章慧，齊愛(ài)華，李丹，李榮興

1廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門(mén) 361005

2大連華洋分析儀器有限公司，遼寧 大連 116001

近年來(lái)，手性化合物的結(jié)構(gòu)表征和檢測(cè)技術(shù)在不對(duì)稱(chēng)催化、手性功能材料、手性醫(yī)藥等領(lǐng)域發(fā)揮了關(guān)鍵性的支撐作用。手性光譜學(xué)作為分子光譜領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，在手性分析表征方面舉足輕重。自20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的手性光譜儀器主要包括：電子圓二色(Electronic Circular Dichroism，ECD)譜、振動(dòng)圓二色(Vibrational CD，VCD)譜、手性拉曼(Raman Optical Activity，ROA)譜、圓偏振發(fā)射(Circularly Polarized Luminesence，CPL)譜、熒光圓二色(Fluorence-Detected CD，F(xiàn)DCD)譜、旋光色散(Optical Rotatory Dispersion，ORD)譜。其中只有CPL光譜可以分析表征激發(fā)態(tài)手性立體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。這些手性光譜學(xué)方法相輔相成，集成的手性光譜技術(shù)正在發(fā)展成為主流的研究手段[1]。

圖1是電磁波譜分布示意圖。轉(zhuǎn)動(dòng)光譜是線光譜，轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差較小，分子在轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷只需要吸收遠(yuǎn)紅外到微波區(qū)光子的能量。振動(dòng)能級(jí)間的能量差遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，分子在振動(dòng)能級(jí)間的躍遷需要吸收近紅外至中紅外區(qū)光子的能量，同一個(gè)振動(dòng)能級(jí)中通常含有多個(gè)能量不等的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，因此振動(dòng)光譜是帶狀光譜。電子能級(jí)間的能量差較大，同一個(gè)電子能級(jí)中包含有多個(gè)振動(dòng)能級(jí)及多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，盡管不同的分子光譜對(duì)應(yīng)于分子在不同能級(jí)間的躍遷，但是不同形式的能級(jí)躍遷通常會(huì)有耦合作用。下面主要就ECD和VCD光譜的發(fā)展背景和基本原理展開(kāi)敘述。

圖1 電磁波譜分布示意圖

1 旋光色散和電子圓二色譜

1.1 旋光和電子圓二色的發(fā)現(xiàn)[2–8]

1809年法國(guó)物理學(xué)家埃蒂安?路易斯·馬呂斯(Etienne Louis Malus，1775–1812)發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象，確定了透射偏振光強(qiáng)度變化的規(guī)律(現(xiàn)稱(chēng)為Malus定律)。而光學(xué)活性的發(fā)現(xiàn)則始于在多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域跨界的兩位法國(guó)物理學(xué)家，多米尼克-弗朗索瓦?讓?阿拉果(Dominique-Fran?ois Jean Arago，1786–1853)和讓-巴蒂斯特?畢奧(Jean-Baptiste Biot，1774–1862)，他們一起研究了石英的光學(xué)活性。1811年，阿拉果在研究中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)平面偏振光沿石英晶體的光軸方向傳播時(shí)，其振動(dòng)平面會(huì)相對(duì)原方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，這就是晶體中的旋光現(xiàn)象。同年阿拉果發(fā)明了光偏振計(jì)。畢奧還發(fā)現(xiàn)了偏振平面旋轉(zhuǎn)方向相反的第二種形式的石英(圖2)。隨后，畢奧用自己發(fā)明的旋光儀，觀測(cè)到天然有機(jī)化合物如松節(jié)油液體，以及樟腦的酒精溶液、糖和酒石酸的水溶液的光學(xué)活性。畢奧在最初的研究中就注意到了旋光與波長(zhǎng)的依賴(lài)關(guān)系，在石英晶體的旋光色散研究中得到了滿意的驗(yàn)證，從而得出旋光與波長(zhǎng)平方成反比的畢奧定律。類(lèi)似的溶液研究則由于缺乏單色光源受到了極大的阻礙。

圖2 左旋和右旋的天然石英晶體

波動(dòng)光學(xué)的奠基人之一奧古斯丁·讓·菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel，1788–1827)也是法國(guó)科學(xué)家。他與阿拉果一起研究了偏振光的干涉，確定了光是橫波(1821)；他發(fā)現(xiàn)了光的圓偏振和橢圓偏振現(xiàn)象(1823)，用波動(dòng)說(shuō)解釋了偏振面的旋轉(zhuǎn)，并把旋光歸咎于光學(xué)活性物質(zhì)的圓雙折射；他推出了反射定律和折射定律的定量規(guī)律，即菲涅耳公式；解釋了馬呂斯發(fā)現(xiàn)的反射光偏振和雙折射現(xiàn)象，奠定了晶體光學(xué)的基礎(chǔ)。

人們逐漸意識(shí)到，液態(tài)的光學(xué)活性必須存在于單個(gè)分子中，甚至當(dāng)分子隨機(jī)取向時(shí)也可以被觀察到；石英的光學(xué)活性則是晶體結(jié)構(gòu)的屬性，而不是單個(gè)分子的屬性，因?yàn)槿廴诘氖⑹菦](méi)有光學(xué)活性的。正是由于偏振光和旋光性的發(fā)現(xiàn)引出了分子手性的概念。

對(duì)于分子手性的認(rèn)識(shí)，源于1848年路易斯·巴斯德(Louis Pasteur，1822–1895)對(duì)自發(fā)拆分的酒石酸銨鈉鹽單晶的手工分離和旋光性表征[9,10]。當(dāng)畢奧得知巴斯德的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，他堅(jiān)持讓巴斯德當(dāng)面重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。畢奧親自配制了外觀呈鏡像對(duì)稱(chēng)(圖3)的兩種晶體的溶液，并且目睹了它們的光學(xué)活性后，這位杰出的老人抓住巴斯德的胳膊說(shuō)：“我親愛(ài)的孩子，我畢生熱愛(ài)科學(xué)，你的工作令我的心狂跳不已”[11]。畢奧在親眼看到巴斯德偉大發(fā)現(xiàn)后喜極而泣的故事，是手性科學(xué)史上的一段佳話。

圖3 巴斯德和他手繪的酒石酸銨鈉鹽晶體外形的草圖[9,10]

光學(xué)活性研究的興起始于19世紀(jì)中葉，基于挪威物理學(xué)家亞當(dāng)·弗雷德里克·奧拉夫·阿恩特森(Adam Frederik Oluf Arndtsen，1829–1919) (圖4)于1858年發(fā)表的一篇重要論文[12]。阿恩特森對(duì)(+)-酒石酸水溶液進(jìn)行了研究，利用太陽(yáng)光，他能夠直觀地測(cè)定該溶液在一些主要的夫瑯和費(fèi)譜線[Fraunhofer lines，即C (656 nm)、D (589 nm)、E (527 nm)、b (517 nm)、F (486 nm)和e (438 nm)處]下的旋光度；確認(rèn)并擴(kuò)展了畢奧早期的發(fā)現(xiàn)，即(+)-酒石酸水溶液的旋光度在所研究的可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)有最大呈現(xiàn)，且隨著濃度增加而紅移(作者注：這一現(xiàn)象迄今未獲得合理解釋)。這一結(jié)果使得瑞士化學(xué)家漢斯·海因里希·蘭多爾特(Hans Heinrich Landolt，1831–1910)在1877年引進(jìn)了“反常旋光色散”(Anomalous Optical Rotatory Dispersion)的表達(dá)[13]，從此建立了對(duì)旋光色散(ORD)的描述，并于1879年在德國(guó)出版了第一本關(guān)于光學(xué)活性的書(shū)——《有機(jī)物的旋光性及其實(shí)際應(yīng)用》[14]。蘭多爾特對(duì)化合物光學(xué)性質(zhì)的先驅(qū)性研究和應(yīng)用使他成為物理化學(xué)的奠基人之一。德國(guó)物理學(xué)家保羅·卡爾·路德維希·德魯?shù)?Paul Karl Ludwig Drude，1863–1906)發(fā)展了光學(xué)現(xiàn)象的基本電磁理論，在1893年提出了旋光色散的德魯?shù)路匠蘙4]。

圖4 挪威物理學(xué)家阿恩特森(左)、瑞士化學(xué)家蘭多爾特(中)和德國(guó)物理學(xué)家德魯?shù)?右)

早在1847年，奧地利礦物學(xué)家和物理學(xué)家威廉·卡爾·馮·海丁格(Wilhelm Karl von Haidinger，1795–1871)就在“物理學(xué)年鑒”上報(bào)道了在紫石英晶體(圖5)中觀察到晶體的圓二色性[15]，1860年，氣象學(xué)之父，普魯士物理學(xué)和氣象學(xué)家海因里?！ねざ喾?Heinrich Wilhelm Dove，1803–1879)在同樣的期刊上也報(bào)告了紫水晶在可見(jiàn)光區(qū)呈現(xiàn)對(duì)左右圓偏振光吸收的差異[16]。但多夫的實(shí)驗(yàn)卻被意大利物理學(xué)家埃利希奧·佩魯卡(Eligio Perucca，1890–1965)在54年后(1914年)發(fā)表的“物理學(xué)年鑒”文章[17]否定了，他認(rèn)為從多夫的實(shí)驗(yàn)中不能得出任何支持或反對(duì)紫水晶中存在圓二色性的結(jié)論。佩魯卡后來(lái)聲稱(chēng)[18]：“對(duì)紫水晶進(jìn)行的研究，并沒(méi)有給出任何結(jié)果，因?yàn)檫@種礦物的晶體構(gòu)成極為復(fù)雜”。時(shí)隔158年，直到2005年俄羅斯科學(xué)家才首次測(cè)得紫石英晶體的ECD光譜，足以證明該實(shí)驗(yàn)的難度[19]。

圖5 奧地利礦物學(xué)家海丁格(左)、普魯士氣象學(xué)家多夫(中)；生長(zhǎng)良好、產(chǎn)于墨西哥的棱柱狀紫水晶(右) [20]

研究表明，像所有品種的石英一樣，紫水晶也以兩種手性形式存在，一種是正常的“右手”結(jié)構(gòu)，另一種是在高溫下自發(fā)形成的“左手”結(jié)構(gòu)[21]。由于含有金屬離子等雜質(zhì)，紫水晶等天然寶石自然而然地被賦予了絢麗多彩的顏色。

溶液圓二色性是艾梅·奧古斯特·科頓(Aimé Auguste Cotton，1869–1951)首次發(fā)現(xiàn)的：1895年，題為“某些光學(xué)活性物質(zhì)對(duì)左右圓偏振光的不等效吸收”[22]和“吸收物質(zhì)的反常旋光色散”[23]的兩篇短文，發(fā)表在法國(guó)科學(xué)院雙周刊上，作者是時(shí)年26歲的法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)室博士生科頓。第一篇的描述即為現(xiàn)稱(chēng)的電子圓二色，第二篇為旋光色散。完整的85頁(yè)論文發(fā)表于1896年，標(biāo)題為“光學(xué)活性物質(zhì)的吸收和色散研究”，總結(jié)了科頓從1893年到1896年在導(dǎo)師馬塞爾·布里淵(Marcel Brillouin，1854–1948)和朱爾斯·路易斯·加布里埃爾·維奧萊(Jules Louis Gabriel Violle，1841–1923)指導(dǎo)下的研究工作[24]?；谶@些重要發(fā)現(xiàn)，科頓于1896年獲得博士學(xué)位。在科頓的論文中，首次報(bào)道了Cu(II)、Cr(III)的酒石酸或蘋(píng)果酸絡(luò)合物，在可見(jiàn)光區(qū)的吸收帶呈現(xiàn)反常旋光色散和電子圓二色現(xiàn)象，這就是1922年被瑞士化學(xué)家伊斯雷爾·列夫席茲(Israel Lifschitz，1888–1953)命名為Cotton效應(yīng)的一對(duì)伴生現(xiàn)象[2,25]。

科頓的成功在很大程度上歸功于采用的光學(xué)組件的質(zhì)量和他熟練精準(zhǔn)搭建測(cè)量設(shè)備的能力(圖6)，尤其是對(duì)極小的橢圓率的測(cè)量上，當(dāng)然還有他極強(qiáng)的觀察力以及幸運(yùn)選擇了在可見(jiàn)區(qū)有吸收的光學(xué)活性金屬絡(luò)合物。1914年，科頓指導(dǎo)喬治·布呂阿(Georges Bruhat，1887–1945)完成了關(guān)于圓二色性和旋光色散的博士論文工作。布呂阿后來(lái)對(duì)紫外-可見(jiàn)手性光譜儀器的研發(fā)作出了開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。

圖6 科頓博士論文中的手性光譜測(cè)量裝置圖[24]

由于紫水晶的手性光譜研究有一定困難，為了評(píng)估多夫在1860年的研究成果，佩魯卡制備了一種紫水晶的替代品——染色氯酸鈉晶體，將非手性的藍(lán)色有機(jī)染料加入到氯酸鈉晶體生長(zhǎng)的溶液中使晶體著色。氯酸鈉和石英一樣，在自發(fā)結(jié)晶狀態(tài)下形成的四方形塊狀單晶是有手性的(圖7)，佩魯卡觀察到透明的手性晶體誘導(dǎo)出非手性染料的光學(xué)活性，獲取了線性偏振光通過(guò)染色氯酸鈉晶體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并于1919年首次報(bào)道了這種染色晶體在可見(jiàn)光區(qū)的反常旋光色散(ORD)現(xiàn)象[18]，此發(fā)現(xiàn)于2009年被美國(guó)化學(xué)家巴特·卡爾(Bart Kahr)采用自制的圓二色譜成像顯微鏡的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)(圖8)[26,27]。

圖7 在偏光顯微鏡觀察下的四方形氯酸鈉晶體

圖8 美國(guó)化學(xué)家卡爾培養(yǎng)的染色氯酸鈉晶體(左)和苯胺藍(lán)染料結(jié)構(gòu)式(右) [26]

反常旋光色散和電子圓二色性是互相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象。但因?yàn)樾馍⑹桥c折射率相關(guān)的現(xiàn)象，旋光色散譜可以出現(xiàn)在所有波段，而電子圓二色譜則僅限于有吸收帶的波長(zhǎng)區(qū)域。直到20世紀(jì)60年代，單一波長(zhǎng)下的旋光度測(cè)量仍是研究光學(xué)活性的主要方法。

1.2 旋光色散和電子圓二色理論研究的發(fā)展

盡管1895年發(fā)現(xiàn)的科頓效應(yīng)轟動(dòng)一時(shí)，但由于儀器手段的限制，一直到20世紀(jì)20年代才由幾位歐洲科學(xué)家，例如法國(guó)的布呂阿，英國(guó)劍橋的物理化學(xué)家、法拉第學(xué)會(huì)的創(chuàng)始人托馬斯·馬丁·勞瑞(Thomas Martin Lowry，1874–1936)，當(dāng)時(shí)在德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院工作的瑞士物理化學(xué)家維爾納·庫(kù)恩(Werner Kuhn，1899–1963)以及在荷蘭格羅寧根大學(xué)建立手性光譜中心的列夫席茲等，實(shí)現(xiàn)了在紫外-可見(jiàn)-近紅外區(qū)進(jìn)行手性光譜測(cè)量[3,4]。除了命名Cotton效應(yīng)外，列夫席茲還是第一個(gè)系統(tǒng)研究Cotton效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與手性化合物中的化學(xué)鍵關(guān)聯(lián)的科學(xué)家。1928年，比利時(shí)物理學(xué)家萊昂·羅森菲爾德(Léon Rosenfeld，1904–1974)用量子力學(xué)處理旋光問(wèn)題[28]，所得羅森菲爾德方程是現(xiàn)代旋光理論的基礎(chǔ)(圖9)。1936年，庫(kù)恩對(duì)(?)-2-丁醇和乳酸絕對(duì)構(gòu)型的計(jì)算開(kāi)啟了一個(gè)新紀(jì)元[29]。

據(jù)文獻(xiàn)記載，1914、1930、1966年曾在英國(guó)倫敦伯靈頓公館召開(kāi)過(guò)三次手性光譜會(huì)議。前兩次均為法拉第學(xué)會(huì)組織的法拉第學(xué)術(shù)討論會(huì)，分別由亨利·愛(ài)德華·阿姆斯特朗(Henry Edward Armstrong，1848–1937)和勞瑞主持(圖9)，在英國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)議室舉辦，討論的主題都是“Optical Rotatory Power”。勞瑞以及來(lái)自法國(guó)的科頓攜其學(xué)生埃米勒·歐仁·達(dá)爾莫瓦(émile Eugène Darmois，1884–1958)、布呂阿等都出席了這兩次會(huì)議，庫(kù)恩參加了1930年的會(huì)議，俄羅斯化學(xué)家列夫·亞歷山德羅夫·秋加葉夫(Lev Alexandrovitsch Tschugaev，1873–1922)雖沒(méi)有參加1914年的會(huì)議，但是他提交了一篇關(guān)于反常旋光色散的論文[30]。秋加葉夫從1909年開(kāi)始發(fā)表一系列反常旋光色散的論文，他與布呂阿合作，首次測(cè)得了有機(jī)化合物的圓二色光譜，此結(jié)果在1932年被勞瑞的重復(fù)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[3]。

圖9 歐洲手性光譜學(xué)術(shù)譜系

第三次研討會(huì)規(guī)格最高，由英國(guó)皇家學(xué)會(huì)組織，在皇家學(xué)會(huì)會(huì)議室舉行，主題為“Circular Dichroism”。后兩次會(huì)議與第一次會(huì)議的時(shí)間間隔分別為16年和52年，非比尋常的時(shí)間跨度和學(xué)術(shù)傳承(圖9)表明：科學(xué)家對(duì)自然光學(xué)活性的認(rèn)知程度與經(jīng)典物理光學(xué)以及量子力學(xué)的發(fā)展交織在一起。其中，當(dāng)時(shí)還名不見(jiàn)經(jīng)傳的年輕(25歲)的羅森菲爾德不經(jīng)意地站在了新舊手性光譜學(xué)理論更替的交界點(diǎn)上，成為中心人物。

在1966年舉行的“Circular Dichroism”研討會(huì)上，開(kāi)幕式和閉幕式分別由先后擔(dān)任倫敦大學(xué)學(xué)院化學(xué)系系主任的羅納德·悉尼·尼霍姆(Ronald Sydney Nyholm，1917–1971)院士和他的導(dǎo)師克里斯托夫?凱爾克?英果爾德(Christopher Kelk Ingold，1893–1970)院士主持[31,32]。大名鼎鼎的英果爾德是物理有機(jī)化學(xué)的開(kāi)山鼻祖之一，曾經(jīng)獲得68次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)提名，也是盧嘉錫先生的恩師；而尼霍姆則以提出價(jià)層電子對(duì)互斥概念和“無(wú)機(jī)化學(xué)復(fù)興”的觀點(diǎn)推動(dòng)配位化學(xué)的發(fā)展而著名。

在歐洲，經(jīng)典電磁理論研究的勢(shì)頭曾經(jīng)將旋光度理論研究向前推進(jìn)了一段時(shí)期(20世紀(jì)的頭30年)，不得不指出，由羅森菲爾德開(kāi)發(fā)的旋光度量子力學(xué)方程雖然在數(shù)學(xué)意義上解決了基本問(wèn)題，但當(dāng)時(shí)實(shí)施起來(lái)實(shí)在太困難了[33]。20世紀(jì)50–60年代，英國(guó)手性光譜學(xué)家斯蒂芬·梅森(Stephen Mason，1923–2007)在英國(guó)?？巳卮髮W(xué)展開(kāi)了卓有成效的實(shí)驗(yàn)和理論ECD光譜研究，搭建了一臺(tái)ECD光譜儀，首次測(cè)得了三(乙二胺)合鈷絡(luò)合物的單晶ECD光譜[34]。梅森在1966年舉行的“Circular Dichroism”研討會(huì)上指出：后來(lái)的手性光譜理論研究的重大進(jìn)展主要來(lái)自美國(guó)，羅森菲爾德方程被科學(xué)家應(yīng)用到具體的物理模型中[35]。美國(guó)的理論物理化學(xué)家在20世紀(jì)30年代后期非?；钴S，如約翰·甘布爾·柯克伍德(John Gamble Kirkwood)、愛(ài)德華·烏勒·康登(Edward Uhler Condon)、亨利·艾林(Henry D.Eyring)、沃爾特·考茲曼(Walter Kauzmann)等先后提出了不同的光學(xué)活性理論模型；威廉·莫菲特(William Moffitt)、艾伯特·莫斯科維茨(Albert Moscowitz)、約翰·薛爾曼(John Schellman)和伊格納西奧·蒂諾科(Ignacio Tinoco)等具有量子力學(xué)背景的美國(guó)物理學(xué)家和物理化學(xué)家都分別做出重要的貢獻(xiàn)。1939年，芝加哥大學(xué)的羅伯特·桑德森·慕尼肯(Robert Sanderson Mulliken)發(fā)起了對(duì)多原子分子電子光譜理論方面的沖擊。與此同時(shí)，徐光憲的導(dǎo)師，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的貝克曼教授對(duì)旋光度測(cè)試中的溶劑效應(yīng)，也有自己獨(dú)到的見(jiàn)解[36]。

顯然，到了1935年左右，已經(jīng)可以對(duì)大多數(shù)有機(jī)和無(wú)機(jī)生色團(tuán)進(jìn)行Cotton效應(yīng)測(cè)量。令人驚訝的是，盡管物理化學(xué)家已經(jīng)證明Cotton效應(yīng)研究在各類(lèi)化合物中的可行性，而且似乎對(duì)這一結(jié)果感到滿意，但整個(gè)化學(xué)界卻遲遲沒(méi)有利用手性光譜技術(shù)，特別是有機(jī)化學(xué)家們。與此同時(shí)，光學(xué)儀器在手性光譜學(xué)測(cè)量方面的進(jìn)展也放緩了。因此，手性光譜學(xué)研究在20世紀(jì)30年代初經(jīng)歷一定的高潮后，卻近乎停滯。這可能與第二次世界大戰(zhàn)中科學(xué)家遭到納粹迫害以及秋加葉夫、勞瑞、布呂阿等有才華的理論和實(shí)驗(yàn)手性光譜學(xué)家相繼英年早逝有一定關(guān)系[3]。1944年8月初，布呂阿因拒絕告發(fā)一名學(xué)生，被蓋世太保逮捕，1945年1月1日死于集中營(yíng)。1944年9月，列夫席茲也被關(guān)進(jìn)集中營(yíng)，兩個(gè)兒子不幸去世，他雖然幸免于難，但戰(zhàn)后一家人顛沛流離，極大地影響了他的科學(xué)研究。

1979年，美國(guó)化學(xué)家艾略特·查尼(Elliot Charney)在他的手性光譜專(zhuān)著[37]中給予羅森菲爾德極高的評(píng)價(jià)：“在持續(xù)發(fā)展的手性光譜學(xué)理論所構(gòu)筑的知識(shí)體系中，如果要從中選出對(duì)我們現(xiàn)有認(rèn)知影響最深遠(yuǎn)的某個(gè)工作，必然是羅森菲爾德對(duì)光學(xué)活性量子起源的研究”。值得一提的是，1951年3月，徐光憲僅用兩年時(shí)間完成的題為“旋光的量子化學(xué)理論”博士論文，首次驗(yàn)證了羅森菲爾德的旋光性量子化學(xué)理論。在20世紀(jì)的五六十年代，歐美的幾個(gè)頂尖物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室要是沒(méi)有做過(guò)相關(guān)理論研究或擺弄過(guò)手性光譜儀，都不好意思說(shuō)自己是研究過(guò)量子力學(xué)的。徐光憲的研究非常新潮，他利用自己構(gòu)建的三中心模型，揭示了化學(xué)鍵四極矩對(duì)分子旋光性的主導(dǎo)作用，解決了前兩次法拉第會(huì)議都未能解決的預(yù)測(cè)旋光強(qiáng)度難題。1955年，已經(jīng)歸國(guó)的徐光憲在自己博士論文工作基礎(chǔ)上寫(xiě)成了“旋光理論中的鄰近作用”一文(圖10)，發(fā)表于化學(xué)學(xué)報(bào)[38]。

圖10 1955年徐光憲發(fā)表于化學(xué)學(xué)報(bào)的文章首頁(yè)[38]

徐光憲獨(dú)辟蹊徑的出色博士論文工作得到了貝克曼教授的肯定，也得到了在20世紀(jì)20–30年代成功發(fā)展出分子軌道理論的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主慕尼肯教授的賞識(shí)，但卻沒(méi)有在當(dāng)時(shí)引起轟動(dòng)且迄今未獲得任何國(guó)際贊譽(yù)，可能是因?yàn)?951年4月徐光憲在博士論文答辯后匆匆回國(guó)，沒(méi)來(lái)得及將博士論文整理成文章在國(guó)際期刊發(fā)表，此后他立足國(guó)家需要，多次轉(zhuǎn)變科研方向并相繼取得一系列重大成果，再也沒(méi)有機(jī)會(huì)涉足這個(gè)方向[39]，因此未獲得該領(lǐng)域科學(xué)家的跟進(jìn)和關(guān)注。

1.3 ORD和ECD光譜原理[4,37,40–43]

雖然旋光色散和圓二色的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有100多年的歷史，但直到20世紀(jì)中葉，化學(xué)領(lǐng)域的大多數(shù)應(yīng)用都只是利用可見(jiàn)光區(qū)單波長(zhǎng)的旋光度測(cè)試，通常采用589納米的鈉燈為光源。在20世紀(jì)50年代初，常規(guī)測(cè)量旋光色散儀器的研發(fā)，給手性分子的研究帶來(lái)了一場(chǎng)革命：由于電子學(xué)的發(fā)展，特別是光電倍增管的出現(xiàn)，才使可見(jiàn)和紫外光譜的記錄不再依賴(lài)于照相板的使用；20世紀(jì)60年代初，在適當(dāng)?shù)念l率下將入射偏振光在右圓和左圓之間切換的電光調(diào)制器(Electro-Optic Modulator，EOM)問(wèn)世后，常規(guī)測(cè)量電子圓二色的儀器得到了發(fā)展[6]，特別是20世紀(jì)70年代以來(lái)光彈調(diào)制器(photoelastic modulator，PEM)的應(yīng)用使CD技術(shù)得到關(guān)鍵改進(jìn)。

測(cè)量ECD或VCD光譜的光路遞進(jìn)如下[44]：

光源→偏振器→調(diào)制器→樣品→檢測(cè)器調(diào)制器一般分為光彈與電光兩類(lèi)[45]。PEM的基本原理是，通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)ZnSe或石英等壓電材料(例如壓電陶瓷)，在各向同性的光學(xué)材料(例如熔石英)上施加不同的機(jī)械力，使得該光學(xué)材料的雙折射性能發(fā)生改變，當(dāng)不同方向的偏振光的電場(chǎng)相差正好等于π/2時(shí)，產(chǎn)生圓偏振光，這樣就達(dá)到了光學(xué)和彈力的相互作用，故稱(chēng)光彈調(diào)制器。EOM則是利用如磷酸二氫鉀(KDP)等晶體，當(dāng)向其施加高壓，使得不同偏振方向光的電場(chǎng)相差為π/2時(shí)，便產(chǎn)生了圓偏振光。

如此，就不難理解為何手性光譜(ORD和ECD)研究的振興發(fā)生在1950–1960年間[3]。首先荷蘭化學(xué)家約翰內(nèi)斯·馬丁·比約特(Johannes Martin Bijvoet，1892–1980年)于1951年開(kāi)創(chuàng)性地發(fā)展了X射線衍射方法確定分子絕對(duì)構(gòu)型的方法[46]；緊接著，1955年商品化的ORD光譜儀研制成功，1960年第一臺(tái)商品化可同時(shí)測(cè)量ORD和ECD的光譜儀問(wèn)世，方便科學(xué)家對(duì)ORD和ECD光譜展開(kāi)系統(tǒng)研究；與此同時(shí)，人們對(duì)天然產(chǎn)物和光學(xué)活性產(chǎn)生了越來(lái)越大的興趣。

前已述及，對(duì)手性光譜的研究最早源自于對(duì)旋光現(xiàn)象的觀察，人們最初觀察到石英晶體的旋光現(xiàn)象，之后對(duì)紫水晶的圓二色現(xiàn)象也有察覺(jué)，再后來(lái)是科頓用現(xiàn)場(chǎng)制備的酒石酸鉻(III)鉀絡(luò)合物溶液，首次獲得了ECD和反常ORD光譜(圖11左)[3]。

圖11 酒石酸鉻(III)鉀絡(luò)合物的CD和ORD譜圖[3]

當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)不具備波長(zhǎng)掃描條件，只能根據(jù)可見(jiàn)區(qū)一些特征波長(zhǎng)(在本生爐中加熱鋰、鈉和鉈等金屬鹽作為單色光源)的觀測(cè)結(jié)果生成的若干CD和ORD數(shù)值來(lái)繪制手性光譜。仔細(xì)觀察圖11，我們可以發(fā)現(xiàn)左右兩個(gè)圖是不一樣的，在它們所呈現(xiàn)的科頓效應(yīng)中，反常ORD的“S”形曲線是相同的，而相應(yīng)的ECD曲線卻呈現(xiàn)相反的方向，這就引起了一些混亂?？祁D本人在兩年后的一篇論文中糾正了圖11左圖的錯(cuò)誤。Laur[3]認(rèn)為：科頓在1898年以前發(fā)表的所有橢圓度(作者注：即圓二色)的符號(hào)都應(yīng)該倒置。雖然1933年斯托德·托馬斯·理查德·史密斯·米切爾(Stotherd Thomas Richard Smith Mitchell，1897–1980)在其專(zhuān)著《科頓效應(yīng)及其相關(guān)現(xiàn)象》[47]中給出正確的CD曲線(見(jiàn)圖11右)，但沒(méi)有作出任何評(píng)論。由于酒石酸絡(luò)合物溶液的不穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致科頓效應(yīng)的反轉(zhuǎn)，這也是兩個(gè)譜圖存在不一致的可能原因，因此后來(lái)的科學(xué)家對(duì)早期報(bào)道的ORD和CD數(shù)據(jù)持謹(jǐn)慎態(tài)度。1932年，庫(kù)恩非常仔細(xì)地重復(fù)了科頓的工作，認(rèn)為是完全正確的[48]，盡管科頓初創(chuàng)的經(jīng)典手性光譜圖并不那么完美。

迄今，ECD光譜的數(shù)據(jù)層出不窮，稍許具備對(duì)ECD和ORD這一對(duì)科頓效應(yīng)認(rèn)知的讀者，應(yīng)該能直接判斷科頓在1896年報(bào)道的譜圖是部分錯(cuò)誤的。以下對(duì)ORD和ECD光譜的原理作出簡(jiǎn)要介紹。

光是一種電磁波，傳播時(shí)其振動(dòng)方向與傳播方向相互垂直。當(dāng)光通過(guò)偏振片后會(huì)生成平面偏振光。當(dāng)平面偏振光射入某一個(gè)含不等量對(duì)映體的手性化合物樣品中時(shí)，組成平面偏振光的左右圓組分不僅傳播速率不同，而且被吸收的程度也可能不同。前一性質(zhì)在宏觀上表現(xiàn)為旋光性，而后一性質(zhì)則被稱(chēng)為圓二色性。因此，當(dāng)含生色團(tuán)的手性分子與左右圓偏振光發(fā)生作用時(shí)會(huì)同時(shí)表現(xiàn)出旋光性和圓二色性這兩種相關(guān)現(xiàn)象。

旋光性的一個(gè)顯著特征是，同一手性物質(zhì)對(duì)于不同波長(zhǎng)的入射偏振光有不同的旋光度，其幾乎與波長(zhǎng)的平方成反比。例如在透明光譜區(qū)，同一手性物質(zhì)對(duì)紫光(396.8 nm)的旋光度大約是對(duì)紅光(762.0 nm)旋光度的四倍，這就是所謂旋光色散(ORD)現(xiàn)象。旋光度α和波長(zhǎng)λ之定量關(guān)系大致可以表示為：

式中，A和B是兩個(gè)待定常數(shù)。

旋光色散現(xiàn)象的起因是：入射平面偏振光中的的左、右圓組分在手性介質(zhì)中的折射率nl和nr不同(nl≠nr)而產(chǎn)生圓雙折射Δn，而且折射率還與波長(zhǎng)有關(guān)，即手性介質(zhì)的Δn會(huì)隨波長(zhǎng)發(fā)生變化，因此，旋光度將隨入射偏振光的波長(zhǎng)不同而不同，以比旋光度[α]或摩爾旋光度[M]對(duì)平面偏振光的波長(zhǎng)或波數(shù)作圖稱(chēng)ORD曲線。旋光色散和圓雙折射現(xiàn)象也可用式(3.2)表示。

玻爾茲曼表明，旋光度相對(duì)于波長(zhǎng)的色散，有望遵循[(B/λ2) + (C/λ4) +….]這一形式的關(guān)系，而不是簡(jiǎn)單的反平方定律或與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的關(guān)系式。在發(fā)展光學(xué)現(xiàn)象的基本電磁理論時(shí)，德魯?shù)略?893年表明，玻爾茲曼的關(guān)系代表了一般旋光色散(ORD)方程擴(kuò)展的初始項(xiàng)，以1/λ2的升冪來(lái)表示德魯?shù)路匠蘙4]：

式中，[M]λ是測(cè)試波長(zhǎng)λ處的摩爾旋光度，λm是與帶電粒子或粒子發(fā)生共振相互作用的輻射波長(zhǎng)，Km是該特征振動(dòng)的分子旋轉(zhuǎn)常數(shù)。德魯?shù)路匠探忉屃嗽讦薽處ORD的符號(hào)反轉(zhuǎn)[49]，相應(yīng)的分子旋轉(zhuǎn)常數(shù)Km的符號(hào)反映了λm處ECD吸收的符號(hào)，因此將ECD吸收和ORD同化成光學(xué)活性的一般分子模型，德魯?shù)路浅３暗貫閷?shí)驗(yàn)觀察到的旋光特性與手性對(duì)映體的絕對(duì)立體化學(xué)構(gòu)型關(guān)聯(lián)規(guī)劃了一個(gè)美好的前景。根據(jù)德魯?shù)履Ｐ?，手性分子中的帶電粒子在與輻射場(chǎng)相互作用時(shí)，立體化學(xué)上被約束為螺旋振蕩，要么在λm處發(fā)生共振，能量從輻射場(chǎng)中攝取或給予輻射場(chǎng)，要么在透明波長(zhǎng)區(qū)發(fā)生非共振偏振。

旋光度的單電子理論是由羅森菲爾德對(duì)經(jīng)典ORD方程和它們所依據(jù)的電磁理論進(jìn)行廣義量子力學(xué)重述后提出的[4,28]。羅森菲爾德給出了德魯?shù)路匠?式3.3)的量子力學(xué)模擬[38]：

式中，[M]是摩爾旋光度，N是阿伏伽德羅常數(shù)，n是折射率，λ是所用偏振光的波長(zhǎng)，v是它的頻率，β叫做分子旋光參數(shù)(Molecular Rotatory Parameter)，c是光速，h是普朗克常教，表示基態(tài)a與激發(fā)態(tài)b之間電偶極躍遷矩的矩陣元μ，表示磁偶極躍遷矩的矩陣元m。vba是a與b之間躍遷的特征頻率，Σ表示各種可能導(dǎo)致旋光的激發(fā)態(tài)b加和，Im{}表示括號(hào)內(nèi)的復(fù)數(shù)的虛數(shù)部分。

在隨機(jī)取向的分子集合中，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度Rab由磁偶極和電偶極矩的標(biāo)量乘積的虛部給出：

為方便應(yīng)用，Rab可以另表示為：

式中，θ為兩個(gè)躍遷矩方向之間的角度：θ= 0°，cosθ= 1，R> 0；θ= 90°，cosθ= 0，R= 0；θ= 180°，cosθ= ?1，R< 0，見(jiàn)圖12。

圖12 旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的符號(hào)由電偶極和磁偶極躍遷矩之間的角度決定

手性物質(zhì)的ORD譜可分為兩種類(lèi)型：正常ORD和反常ORD[50]。

對(duì)于某些在ORD光譜測(cè)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)無(wú)吸收的手性物質(zhì)，例如某些飽和手性碳?xì)浠衔锘蚴⒕w，其旋光度的絕對(duì)值一般隨波長(zhǎng)增大而變小。旋光度為負(fù)值的化合物，ORD曲線從紫外到可見(jiàn)區(qū)呈單調(diào)上升；旋光度為正值的化合物，ORD曲線從紫外到可見(jiàn)區(qū)呈單調(diào)下降。兩種情況下都逼近0線，但不與0線相交，即ORD光譜只是在一個(gè)相內(nèi)延伸，既沒(méi)有峰也沒(méi)有谷，這類(lèi)ORD曲線稱(chēng)為正常的或平坦的旋光譜，如圖13所示。

圖13 具有正常ORD、反常(或單純)ORD和復(fù)合ORD曲線的三個(gè)實(shí)例[50]

當(dāng)手性物質(zhì)存在UV-Vis-NIR生色團(tuán)，在ECD光譜測(cè)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)有吸收時(shí)，則原先在電子吸收帶附近處于單調(diào)增加或減少中的摩爾旋光度或比旋光度[α]，可以在某一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)發(fā)生急劇變化，并使符號(hào)反轉(zhuǎn)，該現(xiàn)象被稱(chēng)為反常色散(Anomalous Dispersion)。與正常ORD曲線相比，理想的反常ORD曲線通常呈現(xiàn)極大值、極小值以及一個(gè)拐點(diǎn)，如圖14中的虛線(---)所示。

圖14 在λ0處具有最大吸收的一對(duì)對(duì)映體的理想圓二色和反常旋光色散曲線

有些手性化合物同時(shí)含有兩個(gè)以上不同的生色團(tuán)，其反常ORD曲線可有多個(gè)峰和谷，呈現(xiàn)復(fù)雜的Cotton效應(yīng)，被黃鳴龍先生稱(chēng)為復(fù)合的ORD曲線(圖14)[50]。

ECD和反常ORD是同一現(xiàn)象的兩個(gè)表現(xiàn)方面，它們都是手性分子中的不對(duì)稱(chēng)生色團(tuán)與左右兩圓偏振光發(fā)生不同的作用引起的。如圖14所示，正科頓效應(yīng)相應(yīng)于在ORD曲線中，在吸收帶極值附近隨著波長(zhǎng)增加，[α]從負(fù)值向正值改變(相應(yīng)的ECD曲線中Δε為正值)，負(fù)科頓效應(yīng)的情形正好相反。同一波長(zhǎng)下互為對(duì)映體的手性化合物的[α]λ值或Δελ值，在理想情況下絕對(duì)值相等但符號(hào)相反；一對(duì)ECD (或反常ORD)曲線互為鏡像。

將手性化合物的科頓效應(yīng)與其吸收光譜直接關(guān)聯(lián)，對(duì)于研究手性化合物具有一定的實(shí)用價(jià)值。文獻(xiàn)上對(duì)科頓效應(yīng)的定義大同小異，所有這些定義都強(qiáng)調(diào)吸收區(qū)的反常旋光色散和圓二色性構(gòu)成了科頓效應(yīng)。然而，起初科頓效應(yīng)這個(gè)詞只是被松散地用來(lái)描述“反?！钡男馓卣?，因?yàn)樵诳祁D發(fā)現(xiàn)之后的幾十年里，可用的數(shù)據(jù)大多限于旋光度。自ECD光譜儀問(wèn)世以來(lái)，ECD光譜技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，因蘊(yùn)含豐富的手性立體化學(xué)信息，使其成為研究手性化合物立體化學(xué)和電子躍遷能級(jí)細(xì)節(jié)的一個(gè)有力工具。特別在近幾十年來(lái)，當(dāng)ORD有效地讓位于ECD時(shí)，這個(gè)術(shù)語(yǔ)通常只指ECD曲線，或可進(jìn)一步拓展至VCD領(lǐng)域[51–53]

2 振動(dòng)圓二色譜[2,5,44,45,54–56]

電子躍遷中光學(xué)活性的發(fā)現(xiàn)比振動(dòng)光學(xué)活性(Vibrational Optical Activity，VOA)的發(fā)現(xiàn)要早一個(gè)多世紀(jì)。VOA起因于手性分子的電子基態(tài)所發(fā)生的振動(dòng)躍遷。VCD譜通常以許多良好分辨率的譜帶(CE)為特征，而這些譜帶與能夠在IR光譜區(qū)域內(nèi)吸收的非對(duì)稱(chēng)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)相一致；但并不是所有的IR帶都能在VCD光譜中找到對(duì)應(yīng)部分。在給定的光譜區(qū)內(nèi)，VCD以其獨(dú)特的光譜特性提供了額外的手性信息，往往比相關(guān)的紅外光譜特征更勝一籌。此外，VCD不涉及電子激發(fā)態(tài)，比ECD譜更容易計(jì)算。與ECD譜類(lèi)似，通常以Δε或ΔA對(duì)波數(shù)(cm?1)來(lái)記錄VCD光譜。

當(dāng)平面偏振光的波長(zhǎng)范圍落在紅外區(qū)時(shí)，手性樣品對(duì)左右圓振偏光的吸收不同而產(chǎn)生的差值會(huì)隨著紅外區(qū)波數(shù)(4000–850 cm?1)的變化而變化，由于相應(yīng)的紅外光譜是由分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷引起的，因此稱(chēng)之為振動(dòng)圓二色譜。手性分子對(duì)圓偏振光的差別響應(yīng)(g= Δε/ε，被庫(kù)恩定義為不對(duì)稱(chēng)因子[57])，與核間距和光波長(zhǎng)的比值d/λ成正比，在紅外區(qū)的g值比紫外-可見(jiàn)區(qū)的g值要弱約10至100倍。這就解釋了在傅立葉變換紅外光譜儀時(shí)代之前，人們?cè)噲D觀測(cè)VCD光譜時(shí)遇到的困難。

可用于簡(jiǎn)單手性分子的VCD譜的最早模型構(gòu)想是基于ECD的偶極振蕩模型，由芝加哥大學(xué)的喬治·霍爾茲沃思(George Holzwarth)和伊蘭·查貝(Ilan Chabay)[58]于1972年提出。他們預(yù)測(cè)VCD及相應(yīng)振動(dòng)吸收(VA)強(qiáng)度之比是10?4–10?5，這恰好是當(dāng)時(shí)紅外圓二色(IR-CD)儀器可以達(dá)到的極限。1973年，薛爾曼[59]發(fā)表了一篇促進(jìn)振動(dòng)圓二色譜研究的論文，并再一次預(yù)言振動(dòng)圓二色與其振動(dòng)吸收強(qiáng)度的比例是10?4–10?5。

振動(dòng)圓二色譜的第一次測(cè)量結(jié)果由霍爾茲沃思實(shí)驗(yàn)室于1974年發(fā)表[60]，樣品是2,2,2-三氟甲基-1-苯乙醇純液體。由于VCD信號(hào)與儀器噪音水平接近，剛剛可辨認(rèn)，所以該結(jié)果持續(xù)了一年未被證實(shí)。幾乎與此同時(shí)，南加州大學(xué)菲利普·約翰·斯蒂芬斯(Philip John Stephens，1940–2012)[61]研發(fā)的VCD光譜儀采用ZnSe光學(xué)元件作為PEM，使其性能得以突破性地改善。1975年，霍爾茲沃思的實(shí)驗(yàn)不僅被斯蒂芬斯實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員勞倫斯·納菲(Laurence A. Nafie)和Jack Cheng所證實(shí)[62]，而且得到了改進(jìn)，并擴(kuò)展到其他振動(dòng)模式。1976年，納菲、蒂姆·凱德林(Tim Keiderling)和斯蒂芬斯[63]發(fā)表了第一篇關(guān)于VCD的完整論文，涵蓋了多種手性分子的VCD測(cè)試。

隨著相關(guān)理論的發(fā)展，VCD光譜在物理化學(xué)、分析化學(xué)、材料化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前VCD光譜主要用于中小型分子絕對(duì)構(gòu)型的確認(rèn)。與X射線單晶衍射、核磁共振譜等用于確定絕對(duì)構(gòu)型的常規(guī)方法相比，VCD譜有其優(yōu)勢(shì)：(1) 大部分化學(xué)或者生物化學(xué)的反應(yīng)都發(fā)生在溶液中，X射線單晶衍射法只能用于固體狀態(tài)下的表征，而VCD譜不需要獲取高質(zhì)量單晶就可以在溶液中直接測(cè)試；(2) VCD譜對(duì)于多構(gòu)象體系獨(dú)辟蹊徑，而X射線單晶衍射、核磁譜卻不能或難以探究溶液中多構(gòu)象的問(wèn)題。陸續(xù)報(bào)道的研究工作已經(jīng)表明VCD譜結(jié)合密度泛函理論方法用于確定絕對(duì)構(gòu)型的可靠性，此外，VCD方法還發(fā)現(xiàn)了用傳統(tǒng)X射線單晶衍射方法確定絕對(duì)構(gòu)型時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤[64]。

振動(dòng)光學(xué)活性(VOA)與前述電子光學(xué)活性(EOA)的研究路徑非常相似。根據(jù)與EOA研究類(lèi)似的方法，處于電子基態(tài)分子的振動(dòng)基態(tài)0到第i個(gè)振動(dòng)模式下的第一振動(dòng)激發(fā)態(tài)1的躍遷(0 → 1)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度可以用式3.8來(lái)表示：

式中，ψg0為振動(dòng)基態(tài)對(duì)應(yīng)的波函數(shù)，ψg1為第i個(gè)振動(dòng)模式下的第一振動(dòng)激發(fā)態(tài)波函數(shù)。和是電偶極和磁偶極躍遷矩算符。從式(3.9)可以看出，VCD的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度是兩個(gè)向量(電偶極和磁偶極躍遷矩)的標(biāo)量乘積，這個(gè)乘積可以是正的，也可以是負(fù)的，取決于兩個(gè)向量之間的角度，如果兩個(gè)矢量相互正交，則旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度為零，其原理與式(3.7)和圖13是類(lèi)似的。

VCD強(qiáng)度是由左圓偏振光和右圓偏振光的吸收率差值ΔA定義的，對(duì)ΔA的主導(dǎo)貢獻(xiàn)也來(lái)自較高級(jí)的項(xiàng)——與電磁場(chǎng)相互作用的磁偶極和電四極矩[45]。雖然電四極矩與電磁場(chǎng)的相互作用在方向平均上消失了，但電偶極和磁偶極躍遷矩的作用仍是VCD強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)[56]。因此，VCD轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)度R的計(jì)算也需要同時(shí)考慮電偶極矩和磁偶極矩。電偶極矩的計(jì)算可以采用玻恩-奧本海默(Born-Oppenheimer)近似，可是對(duì)磁偶極矩的計(jì)算卻不盡然，這是因?yàn)樵诓６?奧本海默近似下，雖然電偶極矩可以直接計(jì)算，但電子對(duì)磁偶極矩的貢獻(xiàn)卻近似為零[55]。同一時(shí)期，有大量的近似理論模型出現(xiàn)，用于計(jì)算VCD強(qiáng)度。然而，用于近似計(jì)算電子對(duì)磁偶極矩貢獻(xiàn)的理論模型的計(jì)算效果并不好，直到阿米安·大衛(wèi)·白金漢(Amyand David Buckingham)[65]和斯蒂芬斯[66]師徒提出“磁場(chǎng)微擾方法”，才使電子對(duì)磁偶極矩的貢獻(xiàn)得到很好的近似，在該方法中，這一貢獻(xiàn)可通過(guò)引入電子基態(tài)絕熱方程得以計(jì)算。

1996年，詹姆斯·R·基斯曼(James R. Cheeseman)將斯蒂芬斯的磁場(chǎng)微擾方法應(yīng)用于高斯電子軟件包，使得研究人員可能對(duì)VCD光譜進(jìn)行DFT計(jì)算[67]，并結(jié)合理論計(jì)算解釋實(shí)驗(yàn)VCD光譜。同時(shí)，第一臺(tái)商用FT-VCD儀器由BioTools公司研發(fā)成功(圖15)。基于VCD理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)儀器的重大突破性進(jìn)展，吸引了許多新來(lái)者進(jìn)入這一令人興奮的手性光譜新領(lǐng)域。本科畢業(yè)于廈門(mén)大學(xué)的阿伯塔大學(xué)教授徐云潔就是其中的佼佼者之一(圖16)。2010年，她的研究小組與趙玉芬和章慧教授團(tuán)隊(duì)的侯建波博士合作，應(yīng)用VCD光譜探究五配位磷化合物中氨基酸側(cè)鏈的手性和手性磷中心的絕對(duì)構(gòu)型，開(kāi)創(chuàng)性地發(fā)現(xiàn)碳手性和磷手性分布在不同的VCD指紋區(qū)[68,69]；同時(shí)她也利用VCD技術(shù)為中國(guó)其他課題組所提供的天然產(chǎn)物揭示其手性結(jié)構(gòu)信息[70]。

圖15 1997年納菲(左)和夫人Rina Dukor博士(中)與斯蒂芬斯教授(右)合影

圖16 2018年，阿伯塔大學(xué)化學(xué)系徐云潔教授當(dāng)選加拿大皇家科學(xué)院院士

基斯曼的導(dǎo)師，加拿大理論化學(xué)家理查德·F·W·貝德(Richard F. W. Bader，1931–2012)在20世紀(jì)70年代開(kāi)創(chuàng)了分子和固體中電子密度分布的拓?fù)浞治鯷71]，貝德關(guān)于分子中原子的量子理論(Quantum Theory of Atoms in Molecules，QTAIM)被廣泛用于量子化學(xué)和固體物理學(xué)?？茖W(xué)家用QTAIM來(lái)分析手性體系中非共價(jià)相互作用的性質(zhì)。

除了手性之外，VCD對(duì)細(xì)微的結(jié)構(gòu)變化(如二面角的變化)也顯示出獨(dú)特的敏感性。這種特殊的敏感性被徐云潔小組用作一種新工具來(lái)解析手性溶質(zhì)和溶劑的相互作用[72]。徐和同事們基于VCD的工作和對(duì)手性分子及其水合物的相關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜研究[73]，提出了“液體中團(tuán)簇”的溶劑化模型，可以有效詮釋所遇到的顯性和隱性溶劑化效應(yīng)[74]。近年來(lái)，研究人員還探索了基質(zhì)分離和VCD光譜的結(jié)合，不僅可以實(shí)現(xiàn)更窄的線寬，還可以研究非共價(jià)鍵物種的手性轉(zhuǎn)移，并尋求從分立體系到體相的特性關(guān)聯(lián)[75]。

3 結(jié)語(yǔ)

回顧19世紀(jì)以來(lái)科學(xué)家對(duì)自然光學(xué)活性認(rèn)知程度的螺旋形上升與經(jīng)典物理光學(xué)以及量子力學(xué)、量子化學(xué)發(fā)展過(guò)程的糾纏交織，可以理出手性光譜理論發(fā)展的一條比較清晰的脈絡(luò)[8]。量子力學(xué)與手性光譜理論，相伴而生、相輔相成、密不可分。在崎嶇的科學(xué)道路上一路走來(lái)，比奧、菲涅爾、海丁格、巴斯德、阿恩特森、蘭多爾特、多夫、德魯?shù)?、玻恩、?kù)恩、科頓、布呂阿、列夫席茲、勞瑞、秋加葉夫、佩魯卡、羅森菲爾德、康登、艾林、考茲曼、薛爾曼、柯克伍德、莫菲特、莫斯科維茨、徐光憲、梅森、查尼、蒂諾科、貝德、斯蒂芬斯、納菲等，窮盡一生的修煉和拼搏，成為全能科學(xué)大家。我們欣喜地發(fā)現(xiàn)，在這份長(zhǎng)長(zhǎng)的科學(xué)群英譜中，也閃耀著中國(guó)科學(xué)家徐光憲和徐云潔的名字！

現(xiàn)代集成的手性光譜研究既包含ECD、VCD、CPL和ROA等技術(shù)及其應(yīng)用，亦包括同一手性光譜中采用的不同測(cè)試方法，甚至可涉及與之相關(guān)的聯(lián)用技術(shù)，例如，將通用的溶液手性光譜測(cè)試法擴(kuò)展到固體測(cè)試(以方便溶液結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)分析的間接關(guān)聯(lián))，將ECD和VCD光譜測(cè)試與電化學(xué)工作站聯(lián)用、將色質(zhì)聯(lián)用與手性光譜技術(shù)結(jié)合等。而與電子能級(jí)躍遷直接相關(guān)的ECD光譜因其研究對(duì)象寬泛，與涉及振動(dòng)能級(jí)的VCD光譜互補(bǔ)，已成為手性分子和超分子立體化學(xué)研究的主流集成手性光譜表征手段[41]。在學(xué)習(xí)、應(yīng)用和傳承手性光譜理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的同時(shí)，了解其發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的歷史并發(fā)掘一些經(jīng)典研究范例的新內(nèi)涵，將為相關(guān)研究帶來(lái)一些啟迪，促進(jìn)我們做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。