如何判断化合物优势构象?

Question

如题所述

Answer 1

在化学世界中，如何精准地判断化合物的优势构象？非共价相互作用（NCI）如氢键、卤键、范德华力和位阻效应，对分子构象的选择起着关键作用。这些相互作用的强度和角度差异，决定了不同构象的能量分布。判断优势构象，就像在复杂迷宫中寻找最低点，需要综合考虑能量和熵的微妙平衡。

首先，理解基本原理。在理想情况下，我们可以通过波尔兹曼分布，根据相对能量计算各构象在有限温度下的比例。然而，对于复杂的分子体系，仅凭直观判断往往力不从心。例如，(1R,2S)-1,2-二溴-1,2-二苯基丙烷，其中苯环、溴原子、甲基的相互作用使得确定主导构象变得棘手。此时，专业的计算方法如分子动力学模拟（MD）就显得尤为重要。

通过MD模拟，我们对初始结构进行高温轨迹采样，利用xtb软件进行几何优化和动力学模拟。这一过程在四核计算机上耗时约3-4小时，但提供了丰富的构象样本。接下来，通过xtb、GFN0-xtB和GFN2-xtB进行多轮优化，逐步筛选出最具代表性的构象A、B、C。

在精炼后的构象中，B构象的能量与熵的平衡使其在298.15K时占据主导，尽管C构象看似更接近B。然而，深入分析发现，构象间的能量壁垒在10kcal/mol左右，而DFT计算显示C构象的能量高于B，这似乎与最初的判断相悖。为了揭示真相，我们分析了电子能和振动熵的影响。

通过电子密度泛函理论（DFT）的ZPE分析，以及对振动模式的细致研究，我们发现构象A的优势在于最小化了溴-苯的位阻效应。然而，室温下，B构象的π-π堆积作用限制了A构象的某些振动模式，导致B构象在热校正后能量下降，成为优势构象。尽管精确到0.5kcal/mol的精度可能有所挑战，但这种方法以其成本效益和操作便捷性，为化合物构象选择提供了有价值的参考。

使用工具如ASE、molden、VMD、POVRay进行模型构建，xtb和MOPAC进行MD模拟，Gaussian或ORCA进行DFT计算，molclus分析构象，Multiwfn进行波函数分析，这些是探索化合物优势构象的不可或缺的伙伴。通过这些工具的结合，我们一步步揭示了分子内部的复杂舞蹈，为理解分子的结构与功能提供了关键的洞察。