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圆二色谱绝对构型
圆二色谱是一种测量化合物电子圆二色性的光谱技术，可以反映化合物分子的光学活性。
绝对构型是指化合物的三维结构，包括其所有的原子和键的排列以及分子的手性。
通过圆二色谱，可以推断出化合物的绝对构型。
通常，圆二色谱的波峰和波谷与分子中的双键、羰基、碳碳键、氮氧键等不饱和键相关。
如果一个化合物具有多个这样的不饱和键，它的圆二色谱将显示出多个波峰和波谷。
对于具有多个不饱和键的化合物，可以通过圆二色谱的测量来确定其绝对构型。
例如，对于具有多个双键的化合物，可以通过比较实验测量的圆二色谱和理论计算的圆二色谱来确定其绝对构型。
需要注意的是，对于一些具有多个不饱和键的复杂化合物，其绝对构型的确定可能需要更复杂的计算方法和实验数据。
此外，圆二色谱的测量也可能受到实验条件的影响，例如温度、溶剂、浓度等，因此在进行圆二色谱测量时需要注意控制实验条件。
应用电子圆二色光谱方法确定手性金属配合物的绝对构型章慧【摘要】与电子能级跃迁相关的电子圆二色(ECD)光谱因其研究对象宽泛,与涉及振动能级的振动圆二色(VCD)光谱互补,已成为应用于手性立体化学研究的集成手性光谱的主流表征手段.本文概述了确定手性金属配合物绝对构型的三种主要方法,详细介绍了ECD光谱法在确定手性金属配合物绝对构型中的应用,其中着重强调了激子手性方法,并对集成手性光谱学未来的发展趋势做出了展望.【期刊名称】《大学化学》【年(卷),期】2017(032)003【总页数】14页(P1-14)【关键词】电子圆二色谱;配位立体化学;绝对构型关联;激子手性方法;集成手性光谱【作者】章慧【作者单位】厦门大学化学化工学院,福建厦门 361005【正文语种】中文【中图分类】G64;O6当平面偏振光在一个手性物质中传播时，组成平面偏振光的左右圆偏振光不仅传播速度不同，而且被吸收的程度也不相等。
前一性质在宏观上表现为旋光性，后一性质被称为圆二色(Circular Dichroism，CD)性。
因此，当一个手性化合物在紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)波段具有特征电子跃迁吸收时，旋光性和圆二色性是该手性分子对偏振光的作用同时表现出来的两个相关现象，得到的电子圆二色(ECD)和旋光色散(ORD)光谱可以用于手性分子立体结构的测定[1－7]。
在UV-Vis-NIR区测定手性物质的ECD谱，通过与X射线单晶结构分析数据关联，并且与量化计算拟合的理论ECD谱比对，可预测手性分子的绝对构型(Absolute Configuration，AC)；亦可确定生物大分子和有机化合物的手性构象(Conformation)，还可用于探究药物小分子与蛋白作用的模式，提供手性识别和不对称催化等有关反应机理的信息。
目前ECD谱已经在有机化学、配位化学、金属有机化学、化学生物学、药物化学、生命科学、材料科学和分析化学等领域得到广泛应用。
振动圆二色谱vcd在天然产物绝对构型确定中的应用
现代分子构型确定问题与吸收光谱的关系不可忽略，可以说，它是通过吸收光谱来实现的。
什么是吸收光谱？它是指物质吸收光子能量时，基于物理能级之间的跃迁而发射出的电磁辐射的一种范畴。
振动圆二色谱VCD是一种解析天然产物绝对构型的方法，是一种采用振动谱和可见谱结合的双谱定性方法，在传统分子构型确定中具有重要地位。
首先，振动圆二色谱VCD是一种分子结构确定的重要技术，其目的是为了鉴定较分子构型上的非对称碳原子的数量和明白非对称碳的三维构架。
振动圆二色谱VCD的测量可以检测到不对称性，它可以测量到分子中手性分子构型特征，拓展了以往红外和可见光谱技术所做的构型定性及定量的分析范畴，并实现了分子构型确定。
其次，振动圆二色谱VCD和传统技术不同，它不仅能发现有结果的吸收极小和中等的性质，而且可以定量识别出分子构型中的细微变化，这为建立分子构型的定量界限提供了可能性。
振动圆二色谱VCD的测量的测量数据和构型定性资料可以从核磁共振谱中实现，从而可以准确地建立天然产物的绝对构型，从而推断所测样品的构型特征。
最后，振动圆二色谱VCD可以准确地解析天然产物的绝对构型，它能够定性和定量的识别出分子构型的细微变化，并提供架构信息；另外，它还可以实现分子构型确定，这种实现以及与其他物理方法的结合，可以有助于研究具有重要生命活动的复杂天然产物的构型特征，对构型复杂分子的定量分析也产生了重要的意义。
因此，振动圆二色谱VCD在天然产物绝对构型确定中具有广泛的应用前景，能够发挥重要作用。
圆二色谱中文版圆二色谱，判断黄酮类化合物绝对构型的重要手段1．简介：手性化合物的旋光性是化合物分子的立体构型的不对称性对平面偏振光的作用。
若对组成平面偏振光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收系数不同，即εL≠εR,，这种性质称为手性化合物的圆二色性。
当测定的仪器接收透过手性化合物溶液的平面偏振光时，记录的是手性化合物溶液对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收系数之差△ε，或化合物生色团吸收波长附近的摩尔椭圆度［θ］即可获得圆二色谱〔CD〕。
CD即圆二色谱，是以吸收系数之差或摩尔椭圆度［θ］为纵坐标，波长为横坐标记录的谱线，其中△ε=（d L－d R）／C31，d L和d R 为吸光度。
C为溶液浓度，1为测定用池的池长；［θ］=ψ（λ）M／100LC其中ψ（λ）为所用测定池情况下的平面偏振光的椭圆度，C为溶液浓度，单位g/ml，1为池长，单位dm，M为分子量。
它们之间的关系为［θ］=3300△ε，而△ε=θ/333C21。
2．黄酮类：多酚类是生物体内主要的二次代谢产物。
根据他们的碳骨架能划分为几种主要种类。
例如，黄酮类与酚酸类。
黄酮类根据的氧化情况又可以分为许多种类。
已知的黄酮类化合物中都具有的骨架形式，并常有羟基取代，甲氧基取代，苷化及其他修饰和组合。
虽然黄酮类化合物的绝对构型在50年代起已经通过旋光性和ORD方法进行解析了，但是更方便，更简易的CD谱方法却在60年代中期更为流行。
CD谱现已广泛用于具有旋光性的黄酮类化合物的解析，如：二氢黄酮类，二氢黄酮醇类，黄烷-3-醇类，黄烷-4-醇类，黄烷-3，4-二醇类，黄烷类，异黄烷类，二氢异黄酮类，类鱼藤同类，前花色素类和各种类型的双黄酮类。
3．二氢黄酮类二氢黄酮类的两个结构特征在判定它们绝对构型时非常重要。
一个是之间的单键，一个是位的手性中心，大多数天然二氢黄酮类化合物中在位具有苯基，其为α取向时，其绝对构型被定为S。
利用CD 或ORD连用NMR光谱数据判定二氢黄酮类化合物绝对构型始于Gaffield。
有机化学的手性分析方法
在有机化学领域中，手性分析是一项十分重要的工作。
手性化合物是指分子的结构镜像不能完全重合的分子。
因此，手性分析的目的就是确定有机化合物中手性中心的配置。
在本文中，将介绍几种常用的手性分析方法。
一、圆二色谱分析法
圆二色谱分析法是一种利用圆二色现象测定有机物的手性的方法。
圆二色现象是指左旋光和右旋光通过具有手性的物质后，光传播方向不变，但相位差发生变化的现象。
通过观察物质在不同波长下的圆二色光谱，可以确定其手性。
二、红外吸收光谱分析法
红外吸收光谱分析法是一种常用的手性分析方法。
在红外光谱中，手性物质通常表现出特定的旋光效应，通过比较旋光贡献可以判断有机物的手性。
三、核磁共振分析法
核磁共振分析法是一种非常重要的手性分析方法。
通过核磁共振技术，可以观察到手性物质中的不对称中心周围原子核的信号差异，从而确定有机物的手性。
四、质谱分析法
质谱分析法是一种高灵敏度的手性分析方法。
通过质谱仪对有机物进行分析，可以观察到手性分子离子的不同质量谱峰，从而确定有机物的手性。
五、氨基酸序列分析法
氨基酸序列分析法主要用于蛋白质的手性分析。
通过氨基酸序列分析仪，可以确定蛋白质中的手性氨基酸的排列顺序，从而确定蛋白质的整体手性。
综上所述，有机化学的手性分析方法主要包括圆二色谱分析法、红外吸收光谱分析法、核磁共振分析法、质谱分析法以及氨基酸序列分析法。
这些方法各自有其优点和适用范围，科学家们可以根据具体情况选择合适的手性分析方法来进行研究。
2009年第29卷有机化学V ol. 29, 2009第6期, 848～857 Chinese Journal of Organic Chemistry No. 6, 848～857* E-mail: zhoucx10@Received September 17, 2008; revised October 22, 2008; accepted November 18, 2008.国家自然科学基金(No. 30801429)资助项目.No. 6 甘礼社等：振动圆二色谱: 一种确定手性分子绝对构型的新方法849定手性分子的绝对构型, 该方法要求分子中必须含有某些基团或者需要衍生化, 而且要用到昂贵的手性试剂. 基于Bijvoet法的X射线衍射也时常成为有机化学家的一项重要选择, 而要确定绝对构型需要分子中有“重原子”, 而且适合的单晶培养也时常限制了它的应用. 与前三者相比, 光谱学方法由于对样品(纯度、官能团、结晶与否等)要求不高, 测量过程无损失, 因而得到了广泛应用.在光谱方法中, 最有名和应用最广泛的手性分子光学性质为旋光(OR)和圆二色谱(circular dichroism, CD). 组成平面偏振光的左旋和右旋圆偏光在通过手性介质时吸收系数不同(εR≠εL), 吸收系数之差∆ε随波长变化即可获得圆二色谱(CD). 对映异构体的CD谱图呈现正负相反. 传统的圆二色谱是指波长在200～400 nm之间的吸收谱, 20世纪70年代, 由于“八区律”、“激子手性法”[5]等方法的发现和发展, 圆二色谱得到了广泛应用. 然而, 传统的圆二色谱要求手性分子必须有紫外吸收, 这一点成为限制其应用的重大问题. 由此人们提出: 如何在红外光区频率下测定圆二色谱? 20世纪70年代, Holzwart[6], Nafie和Stephens等[7]先后成功测定了红外光区频率下的圆二色谱, 即振动圆二色谱(vibrational circular dichroism, VCD). 此后, 随着傅立叶变换红外光谱等新技术的发展, VCD的测量范围逐渐扩大为4000～750 cm−1, 测量精度不断提高, 信噪比不断降低. 1997年, 由Nafie等[7]及其公司ABB Bomem/BioTools 开发的第一台VCD光谱仪ChiralIR上市. 其后, 有多家公司分别推出其傅立叶变换红外振动圆二色谱光谱仪(FTIR VCD spectrometer), 包括: Nicolet/Thermo公司的TOM, Jasco公司的JV-2001/FVC-4000, Bio-Rad公司的FTS-60A, Bruker Optics公司的PMA37/PMA50红外附件等. VCD确定手性分子绝对构型已经得到越来越广泛地应用.由于振动光谱谱图的复杂性, VCD很难象传统圆二色谱(electronic circular dichroism, ECD)那样发展出合适的理论来进行结构-谱图的对应解释, 而只能依靠理论计算值和实测值对比来判断手性分子的绝对构型. 事实上, 随着量子化学理论的创新(如从头算ab initio, 密度泛函 DFT等)和计算机技术的进步, 很多的有机化学家已经开始采取纯理论计算, 如计算NMR[8]、旋光(OR)[9]和电子圆二色谱(ECD)[10]等, 结合实际中的实验室测定来解决手性分子构型中的许多问题. 振动圆二色谱(VCD)正是在这样的双重推动下, 近年来才取得了巨大的发展, 逐渐成为一项鉴定手性分子绝对构型的强有力的工具[11,12].本文将简要介绍振动圆二色谱的原理、确定手性化合物绝对构型的方法和应用.1 振动圆二色谱的原理与方法1.1 光的性质和VCD的产生光是一种电磁波, 是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的. 振动方向与传播方向垂直, 为横波. 横波有一个特性, 就是它的振动是有极性的. 在与传播方向垂直的平面上, 它可以向任一方向振动. 如果把这种光通过一个Nicol棱镜(起偏器), 由于它只允许振动方向与其晶轴平行的光线通过, 其它光被阻挡, 一束光线都在一个平面内振动, 称为平面偏振光(polarized light).平面偏振光通过手性物质时, 能使其偏振面发生旋转, 这种现象称之为旋光. 产生旋光的原因是, 组成平面偏振光的左旋光和右旋光在手性物质中传播时, 他们的折射率不同(n R≠n L), 这种性质叫做手性化合物的双折射性, 由此造成两个方向的圆偏光在手性物质中的传播速度不同(v R≠v L), 从而导致偏振面的旋转. 用仪器记录通过手性化合物溶液的平面偏振光的振动面偏转的角度, 即为旋光度α, 我们平常所测定的旋光即为波长在589.6 nm的Na灯的黄光下的比旋光度. 旋光度随波长的变化而变化就可获得旋光光谱(optical rotatory dispersion, ORD).组成平面偏振光的左旋圆偏光和右旋圆偏光在通过手性介质时, 不但产生因折射率、传播速度不同而导致的旋光现象, 而且还产生因吸收吸收系数不同εR≠εL 而导致的“圆二色性”. 用仪器可以记录通过手性化合物溶液的左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收系数之差∆ε, ∆ε随波长变化即可获得圆二色谱(CD). 传统的圆二色谱(CD)所用的平面偏振光的波长范围一般在200～400 nm, 属于紫外区, 由于其吸收光谱是分子电子能级跃迁引起的, 称为电子圆二色谱(ECD). 与此对应, 当平面偏振光的波长范围在红外区时, 由于其吸收光谱是分子的振动转动能级跃迁引起的, 称为振动圆二色谱(VCD). VCD谱即为红外光中的左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收系数之差∆ε随波长变化所给出的图谱(图1).长期以来, 电子圆二色谱由于其干扰少、容易测定而被广泛应用, 而振动圆二色谱在傅立叶变换红外光谱和量子化学计算的双重推动下, 最近几年才得到越来越广泛的应用. 与ECD相比, VCD的最大优势就是不需要分子中含有生色团(紫外吸收), 几乎所有手性分子都在红外区有吸收, 都会产生VCD谱图.850有 机 化 学 V ol. 29, 2009图1 光学活性分类Figure 1 Classification of optical activities1.2 计算原理手性化合物对组成平面偏振光的左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收不同而产生圆二色性[13]. 即∆A ＝A L －A R , 或者 ∆ε＝εL －εR .将手性分子溶于一个无吸收的溶剂而形成的稀溶液中, 摩尔吸光系数和摩尔吸光系数差可以表达为:ε(ν)＝1.09×1038ν∑D j f j (νj ) ∆ε(ν)＝4.35×1038ν∑R j f j (νj )D j 和R j 分别表示在频率为νj 时分子从能级g 到j 时的偶极和旋转张力. 单位分别为esu 2 和cm 2. f j 是归一化洛伦兹峰型. D j 和R j 可以进一步表示为:D j ＝|＜g |µel |j ＞|2R j ＝Im [＜g |µel |j ＞＜j |µmag |g ＞]其中µel 和µmag 分别为电子偶极和磁偶极矩运算子.在函数近似和正常的模式下, 红外吸收强度跟偶极张力D j 成正比, 而VCD 强度则旋转张力R j 成正比.这样, 通过计算基态下原子位移的偶极张力就可得到化合物的IR 图谱, 计算原子位移带来的分子的线性电子振荡和有角度的磁振荡就可以得到VCD 的强度[14].现在, 很多软件都可以直接进行振动圆二色谱的计算. 如商业软件Gaussian 03 (Gaussian Inc., http://www. ) 和免费软件Dalton 2.0 (Dalton Quantum Chemistry Program, http://www.kjemi.uio.no/dalton/ dalton.html)等. 1.3 基本方法要应用VCD 确定化合物的绝对构型, VCD 谱图必须是可以解释的, 然而, 比起电子圆二色谱(ECD), 振动圆二色谱由于其本身的复杂性、应用时间短等因素,很难形成如ECD 那样的经验和半经验规则, 以及像八区律、激子手性法那样的理论将谱图和化学结构关联起来. 在VCD 的早期应用中, 曾有学者提出多种模型来解释VCD 谱图数据, 如Fixed Partial Charge 模型, Atomic Polar Tensor 模型, Localized Molecular Orbital 模型, Coupled Oscillator 模型等[15], 但都没有令人满意的普遍性和有效性. 而后来发展的量子化学计算模拟已经成为目前最有效最成功的VCD 光谱的解释方法. 由于一对映体具有正负相反的计算谱图, 通过比较实测谱图与量子化学计算所得谱图, 从而直接判断得出化合物的绝对构型, 这就是目前振动圆二色谱确定手性分子绝对构型的基本方法.2 振动圆二色谱的测定与计算2.1 VCD 光谱仪VCD 测定仪可以看成是普通的红外测定仪加上CD 部分, 也可以看成是红外光区域的的CD 测定仪. 图2即为傅立叶变换振动圆二色谱仪的组成示意图: 非偏振光经过一个红外滤光器, 然后经过一个偏振器将其转化为平面偏振光. 平面偏振光再经过光弹调制器(photoelastic modulator, PEM)[16], 光弹调制器能在固定频率下将平面偏振光在左旋圆偏光和右旋圆偏光之间转换. 经过光弹调制器的光束穿过样品, 引起红外强度的改变, 利用红外检测器记录光强的变化. 这个红外检测器有两个通道: 一个即为普通的记录红外光谱图的通道, 另外一个通道包括一个与光弹调制器频率保持一致的锁相放大器(lock-in Amplifier), 通过它解调光弹调制器频率下的光谱信息(左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收系数之差∆ε, 相应波长等)并最终生成VCD 图谱.No. 6甘礼社等：振动圆二色谱: 一种确定手性分子绝对构型的新方法851图2 傅立叶变换振动红外圆二色谱仪示意图Figure 2 A schematic overview of a FTIR-VCD spectrometer2.2 VCD 的计算分子是以多种构象存在于溶液中的, 要计算一个分子的VCD 谱图, 首先必须寻找此分子的优势构象及其布居数, 然后对各种优势构象进行几何优化, 最后再根据VCD 的理论基础, 选择一定的计算方法和基组, 求解出该构象的振动圆二色谱谱图, 最后将各个构象的VCD 谱图按照其布居数叠加, 得到此分子的VCD 谱图. 2.2.1 构象搜索和优化VCD 计算的是分子在基态下的振动光谱, 因此在计算其VCD 之前必须对分子的构象进行优化, 得到其最低能量态构象才能进行有意义的计算. 然而, 现代理论化学研究表明, 分子在溶液中不只有一种构象. 用 VCD 测定仪在溶液中所测得的红外和振动圆二色谱图实际上是分子在溶液中各种低能量构象振动的平均结果. 因此, 在构象优化之前, 必须先找出分子的所有可能的低能量态构象及其分布, 即构象搜索(conformational search). 构象搜索的目的就是要寻找手性分子在溶液中所有可能的低能量态构象及其分布. 对于一个刚性的分子来说, 它在溶液中可能只以某一种构象存在. 然而对于一个柔性的分子来说, 它在溶液中可能以几十甚至成百上千种能量相似的构象存在. 每一种构象对应一种能量态, 而这些能量态的相对能量大小决定了每种构象在溶液中的分布概率, 即各种能量态的构象按照其能量称Boltzmann 分布:B B *//e e i i k Ti i k Ti N g N g εε−−=∑ 图3给出了构象搜索的一般过程. 其中有很多方法来完成构象的产生, 基本可以分为4种: (1)以经验规则和数据为基础的方法, (2)以分子片断为基础的方法; (3)构象分析方法; (4)纯数字计算方法. 目前, 能够完成构象搜索软件有HyperChem(Hypercube, Gainesville, FL),Spartan(Wavefunction, Irvine, CA), MacroModel (Schrodinger, Portland, OR), Insight II (Accerlrys, San Diego, CA)以及Confort (Tripos, St. Louis, MO)等. Jens Sadowski 等[17]详细描述了分子构象搜索的方法和软件.图3 构象搜索的一般过程Figure 3 General work flow of conformational search tech-niques搜索到的最低能量构象需要经过几何优化之后才能计算其IR 和VCD 强度, 没有经过几何优化的分子构象不能代表其在溶液中真正存在的最低能量态构象, 因而计算所得的数据是不可信的. 2.2.2 量子化学计算(方法与基组)计算化学有两种方法: 分子力学方法和电子结构理论. 它们所能完成的任务类型基本上是一样的: (1)完成构型优化, 确定全局或局域最小点. (2)计算特定分子结构的能量以及和能量相关的一些性质. 构型优化是化学计算的基础, 任何性质的计算都是在已优化好的分子结构上进行的.分子力学方法是用经典物理的定律预测分子的结构和性质. 很多程序里都有分子力学方法: 如MM3, HyperChem, Quanta, Sybyl 和Alchemy 等. 电子结构理论方法是以量子力学而非经典力学作为计算的基础. 在量子力学中, 分子的能量和其它相关性质是通过求解薛定谔方程得到的. 不过对于太大的体系来说, 准确求解852有机化学V ol. 29, 2009薛定谔方程是不太可能的. 各类电子结构方法的不同主要表现在求解薛定谔方程所做的近似上. 主要有三种: 半经验方法、从头算方法、密度泛函方法.半经验方法: 其特点是用根据实验数据所确定的参数简化薛定谔方程的求解计算. 由于参数的设定是由实验数据决定的, 所以不同的方法适用于不同的体系. 从头算方法方法(ab initio): 计算过程中不使用任何来自实验的参数, 只使用以下几个物理常数: 光速、电子和核的电荷、质量和普朗克常数. 所有计算都建立在量子力学原理上. 如Hartree-Fock方法. 密度泛函方法(density functional theory, DFT)是最近发展起来的第三类电子结构方法, 在很多方面与从头算方法类似. 密度泛函方法的长处在于它包含了电子相关. 比起Hartree-Fock计算法来, 密度泛函理论方法, 特别是杂化了的密度函数, 如B3LYP和B3PW91, 因其计算结果和实验值有相当好的吻合而被广泛应用于IR和VCD的计算[18].在IR和VCD的计算中, 另外一个必须要选择的就是描述分子轨道的基组. 一般而言, 基组越大, 计算结果就越好, 但同时需要的计算量也将成倍增加. 所以, 对于一般的分子, 需要选择一个合适的基组才能事半功倍, 顺利地得到足够精准的数据. 对于IR和VCD计算, 一般选择6-31G(d) 基组或者再大一点的cc-pVTZ基组, 都能给出很好的与实验值相吻合的结果[11].对于一个手性分子的每一个低能态构象逐一计算后, 再将它们的IR和VCD谱图按照Boltzmann分布率加合(2.2.1节), 就可以得到整个手性分子在溶液中的IR 和VCD谱图. 计算所得的VCD图谱与实测的VCD图谱进行比较, 与实测值接近的即为化合物的正确构型, 与实测值相反的即为化合物的对映体. 在实际应用中往往选择一段化合物特征吸收强的数据进行详细的比较才能得出正确的结论[19].3 振动圆二色谱确定有机手性分子绝对构型实例近年来, VCD不断被应用于手性分子绝对构型的测定中, 包括有机合成化合物、天然产物等.3.1 有机合成化合物绝对构型用VCD技术确定了多种类型的合成产物的绝对构型, 如手性亚砜(1)[20]、亚磺酰胺(2)[21]、长链化合物(3)[22]、具有分子间氢键的芳氧基丙酸类化合物(4)[23]、Hydrindacene (5)[24]、螺环化合物(6)[25]、桥环内酯(7)[26]、吡唑(8)[27]、昆虫信息素(9)[28]、植物抗毒素类似物(10)[29]、联苯类化合物(11)[30]、氮杂环抗抑郁药米氮平Mirta- zapine (12)[31]、trioxatricornan (13)[32]、对芳环烷重叠异构体(14)[33]、氧硫杂环己烷(15)[34]、康唑类抗真菌药物(16)[35]、金属有机络合物(＋)-tris(ethylenediaminato)- cobalt(III) [36]以及同位素取代差异[37]、分子溶液态和结晶态构象差异[38]等(Scheme 1).以手性氧硫杂环己烷[(＋)-cis-oxathiane] (15)为例,其平面构型如图4所示. 首先, 对其结构进行构象搜索,其次, 利用Gaussian 98软件分别在6-31G(d)基组水平上用杂化密度泛函B3LYP优化这两种构象并计算VCD图谱, 得到A和B的红外和VCD图谱(900～1700 cm－1),如图5所示. 最后, 对图5中所得的两种构象的VCD和IR图谱按照其布居数比例加合为一张图谱, 与实测的IR和VCD图比较(图6). 由图6可见, 计算值和实测值吻合得相当好, 因此确定了(＋)-cis-oxathiane的绝对构型.图4氧硫杂环己烷15的两种最低能量态构象Figure 4Two lowest energy conformations of compound 153.2 天然产物绝对构型确定VCD已经被广泛应用于各种类型的天然产物的绝对构型的确定之中, 如倍半萜(17～21)[39]、二萜(22)[400]、环烯醚萜(23)[41]、其它萜类(24, 25)[42]、生物碱(26, 27)[43]、海洋天然产物(28)[44]等(Scheme 2).以吲哚生物碱schizozygine (11)为例, Stephens 等[43b]首先对(2R,7S,20S,21S)构型的化合物11进行了构象分析, 通过MMFF94分子力场的蒙特卡罗构象搜索(利用Spartan 02软件)和在B3LYP/6-31G*水平上的势能面扫描(利用Gaussian 03软件)确定其具有a, a', b, b' 4种低能量态构象.然后,分别在B3L Y P/T Z2P和B3PW91/TZ2P水平上对4种构象进行几何优化(图7),计算优化的各种低能量态构象的VCD并按照其布居数No. 6 甘礼社等：振动圆二色谱: 一种确定手性分子绝对构型的新方法853Scheme 1图5(＋)-cis-oxathiane (15)的两种构象及其IR和VCD的实测和计算图谱Figure 5Measured VCD and IR spectra of (＋)-cis-oxathiane (15), and the calculated VCD and IR spectra of the two lowest energy conformers854有 机 化 学 V ol. 29, 2009图6 化合物15两种最低能量态构象按照Boltzmann 分布率加合了的IR 和VCD 计算图谱和实测图谱Figure 6 Comparison of the measured IR and VCD spectra with the calculated ones of the Boltzmann average of the two lowest energy conformers of compound15Scheme 2图7 4种最低能量态(2R ,7S ,20S ,21S )-schizozygine 构象Figure 7 Four lowest energy conformers of (2R ,7S ,20S ,21S )-schizozygine加合如图8所示. 由图8可以看出, 实验数据和两种理论计算值得到较好的吻合, 由此断定其绝对构型为(2R ,7S ,20S ,21S ). 3.3 其它应用除了在小分子有机手性化合物绝对构型确定方面的应用外, VCD 在确定生物大分子, 包括多糖、蛋白质等的结构方面也有重要应用[45]. 此外, VCD 在聚合物研究中也有重要应用[46]. 本文不一一赘述.4 总结与展望振动圆二色谱与现代量子化学计算相结合, 能够准确鉴定有机手性小分子的绝对构型, 是手性分子绝对构型确定的一项新技术. 首先, 该技术与传统技术相比,具有如下优势: (1)在溶液状态测定, 不需要单晶; (2)不No. 6甘礼社等：振动圆二色谱: 一种确定手性分子绝对构型的新方法855图8 (2R ,7S ,20S ,21S )-schizozygine 的实测VCD 谱图以及B3LYP/TZ2P 和B3PW91/TZ2P 水平上的构象加合计算谱图Figure 8 Comparison of experimental and conformationally averaged B3LYP/TZ2P and B3PW91/TZ2P VCD spectra of (2R ,7S ,20S ,21S )-schizozygine需要高的对映纯度; (3)样品中含有的非手性杂质不影响测定结果; (4)通过此鉴定过程, 可以得到手性分子在溶液中的构象及其分布. 其次, 相对于ECD 而言, VCD 也具有如下优点: (1)不需要化合物有紫外吸收, 应用范围极广; (2)相对于ECD, VCD 谱峰较窄, 信号丰富, 更容易判断; (3) ECD 计算的是分子在激发态的能量, VCD 计算的是分子在基态下的振动, 从目前计算化学的能力方面考虑, 计算VCD 更加准确.当然, 任何技术都不是完美的. VCD 作为一项新技术, 其发展和应用才刚刚起步, 也存在一些缺点: (1) VCD 测定仪的基线不稳问题(已逐步解决); (2)对于较大的复杂分子, 目前计算化学能力不够; (3)对于过度柔性的分子, 由于其常温下的低能态构象数量巨大, 且不断相互转化, 因此计算结果可信度较低.针对以上问题可以看出, 未来VCD 技术将在以下方面得到改进: (1)更加精确的计算化学密度函数的发展和计算机计算能力与技术的进步; (2)测定VCD 时分子非简谐性振动的消除; (3)溶剂效应的除去; (4)平衡态时柔性分子构象的布居数的准确推断. 事实上, VCD 技术自从被提出以来就得到越来越多的关注和研究, 仅从各大数据库中相关文献的数量就可见一斑(表1).表1 5种数据库中有关VCD 技术的期刊文献量对比 Table 1 Comparison of the quantities of VCD related articles in 5 literature databases年份ACS SD RSC Wiely Springer＜1990 79 52 10023 3 4 1990≤1995 31 29 3005 1 4 1995≤2000 32 37 3929 002000≤2005 57 41 55811 2 2005≤2008 87 47 43423 13相信随着量子化学理论的不断创新、VCD 光谱仪的普及和测定技术的不断进步、以及计算机技术的不断发展, 振动圆二色谱将逐步成为具有重要影响力的一项鉴定有机手性分子绝对构型的强有力的工具.References1 Klussmann, M.; Iwamura, H.; Mathew, S. P.; Wells, D. H.;856有机化学V ol. 29, 2009Pandya, U.; Armstrong, A.; Blackmond, D. G. Nature2006, 441, 621.2 Matthews, S. J.; McCoy, C. Clin. Ther. 2003, 25, 342.3 Doki, K.; Hayakawa, T.; Lin, W.; Yanaguimoto, H.; Ding,G.; Inotsume, N. J. Pharm. 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2009年第29卷有机化学V ol. 29, 2009第6期, 848～857 Chinese Journal of Organic Chemistry No. 6, 848～857* E-mail: zhoucx10@Received September 17, 2008; revised October 22, 2008; accepted November 18, 2008.国家自然科学基金(No. 30801429)资助项目.No. 6 甘礼社等：振动圆二色谱: 一种确定手性分子绝对构型的新方法849定手性分子的绝对构型, 该方法要求分子中必须含有某些基团或者需要衍生化, 而且要用到昂贵的手性试剂. 基于Bijvoet法的X射线衍射也时常成为有机化学家的一项重要选择, 而要确定绝对构型需要分子中有“重原子”, 而且适合的单晶培养也时常限制了它的应用. 与前三者相比, 光谱学方法由于对样品(纯度、官能团、结晶与否等)要求不高, 测量过程无损失, 因而得到了广泛应用.在光谱方法中, 最有名和应用最广泛的手性分子光学性质为旋光(OR)和圆二色谱(circular dichroism, CD). 组成平面偏振光的左旋和右旋圆偏光在通过手性介质时吸收系数不同(εR≠εL), 吸收系数之差∆ε随波长变化即可获得圆二色谱(CD). 对映异构体的CD谱图呈现正负相反. 传统的圆二色谱是指波长在200～400 nm之间的吸收谱, 20世纪70年代, 由于“八区律”、“激子手性法”[5]等方法的发现和发展, 圆二色谱得到了广泛应用. 然而, 传统的圆二色谱要求手性分子必须有紫外吸收, 这一点成为限制其应用的重大问题. 由此人们提出: 如何在红外光区频率下测定圆二色谱? 20世纪70年代, Holzwart[6], Nafie和Stephens等[7]先后成功测定了红外光区频率下的圆二色谱, 即振动圆二色谱(vibrational circular dichroism, VCD). 此后, 随着傅立叶变换红外光谱等新技术的发展, VCD的测量范围逐渐扩大为4000～750 cm−1, 测量精度不断提高, 信噪比不断降低. 1997年, 由Nafie等[7]及其公司ABB Bomem/BioTools 开发的第一台VCD光谱仪ChiralIR上市. 其后, 有多家公司分别推出其傅立叶变换红外振动圆二色谱光谱仪(FTIR VCD spectrometer), 包括: Nicolet/Thermo公司的TOM, Jasco公司的JV-2001/FVC-4000, Bio-Rad公司的FTS-60A, Bruker Optics公司的PMA37/PMA50红外附件等. VCD确定手性分子绝对构型已经得到越来越广泛地应用.由于振动光谱谱图的复杂性, VCD很难象传统圆二色谱(electronic circular dichroism, ECD)那样发展出合适的理论来进行结构-谱图的对应解释, 而只能依靠理论计算值和实测值对比来判断手性分子的绝对构型. 事实上, 随着量子化学理论的创新(如从头算ab initio, 密度泛函 DFT等)和计算机技术的进步, 很多的有机化学家已经开始采取纯理论计算, 如计算NMR[8]、旋光(OR)[9]和电子圆二色谱(ECD)[10]等, 结合实际中的实验室测定来解决手性分子构型中的许多问题. 振动圆二色谱(VCD)正是在这样的双重推动下, 近年来才取得了巨大的发展, 逐渐成为一项鉴定手性分子绝对构型的强有力的工具[11,12].本文将简要介绍振动圆二色谱的原理、确定手性化合物绝对构型的方法和应用.1 振动圆二色谱的原理与方法1.1 光的性质和VCD的产生光是一种电磁波, 是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的. 振动方向与传播方向垂直, 为横波. 横波有一个特性, 就是它的振动是有极性的. 在与传播方向垂直的平面上, 它可以向任一方向振动. 如果把这种光通过一个Nicol棱镜(起偏器), 由于它只允许振动方向与其晶轴平行的光线通过, 其它光被阻挡, 一束光线都在一个平面内振动, 称为平面偏振光(polarized light).平面偏振光通过手性物质时, 能使其偏振面发生旋转, 这种现象称之为旋光. 产生旋光的原因是, 组成平面偏振光的左旋光和右旋光在手性物质中传播时, 他们的折射率不同(n R≠n L), 这种性质叫做手性化合物的双折射性, 由此造成两个方向的圆偏光在手性物质中的传播速度不同(v R≠v L), 从而导致偏振面的旋转. 用仪器记录通过手性化合物溶液的平面偏振光的振动面偏转的角度, 即为旋光度α, 我们平常所测定的旋光即为波长在589.6 nm的Na灯的黄光下的比旋光度. 旋光度随波长的变化而变化就可获得旋光光谱(optical rotatory dispersion, ORD).组成平面偏振光的左旋圆偏光和右旋圆偏光在通过手性介质时, 不但产生因折射率、传播速度不同而导致的旋光现象, 而且还产生因吸收吸收系数不同εR≠εL 而导致的“圆二色性”. 用仪器可以记录通过手性化合物溶液的左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收系数之差∆ε, ∆ε随波长变化即可获得圆二色谱(CD). 传统的圆二色谱(CD)所用的平面偏振光的波长范围一般在200～400 nm, 属于紫外区, 由于其吸收光谱是分子电子能级跃迁引起的, 称为电子圆二色谱(ECD). 与此对应, 当平面偏振光的波长范围在红外区时, 由于其吸收光谱是分子的振动转动能级跃迁引起的, 称为振动圆二色谱(VCD). VCD谱即为红外光中的左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收系数之差∆ε随波长变化所给出的图谱(图1).长期以来, 电子圆二色谱由于其干扰少、容易测定而被广泛应用, 而振动圆二色谱在傅立叶变换红外光谱和量子化学计算的双重推动下, 最近几年才得到越来越广泛的应用. 与ECD相比, VCD的最大优势就是不需要分子中含有生色团(紫外吸收), 几乎所有手性分子都在红外区有吸收, 都会产生VCD谱图.850有 机 化 学 V ol. 29, 2009图1 光学活性分类Figure 1 Classification of optical activities1.2 计算原理手性化合物对组成平面偏振光的左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收不同而产生圆二色性[13]. 即∆A ＝A L －A R , 或者 ∆ε＝εL －εR .将手性分子溶于一个无吸收的溶剂而形成的稀溶液中, 摩尔吸光系数和摩尔吸光系数差可以表达为:ε(ν)＝1.09×1038ν∑D j f j (νj ) ∆ε(ν)＝4.35×1038ν∑R j f j (νj )D j 和R j 分别表示在频率为νj 时分子从能级g 到j 时的偶极和旋转张力. 单位分别为esu 2 和cm 2. f j 是归一化洛伦兹峰型. D j 和R j 可以进一步表示为:D j ＝|＜g |µel |j ＞|2R j ＝Im [＜g |µel |j ＞＜j |µmag |g ＞]其中µel 和µmag 分别为电子偶极和磁偶极矩运算子.在函数近似和正常的模式下, 红外吸收强度跟偶极张力D j 成正比, 而VCD 强度则旋转张力R j 成正比.这样, 通过计算基态下原子位移的偶极张力就可得到化合物的IR 图谱, 计算原子位移带来的分子的线性电子振荡和有角度的磁振荡就可以得到VCD 的强度[14].现在, 很多软件都可以直接进行振动圆二色谱的计算. 如商业软件Gaussian 03 (Gaussian Inc., http://www. ) 和免费软件Dalton 2.0 (Dalton Quantum Chemistry Program, http://www.kjemi.uio.no/dalton/ dalton.html)等. 1.3 基本方法要应用VCD 确定化合物的绝对构型, VCD 谱图必须是可以解释的, 然而, 比起电子圆二色谱(ECD), 振动圆二色谱由于其本身的复杂性、应用时间短等因素,很难形成如ECD 那样的经验和半经验规则, 以及像八区律、激子手性法那样的理论将谱图和化学结构关联起来. 在VCD 的早期应用中, 曾有学者提出多种模型来解释VCD 谱图数据, 如Fixed Partial Charge 模型, Atomic Polar Tensor 模型, Localized Molecular Orbital 模型, Coupled Oscillator 模型等[15], 但都没有令人满意的普遍性和有效性. 而后来发展的量子化学计算模拟已经成为目前最有效最成功的VCD 光谱的解释方法. 由于一对映体具有正负相反的计算谱图, 通过比较实测谱图与量子化学计算所得谱图, 从而直接判断得出化合物的绝对构型, 这就是目前振动圆二色谱确定手性分子绝对构型的基本方法.2 振动圆二色谱的测定与计算2.1 VCD 光谱仪VCD 测定仪可以看成是普通的红外测定仪加上CD 部分, 也可以看成是红外光区域的的CD 测定仪. 图2即为傅立叶变换振动圆二色谱仪的组成示意图: 非偏振光经过一个红外滤光器, 然后经过一个偏振器将其转化为平面偏振光. 平面偏振光再经过光弹调制器(photoelastic modulator, PEM)[16], 光弹调制器能在固定频率下将平面偏振光在左旋圆偏光和右旋圆偏光之间转换. 经过光弹调制器的光束穿过样品, 引起红外强度的改变, 利用红外检测器记录光强的变化. 这个红外检测器有两个通道: 一个即为普通的记录红外光谱图的通道, 另外一个通道包括一个与光弹调制器频率保持一致的锁相放大器(lock-in Amplifier), 通过它解调光弹调制器频率下的光谱信息(左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收系数之差∆ε, 相应波长等)并最终生成VCD 图谱.No. 6甘礼社等：振动圆二色谱: 一种确定手性分子绝对构型的新方法851图2 傅立叶变换振动红外圆二色谱仪示意图Figure 2 A schematic overview of a FTIR-VCD spectrometer2.2 VCD 的计算分子是以多种构象存在于溶液中的, 要计算一个分子的VCD 谱图, 首先必须寻找此分子的优势构象及其布居数, 然后对各种优势构象进行几何优化, 最后再根据VCD 的理论基础, 选择一定的计算方法和基组, 求解出该构象的振动圆二色谱谱图, 最后将各个构象的VCD 谱图按照其布居数叠加, 得到此分子的VCD 谱图. 2.2.1 构象搜索和优化VCD 计算的是分子在基态下的振动光谱, 因此在计算其VCD 之前必须对分子的构象进行优化, 得到其最低能量态构象才能进行有意义的计算. 然而, 现代理论化学研究表明, 分子在溶液中不只有一种构象. 用 VCD 测定仪在溶液中所测得的红外和振动圆二色谱图实际上是分子在溶液中各种低能量构象振动的平均结果. 因此, 在构象优化之前, 必须先找出分子的所有可能的低能量态构象及其分布, 即构象搜索(conformational search). 构象搜索的目的就是要寻找手性分子在溶液中所有可能的低能量态构象及其分布. 对于一个刚性的分子来说, 它在溶液中可能只以某一种构象存在. 然而对于一个柔性的分子来说, 它在溶液中可能以几十甚至成百上千种能量相似的构象存在. 每一种构象对应一种能量态, 而这些能量态的相对能量大小决定了每种构象在溶液中的分布概率, 即各种能量态的构象按照其能量称Boltzmann 分布:B B *//e e i i k Ti i k Ti N g N g εε−−=∑ 图3给出了构象搜索的一般过程. 其中有很多方法来完成构象的产生, 基本可以分为4种: (1)以经验规则和数据为基础的方法, (2)以分子片断为基础的方法; (3)构象分析方法; (4)纯数字计算方法. 目前, 能够完成构象搜索软件有HyperChem(Hypercube, Gainesville, FL),Spartan(Wavefunction, Irvine, CA), MacroModel (Schrodinger, Portland, OR), Insight II (Accerlrys, San Diego, CA)以及Confort (Tripos, St. Louis, MO)等. Jens Sadowski 等[17]详细描述了分子构象搜索的方法和软件.图3 构象搜索的一般过程Figure 3 General work flow of conformational search tech-niques搜索到的最低能量构象需要经过几何优化之后才能计算其IR 和VCD 强度, 没有经过几何优化的分子构象不能代表其在溶液中真正存在的最低能量态构象, 因而计算所得的数据是不可信的. 2.2.2 量子化学计算(方法与基组)计算化学有两种方法: 分子力学方法和电子结构理论. 它们所能完成的任务类型基本上是一样的: (1)完成构型优化, 确定全局或局域最小点. (2)计算特定分子结构的能量以及和能量相关的一些性质. 构型优化是化学计算的基础, 任何性质的计算都是在已优化好的分子结构上进行的.分子力学方法是用经典物理的定律预测分子的结构和性质. 很多程序里都有分子力学方法: 如MM3, HyperChem, Quanta, Sybyl 和Alchemy 等. 电子结构理论方法是以量子力学而非经典力学作为计算的基础. 在量子力学中, 分子的能量和其它相关性质是通过求解薛定谔方程得到的. 不过对于太大的体系来说, 准确求解852有机化学V ol. 29, 2009薛定谔方程是不太可能的. 各类电子结构方法的不同主要表现在求解薛定谔方程所做的近似上. 主要有三种: 半经验方法、从头算方法、密度泛函方法.半经验方法: 其特点是用根据实验数据所确定的参数简化薛定谔方程的求解计算. 由于参数的设定是由实验数据决定的, 所以不同的方法适用于不同的体系. 从头算方法方法(ab initio): 计算过程中不使用任何来自实验的参数, 只使用以下几个物理常数: 光速、电子和核的电荷、质量和普朗克常数. 所有计算都建立在量子力学原理上. 如Hartree-Fock方法. 密度泛函方法(density functional theory, DFT)是最近发展起来的第三类电子结构方法, 在很多方面与从头算方法类似. 密度泛函方法的长处在于它包含了电子相关. 比起Hartree-Fock计算法来, 密度泛函理论方法, 特别是杂化了的密度函数, 如B3LYP和B3PW91, 因其计算结果和实验值有相当好的吻合而被广泛应用于IR和VCD的计算[18].在IR和VCD的计算中, 另外一个必须要选择的就是描述分子轨道的基组. 一般而言, 基组越大, 计算结果就越好, 但同时需要的计算量也将成倍增加. 所以, 对于一般的分子, 需要选择一个合适的基组才能事半功倍, 顺利地得到足够精准的数据. 对于IR和VCD计算, 一般选择6-31G(d) 基组或者再大一点的cc-pVTZ基组, 都能给出很好的与实验值相吻合的结果[11].对于一个手性分子的每一个低能态构象逐一计算后, 再将它们的IR和VCD谱图按照Boltzmann分布率加合(2.2.1节), 就可以得到整个手性分子在溶液中的IR 和VCD谱图. 计算所得的VCD图谱与实测的VCD图谱进行比较, 与实测值接近的即为化合物的正确构型, 与实测值相反的即为化合物的对映体. 在实际应用中往往选择一段化合物特征吸收强的数据进行详细的比较才能得出正确的结论[19].3 振动圆二色谱确定有机手性分子绝对构型实例近年来, VCD不断被应用于手性分子绝对构型的测定中, 包括有机合成化合物、天然产物等.3.1 有机合成化合物绝对构型用VCD技术确定了多种类型的合成产物的绝对构型, 如手性亚砜(1)[20]、亚磺酰胺(2)[21]、长链化合物(3)[22]、具有分子间氢键的芳氧基丙酸类化合物(4)[23]、Hydrindacene (5)[24]、螺环化合物(6)[25]、桥环内酯(7)[26]、吡唑(8)[27]、昆虫信息素(9)[28]、植物抗毒素类似物(10)[29]、联苯类化合物(11)[30]、氮杂环抗抑郁药米氮平Mirta- zapine (12)[31]、trioxatricornan (13)[32]、对芳环烷重叠异构体(14)[33]、氧硫杂环己烷(15)[34]、康唑类抗真菌药物(16)[35]、金属有机络合物(＋)-tris(ethylenediaminato)- cobalt(III) [36]以及同位素取代差异[37]、分子溶液态和结晶态构象差异[38]等(Scheme 1).以手性氧硫杂环己烷[(＋)-cis-oxathiane] (15)为例,其平面构型如图4所示. 首先, 对其结构进行构象搜索,其次, 利用Gaussian 98软件分别在6-31G(d)基组水平上用杂化密度泛函B3LYP优化这两种构象并计算VCD图谱, 得到A和B的红外和VCD图谱(900～1700 cm－1),如图5所示. 最后, 对图5中所得的两种构象的VCD和IR图谱按照其布居数比例加合为一张图谱, 与实测的IR和VCD图比较(图6). 由图6可见, 计算值和实测值吻合得相当好, 因此确定了(＋)-cis-oxathiane的绝对构型.图4氧硫杂环己烷15的两种最低能量态构象Figure 4Two lowest energy conformations of compound 153.2 天然产物绝对构型确定VCD已经被广泛应用于各种类型的天然产物的绝对构型的确定之中, 如倍半萜(17～21)[39]、二萜(22)[400]、环烯醚萜(23)[41]、其它萜类(24, 25)[42]、生物碱(26, 27)[43]、海洋天然产物(28)[44]等(Scheme 2).以吲哚生物碱schizozygine (11)为例, Stephens 等[43b]首先对(2R,7S,20S,21S)构型的化合物11进行了构象分析, 通过MMFF94分子力场的蒙特卡罗构象搜索(利用Spartan 02软件)和在B3LYP/6-31G*水平上的势能面扫描(利用Gaussian 03软件)确定其具有a, a', b, b' 4种低能量态构象.然后,分别在B3L Y P/T Z2P和B3PW91/TZ2P水平上对4种构象进行几何优化(图7),计算优化的各种低能量态构象的VCD并按照其布居数No. 6 甘礼社等：振动圆二色谱: 一种确定手性分子绝对构型的新方法853Scheme 1图5(＋)-cis-oxathiane (15)的两种构象及其IR和VCD的实测和计算图谱Figure 5Measured VCD and IR spectra of (＋)-cis-oxathiane (15), and the calculated VCD and IR spectra of the two lowest energy conformers854有 机 化 学 V ol. 29, 2009图6 化合物15两种最低能量态构象按照Boltzmann 分布率加合了的IR 和VCD 计算图谱和实测图谱Figure 6 Comparison of the measured IR and VCD spectra with the calculated ones of the Boltzmann average of the two lowest energy conformers of compound15Scheme 2图7 4种最低能量态(2R ,7S ,20S ,21S )-schizozygine 构象Figure 7 Four lowest energy conformers of (2R ,7S ,20S ,21S )-schizozygine加合如图8所示. 由图8可以看出, 实验数据和两种理论计算值得到较好的吻合, 由此断定其绝对构型为(2R ,7S ,20S ,21S ). 3.3 其它应用除了在小分子有机手性化合物绝对构型确定方面的应用外, VCD 在确定生物大分子, 包括多糖、蛋白质等的结构方面也有重要应用[45]. 此外, VCD 在聚合物研究中也有重要应用[46]. 本文不一一赘述.4 总结与展望振动圆二色谱与现代量子化学计算相结合, 能够准确鉴定有机手性小分子的绝对构型, 是手性分子绝对构型确定的一项新技术. 首先, 该技术与传统技术相比,具有如下优势: (1)在溶液状态测定, 不需要单晶; (2)不No. 6甘礼社等：振动圆二色谱: 一种确定手性分子绝对构型的新方法855图8 (2R ,7S ,20S ,21S )-schizozygine 的实测VCD 谱图以及B3LYP/TZ2P 和B3PW91/TZ2P 水平上的构象加合计算谱图Figure 8 Comparison of experimental and conformationally averaged B3LYP/TZ2P and B3PW91/TZ2P VCD spectra of (2R ,7S ,20S ,21S )-schizozygine需要高的对映纯度; (3)样品中含有的非手性杂质不影响测定结果; (4)通过此鉴定过程, 可以得到手性分子在溶液中的构象及其分布. 其次, 相对于ECD 而言, VCD 也具有如下优点: (1)不需要化合物有紫外吸收, 应用范围极广; (2)相对于ECD, VCD 谱峰较窄, 信号丰富, 更容易判断; (3) ECD 计算的是分子在激发态的能量, VCD 计算的是分子在基态下的振动, 从目前计算化学的能力方面考虑, 计算VCD 更加准确.当然, 任何技术都不是完美的. VCD 作为一项新技术, 其发展和应用才刚刚起步, 也存在一些缺点: (1) VCD 测定仪的基线不稳问题(已逐步解决); (2)对于较大的复杂分子, 目前计算化学能力不够; (3)对于过度柔性的分子, 由于其常温下的低能态构象数量巨大, 且不断相互转化, 因此计算结果可信度较低.针对以上问题可以看出, 未来VCD 技术将在以下方面得到改进: (1)更加精确的计算化学密度函数的发展和计算机计算能力与技术的进步; (2)测定VCD 时分子非简谐性振动的消除; (3)溶剂效应的除去; (4)平衡态时柔性分子构象的布居数的准确推断. 事实上, VCD 技术自从被提出以来就得到越来越多的关注和研究, 仅从各大数据库中相关文献的数量就可见一斑(表1).表1 5种数据库中有关VCD 技术的期刊文献量对比 Table 1 Comparison of the quantities of VCD related articles in 5 literature databases年份ACS SD RSC Wiely Springer＜1990 79 52 10023 3 4 1990≤1995 31 29 3005 1 4 1995≤2000 32 37 3929 002000≤2005 57 41 55811 2 2005≤2008 87 47 43423 13相信随着量子化学理论的不断创新、VCD 光谱仪的普及和测定技术的不断进步、以及计算机技术的不断发展, 振动圆二色谱将逐步成为具有重要影响力的一项鉴定有机手性分子绝对构型的强有力的工具.References1 Klussmann, M.; Iwamura, H.; Mathew, S. P.; Wells, D. H.;856有机化学V ol. 29, 2009Pandya, U.; Armstrong, A.; Blackmond, D. G. Nature2006, 441, 621.2 Matthews, S. J.; McCoy, C. Clin. Ther. 2003, 25, 342.3 Doki, K.; Hayakawa, T.; Lin, W.; Yanaguimoto, H.; Ding,G.; Inotsume, N. J. Pharm. 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