朱華結

(河北科技大學化學與制藥工程學院，河北石家莊 050018)

目前，很多相關書籍和文獻對手性分子的立體化學都有介紹[1-3]。在立體化學研究中，傳統的實驗方法，如Mosher酯衍生物X-晶體衍射實驗等是手性分子絕對構型研究的重要手段。隨著理論技術的發(fā)展以及計算機計算速度的提高，各種計算方法得到了廣泛應用。例如：利用分子對不同偏振光具有不同偏轉角度的性質，可以計算其手性分子的特征旋光(specific optical rotation,簡稱比旋，又簡稱旋光，即OR，或者[α])；用不同波長下測得的旋光值對波長作圖，可得到旋光色散(optical rotatory dispersion,ORD)。此外，還有特征矩陣(matrix)法，利用手性分子對不同偏振光不同的吸收強度，得到電子圓二色譜(electronic circular dichroism,ECD)或者振動圓二色譜(vibrational circular dichroism，VCD)。通過計算這些理論值，并將其與實驗值進行比較，就可以確定該手性分子的絕對構型。此外，還有拉曼光學活性(Roman optical activity,ROA)等。隨著新計算內容的不斷發(fā)展，有必要進一步總結相關計算方法。本文主要介紹OR(ORD)、matrix、構象對概念、ECD 和VCD。

1 手性分子的旋光、旋光色散計算及其應用

1.1 手性分子的基本性質

人們對手性分子旋光現象進行詳細研究后發(fā)現：1)對映體分子的旋光值總是大小相等，旋光方向相反；2)有些分子雖然具有手性，但其旋光值非常??；3)在長鏈手性分子中，當分子側鏈的長度增加到一定程度后，分子的旋光值基本上不隨著碳原子數量的增多而有較大變化等。造成這些有趣現象的原因困擾了研究人員很長時間，直到后來因為計算化學的發(fā)展而得到了很好的解釋。

在缺少高性能計算機的年代，通過量子化學計算方法計算分子的旋光幾乎是一件不可能的事情。20世紀50年代，一個有代表性的計算模型是Brewster模型[4]，它針對不同的手性分子類型進行了詳細而系統的歸納，對促進手性科學的發(fā)展做出了巨大貢獻。到20世紀80年代，計算機的發(fā)展使得量子化學計算成為可能。1982年，AMOS在相關的計算程序中引入了Rosenfeld計算方法[5]。隨后發(fā)展出了各種計算方法，如Hatree-Fock (HF) 算法[6]、密度泛函理論(density-function theory,DFT)等[7]。后期又有很多其他方法不斷被提出[8-11]，包括各種軟件，如較為著名的Gaussian軟件[12]。

在量子化學計算過程中，一個基本要求是需要通過構象搜索軟件得到能量最低的和其他能量較低的穩(wěn)定構象。當一個手性分子具有一個較長的鏈狀結構時，其穩(wěn)定的各種構象的數量可用公式來估算：3(n-2)(n>3)，這里n是單鍵的數量。例如，正丁烷有3個單鍵，理論上有3個構象。但是由于1個構象具有較高能量，其分布數量很少，因此，主要是2個穩(wěn)定低能量構象。當n為一個較大數目的時候，理論構象可達幾百乃至幾千個，此時利用構象搜索軟件可能會出現一些低能量構象不能被發(fā)現而導致計算誤差偏大等現象。此外，當一個分子有100個以上的構象時，量子化學計算工作會更加艱巨。為了克服量子化學在線性手性分子旋光計算工作中的不足，一個新的基于例子函數的理論模型——矩陣模型應運而生。矩陣模型的出現，不僅解決了線性手性分子立體結構的鑒定問題，也與本文介紹的“構象對”概念及其結論相互支持。

1.2 手性分子旋光計算

1.2.1 手性旋光的量子計算方法

光與電子等微觀粒子具有波粒二象性?，F代理論對光與電子的各種性質的描述或者計算，都是利用能精確表達的波函數。在量子化學計算研究中，手性分子的旋光可用式(1)計算。對第i個構象而言，其旋光值為

(1)

式中：NA是阿弗加德羅常數；M是分子質量；c是真空中的光速；γ是溶劑校正系數，多數情況下認為是1；β(v) 是分子中與頻率有關的電子偶極磁性-偶極極化(electric- dipole-magnetic dipole polarizability)參數；[β(v)]0是氣相條件下的β(v)值。

如果一個手性分子有多個構象，那么在完成所有低能量構象的旋光計算后，使用Boltzmann統計，依據各個構象的不同能量和旋光值，就可以得到該手性分子的計算平均值：

(2)

式中：ΔGi是第i個構象的相對能量(Gibbs自由能或者全電子能)。

在使用該公式計算手性分子的旋光時，前面提到的手性分子的那些特性都可以通過計算得到相關的結果。如2個對映體分子的旋光大小相等、旋光符號相反等。但是這個公式不能直觀地顯示出手性分子的那些特征。

1.2.2 矩陣模型方法(matrix)

為了彌補在線性手性分子旋光計算中量子化學計算的不足，矩陣模型應運而生。該模型利用光的波粒二象性性質中粒子函數的特性，采用數學方法推導而出[13]。同樣，對于某個手性分子，在測試的偏振光頻率、溶劑、溫度等都固定的情況下，矩陣代表了手性分子旋光的本身特性，其旋光值與矩陣等價的行列式的特征值成正比。矩陣表達式可通過數學方法推導得到，結果如式(3)所示：

(3)

式中：mi(i=1～4)為第i個取代基的質量；ri(i=1～4)為第i個取代基的半徑；xi(i=1～4)為第i個取代基的電負性；si(i=1～4)為第i個取代基的對稱性；a1為取代基中單位原子對旋光的貢獻；a2為取代基中單位半徑對旋光的貢獻；a3為取代基中單位電負性對旋光的貢獻；a4為取代基中單位對稱性對旋光的貢獻；在偏振光頻率、溶劑、溫度等都固定的情況下，k值是一個常數。

該矩陣的特征值(det(D))的表達式是與矩陣具有同樣排列的行列式：

(4)

其分子的旋光值[α]與該矩陣行列式的特征值成正比。從式(3)中得到：

[α]=k×a1×a2×a3×a4×det(D)=k0×det(D)，

(5)

式中k0是包含k值在內的一個新的常數。顯然，該特征值直觀地表達了手性分子的旋光性質。例如：如果某一個對映體分子的矩陣表達式與其等價的行列式的特征值可以表達為

它的另外一個對映體分子，假設是第2個和第3個取代基的位置不同造成的，那么該對映體的特征表達式det(D)′為

通過第3行與第2行的交換，得到一個新的行列式，其特征值為

這直觀表示出：這一對對映體的旋光值大小相等，但是方向相反。其他的一些性質，也能從這些公式中得到直觀的體現。例如：當2個取代基結構非常相像時，若一個是正丁基，另一個是正戊基，則這2個基團的2行數據會十分接近，從而導致這個分子的旋光值很小。

前面說到，手性分子的鏈長到一定值時，其旋光值變化較小。例如下列的4個手性醇，其旋光值列在其結構的下面(見圖1)?？紤]到手性分子在測量過程中的誤差，這些OR值已經很接近了。這帶來一個科學問題：為什么碳原子數量的增長不能使OR值有較大的變化呢？

圖1 手性醇的化學結構及其旋光值Fig.1 Chemical structures and optical rotation values of chiral alcohols

這涉及到另外一個新的理論概念：構象對(conformer pair)[14]。正是因為構象對的存在才使得單純碳鏈的增長對OR的貢獻變得較小。這里簡單介紹構象對的含義，以及為什么可以使用簡化模型來代替原來復雜手性分子的理論計算。

首先來看非手性正丁烷的3個構象結構(見圖2)。在這3個構象結構中，構象5b能量最高，分布最少，構象5a能量最低，因為構象5c和5d的結構完全對稱，因此能量完全相等[14-15]。構象5c的結構不存在對稱因素，因此，該構象具有手性，即具有旋光。同樣，構象5d也具有旋光。根據對映體的性質，這2個構象的旋光值應該是大小相等，但是方向相反。由于5c和5d的能量相同，因而這2個構象的旋光之和等于零。在這里，構象5c和5d為一對對映體構象。另一方面，構象5a和5b具有對稱性，這2個構象的旋光等于零。因此，非手性正丁烷表現出來的凈旋光(net OR)值為零。由此例子可以看出：即使分子中沒有手性，也并不意味著這個分子的某些構象沒有手性，只是所有分子構象的旋光加合為零。

圖2 正丁烷的3個構象以及構象5c與5d中的乙基構象分析Fig.2 Three conformations of n-butane and the ethyl conformation analysis in conformations 5c and 5d

同樣，在手性2-Cl-丁烷中，也存在與5c和5d類似的構象6c和6d。其中乙基的構象在空間上也是完全對稱結構(見圖3)。通過量子化學計算(B3LYP/6-31G(d)//B3LYP/6-31G(d))，發(fā)現構象6a的能量最低，構象6c與6d的能量分別為0.838和0.506 kcal/mol，二者的旋光值分別為+24.36和-17.90。通過Boltzmann統計，構象6c和6d的凈旋光值僅為-1.7。這是一個很小的貢獻。對旋光貢獻最大的來自最穩(wěn)定構象6a，其計算值為-48.26。這里，構象6c和6d被稱之為構象對。在這個分子中，只存在一對構象對。通過Boltzmann統計計算后，全部構象的OR值為-30，構象對的凈旋光值(-1.7)對全部旋光的貢獻僅僅占5%左右，對OR的主要貢獻還是最穩(wěn)定構象6a。當分子鏈的碳原子數增加時，構象對數量將增加很快。但是，無論構象對增加多少，這些構象對的旋光值在經過Boltzmann統計后，所有構象對的凈旋光值對旋光的貢獻不大[14]。

圖3 (R)-6的構象分析與計算得到的各個構象的相對能量以及旋光值、凈旋光值

在這個計算過程中，假設構象6c沒有被發(fā)現，那么計算的OR值將會因為構象6c的正值導致其最后統計的OR值變得較小(-21.6)；而如果6d沒有被發(fā)現，則導致OR值變得負值更大(-35.9)?？梢?，在構象對中如果存在不完整的構象對，則必然會帶來計算誤差。低能量的構象對殘缺的越多，計算得到的OR值誤差就越大。

就目前的計算軟件而言，對于簡單的手性小分子，基本上能找到所有的構象；然而，當分子較為復雜或者側鏈有較長的取代基時，則很難找到所有的低能量優(yōu)勢構象，這勢必帶來計算誤差。以上述手性化合物(S)-4為例，用相關的構象軟件發(fā)現了92個構象，對其進行疊加，得到如圖4[14]所示的疊加結構。

注：白色的圓圈內為核心區(qū)圖4 使用MMFF94S力場發(fā)現的全部92個構象及其疊加圖像(固定 C2和 C3 原子疊加)[14]Fig.4 All 92 conformations searched by the MMFF94S force field and their overlay images (C2 and C3 atom fixed)[14]

由圖4可知，無論是前視圖、側視圖還是俯視圖，都存在一定的空域，這表明可能還存在部分沒有發(fā)現的構象。實際上，軟件能找到大部分優(yōu)勢構象，但是因為分子結構的不同，總會有沒被發(fā)現的構象。不難看出，對分子旋光貢獻最大的構象總是碳鏈結構為鋸齒結構的構象。從側面來看，其乙基結構和長鏈結構的視圖幾乎完全一樣(見圖5[14])。這從側面說明一個問題：長鏈取代基對旋光的貢獻，因為構象對的存在，其總的構象對對旋光的貢獻被相互抵消，只有最低能量的構象才是旋光的最大貢獻者。這個從量子力學出發(fā)計算得到的結論，與矩陣模型中最小接觸半徑[13]的使用完全不謀而合，也進一步說明從粒子函數出發(fā)推導的理論結果與量子力學計算的結果是一致的。

圖5 最穩(wěn)定的乙基和(S)-4結構的側視圖Fig.5 Side view of the most stable ethyl conformation and (S)-4 structures

結合圖4中圓圈內密實重疊的構象區(qū)域以及圖5中的側視圖結構可以看出，長鏈碳原子對旋光的貢獻與短鏈結構的差別不大。因此，在理論計算中，可將長鏈碳原子鏈用短鏈碳原子鏈代替，從而減少計算的工作量。這雖然會帶來一定的計算誤差，但是在另一方面，即使有人使用長鏈計算，可能會由于部分優(yōu)勢構象找不到，造成構象對的殘缺，同樣帶來計算誤差。因此兩相比較，在計算誤差允許的條件下，使用短鏈可以極大地減少計算時間和復雜程度，帶來的效益會更大。這就是使用簡化模型的理論基礎。

1.2.3 旋光色散(ORD)

將不同波長下測得的旋光值對波長作圖，得到ORD。經常使用的波長有633，589，546，436和365 nm。因此，只要測定得到相關波長下的OR值，并使用測定的OR值與對應的波長作圖，即可得到ORD。目前，使用OR和ORD進行絕對構型鑒定的例子還有很多。

1.2.4 使用OR，matrix和ORD鑒定實例

在手性分子結構研究中，通過計算得到分子的旋光值，大多數情況下都能較好地與實驗結果吻合。在實際計算中，剛性分子的OR計算結果與實際數據比較接近。例如：對于一個從真菌中分離得到的化合物7(見圖6)，在使用B3LYP/6-31+G(d,p)//B3LYP/6-31+G(d)方法進行計算后，實驗結果與理論計算基本一致，其實驗值為+57.4(c,0.005 5,MeOH)，在真空條件(又稱之為氣相條件)下計算的OR值是+74.3。一旦其構象在甲醇中進行優(yōu)化并計算，得到的OR是+66.2[16]，與實驗值+57.4更接近。剛性的(5R,11R)-8在B3LYP/6-311++G(2d,2p)//B3LYP/6-31G(d)基組下計算得到的OR值為-319，非常接近實驗值 (-301)[17]。

圖6 化合物7-10的立體結構Fig.6 Stereochemistry of compounds 7-10

手性藥物分子中，絕大部分都是由C，H，O，N元素構成。但是在有些手性藥物中也含有其他元素，如含F元素的手性分子。實際上，元素周期表內的元素，其手性分子的旋光值都能通過計算得到。例如：化合物9與化合物10(見圖6)[18]，分別有S，Si以及Br原子，其OR值都能通過計算方法進行計算。另外，在亞硫酰胺化合物9與化合物10中，還存在另外一個構型結構，那就是亞砜>S=O的手性結構，這種手性也能很好地得到鑒定。

計算出手性分子的OR并與實驗值比較來確定手性分子的絕對構型的例子還很多，同時利用手性分子的OR計算，部分手性分子的絕對構型也得到了糾正。例如：化合物11是天然產物(見圖7)[19]，但是其報道的立體構型是通過與已知結構化合物12的OR值進行對比來確定的[20-21]。

圖7 天然手性化合物Bezopyrenomycin和Rubiginone A2及其在氯仿中的OR值Fig.7 Natural chiral compounds Bezopyrenomycin and Rubiginone A2 and their OR values in chloroform

利用OR的符號來比較2個結構類似化合物的絕對構型，很多時候都是正確的。在這個例子中，由于二者看起來結構基本上比較類似，通過比較二者的OR值(化合物11為+38，化合物12為+50)，可認為化合物11的C2和C3位的絕對構型也應該為(2R,3S)。但是，當將計算得到的OR值與實驗值進行對比時(見表1[22])，發(fā)現當化合物11的絕對構型為(2R,3S)時，其旋光值為-12～-86(其中只有一個為+9.5，該計算的基組較低，為B3LYP/6-311++G(2d,p)//B3LYP/6-31G(d))。因此，(+)-化合物11的絕對構型應該是(2S,3R)，而不是(2R,3S)。

表1 8種理論計算方法得到的(2R,3S)-化合物11與(2R,3S)-化合物12的OR值[22]

在矩陣計算中，對于系列化合物而言，由于基團相近，結構相似，因此，其k0值接近于一個常數。例如：下列幾個系列的化合物，它們的k0值幾乎都是常數(見表2[13])。在這些二級碳手性中心分子研究中，計算的構型在k0為(+)時，所使用的計算構型與實際構型一致，這對于鑒定手性中心在長鏈上分子的絕對構型有較大優(yōu)勢。該方法已經被成功應用到不同手性線性分子的絕對構型研究中[23-24]。而對于三級碳手性分子，k0值為(+)時，計算的產物構型與實際相反，如長鏈手性分子17(見圖8)，當計算構型為R時，計算的k0為+0.45，因此其構型為S。

表2 若干個手性醇的特征值(det(D))及其旋光和系數k0值

圖8 化合物17的結構以及其det(D)值 Fig.8 Structure of compound 17 and its det(D) value

通過計算OR確定手性構型的例子還很多，讀者可以通過這里的介紹，查找到更多的例子。

相對于單一波長下的OR值，ORD能提供更多的信息。由于不同的結構對不同的波長敏感程度不一樣，因此不同波長下的OR值更能反映不同分子的結構特性。例如，化合物18(Jonquailine)中C8絕對構型被確定為(R)[25]就是基于其ORD曲線。該ORD是在B3LYP/aug-cc-pVDZ//B3LYP/TZVP氣相條件下計算得到的。計算得到的(8S)-18與實驗值有很大的區(qū)別，而(8R)-18與實驗值則很接近(見圖9)?；衔?8的OR在甲醇中比在氯仿中的大，顯示出溶劑對OR值的影響。

注：實紅線—甲醇；虛紫色線—氯仿；綠色點狀線—(8S)-18；虛的藍色線—(8R)-18圖9 化合物18的實驗ORD譜和計算的光譜 (在氣相條件下)Fig.9 Experimental ORD spectra and calculated spectra of compound 18 (in the gas phase)

其他很多分子[26-27]，如Schizozygine (化合物19，見圖9) 可在B3LYP/aug-cc-pVDZ//B3PW91/TZ2P 條件下計算得到ORD，從而確定其絕對構型為(2R,7S,20S,21S)[28]。其ORD圖略。

2 電子圓二色譜及其應用

電子圓二色譜(ECD)又簡稱圓二色譜(CD)，其定義是左旋偏振紫外光(UV)與右圓偏振UV在通過手性物質時吸收強度上的差異(Δε)。即

Δε=εL-εR。

(6)

理論上是不能直接計算得到這種差異的，表征這種差異的是該構象的速度旋轉強度R：

(7)

R的單位是 10-40erg-esu-cm/Gauss。該構象分子中的生色團(chromophore)具有多個激發(fā)態(tài)能量，這樣，在某個激發(fā)態(tài)的圓二色就具有了(+)或者(-)的信號。使用數學表達式(Harada-Nakanishi 方程)將該信號展開[29]：

(8)

得到如下新的方程:

(9)

這里是第j個構象的吸收差異(CD)，σ是標準偏差，其定義是該峰高度的1/e時的寬度，不完全等于半峰寬。但是很多報道也稱為半峰寬，其實并不準確。這是第i個激發(fā)態(tài)的波長(單位eV)，υ是在υi附近變化的波長，用于ECD的模擬計算。該波長已通過頻率轉化為eV單位用于計算。

需要使用ECD來鑒定的手性分子，必須具有以下幾個基本要求。

1)分子中必須有生色團，如C=C，C=O，苯環(huán)等。如果全部都是飽和單鍵，那么很難使用ECD鑒定其分子的絕對構型。目前，如果ECD設備足夠好，能夠在UV短波長范圍內(如170～210 nm)準確測定其ECD信號，那么對于部分沒有生色團的手性分子也能進行鑒定。但是，目前絕大部分ECD設備的有效ECD信號范圍都在200～800 nm范圍內。對于有機小分子，常用的ECD信號范圍僅局限于200～400 nm，因此，手性分子中必須要具備合適的生色團才能用ECD方法。

2)手性分子的手性中心要盡量靠近生色團，如不在生色團附近，則最好不超過3個原子的距離。因為離生色團越遠，該生色團受到手性中心的影響越小，在多個手性中心存在時，該信號很可能被其他強的信號淹沒，從而出現這種情況：無論該手性中心是R還是S，其計算的ECD信號變化很小，從而在與實驗得到的ECD信號相比較的時候，無法確定其絕對構型。一個特殊的情況是：如果有一個具有生色團的手性分子，其所有的手性中心的相對位置都已經確定，只是通過ECD確定其絕對構型，那么可以通過測定與計算ECD就可以鑒定其絕對構型。

通過ECD來鑒定手性分子絕對構型目前是絕對構型研究中的重要手段，成功鑒定的例子非常多，其中有許多經典的例子。生物堿Psychotripine (化合物20，見圖10)[30]的相對構型可以使用ROESY等NMR方法確定，計算構型為(3aR,8aR,3a′R,8a′R,3a″S,8a″R)的ECD，可以發(fā)現實驗結果與理論分析吻合很好 (見圖10，σ=0.2 eV)，計算方法為B3LYP/6-311++G(2d,p)//B3LYP/6-31+G(d))。其他很多手性分子在使用ECD方法后，都得到了很好鑒定[31-33]，如decandrinin(化合物21，見圖10)[34]。

圖10 手性化合物20、化合物21的結構及其計算得到的ECD光譜Fig.10 Structure of chiral compounds 20 and 21 and their calculated ECD spectra

3)當生色團在環(huán)上而手性中心在鏈狀結構中時，如果手性中心緊鄰該生色團，則也可以通過ECD的方法來確定分子的絕對構型。例如化合物22，側鏈的C8上有一個手性中心(見圖11)[35]。通過計算，鑒定C2的絕對構型為(S)。此外還有其他類似的例子[36]。

圖11 計算得到的化合物22的ECD光譜和實驗結果的比較Fig.11 Comparison of calculated ECD spectra of compound 22 with the experimental ECD

上述例子中的手性中心在C8上，由于單鍵的旋轉以及C8遠離C=C生色團，這些不利因素使得其絕對構型的鑒定較為困難。但是，由于C8上的—OH可形成分子內H鍵，從而導致其構象相對穩(wěn)定，因此可以使用ECD的方法來鑒定其絕對構型。

目前，中國ECD的應用研究領域很多，很多學者通過這種技術手段鑒定了很多手性化合物，化合物的類型也豐富多彩，有很多相關報道的例子[37-41]。

3 振動圓二色譜及其應用

3.1 振動圓二色譜概念

振動圓二色譜(VCD)理論在20世紀60年代基本發(fā)展成熟，幾乎與ECD的發(fā)展同步。歐美學者如OSBORNE等[42]、BARRON等[43]和LASSEN等[44]在VCD的發(fā)展構成中做出了很大貢獻。前文提到，無論ECD還是VCD，都是記錄左、右圓偏振光通過手性物質后因不同的吸收差異所形成的光譜。測定手性化合物在偏振IR光下的振動模式，可以得到不同手性物質的VCD光譜。

實際上，量子化學計算也不能直接計算左、右圓偏振光在通過手性物質后不同的吸收差異。其所計算的(如在高斯軟件中)是每一個振動頻率下的旋轉強度(rotational strength)和偶極矩(dipole moment)的值。例如，對第i個構象，其IR和VCD光譜的計算公式[45]如下。

對于IR光譜：

(10)

對于VCD光譜:

(11)

式中：Di是第i個頻率下的偶極強度，單位是10-40esu2cm2；Ri是旋轉強度，單位是10-40esu2cm2；γ是洛倫茲(Lorentzian)半峰寬，單位是cm-1,在計算中的默認值為 4 cm-1。

3.2 振動圓二色譜的應用

由于VCD使用的是偏振IR光，而分子的振動光譜(即IR)取決于分子各種鍵的伸縮振動、擺動、扭動等，因此VCD光譜能比ECD光譜提供更多的結構信息，這使得VCD光譜的應用范圍比ECD要廣。但是，由于IR光能量比UV弱，因此，VCD的測試時間要比ECD長很多，而且需要樣品量較大，不同廠家的設備要求也不一樣，通常在8～10 mg或以上。

同系列手性分子中，只要其構型相同，這些同系列化合物的ECD光譜基本一致，這使得利用ECD光譜來鑒定同系列手性化合物時很方便。但是在VCD光譜中，即便是結構幾乎一樣，僅僅只是取代基有變化，例如從甲基變?yōu)橐一?，這2個結構相似產物的VCD光譜都有很大的區(qū)別。這一點與ECD完全不同。

盡管關于VCD儀器很早就有報道，但是商業(yè)用VCD儀器差不多到20世紀90年代才上市。目前，VCD光譜的應用普及程度沒有ECD高。原因可能在于前文提到的一個關鍵科學問題：同系列手性化合物的VCD光譜有很大差異，不能通過比對同系列的VCD光譜來確定同系列其他化合物的立體結構。也就是說，每一個手性化合物立體結構的鑒定，都需要借助量子化學計算。同時，VCD信號比較豐富，這一方面是好事，但是另外一方面也帶來分析VCD光譜的困難?？赡苁沁@兩方面的因素，導致目前VCD的應用普及程度不如ECD。

首先研究一下五味子素((+)-schizandrin,化合物23)的VCD光譜(見圖12)[46]。五味子是中國傳統的中藥材，活性成分之一就是五味子素。文獻報道的立體結構為(7S,8S)。在完成計算后，將計算得到的VCD與實驗結果進行比較，發(fā)現在1 430 cm-1附近出現的正、負信號連在一起。而在實驗VCD光譜中，正信號在1 430 cm-1附近，負信號在1 470 cm-1。進一步研究其振動模式，發(fā)現在這個區(qū)域附近，C7和C8鍵的振動方式與該處VCD信號關聯較大。這表明C7或C8的構型有不對的地方。當使用(7S,8S)進行計算時，實驗結構與理論分析完全一致，表明正確的絕對構型為(7S,8R)。注意：在進行VCD光譜研究的時候，需要把VCD光譜和其同步得到的IR光譜放在一個區(qū)間內進行比較。

圖12 五味子素原始結構(23)、糾正后結構(24)及計算得到的2種立體結構的VCD譜Fig.12 Original structure (23),the corrected structure (24) and the calculated VCD spectra of them

在單手性中心化合物25的絕對構型研究中(見圖13)，計算的VCD光譜與實驗吻合較好[47]，由此可以推斷化合物25的立體化學為(S)構型(為方便，僅含VCD光譜，其IR光譜省略)。

圖13 化合物25的立體結構及其VCD譜Fig.13 Stereostructure of compound 25 and its VCD spectrum

N原子手性是一個有趣的話題。N原子上孤對電子的存在，產生了N原子手性。但是，通常情況下N原子的孤對電子極易翻轉，造成N原子的手性不能穩(wěn)定存在。但是，化合物26(Tr?ger堿)的N手性穩(wěn)定(見圖14)，它能通過HPLC 分離得到(使用CH2Cl2與正己烷為淋洗劑)[48]。VCD光譜的計算在B3LYP/6-311++G(d,p) 基組上完成。計算結果與實驗值吻合很好(IR譜省略)。

圖14 化合物26實驗的VCD和IR光譜以及計算的VCD及IR光譜Fig.14 Experimental VCD and IR spectra and calculated VCD and IR spectra of compound 26

另外一個知名的藥物分子是千金藤素(化合物27，見圖15)[49-50]。該化合物最早由日本學者發(fā)現，目前已成為藥物，且對許多疾病都有很好的治療效果。在目前新型冠狀病毒肺炎流行的形勢下，中國學者發(fā)現了其具有抗新冠的作用。該結果一經報道，立即引起了廣泛關注。然而，在立體結構化學層面，這個化合物的立體結構是錯誤的。也就是說，原來所鑒定的(1R,1′S)的絕對構型不對。正確的絕對構型是(1R,1′R)[51]。該結論已通過VCD 等技術得到了非常好的論證。計算得到(1R,1′R)-27的VCD光譜與實驗的(+)-27的VCD光譜一致(見圖15)。使用VCD研究手性藥物分子的例子很多[52-59]，篇幅所限不一一介紹。

圖15 千金藤素原始立體構型(1R,1′S)與正確的立體結構(1R,1′R)及其計算的VCD光譜

實際上，目前計算過程中存在一個較大的問題是很多研究人員對于計算的理解不到位，覺得會用軟件就能計算。這是一個很大的誤區(qū)。能把計算算好需要認真對待計算中的各項科學問題。筆者在最近的一篇綜述中，較為詳細地探討了容易出錯的一些科學問題[60]。計算化學有它的理論體系和關鍵的注意事項，每一個理論方法都有其優(yōu)缺點和使用范圍。同時，在完成相關的計算后所面臨的數據處理也是一個關鍵的科學問題。任何細節(jié)上的疏忽，都可能帶來計算結果的誤判。在這個過程中，出錯的報導沒有國籍限制。部分相關的軟件計算技巧等可參閱筆者的另外一本專著《現代有機立體化學》[61]，該書在2009年出版時，被列為中國研究生創(chuàng)新學習的參考叢書。

最后一個問題是前面提到的簡化模型問題。在實際工作中，研究人員常常使用一個比較簡單和小的分子來代替原來比較復雜的分子用于計算。這可以節(jié)約計算時間，降低計算成本，同時保證計算結果。因此，使用簡化模型帶來了很大方便。但是，一個科學問題是：為什么可以利用簡化模型來代替原來復雜的手性分子？

如前文在OR計算中使用矩陣模型等系列研究結果中所說的那樣，主要是因為構象對的存在。而這一新的概念，也得到相關更廣泛的認可[62]。OR的Boltzmann統計計算后，構象對的貢獻值很小。例如，在手性化合物17絕對構型的研究中，也可以將長鏈結構簡化為手性結構(化合物28，見圖16)。進一步通過計算該化合物的ECD光譜，也證明了其絕對構型是(S)。這個結論雖然是在OR計算的研究中發(fā)現的，但在實際上，可以進一步推演到ORD，ECD 和 VCD 的研究中。

圖16 手性化合物17的簡化模型結構及其ECD計算結果 Fig.16 Simplified model of chiral compound 17 and its ECD calculations

4 結 語

利用計算方法解決實際工作中的科學問題，是理論結合實際科研工作的典型。利用不同的理論方法鑒定手性藥物分子的絕對構型具有很大的優(yōu)勢，不僅彌補了實驗方法的不足，也進一步促進了新理論方法的應用。利用OR，ORD，Matrix，ECD和VCD方法是目前手性藥物分子絕對構型鑒定的有效方法。但是各個方法都有其局限性，使用單一方法用于絕對構型的鑒定已經不是主要方式。目前，使用2種及其以上方法聯用成為主要手段。

使用簡化模型進行各種計算，如本文中的OR等，這種做法由來已久，但是一直不知道其背后的科學依據是什么，直到以基于量子力學計算的結果為依據，結合構象分析和矩陣模型理論等進行研究，才使這一科學問題(即“構象對”概念)得以完全解決，對此簡化模型的應用做到了“知其然也知其所以然”。不同方法以及相關的簡化模型應用，將成為今后相當長一段時間內科研人員開展立體結構化學研究的主要手段。