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adf:ecd

这是本文档旧的修订版!


如何计算电子圆二色(ECD)谱

本文以“电子圆二色谱技术在天然产物绝对构型确定中的应用,《国际药学研究杂志》,卷42,第6期,P734”中测量过ECD谱的两种异构分子为例,对ADF中的ECD计算功能进行演示。

文中两个分子结构如下:

二者对应的ECD谱如下(实线):

图中单位为L/Mol·cm-1,ADF计算的单位是10-40·esu·cm·erg/Gauss

计算之前,应该进行结构优化,这里省略了这个步骤的说明,您可以下载计算文件,其中包括结构优化、ECD计算。需要说明的是:其中的甲醇分子的位置对ECD的影响并不大,所以即使没有严格收敛,也并不太影响ECD的计算。

ECD计算参数设置

下面以B分子为例:

A分子计算参数完全相同,这里不赘言。

保存任务后,提交计算。

结果查看

ADF LOGO > Spectra > Spectra > CD:

  • 窗口上方显示的是ECD谱(可以通过调整窗口中间的peak width来调整谱图的展宽情况),可以用过鼠标拖动、滚轮放大缩小调整;
  • 窗口下方具体列出了ECD的峰的位置、强度(有正、负值)。

每一个ECD的峰,对应一个激发态,这些激发态是由哪些占据轨道到哪些空轨道的激发,可以在窗口中菜单栏,选择:Spectra > Excitation,窗口切换为显示紫外吸收谱,下方的窗口列出了这些激发态的情况,点击其中每一行,可以看到该激发态的组成,点击蓝色的字,可以看到这些轨道的具体空间分布(详见下文)。

结果比较

调整A、B分子的ECD谱的展宽,与文献中的实验测量结果比对:

A分子的ECD谱(横坐标上的短红线是ECD峰的位置,具体数字对应上面的图中,下方的窗口):

B分子的ECD谱:

可以看到A、B两种分子,波长最长的峰的位置和实验值(本文第2图)都符合的很好。波长更短的部分,波形与实验结果也符合的相当好,能够成功的区分两种异构体。

分析A分子的正Cotton效应

文中,实验测量值在218nm、333nm处,出现较强的正的Cotton效应。我们调整ECD展宽为1(或者更小,例如0.2),可以看到峰的精确位置:

峰的大致位置和下方表格中具体的峰的具体波长数值,用不同蓝色的框和箭头对应起来了。分别为212nm、343nm,与实验值符合的比较好。

我们来看看212nm的峰是由什么轨道跃迁到什么轨道产生的(在窗口中菜单栏,选择:Spectra > Excitation,窗口切换为显示紫外吸收谱):

可以看到,贡献较大的,有好几组轨道,主要有56A→60A、56A→59A、54A→58A三组跃迁构成。我们来看贡献的30%的56A→60A:点击蓝色的字“56A→60A”,即分别弹出56A轨道、60A轨道,窗口的名字中包含轨道的名字,例如SCF_A_56表示56A。其中A为不可约表示的名字,不可约表示可以参考:分子对称性、点群与不可约表示、轨道对称性的通俗理解

文献中,这个正Cotton效应,主要贡献来自77号轨道跃迁到80号轨道,其中77号轨道如下图:

与我们得到的占据轨道56A完全一致。

注意

  1. 因为我们使用了冻芯近似,有一些电子没有计入在内,因此轨道的编号和文献不一致。
  2. 一般基组重视占据轨道的准确性,我们使用的基组与文献不一样,所以得到的空轨道不一样。读者可以使用更大的基组,例如AUG-TZP进行尝试。AUG基组增加了弥散函数,对空轨道的描述也进行了优化。

补充说明

  1. 对照计算得到的ECD谱与实验测量的ECD谱,最好都从长波往短波方向。因为DFT往往能够相当准确的计算得到低激发态,而高激发态往往态密度很高,几乎没有特征峰;
  2. ECD的峰和紫外吸收峰可以一一对应,因此如果有实验的紫外吸收峰和计算得到的紫外吸收谱先进行比对,进行修正,然后再对照ECD的实验、计算结果,这样能够更好的理解;
  3. 计算的激发态数目,会影响ECD谱的短波部分的波形,计算的激发态数目越多,ECD短波部分的贡献考虑的越多。本例计算了20个激发态。作为练习,用户可以尝试10、60激发态,进行比对,从而更好的理解计算与实验的对应关系。
adf/ecd.1523528857.txt.gz · 最后更改: 2018/04/12 18:27 由 liu.jun

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