【小工具教程】ECD/UV拟合

【小工具教程】ECD/UV拟合

用途

将计算的电子圆二色谱(ECD)/紫外光谱(UV)与实验图谱拟合、比较,判断化合物绝对构型。

特色

本工具支持多批次处理,自动拟合曲线,手动调整参数,允许随意组合构象,帮助用户排除不合理结果,获得最佳图谱。

预备知识

以下内容了解概念即可,不必钻研公式,连概念都不想了解的,可以直接跳过!

玻尔兹曼(Boltzmann)分布

在现实世界中,化合物分子往往是多构象并存的。在平衡状态下,各构象的比例服从玻尔兹曼(Boltzmann)分布,能量越低则比例越大。在ECD/UV计算中,多构象按比例加权平均得到的图谱,通常会更接近实验图谱,也更为合理稳定。

其中, 是第 i 个构象所占比例,   是其分子个数, E 是构象能量(单位:kcal/mol), T 是温度(单位:K),  是玻尔兹曼常数, 称为配分函数。

图谱拟合

ECD/UV计算得到的是若干激发态下电子跃迁(electronic transition)的旋转强度(rotatory strength,用于ECD)或振子强度(oscillator strength,用于UV)和对应的激发态能量。展示在图上是棒状线谱,按照下面的公式进行高斯展宽才能模拟出 圆二色谱和 紫外光谱

其中,  是波长 是在  峰高处的半带宽;对于ECD ,  ,对于UV,  。

熟悉高斯分布(正态分布)的话,很容易看出上述两个参数  和  是控制图谱位置和形状的关键,通过调整参数使计算图谱与实验图谱吻合。

入口

平台地址:https://cloud.yinfotek.com

功能入口:平台左侧菜单栏【计算方案】->【小工具】->【波谱分析】->【ECD/UV拟合】

步骤

1. 上传文件

上传实验图谱数据和量化计算输出文件。

  • 实验数据格式为两列数据: 波长和 光谱(无 列名,如下图所示);
  • 计算文件为ECD/UV计算(TDDFT激发态计算)的输出文件。
  1. 对于 xls和 xlsx格式,若有多个工作簿(sheet),该工具仅读取第一个;
  2. 实验数据首列为 波长,第二列为 光谱, 波长无排序要求( 顺序、 倒序或 乱序均可),只要 波长与 光谱数据一一对应即可;
  3. 目前仅支持 Gaussian09的输出文件,后续更新会增加对 Gaussian16、 ORCA和 NWChem的支持。

2. 自动拟合

选择 图谱类型、 实验数据和 构象,设置 波长范围、 偏移范围和 半带宽范围,点击【拟合图谱】,系统将在所设范围内进行扫描,找到使计算图谱(或其对映异构体)与实验图谱吻合的最佳参数。

首次拟合,采用默认参数即可。

3. 手动拟合

若自动拟合的图谱不理想,用户可凭观察,调整图谱下方的参数,平台会自动更新曲线。点击下方的Excel文件,即可获取当前图谱曲线数据(提示:可用【ECD/UV作图】工具绘制高质量图片,请参考这篇教程)。

  1. 偏移值为正数时,计算曲线(红色)右移;值为负数时,曲线左移;
  2. 半带宽值越大,计算曲线越“胖”,有被横向拉平、合并邻峰的趋向;值越小,则曲线越“瘦”,有被纵向拉伸、分裂峰谷的趋向;
  3. 偏移绝对值不宜过大,采用B3LYP方法时,偏移一般在±30 nm范围内,但并非不可超过,采用其他方法时,偏移幅度可能更大;
  4. 半带宽值也不宜过大过小,一般在0.1-0.5范围内,超过0.5也未尝不可;
  5. 当改变 偏移值后,需要点击【更新下载文件】才能将当前参数更新到Excel文件中。

图谱右侧给出了 实验图谱、 计算的平均图谱、各构象的计算图谱(和对平均图谱的贡献百分比)以及 对映异构体的选项。

勾选显示各构象图谱,观察分析它们是如何影响平均图谱的,有助于排除不合理的构象,优化平均图谱。当明确构象后,回到第2步,重新选择构象,拟合图谱。通过这种方法,探索构象组合。

例如,观察发现所有构象的图谱基本接近。其中, r-3和 r-4与实验图谱差距较大,从比例看, r-3和 r-4的贡献很小,由此判断,剔除 r-3和 r-4不会对平均曲线造成显著影响。最终选定的构象组合是 r-1和 r-2

各构象图谱、平均图谱与实验图谱的比较

剔除次要构象后的平均图谱及对映异构体图谱

值得注意的是,很多化合物的 科顿效应较多,左右移动(本体或对映异构体的)计算曲线,可能都在一定程度上吻合实验图谱,此时可参考UV图谱拟合的 偏移值。理想情况下,ECD的偏移值与UV偏移值接近,但实际操作时,常见差别较大甚至符号相反的情况。

例如,下图所示UV偏移值为-3 nm,而上面拟合得到的ECD偏移值为-11 nm,两者符号相同、数值接近。由此肯定该偏移值是可靠的。

总结

本篇教程介绍了使用殷赋云计算平台【ECD/UV拟合】小工具进行图谱分析的操作流程及注意事项。ECD/UV分析是一项探索性的工作,限于篇幅,本文无法详细讨论各种复杂情况。有疑问的读者,请在评论区留言,更推荐加入 殷赋科技学术交流群(微信公众号“殷赋科技”回复“加群”)一起探讨。