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  • CONFLEX應用案例第三期–采用電子和振動圓二色譜與量化計算確定絕對構型

    CONFLEX應用案例第三期–采用電子和振動圓二色譜與量化計算確定絕對構型

    文獻來源

    Prasad L. Polavarapu, Jadwiga Frelek, Magdalena Wo?nica. Determination of the absolute configurations using electronic and vibrational circular dichroism measurements and quantum chemical calculations. Tetrahedron: Asymmetry 22 (2011) 1720–1724.

    摘要

    通過化學反應產物的立體化學未必能在化學反應示意圖上顯示得一清二楚。比如,在最近的一些碳青霉烷有關的研究中,合成產物二烯化合物ii具有很強的反應性,在室溫下與空氣中的氧原子會發生自發氧化反應,最終轉化環氧化合物1(圖1)?;衔?strong>1帶有3個手性中心(3、4和5位C原子),5位C原子的絕對構型可以通過反應路徑和電子圓二色譜(ECD)的一個正的科頓效應(Cotton effect)來確定,但是要確定C3和C4的絕對構型,就不是一件容易的事了。對于這種情況的立體化學確證,一種簡便方法的識別自然是極為需要的。

    Prasad L. Polavarapu及其同事采用了三種不同的方法來解決這個問題:1、實驗NOE測量;2、實驗ECD譜測量及量化預測分析;3、實驗振動圓二色譜(Vibrational circular dichroism,VCD)譜測量及量化預測分析。研究表明,NOE數據無法提供足夠的證據來確定絕對構型,而ECD數據則不足以分辨兩個可能的立體異構體。相反,VCD圖譜分析能夠對兩個可能的立體異構體進行區分且對其絕對構型進行歸屬。

    CONFLEX應用案例三,圖1

    圖1,二烯化合物ii的合成及自發性氧化反應

    計算步驟

    1. 構建模型分子

    為降低計算量,將化合物1中的TBDMS替換為三甲基硅氧基,分別命名為EP1和EP2(圖2)。

    ?CONFLEX應用案例三,圖二圖二,用于理論預測的兩個立體異構體

     

    2. 構象分析

    為避免構象遺漏,采用兩個不同的基于分子力學的構象搜索程序CONFLEX和SPARTAN為EP1和EP2進行構象搜索。結果表明,兩個程序的最低能構象相同,因此只選用CONFLEX程序獲得的構象。

    ?3. 量化計算結構優化

    使用Gaussian 09在B3LYP/6-31G*和B3LYP/aug-cc-pVDZ理論水平下進行兩步氣相結構優化計算??紤]到溶劑化效應,采用溶劑模型對各構象再次優化。由于ECD和VCD分別在乙腈和二氯甲烷溶劑中測得,因此,在進行ECD和VCD理論計算時,采用不同條件,即B3LYP/aug-cc-pVDZ/PCM(CH3CN)和B3LYP/aug-cc-pVDZ/PCM(CH2Cl2)(圖3)。

    CONFLEX應用案例三,圖三

    圖三,在B3LYP/aug-cc-pVDZ/PCM(CH2Cl2)水平下優化的EP1和EP2的最低能構象

     

    4. EA和ECD計算

    在上述計算的基礎上,采用TD-DFT方法在同樣理論水平下計算電子吸收光譜(EA)和電子圓二色譜(ECD)。采用高斯展寬獲得譜圖,并依據玻爾茲曼分布獲得加權ECD譜。

    5. VA和VCD計算

    類似地,在上述計算的基礎上,在同樣理論水平下計算振動吸收光譜(EA)和振動圓二色譜(ECD)。采用洛倫茲展寬獲得譜圖,并依據玻爾茲曼分布獲得加權VCD譜。

    6. 絕對構型確證

    分析表明:1)EP1和EP2具有實驗ECD譜所見的相似的ECD特征,因此,單憑ECD譜不能區分這兩個非對映體,因而不能確定化合物1的絕對構型(圖4);2)EP1和EP2在C=O伸縮區域(1850-1500 cm-1)的VCD譜均與實驗VCD譜非常吻合,單憑這一點,不能區分兩種構型(圖5左);3)EP1在1500-900 cm-1區域的VCD譜與實驗VCD譜非常吻合,而EP2的VCD譜在該區域有較大差異(圖5右)。綜合上述分析,可以確定化合物1的絕對構型。

    CONFLEX應用案例三,圖4

    圖4,EP1、EP2和實驗EA和ECD譜的比較

    CONFLEX應用案例三,圖5

    圖5,EP1、EP2和實驗VA和VCD譜在不同區域的比較

    結論

    在特定情況下,NOE和ECD譜均不足以區分立體異構體,采用對比實驗和計算VCD譜的方法,可以有效區分,從而確定化合物的絕對構型。構象分析是ECD計算的重要環節,采用CONFLEX程序能夠獲得所有可能構象,保證ECD和VCD計算及玻爾茲曼加權平均的完備性。

    亮點

    1. 采用多種方法(NOE、ECD和VCD)綜合比較,確定化合物絕對構型,比單一方法更可靠有效;
    2. 采用CONFLEX進行構象分析,為ECD和VCD計算及玻爾茲曼加權平均提供完備的構象;
    3. 依據玻爾茲曼分布對各個構象的ECD和VCD譜進行加權疊加,獲得與實驗非常吻合的圖譜,提高結構確證的準確度。

    關鍵軟件與技術

    CONFLEX: 提供精準的構象分析技術

    Gaussian 09:TD-DFT方法進行ECD與VCD計算

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