摘要

         木脂素类化合物的二维连接关系确定后，分子的三维结构仍可因四面体立体中心、受限联芳旋转及环系构象变化而产生明显差异。四面体碳是否成为立体中心取决于其连接的取代基能否相互区分。多个立体中心进一步产生对映体、非对映体和内消旋形式；赤式（erythro）/苏式（threo）体现部分开放链结构中两个立体中心的相对构型，但不能代替R/S绝对构型。二苯并环辛二烯型木脂素还存在由联芳键受阻旋转产生的轴手性，其轴构型与八元环扭船椅式、扭船式构象属于不同立体结构层级。近期研究进一步表明，部分二苯并环辛二烯  木脂素并非保持单一环构象，而是在不同构象之间发生动态交换。中心构型、轴构型和构象自由度共同决定了木脂素类分子的实际三维排列。

         关键词： 木脂素；中心手性；立体中心；轴手性；非对映体；内消旋；赤式；苏式；构象

1 四面体立体中心的形成条件

1.1 立体中心取决于局部取代环境

         木脂素类分子的原子连接关系并不能唯一确定三维结构。IUPAC Gold Book 将立体发生单元（stereogenic unit）定义为分子中作为立体异构焦点的原子或原子组；对于由中心原子和可区分配体构成的中心型立体发生单元，交换任意两个取代基会得到另一立体异构体。[1]

         对于常见四面体碳，当其连接的四个原子或基团能够相互区分时，该碳通常构成中心型立体发生单元。木脂素中经常涉及C7、C8、C7′、C8′等侧链位置。某一位置是否具有立体化学意义，取决于具体骨架、氧化状态、环化状态和周围取代基。

         例如，愈创木基甘油-8-O-4′-松柏醇醚（guaiacylglycerol 8-O-4′-coniferyl ether，GGCE）的甘油侧链中，C7分别连接芳环、羟基、C8和氢；C8分别连接C7、芳氧基、羟甲基和氢。在该结构中，C7和C8均具有四种可区分的连接路径，可以形成两个立体中心。相反，同一分子另一侧保留不饱和丙烯醇结构，其中的烯烃碳并不是相应的四面体立体中心。[4]

         开环异落叶松脂素醇（secoisolariciresinol，SECO）中主要涉及C8和C8′两个立体中心。每个中心分别连接氢、羟甲基、芳基甲基侧链以及通向另一中心的碳链。两个位置的绝对构型组合由此产生不同立体异构体。[2,3]

不同代表结构中的主要立体发生单元如下表：

1.2 成环会限制空间自由度，但不等于产生新立体中心

         环化会将原本可以独立旋转的若干单键纳入闭合结构，使部分二面角受到限制。不过，环的形成本身并不能作为产生手性中心的充分条件。

         一个成环碳仍需要具有可区分的取代路径，才构成立体中心。同样，一个分子含有多个sp³碳，也不意味着所有这些碳都具有R/S构型。实际判断依据是连接关系和分子对称性。[1]

         这一差别在多环木脂素中比较明显：环化既可以建立新的立体中心，也可以只降低已有结构的构象自由度；两种作用需要分别判断。

2 多立体中心的对映、非对映与内消旋关系

2.1 多个立体中心的组合不等于简单的2ⁿ种独立异构体

         含有n个彼此独立立体中心且不存在对称性简并时，理论上最多可以形成2ⁿ种构型组合。但具有内部对称性的分子可能出现内消旋形式，使实际立体异构体数量少于2ⁿ。

SECO提供了较清楚的实例。亚麻中已经确认存在：

         ①8S,8′S-(+)-SECO 

         ②8R,8′R-(−)-SECO 

         两者的两个立体中心全部反转，互为镜像而不能重合，属于一对对映体。[2]

         Sugahara等进一步完成了meso-SECO（内消旋开环异落叶松脂素醇）的立体选择性合成，证明相同的基本原子连接还可以形成与上述两个旋光异构体不同的内消旋立体形式。[3]

2.2 SECO中的内部对称与内消旋

         对于结构对称的SECO骨架，两个中心具有相反构型时，可以形成内部补偿的内消旋形式。其8R,8′S与8S,8′R表示在分子对称性作用下对应同一内消旋立体异构体。

         由此，两个立体中心形成三种而不是四种独立立体异构体：

SECO两个立体中心的组合关系如下表：

         内消旋分子含有立体中心，但分子整体可以与其镜像重合。因此，“含有立体中心”和“整个分子具有手性”并不是完全等价的判断。[1]

         这一结构关系说明，旋光符号“(+)”或“(−)”不能作为R/S构型的一般替代符号。旋光方向属于具体化合物在给定实验条件下的光学性质；R/S则按照确定的构型优先规则描述三维排列。[2]

         本文正文沿用木脂素常用的C8/C8′编号；在以丁烷-1,4-二醇为母体的系统命名中，这两个立体中心对应C2和C3。因此，8R,8′R-SECO对应(2R,3R)-SECO，8S,8′S-SECO对应(2S,3S)-SECO。

3 赤式与苏式相对构型及其适用范围

3.1 赤式/苏式描述两个立体中心之间的相对关系

         赤式（erythro）和苏式（threo）主要用于具有两个立体中心的非环状结构或非环状局部结构。

         赤式/苏式表达的是相对构型，而R/S表达的是确定各立体中心空间排列后的绝对构型。相对构型在整个分子镜像反转后保持不变，因此一个赤式结构可以具有一对绝对构型相反的对映体，苏式结构同样如此。[1]

3.2 GGCE的四种立体异构体

         Buckler等完成了GGCE全部四种立体异构体的立体选择性合成，证明这一开放链新木脂素在C7、C8两个中心可以形成两对对映体。[4]

按照该类化合物常用的C7/C8编号：

         ①赤式GGCE（eGGCE）对应(7S,8R)及其对映体(7R,8S)；

         ②苏式GGCE（tGGCE）对应(7S,8S)及其对映体(7R,8R)。[4,5]

GGCE相对构型与绝对构型的对应关系如下表：

         GGCE与SECO在这一点上存在差别。GGCE两端结构并不等价，不具有SECO那样使混合构型合并为内消旋形式的内部对称关系，因此C7/C8两个中心形成四种独立立体异构体，而不是三种。

         赤式或苏式也不能进一步说明具体分子是(7S,8R)还是(7R,8S)。在正式结构名称或需要明确单一立体异构体时，仍应使用绝对构型描述。

4 环化对立体中心空间关系的限制

4.1 环系将局部相对构型转化为空间约束

         开放链结构中，立体中心之间的多个单键通常具有一定旋转自由度。环化后，其中部分单键成为环的一部分，允许的二面角范围显著减少，取代基之间的空间关系受到更强限制。

         这种变化会使同一立体中心构型的空间作用更加明显。例如，一个芳基位于环系的一侧或另一侧，不再能通过简单单键旋转自由交换。

         呋喃并呋喃型木脂素芝麻素（sesamin）和表芝麻素〔episesamin，亦称asarinin（细辛脂素）〕具有相同的组成和基本原子连接。文献将表芝麻素描述为芝麻素的C7差向异构体，即两者只在相应一个立体中心发生构型改变。[6]

         差向异构体属于非对映异构体的一种。单个中心的反转不会只改变一个局部楔线符号；在受环系约束的结构中，它同时改变该取代基相对于整个双四氢呋喃体系的空间方向。

4.2 表芝麻素的四立体中心实例

(+)-表芝麻素的绝对构型为：

         (7S,7′R,8R,8′R)-表芝麻素。

         该分子同时含有四个四面体立体中心。[7]

         这种结构说明，多环木脂素的三维形态由多个中心共同决定。若仅改变其中一个中心，其余中心不变，所得结构与原分子不再互为完整镜像，而形成非对映体。环系又限制了重新旋转消除这种差异的可能，使立体中心构型转化为持续存在的整体空间差异。

环化对三维结构的作用可以概括为：

         立体中心确定局部键的空间方向

         → 环系减少可旋转自由度

         → 多个局部方向被耦合

         → 分子形成特定的整体折叠。

5 受限联芳旋转与轴手性

5.1 手性不一定来源于四面体碳

         轴手性是木脂素类三维结构中与中心手性不同的另一种来源。

         IUPAC将轴手性定义为围绕一条手性轴成对排列的四个基团形成非平面空间关系所产生的立体异构现象，邻位取代联苯的阻转异构是典型实例。轴构型可以使用Rₐ/Sₐ表示。[1]

         联苯结构本身并不必然具有稳定轴手性。若两个芳环能够较容易地绕联芳单键旋转，两个相反的扭转排列会快速互换，通常不能作为稳定的独立立体异构体存在。邻位取代、桥环结构和其他空间拥挤因素提高联芳旋转能垒后，这种互换受到限制，才可能形成能够保持独立构型的阻转异构体。

         注：IUPAC Gold Book 对轴手性的构型描述符采用Rₐ/Sₐ等记法；部分二苯并环辛二烯天然产物文献则写作(aR)/(aS)，本文在引用具体文献化合物时保留原文记法。

5.2 二苯并环辛二烯型木脂素的联芳轴

         二苯并环辛二烯型木脂素的两个芳环由联芳键连接，同时受到邻位取代基和八元环桥连结构的共同限制。两个芳环难以自由经过近共平面状态完成轴翻转，从而可以形成稳定的联芳轴构型。

         Nguyen等研究五味子二苯并环辛二烯木脂素时分别确认了具有不同轴构型的天然成员。例如，gomisin L1被确定为aS轴构型，新化合物gomisin M3则被确定为aR轴构型。[8]

         这类结构中的轴构型和环上R/S中心应分别记录。例如，Robertson等2026年报道的kadheterin I具有完整的 (aS,6R,7S,8R,9R) 构型。其中aS描述联芳轴，而6R、7S、8R和9R描述四面体立体中心。[10]

中心手性与轴手性的结构差异如下表：

6 二苯并环辛二烯的环系构象与动态交换

6.1 构型与构象属于不同立体结构层级

         IUPAC将“构型”限定为不能仅用构象差异解释的原子空间排列；“构象”则主要指通过形式单键旋转即可相互转化的不同空间排列。[1]

二苯并环辛二烯型木脂素可以在同一个分子中同时表现出：

         1. 环上若干四面体中心的R/S构型；

         2. 联芳轴的aR/aS构型；

         3. 八元环的不同构象。

         其中联芳轴翻转需要跨越较高旋转势垒，而八元环的折叠可以在不改变联芳轴构型、不改变各四面体中心R/S构型的条件下发生。

6.2 扭船椅式与扭船式构象

二苯并环辛二烯八元环常涉及两类构象：

         ①扭船椅式构象（twist-boat chair，TBC） 

         ②扭船式构象（twist-boat，TB） 

         早期Gottlieb等研究了这类八元环的构象特征，并指出侧链官能团及其与芳环之间的几何作用能够改变TB/TBC之间的稳定性。[9]

         2026年Robertson等进一步证明，许多过去按照单一TBC或TB形式说明的天然二苯并环辛二烯木脂素，实际可能处在两种构象之间的动态平衡中。[10]

图1 二苯并环辛二烯型木脂素中TBC与TB构象的空间差异

         Robertson等[10]的Figure 1以相同的(aS)联芳轴构型表示TBC和TB两种八元环折叠形式。两者的联芳轴构型保持不变，变化发生在环辛二烯部分，显示了“轴构型改变”和“环构象改变”之间的区别。该论文及Figure 1采用CC BY 4.0许可。

6.3 联芳轴旋转与八元环交换具有不同能量尺度

         Robertson等指出，二苯并环辛二烯类联芳键邻位通常具有较强空间拥挤，联芳旋转能垒可达到≥35 kcal/mol，因而阻转异构体通常能够保持独立。[10]

同一研究中，kadheterin J和kadheterin K的TBC/TB构象交换活化能分别约为：

         · 13.1 kcal/mol 

         · 13.2 kcal/mol 

         明显低于联芳轴翻转的能量尺度。[10]

         注：这两个数值是kadheterin J和kadheterin K在该研究条件下由变温NMR分析获得的结果，不代表所有二苯并环辛二烯木脂素具有相同的构象交换势垒；不同化合物的取代模式及实验温度均会影响TBC/TB交换的动力学表现。[10]

由此可以形成的结构关系如下：

         联芳轴：高旋转势垒

         → 轴构型能够保持

         → aR/aS属于较稳定的构型特征

八元环：较低构象交换势垒

         → 不破坏轴构型即可重新折叠

         → TBC/TB可以动态互变

6.4 取代基空间方向调节TBC/TB平衡

         八元环构象也不是随机变化。Robertson等发现，某些苄位取代基的空间方向会改变环与邻近芳环之间的位阻。

         以该研究的(aS)骨架为参照，C6位置朝向环内侧的某些β取代基会在TBC构象中与邻近芳环产生不利空间接触，使TBC相对去稳定化，从而提高TB构象的占比并促进两者交换；部分C7或C8取代则可改变这种空间拥挤，使TBC获得相对稳定。[10]

         研究者重新检查了71个已发表二苯并环辛二烯木脂素的¹³C NMR数据，其中超过70%的化合物显示相同类型的特征性信号展宽。结合变温NMR和计算结果，该研究将这类信号展宽与TBC/TB构象交换联系起来，并指出许多过去以单一TBC或TB构象表征的化合物实际上可能处于两种构象的动态平衡中。[10]

         该结果说明，联芳轴可以高度受限，而同一分子的八元环仍可保留明显的构象自由度。

7 中心构型、轴构型与构象的层级关系

         这三个层级之间不存在简单替代关系。R/S相同不代表环构象相同；环构象发生变化也不意味着R/S构型改变；aS/aR轴构型固定后，八元环仍可能进行构象交换。

         木脂素类分子的完整三维结构由局部立体中心的构型、受阻旋转形成的轴构型以及剩余构象自由度共同决定。二维结构解决“哪些原子彼此连接”，立体结构进一步确定这些原子在三维空间中的实际排列。

8 木脂素类化合物中心手性、轴手性与构象限制相关代表产品结构分类与科研应用

表1 二苯并环辛二烯型木脂素：联芳轴手性、环上立体中心与八元环构象

表2 呋喃并呋喃型木脂素：多中心构型、差向异构与分子对称性

表3 开放链、单四氢呋喃与丁内酯型木脂素：中心手性及环化限制

表4 鬼臼毒素型木脂素：稠环多中心手性与差向异构

         注：以上为阿拉丁代表性科研相关产品。表中“产品特色与应用”主要依据化学结构特征给出科研选型与结构对照思路，不等同于文献已验证的具体实验用途；实际使用应结合产品规格、批次COA及目标研究体系确定。更多产品规格、级别和COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。

参考文献

[1] International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Compendium of Chemical Terminology (the Gold Book), 5th ed.; online version 5.0.0, 2025. Relevant entries: stereogenic unit, chirality centre, absolute configuration, relative configuration, configuration, conformation, axial chirality, atropisomers, erythro/threo. DOI: 10.1351/goldbook.

[2] Hemmati S, von Heimendahl CBI, Klaes M, et al. Pinoresinol-lariciresinol reductases with opposite enantiospecificity determine the enantiomeric composition of lignans in the different organs of Linum usitatissimum L. Planta Med. 2010;76(9):928-934. DOI: 10.1055/s-0030-1250036.

[3] Sugahara T, Yamauchi S, Kondo A, et al. First stereoselective synthesis of meso-secoisolariciresinol and comparison of its biological activity with (+)- and (−)-secoisolariciresinol. Biosci Biotechnol Biochem. 2007;71(12):2962-2968. DOI: 10.1271/bbb.70358.

[4] Buckler JN, Banwell MG, Kordbacheh F, et al. Developing neolignans as proangiogenic agents: stereoselective total syntheses and preliminary biological evaluations of the four guaiacylglycerol 8-O-4′-coniferyl ethers. ACS Omega. 2017;2(10):7375-7388. DOI: 10.1021/acsomega.7b01459.

[5] Khallouki F, Hull WE, Würtele G, et al. Isolation of the major phenolic compounds in the pits of brined green olive drupes: structure elucidation by comprehensive ^1H/^13C-NMR spectroscopy. Nat Prod Commun. 2019;14(7). DOI: 10.1177/1934578X19857365.

[6] Bussey RO III, Sy-Cordero AA, Figueroa M, et al. Antimycobacterial furofuran lignans from the roots of Anemopsis californica. Planta Med. 2014;80(6):498-501. DOI: 10.1055/s-0034-1368352.

[7] Trowitzsch-Kienast W, Rühl M, Kim KY, et al. Absolute configuration of antifibrotic (+)-episesamin isolated from Lindera obtusiloba Blume. Z Naturforsch C. 2011;66(9-10):460-464. DOI: 10.1515/znc-2011-9-1004.

[8] Nguyen TN, Lee YG, Kim HG, et al. New dibenzocyclooctadiene lignan from Schisandra chinensis (Turcz.) Baill. fruits. Appl Biol Chem. 2021;64:46. DOI: 10.1186/s13765-021-00618-1.

[9] Gottlieb HE, Mervič M, Ghera E, Frolow F. Conformational study of dibenzocyclo-octadiene systems related to the schizandrin-type lignans. J Chem Soc Perkin Trans 1. 1982:2353-2358. DOI: 10.1039/P19820002353.

[10] Robertson LP, Xu W, Brieskorn L, et al. Rules for dibenzocyclooctadiene conformational dynamics. J Nat Prod. 2026;89(2):528-538. DOI: 10.1021/acs.jnatprod.5c01348.

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