解放化学家的双手！剑桥大学开发NMR自动解谱软件，60秒内完成一个分子结构解析

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核磁共振是鉴定有机化合物结构最重要的方法，但复杂核磁谱解析却愁坏了不少化学同仁，许多小伙伴（高手除外）直呼：解谱太难啦！

近日，英国剑桥大学Goodman（好人啊）等人开发了一个电脑程序DP4-AI，该程序可以自动解析1 H和13 C NMR数据，分配峰，并给出一组最有可能的结构。DP4-AI“为结构不确定性提供了全自动解决方案，节省了解析NMR光谱的时间，同时也使有机合成充满信心。”

在有机合成和天然产物化学中，分子结构的确证都是具有挑战性的问题。结构上接近的异构体（例如区域异构体）和非对映异构体通常在1D-NMR光谱中仅表现出细微的差异，因此很难确定其结构和相对立体化学。虽然可以通过其他NMR实验（例如NOE光谱或合成天然产物的异构体），然后将所得观察到的NMR光谱与公开的NMR光谱进行比较，来解决这一问题，但两种方法都非常昂贵且耗时。

多年来，自动解析NMR光谱一直是结构化学的主要目标。DP4程序随之应运而生，成为了一种非常具有吸引力的方法，DP4不仅可以预测分子的相对立体化学和其他变化，而且可以使用贝叶斯定理给出每个候选分子是正确分子的可能性，现已成功用于确定许多天然产物的立体化学。自发布以来，DP4的计算已得到简化，并且用户输入最小化，所有计算现在都可以由Python程序PyDP4自动管理。

图1 （a）DP4-AI的结构。该系统提供了全自动的立体化学说明，用户只需输入原始NMR数据。（b）具有立体化学的示例结构可以使用集成在PyDP4中的DP4-AI完全自动地正确预测。

标准DP4要求用户输入带有立体化学不确定的分子结构和1D-13 C和1 H-NMR光谱，其中最耗费精力的部分是峰的分配，而且容易出错。DP4-AI的目的是消除这种人工输入。它可以获取原始NMR数据并自动处理，分析光谱并将其与DFT计算的光谱进行比较，以输出对试验结构的置信度的定量度量。与手动过程相比，DP4-AI可以在大约60秒内完成一个分子的完整计算，而这可能需要人工花费8个小时的时间。这与商业软件Mnova不同。Mnova旨在帮助用户处理和解释其光谱，而DP4-AI使用分配例程结合DFT计算。

图2 DP4-AI在一系列阶段中处理原始NMR数据，以产生实验的多重位移值及其积分。然后，程序对分子中的每个原子进行使用DFT计算的位移，并将其分配给实验峰。然后使用该分配为每个非对映异构体计算DP4概率

研究人员在47个分子上评估了DP4-AI，每个分子平均具有3.49立体中心和不同范围的碳骨架。令人印象深刻的是，DP4-AI在32和64个非对映异构体中正确分配了分子NP1和NP2的相对立体化学。

图3 用于评估DP4-AI的性能的47个分子

图4 DP4-AI处理并分配了分子BYH1的1 H光谱（摄于氯仿中）

DP4-AI作为一种强大的系统，可通过自动处理和分配原始13 C和1 H NMR光谱自动解决结构不确定性，并已作为开源软件发布。这种自动化将允许对数据库和大量分子进行快速DP4分析，这在以前是不可能的。利用由专业化学家撰写的NMR描述，DP4-AI保持与DP4相同的正确率。此外，该系统可以可靠地处理和分配NMR谱，速度约快60倍，节省了大量科研人员的时间。此外，该新系统为将来开发新功能（例如J值分析，2D-NMR分配，分配复杂混合物的光谱和辅助构象分析）提供了强大的框架。