶（adamantane crystallization chaperone）”來解決小分子的結晶難題
。
Clemens Richert教授課題組。圖片來源：University of Stuttgart
其實，分子伴侶（molecular chaperone）在自然界一直都存在，細胞內的分子伴侶蛋白質能夠協助新合成肽鏈摺疊裝配成正確的三級結構。而在大分子蛋白質的結構解析中，“結晶伴侶”也早有應用（
Acta Crystallogr。 Sect。 D
，
2015
，
71
， 896），能夠以共價或非共價鍵的方式結合到蛋白質上幫助其結晶。迄今為止，儘管有些分子能幫助一些小分子結晶，但能與小分子共結晶的通用“結晶伴侶”還未被報道。
Clemens Richert團隊在之前的研究中發現，
四芳基金剛烷
（tetraaryladamantanes， TAAs）容易以包容配合物（inclusion complex）的形式與小分子化合物共結晶。這類化合物具有封裝結構多樣化客體分子的能力，已被用於捕捉氣相芳香烴類化合物，或穩定有機合成的某些起始原料，但還未用於結構解析。受此啟發，Clemens Richert 團隊想到使用四芳基金剛烷與難以結晶的小分子共結晶，以期快速確定小分子的絕對構型。
他們選擇了三種四芳基金剛烷作為“結晶伴侶”（下圖），前兩種八醚類
TDA
和
TEO
在以往研究中已顯示出與客體分子共結晶的能力。第三種“結晶伴侶”是含溴和甲氧基的
TBro
，特殊的鹵化設計被用於結合親脂類客體分子。此外，
TBro
在X-射線晶體衍射中還有很強的反常色散訊號。
三種四芳基金剛烷結晶伴侶結構及其共結晶複合物示意圖。圖片來源：
Angew。 Chem。 Int。 Ed。
他們選擇結構多樣的客體分子與
TDA
或
TBro
進行單輪熱結晶實驗（下圖）。具體而言，金剛烷主體和客體分子的混合物在實驗室加熱板上加熱不超過30秒直至溶液澄清。隨後關閉加熱板使溶液在室溫下冷卻。晶體在數分鐘或數小時內形成，繼續過夜培養後用於XRD測試。所有的客體分子結構都在第一輪結晶後成功得到解析。從結構上不難看出，這些分子如果不使用結晶伴侶，常規情況下均是油狀物很難結晶，就更別提測定絕對構型了。
運用
TDA
和
TBro
與客體分子進行共結晶得到的XRD衍射圖。圖片來源：
Angew。 Chem。 Int。 Ed。
他們對
TEO
也用類似的快速、單輪結晶法進行了測試，所設計的篩選實驗總體上展示了
TEO
鑑定化合物絕對立體構型的強大能力（下圖）。實驗中選擇的客體分子是5對對映異構體：R/S型氯代環氧丙烷（
1
）、檸檬烯（
7
）、香芹酮（
8
）、α-苯乙胺（
16
）和α-苯乙醇（
15
）。10個客體分子都與
TEO
產生了共結晶。所有對映異構體的精細結構都在兩天以內得到解析，且獲得的Flack引數足以確保絕對構型的解析準確無誤。他們的研究還囊括了活性反應分子，比如六亞甲基二異氰酸酯（
19
）、環戊基異氰酸酯（
17
）和高解析度結構尚未見諸報道的苯基異氰酸酯（
18
）；難以結晶的柔性分子，比如正癸烷（
2
）和［12］-冠-4（
14
）；一系列不同鏈長的醇（
20-23
）和氨基酸酯（
11
）；天然產物，比如（-）-α-側柏酮（
9
）、菸鹼（
10
）、（-）-芳樟醇（
12
）、α-蛇麻烯（
5
）、香葉醇（
3
）、丁香酚（
13
）和法尼醇（
4
）。以上的客體分子都在第一輪共結晶研究中獲得高解析度的結構資料。
與
TEO
共結晶的客體分子三維結構和XRD衍射圖。圖片來源：
Angew。 Chem。 Int。 Ed。
Clemens Richert課題組在這項研究中一共測試了52種小分子化合物。儘管實驗中並非每種客體分子都測了全部三種金剛烷主體分子，單就客體分子能否被封裝形成共結晶而言，成功率高達88%。而且，77%的客體分子至少得到一個高解析度晶體結構。這個成績可以說相當之好。
目前封裝客體的分子量是否存在限制尚不清楚。但是現有結果表明，四芳基金剛烷封裝客體分子的能力並不完全取決於封裝空腔大小。
新方法的最終目標是應用。傳統結構解析套路無非是：當毫克級新化合物被合成或分離出來後，會立即去測個核磁表徵平面結構，那絕對構型怎麼辦？暫時不管，先放一放。Clemens Richert課題組受液相色譜-核磁聯用（HPLC-NMR）等儀器連用方案啟發，首創了
核磁-X射線單晶衍射
（NMR-X-Ray）
聯用策略
，希望將待測化合物的平面結構和絕對構型一併解析出來，他們稱之為“
波譜加結晶
”（spectroscopy cum crystallography， SCC）技術。為了模擬日常工作中的微量樣品表徵結構的情景，他們選擇3毫克的菸鹼溶解於0。2毫升CD2Cl2中，測出氫譜後，用氮氣流除去大量溶劑，隨後新增
TEO
細粉1毫克，混合物在室溫下放置一夜後，即可形成晶體，馬上進行X-射線衍射實驗成功確定絕對構型（下圖）。實驗結果表明，SCC在自動化深度結構解析中有著誘人的應用前景。
SCC流程示意圖。圖片來源：
Angew。 Chem。 Int。 Ed。
簡評
這無疑是一項造福廣大科研黨的研究成果，讓從事藥化研究的筆者也不禁憧憬起來：在不遠的將來，當我們只合成或分離出幾毫克新化合物時，不再為鑑定不出絕對構型、無法做下一步構效關係實驗而皺眉頭了。我們只需要將化合物進行自動化的SCC操作，然後去喝咖啡查文獻，一兩天功夫就可以得到化合物確鑿的平面和立體結構資訊。再大膽地猜測一下，如果“結晶伴侶”這麼好用，大大降低了結晶難度，那麼會不會有朝一日大家表徵結構的第一手段是單晶而不再是核磁了呢？解譜絕學從此絕跡江湖？
Absolute Configuration of Small Molecules by Co-Crystallization
Felix Krupp， Wolfgang Frey， Clemens Richert
Angew。 Chem。 Int。 Ed
。，
2020
， DOI： 10。1002/anie。202004992
（本文由
水村山郭
供稿）
