瑞利光学活性在确定手性分子绝对构型中的稳健性研究

《The Journal of Physical Chemistry A》：Investigation of the Robustness of Rayleigh Optical Activity for the Assignment of Absolute Configurations of Chiral Molecules

本综述首次探讨了近50年前提出的瑞利光学活性（Rayleigh optical activity, RayOA）在液态手性分子中的应用前景。受最新实验数据启发，作者通过计算模型评估了RayOA在确定分子绝对构型方面的潜力。研究表明，相比于旋光度、电子圆二色性、振动圆二色性和拉曼光学活性等传统手性光谱技术，RayOA对构象柔性、溶质-溶剂簇和色散相互作用的敏感性更低，表明其可能更适用于常规的绝对构型确定。文章还报道了一类可被设计为具有大RayOA信号的手性螺旋桨分子，并发现当测量波长接近电子跃迁波长时，RayOA可出现共振前增强。这些发现均基于RayOA的稳健性和易于计算处理的潜力，预示着其未来在化学领域广阔的应用前景。

　　

引言

当前用于确定手性分子绝对构型的手性光谱技术主要有四种：比旋光度、电子圆二色性、振动圆二色性和振动拉曼光学活性。然而，这些方法在应用中面临诸多挑战。比旋光度的测量值可能依赖于溶剂和浓度，其计算依赖于电偶极-磁偶极-极化率张量的迹，任何微扰都可能导致其符号反转，尤其是在计算小SR值时困难重重。而ECD、VCD和ROA等光谱技术虽然常用，但通常需要进行广泛的构象分析和严谨的构象计算，尤其当存在强溶质-溶剂相互作用时，必须将溶剂分子纳入计算，探索溶质-溶剂的构象空间，这绝非易事。此外，在这些手性性质的理论预测中加入色散相互作用往往会导致不同的结论。鉴于这些困难，人们有兴趣寻找对构象柔性、溶质-溶剂相互作用和色散相互作用不敏感（或敏感度较低）的新方法。

瑞利光学活性代表了手性分子对左旋和右旋圆偏振光产生不同的瑞利散射响应。其理论由Atkins和Barron于1969年提出。两年后，Barron和Buckingham发展了手性分子的圆偏振瑞利散射理论。他们定义了一个无量纲的圆强度差，并发展了一个双基团模型用于预测CID的符号和大小。尽管之后在人工和生物气溶胶颗粒（约100μm大小）及尺寸大于λ/20的组织性手性生物大分子组装体上进行了圆偏振光差分散射测量，但这些测量并未与手性分子的RayOA相关联。直到最近，凝聚相手性分子本身的RayOA测量才被探索。随着液态手性分子RayOA实验测量的最新进展，有必要对其有用性和适用性进行调查。为此，本文报告了对RayOA在七个方面的敏感性进行的计算评估。

理论背景

本节提供了计算RayOA所需的理论背景。涉及手性分子与圆偏振光相互作用产生的光散射，包括诱导的电偶极矩、磁偶极矩和电四极矩。这些矩由电场、磁场及其时间导数产生。文中给出了相关方程式，其中关键的张量包括：电偶极-电偶极分子极化率张量、电偶极-磁偶极极化率张量和电偶极-电四极极化率张量。各向同性介质中手性分子的SR由电偶极-磁偶极极化率张量的迹决定。

为消除对入射激光强度、相关常数和仪器参数的依赖性，通常报告无量纲的圆强度差，即圆强度差与圆强度和的比值。该分子代表了瑞利圆强度差活性，而分母则代表相应的瑞利散射活性。文中给出的方程适用于RayOA，其中部分方程在将极化率替换为其相应的正则坐标导数后也适用于ROA。

RayOA可以在ROA已被考虑的多种实验几何构型中进行测量，包括入射圆偏振、散射圆偏振和双圆偏振几何构型。由于当前的RayOA实验测量是在90°散射几何构型下进行的，本文描述了与该几何构型相关的RayOA方程。在公式中，下标z标识散射光的偏振轴和入射光的传播方向，上标y标识入射光的偏振轴和散射光的传播方向，意味着yz平面是散射平面。文中公式的优势在于，可以直接从Gaussian程序的输出中获取极化率张量元素，然后进行计算。

计算细节

除非另有说明，所有光学张量的计算均使用532 nm的输入波长，这与当前RayOA实验测量中使用的波长一致。在波长依赖性研究中，使用了365、405、436、532、546、589、633、799和1064 nm的波长。所有动态极化率张量的量子化学计算均使用Gaussian 16完成。使用内部开发的Python代码进行RayOA计算，并从Gaussian输出中读取适当的张量数据。RayOA计算所需的方程也被编码到Excel工作表中，以交叉验证计算的RayOA值。

当呈现与玻尔兹曼群体加权SR和RayOA相关的不确定性时，使用公式计算加权平均值的标准误差。分子可视化使用CYLview20完成。

结果与讨论

本文研究的分子展示在相应的图示中。分子根据讨论其RayOA的部分进行组织，其中螺旋烯使用（M）-手性，三芳基硼烷和三苯甲烷使用右手螺旋性，三丙酮三过氧化物使用（P,P,P）和（M,P,P）手性，六亚甲基三过氧化物二胺使用（M,M,M）和（M,M,P）手性。

模型分子

选择了三个模型分子来研究RayOA和SR对分子系统手性程度的依赖性。这些分子是过氧化氢、联苯和1,1'-联萘，它们都可以基于二面角具有手性构象。虽然这些分子的手性构象无法分离，但它们允许控制分子的手性程度。对于H₂O₂和联苯，在B3PW91/6-311++G(2d,p)水平下，在气相中从-180°到+180°以10°为步长进行了弛豫扫描，然后在相同水平下计算极化率张量。由于1,1'-联萘的扫描二面角与其他参数强烈耦合，因此使用具有72°内萘基二面角的低能几何结构进行了刚性扫描。

SR和RayOA的DFT预测比较

H₂O₂不具有手性中心，但由于阻转异构现象，可以具有R_a或S_a轴手性。虽然旋转能垒太低，这些阻转异构体无法分离，但我们可以估计两组分子在手性取向下预期的RayOA，以及RayOA对系统手性程度的依赖性。比较SR和RayOA随H-O-O-H二面角弛豫扫描的图显示，计算出的SR符号在S_a阻转异构体的二面角在0到180°之间变化时发生翻转，而RayOA则在整个范围内对S_a阻转异构体保持一致的符号。在联苯的情况下，SR在-180°到+180°的二面角范围内经历了四次正负循环，但RayOA经历了两次正负循环，这与双基团模型的预测一致。总的来说，这些观察表明，RayOA的符号是H₂O₂中两个O-H基团手性构型的独特描述符，而在当前理论水平下，SR则不是。

简单模型的评估

1974年，Barron和Buckingham为RayOA和ROA CID开发了一个简单的双基团模型，假设两个中性的、光学不活泼的基团，被某个距离R隔开，并且具有至少3重或更高的旋转轴。原子-偶极相互作用模型是一个经典模型，它使用球形原子极化率和原子之间的偶极相互作用来构建分子的电偶极-电偶极极化率张量。如果这些模型能够作为计算RayOA CID的计算高效且可靠的方法，那将对通过RayOA确定绝对构型是有利的。考虑到这一点，现在将量子化学预测与从双基团模型和ADI模型获得的结果进行比较。

双基团模型与DFT预测的RayOA比较

对于90°去极化ICP散射几何结构，双基团模型中的RayOA方程如上所示，其中θ是两个基团之间的二面角，λ是入射光的波长。相同的方程也适用于90° SCP几何结构。这个简单模型与量子化学方法相比的有效性尚未有报道，因此选择使用联苯作为模型分子进行详细研究。苯属于D_6h点群，因此苯环可以被认为具有6重真旋转轴。在右图中比较了双基团模型和DFT计算的结果，两者之间表现出极好的一致性，显示出对二面角的2θ依赖性，正如方程所预测的那样。应该注意的是，当对H₂O₂进行相同的比较时，B3PW91/6-311++G(2d,p)水平计算的RayOA显示出θ依赖性，而不是双基团模型的2θ依赖性。然而，在较低水平的Hartree–Fock水平下，预测的RayOA确实显示出2θ依赖性。第三个模型分子联萘的SR和RayOA也进行了比较。由于萘属于D_2h点群，萘基不满足双基团模型的3重轴要求。然而，DFT和双基团模型预测的RayOA值是一致的，并且遵循2θ依赖性。

ADI模型与DFT预测的RayOA比较

在Python中实现了ADI模型，该实现依赖于Applequist报道的球形原子极化率，这些极化率与可用的实验数据进行了拟合。将ADI模型计算的RayOA与DFT结果进行了比较。可以看出，ADI模型捕捉到了RayOA CID的符号对H-O-O-H二面角的依赖性，但预测的幅度大约大两倍。最近，Litman等人报道了拟合到耦合簇单双水平分子极化率计算的原子极化率。Applequist和Litman等人报道的原子极化率对于相同的原子类型差异很大。如果使用Litman等人报道的原子极化率，对H-O-O-H二面角的依赖性类似于双基团模型，这表明ADI模型对所选原子极化率的敏感性。拥有可靠的球形原子极化率组似乎对ADI模型的进一步使用至关重要。

构象刚性分子和共振前RayOA

α-蒎烯

手性分子α-蒎烯只有一个构象体，使其成为探索不同理论水平对RayOA的影响及其与实验数据一致性的好例子。α-蒎烯的波长依赖性RayOA计算之前已有报道，但未与SR进行比较。本文报告了使用几种流行泛函来研究SR和RayOA之间的关系，以及计算值随波长的变化。这些泛函包括B3LYP、B3PW91、CAM-B3LYP、LC-wHPBE、M06-2X和ωB97X-D，均使用aug-cc-pVTZ基组。在多个理论水平上使用相同几何结构计算SR和RayOA，从而能够在没有不同理论水平优化结构差异依赖性的情况下，检查所选DFT泛函的影响。结果显示，在RayOA的符号和大小预测上具有显著的一致性，但只有SR的符号是一致的。这与Zuber等人之前的报告一致，他们展示了RayOA对不同理论水平预测的稳健性。在较短的输入波长下，尽管RayOA在不同理论水平下变化不大，但SR的大小在所使用DFT泛函之间变化显著。当SR的测量波长接近电子跃迁波长时，预计SR会发生显著变化。这种效应对螺旋烯变得占主导地位。

螺旋烯

基于对[6]螺旋烯的SR和RayOA模型计算，Barron预测具有大SR幅度的分子不一定也具有大RayOA幅度。为了深入了解RayOA和SR如何随波长变化，着手研究三种螺旋烯（[5]-、[6]-和[7]螺旋烯）的波长依赖性RayOA和SR。这三种螺旋烯还可以深入了解螺旋烯大小对RayOA和SR幅度的影响。从OR45基准测试中获得了[5]-、[6]-和[7]螺旋烯的优化几何结构，所有都具有M螺旋性，先前在B3LYP/6-311G(d,p)理论水平上进行了优化。在气相中使用CAM-B3LYP/aug-cc-pVDZ水平计算了极化率张量。SR和RayOA曲线显示，对于（M）螺旋烯，SR和RayOA都显示为负曲线。SR和RayOA的幅度都随螺旋烯大小的增加而增加。在较短波长下，SR和RayOA的幅度都显著增加。SR幅度随波长减小而急剧增加可以很容易地理解为其对ECD谱带的依赖性，通过Kramers–Kronig变换。此外，SR与电偶极-磁偶极极化率张量的迹有关，而该迹又取决于电子跃迁的旋转强度。