小分子晶体养不好？先“找个伴”吧

小分子手性化合物，无论源自化学合成还是天然分离，它们绝对构型的鉴定往往是结构解析的重中之重。但是，很多情况下，化合物结构解析的主力军——NMR波谱数据面对绝对构型鉴定却无能为力，这时，能依靠的就只有X-射线单晶衍射（XRD）了。然而，小伙伴们都知道，养晶体不容易，养出能收衍射数据的单晶更是难上加难，这个过程更像是一种难以言明的“艺术”。每个养晶体的，所求都是如钻石一样晶莹剔透、棱角分明、八心八箭的理想晶体，但摸索各种条件、费尽各种心机，夜以继日培养出来的往往是油状物、玻璃渣状物、无定形沉淀或有序性差的碎晶，殚精竭虑却以“单晶焦虑”收场，让人欲哭无泪。

为了拿到分子结构，有人用上了号称“无需长单晶”晶体海绵法，有人搬出了诺奖认证的冷冻电镜，还有更多人在想办法降低晶体培养的难度，比如来一通“简单粗暴”的搅拌，或者抹点硅油。最近，德国斯图加特大学的Clemens Richert教授课题组在Angew. Chem. 上提出了一种新策略——使用“金刚烷结晶伴侣（adamantane crystallization chaperone）”来解决小分子的结晶难题。

Clemens Richert教授课题组。图片来源：University of Stuttgart

其实，分子伴侣（molecular chaperone）在自然界一直都存在，细胞内的分子伴侣蛋白质能够协助新合成肽链折叠装配成正确的三级结构。而在大分子蛋白质的结构解析中，“结晶伴侣”也早有应用（Acta Crystallogr. Sect. D, 2015, 71, 896），能够以共价或非共价键的方式结合到蛋白质上帮助其结晶。迄今为止，尽管有些分子能帮助一些小分子结晶，但能与小分子共结晶的通用“结晶伴侣”还未被报道。

Clemens Richert团队在之前的研究中发现，四芳基金刚烷（tetraaryladamantanes, TAAs）容易以包容配合物（inclusion complex）的形式与小分子化合物共结晶。这类化合物具有封装结构多样化客体分子的能力，已被用于捕捉气相芳香烃类化合物，或稳定有机合成的某些起始原料，但还未用于结构解析。受此启发，Clemens Richert 团队想到使用四芳基金刚烷与难以结晶的小分子共结晶，以期快速确定小分子的绝对构型。

他们选择了三种四芳基金刚烷作为“结晶伴侣”（下图），前两种八醚类TDA和TEO在以往研究中已显示出与客体分子共结晶的能力。第三种“结晶伴侣”是含溴和甲氧基的TBro，特殊的卤化设计被用于结合亲脂类客体分子。此外，TBro在X-射线晶体衍射中还有很强的反常色散信号。

三种四芳基金刚烷结晶伴侣结构及其共结晶复合物示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

他们选择结构多样的客体分子与TDA或TBro进行单轮热结晶实验（下图）。具体而言，金刚烷主体和客体分子的混合物在实验室加热板上加热不超过30秒直至溶液澄清。随后关闭加热板使溶液在室温下冷却。晶体在数分钟或数小时内形成，继续过夜培养后用于XRD测试。所有的客体分子结构都在第一轮结晶后成功得到解析。从结构上不难看出，这些分子如果不使用结晶伴侣，常规情况下均是油状物很难结晶，就更别提测定绝对构型了。

运用TDA和TBro与客体分子进行共结晶得到的XRD衍射图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

他们对TEO也用类似的快速、单轮结晶法进行了测试，所设计的筛选实验总体上展示了TEO鉴定化合物绝对立体构型的强大能力（下图）。实验中选择的客体分子是5对对映异构体：R/S型氯代环氧丙烷（1）、柠檬烯（7）、香芹酮（8）、α-苯乙胺（16）和α-苯乙醇（15）。10个客体分子都与TEO产生了共结晶。所有对映异构体的精细结构都在两天以内得到解析，且获得的Flack参数足以确保绝对构型的解析准确无误。他们的研究还囊括了活性反应分子，比如六亚甲基二异氰酸酯（19）、环戊基异氰酸酯（17）和高分辨率结构尚未见诸报道的苯基异氰酸酯（18）；难以结晶的柔性分子，比如正癸烷（2）和[12]-冠-4（14）；一系列不同链长的醇（20-23）和氨基酸酯（11）；天然产物，比如(-)-α-侧柏酮（9）、烟碱（10）、(-)-芳樟醇（12）、α-蛇麻烯（5）、香叶醇（3）、丁香酚（13）和法尼醇（4）。以上的客体分子都在第一轮共结晶研究中获得高分辨率的结构数据。

与TEO共结晶的客体分子三维结构和XRD衍射图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

Clemens Richert课题组在这项研究中一共测试了52种小分子化合物。尽管实验中并非每种客体分子都测了全部三种金刚烷主体分子，单就客体分子能否被封装形成共结晶而言，成功率高达88%。而且，77%的客体分子至少得到一个高分辨率晶体结构。这个成绩可以说相当之好。

目前封装客体的分子量是否存在限制尚不清楚。但是现有结果表明，四芳基金刚烷封装客体分子的能力并不完全取决于封装空腔大小。

新方法的最终目标是应用。传统结构解析套路无非是：当毫克级新化合物被合成或分离出来后，会立即去测个核磁表征平面结构，那绝对构型怎么办？暂时不管，先放一放。Clemens Richert课题组受液相色谱-核磁联用（HPLC-NMR）等仪器连用方案启发，首创了核磁-X射线单晶衍射（NMR-X-Ray）联用策略，希望将待测化合物的平面结构和绝对构型一并解析出来，他们称之为“波谱加结晶”（spectroscopy cum crystallography, SCC）技术。为了模拟日常工作中的微量样品表征结构的情景，他们选择3毫克的烟碱溶解于0.2毫升CD₂Cl₂中，测出氢谱后，用氮气流除去大量溶剂，随后添加TEO细粉1毫克，混合物在室温下放置一夜后，即可形成晶体，马上进行X-射线衍射实验成功确定绝对构型（下图）。实验结果表明，SCC在自动化深度结构解析中有着诱人的应用前景。

SCC流程示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

简评

这无疑是一项造福广大科研党的研究成果，让从事药化研究的笔者也不禁憧憬起来：在不远的将来，当我们只合成或分离出几毫克新化合物时，不再为鉴定不出绝对构型、无法做下一步构效关系实验而皱眉头了。我们只需要将化合物进行自动化的SCC操作，然后去喝咖啡查文献，一两天功夫就可以得到化合物确凿的平面和立体结构信息。再大胆地猜测一下，如果“结晶伴侣”这么好用，大大降低了结晶难度，那么会不会有朝一日大家表征结构的第一手段是单晶而不再是核磁了呢？解谱绝学从此绝迹江湖？

Absolute Configuration of Small Molecules by Co-Crystallization

Felix Krupp, Wolfgang Frey, Clemens Richert

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202004992