做个“CT”，分分钟敲定小分子结构

今天的故事要从2017年诺贝尔化学奖说起。Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson三位物理学家因在冷冻电镜领域的贡献，分享了2017年的诺贝尔化学奖。冷冻电镜可以说是目前生命科学领域最热门的技术，帮助科学家获得了很多依靠其他结构生物学技术完全不可能获得的生物分子结构。结构的重要性就不用本君多说了，一方面帮助人们更好地理解这些分子的功能和活性，另一方面可以指导相应的药物研发（点击阅读相关）。

由冷冻电镜获得的控制“昼夜节律”的蛋白质复合物结构。图片来源于网络

分子结构不仅对生命科学非常重要，对于化学也一样重要。就在前不久，两个独立的研究团队分别报道了解析有机小分子的新技术——基于电子显微镜的结构解析。本君知道你们想说什么，电镜哪新了？怎么就能搞定有机小分子结构了？透射电镜、扫描电镜、冷冻电镜，这些都是分工清楚、用途明确的东西啊？别急，听本君慢慢道来。

美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的Tamir Gonen教授一直致力于研究蛋白质的结构，冷冻电镜是他们的常用方法。在与加州理工学院（Caltech）有机化学家Brian Stoltz（点击阅读相关）的合作中，他们突发奇想，能不能用类似解析蛋白质结构的策略来解析小分子结构？说干就干，买来模型化合物孕酮（1），将少量这种非晶固体粉末置于两个玻璃盖玻片之间压碎，细粉末沉积在多孔碳铜网上，液氮冷却后用冷冻电镜进行分析。结果很让人满意，基于样品中单个纳米晶体的电子衍射数据，分辨率都可达到约1 Å左右甚至更好。逆天的是，整个结构解析过程仅仅需要10分钟左右！

图片来源：ChemRxiv ^[1]

在这一方法中，电子束并非向传统电子衍射方法那样从一个方向射向静止的晶体，研究者会连续旋转晶体并收集所有的衍射数据，这也是获得高分辨率的关键。用Tamir Gonen的话说，这更像是“给小分子做一次CT（计算机断层扫描）” ^[2]，而不是拍个X-光片。

他们不但得到了孕酮的结构，而且在多种类型的小分子上都能轻易得到可与X-射线晶体学相媲美的高分辨率。例如，他们从常见非处方感冒药的药片中，轻松获得了对乙酰氨基酚（2）和布洛芬（3）的结构。

图片来源：ChemRxiv ^[1]

如果你觉得给这些高纯度的小分子做CT并没有什么特别的，还有更逆天的！他们团队利用这种技术能够从混合物中得到不同化合物的结构信息，还能够从那些根本无法结晶的材料上获得化合物的结构信息，甚至可以从硅胶柱上刮点样品下来测一下，看结构。这恐怕是无数“有机砖工”的梦想吧。

图片来源：ChemRxiv ^[1]

瑞士保罗谢尔研究所（PSI）Tim Gruene团队几乎与Tamir Gonen团队同时报道了类似的技术，他们的论文也强调了两点：测试样品可以小到亚微米晶级别，而分辨率可低于1 Å。

图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.^[3]

最后，探讨一下为什么本君觉得这是一项伟大的创新。凡是跟化学沾边的学科，都要涉及到结构表征，尤其以有机化学为基础的各种交叉学科。我们最常用的是什么？核磁共振（NMR）波谱，那这项新技术比核磁好在哪？一个词，直接！我们拿到氢谱、碳谱甚至2D-NMR全部是结构的间接信息，对于结构复杂化合物或异构体的核磁解析错误那是司空见惯，甚至大家将错就错地还研究好多年，本平台好久之前就专门介绍过这方面案例（药物结构错了？你可能申请了一个假专利……），更别说对于化合物手性中心绝对立体构型的确定，更是相形见绌。

要说结构解析的“金标准”，那当属单晶X-射线衍射（XRD），所见即所得，什么化学结构、手性中心，甚至连分子内氢键都能了如指掌。但是，本君要问几个“有机砖工”戳心的问题了。你养个单晶要养多久啊？养出来的晶体碎不碎、细不细，符合测试要求吗？JACS 的审稿人有没有要一个你给不出的单晶数据？……总之，要做XRD你得先掌握养单晶这种近乎“玄学”的技术，同时还要指望自己是养单晶大军中的“锦鲤”。

基于电镜的结构解析新技术同时弥补了以往两种常用技术手段的劣势，结构信息直接、所需样品体积微小、测试周期短。虽然本君对这两篇里程碑式的文章看得也是云里雾里，但可以预见的是这项新技术的发展无疑提高了相关学科和产业的工作效率，比如药物研发、毒品或兴奋剂检测等等。至于能同时检测混合物什么的，本君估计还需要技术的再发展，也许过不了几年TLC监测反应时那小小的斑点切下来送样就可以知道结构了。随着材料、电子、物理技术的飞跃，当仪器的造价大幅降低、体积大大缩小的时候（诸位可联想一下世界上第一台电脑的体积和造价），当同时检测混合物结构的能力大幅提升之后，说不定TLC也会退出历史舞台。化合物的结构表征手段自古以来都在不断的更新迭代，从百年前靠有机反应推断，到熔点、紫外、红外的简单波谱时代，再到核磁共振现象的应用以及XRD技术的普及，结构表征技术似乎已经有半个多世纪的沉寂了。有机化合物的结构表征技术最终会不会大一统，波谱解析课会不会逐渐淡出历史舞台，让我们拭目以待。

参考文献：

1. The CryoEM method MicroED as a powerful tool for small molecule structure Determination. ChemRxiv , DOI: 10.26434/chemrxiv.7215332.v1

2.http://www.sciencemag.org/news/2018/10/new-day-chemistry-molecular-ct-scan-could-dramatically-speed-drug-discovery

3. Rapid structure determination of microcrystalline molecular compounds using electron diffraction. Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201811318.

（本文由乐只君子供稿）