手性化合物立体结构鉴定中的若干关键共性科学问题探讨

doi:10.7503/cjcu20200726

摘要/Abstract

摘要：

对于手性化合物立体化学理论与实验相结合的研究中容易出现的相关共性科学问题进行了讨论, 包括计算化学中软件、简化模型的使用及计算过程中相关方法的应用范围和前提条件. 针对性地提出了在能量分析、旋光光谱(OR)、电子圆二色光谱(ECD)、振动圆二色光谱(VCD)和核磁共振碳谱(¹³C NMR)等计算中可能出现的陷阱以及规避方法, 并考察了相关的计算实例.

关键词: 计算软件, 简化模型, 绝对构型鉴定, 手性化合物

Abstract:

Possible calculation traps， which frequently appeared in absolute configuration determinations， are discussed here. These include （1） how to avoid falling into the traps during using various software in calculation procedure，（2） how to use simplified models to representative original chiral molecules， and （3） to find limitation of some software and the premise of their application. Some suggestions are provided for the resear-chers who are not very familiar with the calculation procedures to avoid falling into the traps during the calculations of optical rotation（OR）， electronic circular dichroism（ECD）， vibrational circular dichroism（VCD）， and ¹³C nuclear magnetic resonance（NMR） spectra. Some examples are given for readers to understand the details in the absolute configuration determination procedures.

Key words: Computational software, Simplified model, Absolute configuration determination, Chiral compound

中图分类号:

O641.6

TrendMD:

王煦鑫, 朱华结. 手性化合物立体结构鉴定中的若干关键共性科学问题探讨. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1685.

WANG Xuxin, ZHU Huajie. Discussion of the Key and Common Academic Questions in Absolute Configuration Determination of Chiral Compounds. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1685.

图/表 18

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

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

Conformer	ΔE₁^a/(kJ·mol^-1)	Molar fraction(%)	ΔE₂^b/(kJ·mol^-1)	Molar fraction(%)	Mosher prediction^c	Agreement
(R)?1a	2.289	30	0.354	46	Major	No
(R)?1b	0	70	0	54	Minor	No
(S)?1a	0	54	0.837	42	Major	No
(S)?1b	0.378	46	0	58	Minor	No

Fig.2 Two stable conformers of compound 2

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

Fig.4 Effect of axial chirality on ECD spectra of compound 2Comparison of calculated ECD of (Sa,S)?2a with that of (Ra,S)?2b.

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

Fig.6 Four conformers of enantiomers 3 and 4

Table 2 Calculated relative energy of the four enantiomers

Enantiomer	Energy of AM1/(kJ·mol^-1)	Energy of B3LYP/6?31G(d)/(kJ·mol^-1)
M?3a	0.0000(00)	0.0000(00)
M?3b	0.0502(85)	0.0819(65)
P?4a	0.0000(00)	0.0000(00)
P?4b	0.0502(27)	0.0819(65)

Fig.7 Four conformer structures of compound 5

Fig.8 Four stable conformers of compound 6

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

Compound	ΔE/(kJ·mol^-1)	Mole fraction	$[α] D$ /(^o)	Contribution to $[α] D$	Net $[α] D$
6a	0.000	1.000	-48.3	-48.26	-48.26
6c	3.507	0.242	24.3	5.9	-1.7
6d	2.118	0.425	-17. 9	-7. 6

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

Compound	ΔE/(kJ·mol^-1)	Mole fraction	$[α] D$ /(^o)	Contribution to $[α] D$	Net $[α] D$
6a	0.000	1.000	-48.3	-48.26	-48.26
6c	3.507	0.242	24.3	5.9	-1.7
6d	2.118	0.425	-17. 9	-7. 6

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

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)Optimizations and ECD calculations were performed at the B3LYP/6?311+G(d) level in the gas phase.

Fig.12 Compound 11 and its simplified models 12 and 13, and their ECD spectras for the isolated enantiomersCurves a and b were ECD spectra of enantiomers (R)?11 and (S)?11, respectively.

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

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

Fig.14 Structures of compounds 18 and 19

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