摘要:在天然产物的结构确证中经常需要用电子圆二色性(electronic circular dichroism,ECD)来确定化合物绝对构型,通过TD-DFT理论计算ECD图谱与实验ECD图谱比较可以辅助立体化学结构确证。本教程以Gaussian软件为基础,描述了TD-DFT理论计算ECD的详细过程。

Gaussian教程--ECD计算

作者:肖高铿
电邮: gkxiao@molcalx.com

一. ECD计算简介

确定化合物的绝对构型(absolute configuration,AC)在天然产物的结构确证里经常是个挑战性的工作。当一个手性化合物具有合适生色团,电子圆二色性(electronic circular dichroism,ECD)就或许可以成为结构确诊的强力工具。近几年,越来越多的人用TDDFT(time-dependent density functional theory)理论来进行ECD计算辅助结构确证。也越来越多的综述对ECD计算进行总结,比如Nugroho A. E.与H. Morita(2014)就详细地总结、评述了ECD计算的方法与流程;另外《国际药学研究杂志》2015年12月第42卷第6期为一专刊《解释天然产物立体结构的技术与方法》,本期就有很多文章对ECD计算进行结构确证进行了细致的描述。

本教程按照Nugroho, A. E.与H. Morita(2014)的计算流程,详细描述如何进行计算预测理论ECD光谱。

二. ECD计算流程

ECD计算流程如图1所示。假设一个化合物是柔性的,那么它在溶液中就存在多个构象,实验测得的UV、ECD是这个化合物多个构象在时间与空间的平均,因此需要对这个化合物进行构象搜索获得低能构象集,再分别对每个构象进行UV与ECD计算,最后采用玻尔兹曼平均获得最终的图谱。

Gaussian教程–ECD计算-墨灵格的博客

图1. ECD计算流程图

第一步. 构象搜索

流程中的构象搜索可以用CONFLEX或Torch来实现。CONFLEX是一款用户非常友好的穷尽构象搜索软件,可以非常方便的完成构象搜索。它采用MMFF94S力场,报告每个构象占据构象空间的百分比,可以依此比例挑出合理的低能构象集用于进一步的结构优化;而Torch也是一款用户非常友好的构象搜索软件,在构象搜索前可以设定能量窗、并去除重复构象以控制构象多样性(通过设定RMS阈值来控制)。

CONFLEX构象搜索教程:http://blog.molcalx.com.cn/2016/04/12/conflex-conformation-search.html

Torch构象搜索教程:http://blog.molcalx.com.cn/2016/06/04/torch-tutorial-conformation-hunting.html

第二步. 采用量子化学计算对第一步获得的每个构象进行再次优化

第一步采用分子力学获得了低能构象集,排除了不可能的构象;在第一步的基础上,需要对每个构象分别采用DFT进行再次优化、并将溶剂考虑进来以获得真正的低能构象。本步计算采用Gaussian 09软件来进行。

第三步. 采用TDDFT计算激发态

在第二步优化的低能构象基础上,采用相同的基组与方法进行TDDFT计算。本步计算采用Gaussian 09软件来进行。

第四步. 数据处理与图谱生成

SpecDis是Bruhn T(2013)等人专为生成VCD、ECD、UV等图谱而设计的软件。SpecDis可以直接读入第三步的Gaussian计算结果并画出UV与ECD图谱;还可以将几个图谱进行玻尔兹曼平均获得最终图谱;还可以将计算的图谱与实验图谱进行定性、定量地比较以辅助确定绝对构型。

GaussView也可以用来生成UV与ECD图谱,但是目前的版本还没有玻尔兹曼分布计算、比较计算图谱与实验图谱的功能。

总的来说,ECD计算可以分为四个步骤来完成,分别用到不同的软件,总结如图3所示。
Gaussian教程–ECD计算-墨灵格的博客

图3. ECD计算步骤与用到的软件

三. 操作

因为CONFLEX已经另有教程且SpecDic的使用极其简单,所以本教程主要提供了第二、三步的操作。假设CONFLEX计算后,每个构象被保存为一个sdf格式文件,其中第1、2、3...构象分别保存为CONF_1.sdf, CONF_2.sdf, CONF_3.sdf...。我们现在以其中的第一个构象CONF_1.sdf为例说明如何进行上述的量化计算再优化与激发态计算。

1. 采用量子化学计算对第一步获得的每个构象进行再次优化

(1) 用GaussView读入CONF_1.sdf

File>Open
在Open File对话框里设定文件类型为MDL FILES, 选取CONF_1.sdf, 点击打开按钮。
注:GaussView支持Mol2,Mol,SDF,PDB等常见的文件格式。

(2) 生成作业文件

Calculate > Gaussian Calculation Set up

弹出Gaussian Calculation Setup对话框,设定Job Type为Optimization;

点击Edit, 弹出Gaussian Calculation对话框,点击Save,将作业保存为CONF_1_min.gjf;此时会弹出写字版编辑器,编辑以#开头的Route部分,确保其内容为:

#p opt apfd/6-311+g(2d,p) SCRF=(IEFPCM,Solvent=Methanol) integral(ultrafinegrid)

点击保存,关闭写字板。

(3) 提交作业

关闭写字板后会弹出Run Gaussian对话框,点击OK开始进行计算。也可以取消作业,之后再用Gaussian打开上述的作业文件CONF_1_min.gjf进行计算。

计算完毕获得CONF_1_min.chk, CONF_1_min.log两个文件。

(4) 小结

总的来说,在这个练习中,我们用GaussView读入了CONFLEX搜索获得的结构,并用GaussView生成了结构优化的作业文件,并进一步提交了该作业。本次的结构优化在apfd/6-311+g(2d,p)理论水平进行,并用PCM溶剂模型考虑了甲醇的溶剂效应。

注意:建议追加个频率计算以确认能量最小化计算获得的结构不含虚频,Route部分:

#p opt freq apfd/6-311+g(2d,p) SCRF=(IEFPCM,Solvent=Methanol) integral(ultrafinegrid)

2. 激发态计算(UV与ECD)

用GaussView打开上一步生成的log文件CONF_1_min.log,用GaussView读入该文件,用类似上步优化的作业文件过程,新建一个作业存为CONF_1_ecd.gjf,Route部分内容如下:

#p td=(nstates=30) apfd/6-311+g(2d,p) SCRF=(IEFPCM,Solvent=Methanol) integral(ultrafinegrid)

计算获得CONF_1_ecd.chk与CONF_1_ecd.log两个文件。

注:
1)上面推荐用的apfd/6-311+g(2d,p)是Gaussian 09 D.01的标准方法,与B3LYP相比,APFD增加了色散作用项,但是计算速度与B3LYP相当。
2)nstates=30,视实验图谱与计算图谱的差异而增减,如果实验图谱比计算图谱多出峰,请增加。

3. 图谱处理

TD计算给出State的波长与振子强度、转子强度,将波长~振子强度画图,得紫外图谱;波长~转子强度画图,获得得ECD图谱。如何用Excel作图,可具体参考Gaussian 网站教程。更加简便的处理方法是用GaussView或第三方软件SpecDis等来进行处理。

用GaussView或SpecDis读入CONF_1_ecd.log文件(见图4),就可以生成相应的UV与ECD图谱(见图5),可以将数据导出到Excel里与实验值进行比较(图6),这里不再详细进行叙述。

需要提醒的是,一定要使用UV进行shift值校正,如果不使用UV提供的校正,SpecDis经常会给出一个很大Shift值的ECD图谱,而其科顿效应不能得到正确归属。出现这个现象的原因是:SpecDis用曲线下面积差(越小越好)作为打分函数,导致-50nM的偏移比之-3nM的偏移打分仅仅好那么一点点SpecDis就将-50nM的偏移作为最佳结果推荐给用户。过高的UV shift值意味着过拟合,此情况下得到的结论必然不靠谱。

Gaussian教程–ECD计算-墨灵格的博客

图4. GaussView可以读入激发态计算结果,绘制UV与ECD图谱

Gaussian教程–ECD计算-墨灵格的博客

图5. GaussView可以读入激发态计算结果,绘制UV与ECD图谱

Gaussian教程–ECD计算-墨灵格的博客

图6. GaussView可以将UV,ECD等图谱以数据点格式导出给第三方软件使用,比如Excel:在图谱上点击右键>Save Data

Gaussian教程–ECD计算-墨灵格的博客

图7. Excel模拟一个化合物8个构象的图谱及其玻尔兹曼平均图谱

四. 文献

[1] Nugroho, A. E. and H. Morita (2014). Circular dichroism calculation for natural products. J Nat Med 68(1): 1-10. DOI:10.1007/s11418-013-0768-x

[2]Bruhn, T.; Schaumlöffel, A.; Hemberger, Y.; Bringmann, G.; SpecDis Version 1.64 ed.; University of Würzburg: Würzburg, Germany, 2013.

[3]Bruhn, T.; Schaumlöffel, A.; Hemberger, Y.; Bringmann, G. SpecDis: Quantifying the Comparison of Calculated and Experimental Electronic Circular Dichroism Spectra, Chirality, 2013, 25, 243–249.

[4]Gaussian Inc.(2016,February 25) Ploting UV/VIS SPECTRA FROM OSCILLATOR AND DIPOLE STRENGTH. Retrieved from http://www.gaussian.com/g_whitepap/tn_uvvisplot.htm

[5] 陈国栋,肖高铿等 电子圆二色谱计算方法在天然产物绝对构型确定中的应用. 国际药学研究杂志. 2015, 42(6):738-743

五. 联系我们

电邮:info@molcalx.com
电话:020-38261356
单位:广州市墨灵格信息科技有限公司
网站:http://www.molcalx.com.cn/gaussian-09

CONFLEX软件试用申请与下载:http://www.conflex.net

同时请提交CONFLEX试用license申请的中文信并提交: