手性化合物立體結(jié)構(gòu)鑒定中的若干關(guān)鍵共性科學(xué)問題探討

王煦鑫，朱華結(jié)

（河北大學(xué)藥學(xué)院,保定 070000）

隨著天然有機化學(xué)、不對稱合成化學(xué)以及相關(guān)手性材料學(xué)科的飛速發(fā)展，手性化合物的表征及立體結(jié)構(gòu)的鑒定已經(jīng)成為手性科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題.相關(guān)計算軟件已經(jīng)普及并被廣泛使用，手性化合物立體結(jié)構(gòu)的鑒定日益成為手性科技工作者的重要研究內(nèi)容［1～10］.但也出現(xiàn)了一些問題：（1）計算化學(xué)軟件的使用，認為會使用軟件就可以開展手性化合物相關(guān)性質(zhì)的計算是一個誤區(qū)；（2）計算中模型的簡化，對于復(fù)雜且?guī)в休^長碳鏈的手性分子常要進行分子結(jié)構(gòu)簡化，但是簡化模型使用的原因及如何簡化具有科學(xué)性；（3）因不清楚相關(guān)方法的應(yīng)用范圍和前提條件而導(dǎo)致計算結(jié)論錯誤.為此，在計算能力得到極大提高的今天，依然有必要討論這些常見的、具有共性的若干關(guān)鍵科學(xué)問題，從而提高我國手性化學(xué)學(xué)科的發(fā)展水平和質(zhì)量.

1 軟件問題

目前，在手性立體化學(xué)結(jié)構(gòu)鑒定中，相關(guān)的計算軟件比較豐富，主要分為構(gòu)象搜索軟件和模擬計算相關(guān)手性分子性質(zhì)的軟件兩類.典型的構(gòu)象搜索軟件中有Sparton，Conflex（Barista），ComputeVOA，HyperChem，高斯新版本的Gaussian 16和其它軟件.構(gòu)象搜索軟件的主要功能是可以對一個已知的結(jié)構(gòu)使用不同的分子力場，如MMFF94S或其它力場進行構(gòu)象搜素，記錄每個在設(shè)定范圍內(nèi)的能量和該構(gòu)象的坐標(biāo)，并最終保存該設(shè)定范圍之內(nèi)的所有構(gòu)象，用于后續(xù)的計算.

計算所選用的力場是一個關(guān)鍵問題，不同的力場得到的分子能量會有所差異.如果分子結(jié)構(gòu)比較簡單，如2-丁醇，無論采用何種力場計算，都能得到一致的穩(wěn)定低能量構(gòu)象.但手性分子結(jié)構(gòu)通常比2-丁醇復(fù)雜得多，而且分子中的環(huán)系結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，會出現(xiàn)局部剛性很大的環(huán)結(jié)構(gòu).因此，在構(gòu)象分析過程中必然導(dǎo)致3種主要結(jié)果：（1）不同起始結(jié)構(gòu)的分子得到的穩(wěn)定構(gòu)象不同，這種情況在含有多個—OH結(jié)構(gòu)的分子中更易出現(xiàn)；（2）最穩(wěn)定的（能量最低）和較為穩(wěn)定的構(gòu)象結(jié)構(gòu)未被找到，導(dǎo)致計算結(jié)果錯誤；（3）不同力場計算得到的結(jié)果在分子力場水平上出現(xiàn)較大差異。在實際計算工作中還會出現(xiàn)其它問題.

第一種和第三種結(jié)果比較容易理解，現(xiàn)對第二種結(jié)果舉例以便于理解.如，采用Mosher酯方法鑒定分子1［11］（圖1）的—OH上C原子的立體結(jié)構(gòu).但對于手性中心旁邊具有很大基團的手性分子，采用Mosher 酯方法可能出現(xiàn)錯誤的結(jié)論.如果要準確測定其立體結(jié)構(gòu)，在（R）-1 的（R）-1a 和（R）-1b 2 個構(gòu)象中，只有（R）-1a具有優(yōu)勢構(gòu)象（即低能量），而在（S）-1的Mosher酯中，也需要（S）-1a處于優(yōu)勢構(gòu)象才能保證鑒定結(jié)果正確.因此，對這個手性分子進行結(jié)構(gòu)鑒定時，計算其不同構(gòu)象的Mosher酯能量十分重要.文獻［12］使用2種不同的軟件（HyperChem和Barista）和2種力場（Amber和MMFF94）在完成系列化合物的構(gòu)象搜索后，于近2萬個的構(gòu)象中才找到最低能量構(gòu)象.該過程中，分子力場計算的能量窗口控制在0～25 kJ/mol.在B3LYP/6-31G（d）基組上完成該窗口內(nèi)所有構(gòu)象的計算后，所選擇的構(gòu)象能量窗口為0～12.6 kJ/mol.在排除掉能量簡并的構(gòu)象后，采用6-311+G（d）基組再次對所有的能量在0～6.3 kJ/mol范圍內(nèi)的構(gòu)象進行優(yōu)化計算.

Fig.1 Four kinds of Mosher ester conformers of compound 1

兩種不同的計算方法得到了相同的結(jié)果.對（R）-Mosher酯而言，能量最低的構(gòu)象在（R）-Mosher酯中較多，即（R）-1b；對（S）-Mosher酯而言，能量最低的構(gòu)象在（R）-Mosher酯中較多，即（R）-1a，但分布比例不同.由在B3LYP/6-31G（d）基組上計算所得比例可知，（R）-1a 的摩爾分數(shù)為30%，（R）-1b 為70%，二者比例約為1∶2（表1）.在6-311+G（d）基組上計算所得比例約為1∶1.17.在B3LYP/6-31G（d）基組上進行（S）-1a 和（S）-1b 的能量分析時，得到的最穩(wěn)定構(gòu)象是（S）-1a，摩爾分數(shù)為54%；而在6-311+G（d）基組上的最穩(wěn)定構(gòu)象為（S）-1b，摩爾分數(shù)為58%.結(jié)果表明，在6-31G（d）和6-311+G（d）基組上計算的結(jié)果并不相同，但在6-311+G（d）基組上計算的結(jié)果比較可靠.根據(jù)Mosher酯進行絕對構(gòu)型鑒定的可靠要求，在（R）-Mosher 酯中，最穩(wěn)定構(gòu)象是（R）-1a；在（S）-Mosher 酯中，最穩(wěn)定構(gòu)象是（S）-1a.而計算結(jié)果表明，實際最穩(wěn)定構(gòu)象分別是（R）-1b和（S）-1b.這與Mosher酯所要求的構(gòu)象結(jié)論完全相反.因此，最后的實驗結(jié)論肯定有誤.

Table 1 Energies and distributions of the most stable and second stable conformers

無論是解釋Mosher酯結(jié)論的可靠性還是計算分子的手性光譜等，準確得到分子的穩(wěn)定構(gòu)象是最關(guān)鍵的第一步.如，在化合物2（圖2）中，由于存在圍繞C1—C1′旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的2個異構(gòu)體，導(dǎo)致分子中同時存在2種手性，即軸手性（由于圍繞C1—C1′旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的2個手性異構(gòu)體的旋轉(zhuǎn)能量低，因此二者不能分離）和側(cè)鏈分子中氨基酸C原子的手性［13］.在1H NMR和13C NMR光譜中，出現(xiàn)了2套波譜.圖3示出了這些化合物的1H NMR 光譜差異.這是由2 個不同構(gòu)象，即（Sa，S）-2a 和（Ra，S）-2b 引起的構(gòu)象異構(gòu).其中，確定優(yōu)勢構(gòu)象的能量則依賴于量子化學(xué)計算結(jié)果.

Fig.2 Two stable conformers of compound 2

Fig.3 1H NMR(A)and 13C NMR(B)spectra of compound 2

在計算過程中，若使用HperChem軟件，可以先不定義二面角N2—C1—C1′—N2′為變量［14］，先計算（Sa，S）-2a或（Ra，S）-2b的穩(wěn)定構(gòu)象.若使用Conflex（Barista）軟件，則沒有這種選擇，在構(gòu)象分析與計算時，同時得到（Sa，S）-2a與（Ra，S）-2b的構(gòu)象并保存在同一個輸出文件中.在后期的構(gòu)象分析中，需要手動將構(gòu)象（Sa，S）-2a與（Ra，S）-2b區(qū)分開，并分別用于后期的數(shù)據(jù)處理.在新版的Gaussian 16軟件中也有二面角的選項.因此，使用HyperChem 或者Gaussian 16 軟件均可方便地分析得到（Sa，S）-2a 和（Ra，S）-2b的構(gòu)象.

該分子中有2個不同類型的手性中心，即軸手性和側(cè)鏈氨基酸的手性.其中，經(jīng)理論計算得到起主要作用的結(jié)果列于圖4.二者的電子圓二色光譜（ECD）幾乎對稱，表明軸手性對ECD光譜的結(jié)構(gòu)影響大，其側(cè)鏈中的C=O以及共軛的CONH結(jié)構(gòu)則對ECD的譜帶幾乎沒有影響.

圖4結(jié)果表明，確定絕對構(gòu)型時，即使在生色團附近的手性中心（化合物2中與酰胺相連的C原子）也會因其它原因（化合物2中為軸手性）在ECD光譜結(jié)構(gòu)中無法體現(xiàn).因此，在實際工作中需要特別注意：（1）在含軸手性結(jié)構(gòu)中，僅通過ECD不易鑒定其它位置的手性構(gòu)型；（2）在不含軸手性的分子中，要盡可能對若干不同的可能結(jié)構(gòu)分別進行計算.

通過對化合物2的構(gòu)象分析比較發(fā)現(xiàn)，（Sa，S）-2a和（Ra，S）-2b的摩爾比經(jīng)理論計算為4.8∶1，實驗值為2.3∶1，所有計算均在B3LYP/6-311+G（d，p）上完成，溶劑中計算選用極化連續(xù)介質(zhì)模型（PCM）［13］.

Fig.4 Effect of axial chirality on ECD spectra of compound 2

Fig.5 Enantiomeric structures of enantiomer compounds M-3 and P-4

在實際工作中，確定最穩(wěn)定構(gòu)象的分子十分重要，但有時僅靠軟件還不夠.據(jù)文獻［15］報道化合物M-3比化合物P-4在能量上低0.0819 kJ/mol（圖5）.由于二者是對映體，能量相同，因此該結(jié)論肯定有誤.錯誤的主要原因是沒有準確分析t-Bu中3個甲基的相對位置.t-Bu在M，P構(gòu)型的分子中應(yīng)該分別具有2 個穩(wěn)定的構(gòu)象.對于M-3，經(jīng)B3LYP/6-31G（d）基組計算得出構(gòu)象M-3a 比構(gòu)象M-3b 的能量低0.0819 kJ/mol.將構(gòu)象M-3a與P-4a同時用于計算時，2個對映體的能量完全相同（圖6）.由于計算導(dǎo)致的能量誤差小于10－6kJ/mol，可以完全忽略.因此，這里構(gòu)象分析的關(guān)鍵點是t-Bu的空間構(gòu)象.

Fig.6 Four conformers of enantiomers 3 and 4

對映體過量百分率（e.e.，%）在生命起源中的影響較為突出.在M-3 和P-4 中，如果二者能量差0.0819 kJ/mol（表2），將導(dǎo)致M-3與P-4相差1.6%的e.e.值.后期的生命進化中，多余的M-3可能會以催化劑的形式參與各種反應(yīng)，從而加速生命起源.在生命起源研究中，這個差異十分巨大，但在手性光譜計算模擬中不會有顯著影響.因此，可靠而正確的構(gòu)象分析在計算中十分重要［16］.

Table 2 Calculated relative energy of the four enantiomers

2 計算中簡化模型的使用問題

對于復(fù)雜且?guī)в休^長碳鏈的手性分子通常需要簡化分子結(jié)構(gòu)，簡化模型使用的原因及簡化方法值得研究［17］.具有較長側(cè)鏈的手性分子通常會把長側(cè)鏈簡化為短側(cè)鏈，分別用于計算其電子圓二色光譜（ECD）、振動圓二色光譜（VCD）和旋光光譜（OR）等.其中的關(guān)鍵是，如果進行合適的簡化，根據(jù)理論基礎(chǔ)得到的理論結(jié)果能很好地代表其原來的手性分子結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì).

非手性分子5理論上存在4個穩(wěn)定構(gòu)象5a～5d（圖7）［3］.由于C1和C4之間的排斥力，構(gòu)象5b能量很高，實際分布很少，可以認為不存在.構(gòu)象5a和5b都具有對稱面，因此其旋光值均為零.但構(gòu)象5c和5d沒有對稱元素，因此這2個構(gòu)象一定有旋光.構(gòu)象5c在B3LYP/6-31G（d）//B3LYP/6-31G（d）基組上計算所得旋光值約為－2.61°，構(gòu)象5d則為+2.58°.由于二者為對映體結(jié)構(gòu)，因此，二者能量幾乎相同，二者的旋光值之和幾乎為零.

Fig.7 Four conformer structures of compound 5

手性結(jié)構(gòu)6 也有4 個穩(wěn)定構(gòu)象6a～6d（圖8）［3］.在B3LYP/6-31G（d）//B3LYP/6-31G（d）基組上計算得到的3個穩(wěn)定構(gòu)象的旋光值和能量列于表3.

圖9示出了化合物6a，6c和6d結(jié)構(gòu)的紐曼投影式.可見，構(gòu)象6c與6d的旋光符號相反，旋光值比較接近，經(jīng)Boltzmann 統(tǒng)計加和后二者對旋光的凈貢獻僅為－1.7.因此，構(gòu)象6c和6d的旋光貢獻可以忽略不計，主要的旋光貢獻來自最穩(wěn)定的構(gòu)象6a.

Fig.8 Four stable conformers of compound 6

Table 3 Calculated relative energies and optical rotation values of conformers 6a,6c and 6d

Fig.9 Newman structures of chiral 2-Cl butane and their relative energies and specific optical rotation values

隨著碳鏈的增加，類似6c和6d的構(gòu)象結(jié)構(gòu)會有很多［18］.但這些構(gòu)象對對旋光的凈貢獻不大.

構(gòu)象對的存在致使所有構(gòu)象對的旋光值對整體旋光值影響不大，這是使用簡化模型的理論基礎(chǔ).考慮到計算的誤差，使用簡化模型計算在節(jié)約計算時間上占更大的優(yōu)勢.在構(gòu)象搜索中，由于軟件本身的算法和計算人員對參數(shù)的設(shè)置等問題，一些較低能量構(gòu)象不易被發(fā)現(xiàn)，會造成計算失誤.因此，使用簡化模型有時能獲得更可靠的結(jié)果.

矩陣模型理論計算結(jié)果表明，在距離手性碳最遠到第3個碳時，其質(zhì)量對旋光的影響已經(jīng)很小［19］.該結(jié)論與構(gòu)象對緊密聯(lián)系，因此，可以使用簡化模型進行計算.

此結(jié)論雖然是從分析分子的旋光得到的，但在實際中可以廣泛應(yīng)用于其它類型的計算.側(cè)鏈分子結(jié)構(gòu)不僅局限于飽和的碳原子，同樣可以用于ECD 和VCD 計算中應(yīng)用的模型分子.VCD 技術(shù)是近年來興起的手性化合物鑒定方法，具有良好的應(yīng)用前景［20，21］.其特點是IR與VCD信號同步測定，并合成在一個圖片中，分別研究在IR信號中不同鍵的振動時，所對應(yīng)的VCD信號的變化.例如，從Peperomiaobtusifolia中分離得到的新化合物Chromanes（7和8）［22，23］，在VCD研究中使用模型分子9和10［24］，將其絕對構(gòu)型糾正為R構(gòu)型.將α，β-丁二烯類和異戊二烯分別計算簡化為乙烯和乙基基團用于計算，圖10給出理論計算所得分子（+）-9的VCD光譜、分子7的實驗VCD光譜其相關(guān)的IR光譜.

文獻［25］未對天然產(chǎn)物分子11 的立體結(jié)構(gòu)進行鑒定，但報道了其ECD 光譜.該結(jié)構(gòu)中存在幾個較大的取代基R，其位置與手性中心相差較大.基于單手性中心結(jié)構(gòu)，可以將其簡化為模型分子12或更簡單的模型分子13來計算其OR或者ECD，從而確定其C13位的絕對構(gòu)型.使用文獻中默認的順式結(jié)構(gòu)，通過2種不同的簡化模型討論不同數(shù)量的生色團對ECD光譜的影響.

對化合物11的絕對構(gòu)型進行分析時，如果使用模型12替代，可以得到2個穩(wěn)定構(gòu)象；如果使用模型分子13替代，則只有1個穩(wěn)定構(gòu)象.模型12和13均為剛性結(jié)構(gòu)，在B3LYP/6-311+G（d）基組上使用模型（R）-12和（R）-13進行優(yōu)化和ECD計算發(fā)現(xiàn)，結(jié)果有較大差異（圖11）.通過計算可以確定其立體結(jié)構(gòu).由圖12可見，在360 nm處為正峰的異構(gòu)體構(gòu)型為（R）-11，在該處為負信號的立體結(jié)構(gòu)為（S）-11.因此，選對合適的模型在ECD的計算中可以達到事半功倍的效果.

Fig.10 Structures of compounds 7 and 8 and their simplified models 9 and 10,predicted VCD and IR spectra for compounds 7 and 9

Fig.11 ECD spectra of model molecules(R)-12(A)and(R)-13(B)

Fig.12 Compound 11 and its simplified models 12 and 13,and their ECD spectras for the isolated enantiomers

對于類似化合物11的結(jié)構(gòu)，若對全部分子進行構(gòu)象分析，其穩(wěn)定構(gòu)象至少有20個.而如果使用模型12來計算，其穩(wěn)定構(gòu)象只有2個，僅就構(gòu)象數(shù)目而言，計算數(shù)量減少90%以上，考慮到原始分子11比模型12至少多15個重原子，其單一構(gòu)象計算所需要的時間比單一模型12的構(gòu)象也要多.因此，實際上計算量遠遠大于10倍.

從計算的精度來看，利用模型12 能很好地模擬原始分子11 的ECD 光譜結(jié)構(gòu)，表明簡化成功.而模型分子13因為少了1個吲哚生色團，導(dǎo)致360 nm附近的（+）-Cotton信號幾乎消失，影響了最終的構(gòu)型判斷.這表明合適的模型選擇對于準確判斷分子的絕對構(gòu)型十分重要.

在旋光計算或者VCD計算中，如果手性分子中存在長鏈結(jié)構(gòu)，且距離手性中心較遠，通?？梢院喕癁楹?～3個碳原子的1個取代基.在ECD 計算中，如果側(cè)鏈上有生色團，可以根據(jù)生色團的位置進行相應(yīng)的簡化；如果沒有生色團，則可以直接簡化為1～3個碳原子的取代基.

3 計算方法的應(yīng)用范圍和前提條件

不清楚相關(guān)方法的應(yīng)用范圍和前提條件將導(dǎo)致在計算過程中出現(xiàn)錯誤.通常情況下，13C NMR的計算沒有限制條件，適合所有類型的手性分子立體結(jié)構(gòu)的鑒定，最終確定手性分子的相對構(gòu)型結(jié)構(gòu).如，在天然產(chǎn)物14的結(jié)構(gòu)改造中［Scheme 1（A）］，使用乙酰氯得到產(chǎn)物15和16，其13C NMR 與原料14的相差很大.而原料14 與氯乙酰氯反應(yīng)［Scheme 1（B）］所得產(chǎn)物的13C NMR 譜與原料14 的十分接近，得到正常的酯化產(chǎn)物［26］.

Scheme 1 Synthetic routes of compounds 15 and 16(A)and normal product 17(B)

對化合物14進行結(jié)構(gòu)改造，分別得到產(chǎn)物15，16和17，產(chǎn)物15和16的結(jié)構(gòu)變化最大.原結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧乙烷在開環(huán)后與C2進一步反應(yīng)，生成新的環(huán)系結(jié)構(gòu)，化合物15有一個新的峰δC95.24（化合物16：δC95.95），而原來的δC79.03處C2峰消失.δC95.24處的峰歸屬為張力較大的環(huán)上的C原子，即新環(huán)上的C2.為了進一步確證化合物15 的結(jié)構(gòu)，對其進行了13C NMR 計算.用Barista 軟件在MMFF94S分子力場下進行構(gòu)象搜索，將所得的低能量構(gòu)象在B3LYP/6-311+G（d）基組下進行優(yōu)化和13C NMR 計算，將計算的碳譜與實際測定的碳譜進行對比（圖13）.結(jié)果表明，實驗與計算的C2化學(xué)位移差值僅為1.82，在誤差范圍內(nèi).亞甲基C13位移值δC73.64與計算得到的位移值δC79.77相差6.13，屬于正常誤差范圍內(nèi).因此，化合物15中環(huán)氧丙烷環(huán)結(jié)構(gòu)是合理的.

由于ECD中手性中心與生色團的位置密切相關(guān)，因此，在很多絕對構(gòu)型鑒定中，分子中飽和結(jié)構(gòu)環(huán)系分子的絕對構(gòu)型完全取決于其同位素光譜確定的相對構(gòu)型.如果相對構(gòu)型錯誤，其ECD光譜并不能反映出來，常常導(dǎo)致絕對構(gòu)型錯誤.例如，化合物18的生色團非常少［27］（圖14），其相對構(gòu)型雖然可通過二維NMR光譜確立，但是需要X射線衍射實驗進一步確證.因此，通過ECD鑒定其絕對構(gòu)型是可靠的.相似的例子很多，尤其在天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的絕對構(gòu)型研究中頻繁出現(xiàn)，需要高度注意.

Fig.13 Relative errors between the calculated 13C NMR of compound 15 and its experimental data［δC(exp.)-δC(calcd］)

計算ECD 光譜時尤其要注意手性中心與生色團間的相對位置.通常，如果手性中心距離生色團的位置超過2 個sp3雜化C 原子或者其它原子，其生色團對其手性中心的ECD 光譜的影響將會很小.因此，距離生色團在2 個原子之內(nèi)的手性中心的立體結(jié)構(gòu)鑒定較為可靠.如化合物19［28］（圖14）的手性中心距離—CHO 或者C=C 鍵這2 個較弱的生色團都較遠，故幾乎不能用ECD 來鑒定，但使用OR，ORD 或者VCD 方法可以鑒定其絕對構(gòu)型.在絕對構(gòu)型研究中，利用簡化模型時一定要注意不能把在手性中心附近的生色團大量省略，否則極易造成計算錯誤，從而導(dǎo)致最終鑒定錯誤.

Fig.14 Structures of compounds 18 and 19

4 總結(jié)與展望

手性分子的旋光（OR）及VCD與其分子中遠離手性中心的構(gòu)象分析關(guān)系密切，而可靠的構(gòu)象分析十分關(guān)鍵.對于長的側(cè)鏈取代基，如果不存在手性中心，可以簡化為1～3個碳的取代基結(jié)構(gòu)，以簡化計算.ECD與手性中心附近的生色團的位置和數(shù)量有關(guān).在簡化模型時，要注意保留必要的生色團結(jié)構(gòu)和數(shù)量.在13C NMR 的計算中，手性構(gòu)型的變化會導(dǎo)致手性中心附近碳原子化學(xué)位移發(fā)生變化，而手性中心的碳原子化學(xué)位移反而變化較小或者不變化.計算過程中，柔性鏈構(gòu)象的變化對13C NMR影響較小.目前，手性計算軟件發(fā)展速度快，應(yīng)用范圍日益廣泛.只有充分認識手性分子的結(jié)構(gòu)特點，了解所計算內(nèi)容與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并認識到相關(guān)軟件的功能與不足，結(jié)合計算方法的應(yīng)用范圍和使用簡化模型等，才能可靠地解決手性分子的立體化學(xué)問題.