综述：手性分子的光谱学及构象选择性光电子圆二色性研究

《Chemistry – An Asian Journal》：Spectroscopy and Conformer-Selective Photoelectron Circular Dichroism of Chiral Molecules

　　摘要

与大多数手性光谱技术一样，光电子圆二色性（PECD）——即由圆偏振光激发手性分子产生的电子角分布的前后不对称性——对结构变化非常敏感，特别是构象异构现象。此外，由于相关的不对称性较大（可达几个百分点），PECD特别适用于气相中柔性手性分子的研究，并且对于价壳层分子，存在几种基于单个真空紫外（VUV）光子或多光子激发的变体。本文描述了PECD光谱学的最新进展，这些进展使得该方法能够选择特定的构象。除了单光子PECD中的部分种群选择外，基于共振增强电离方案的双光子PECD允许完全选择构象，前提是所研究的系统在近紫外区域具有电子跃迁。这些实验因此提供了结构（构象）与手性（PECD）之间的直接联系，这两者都影响着诸如分子识别等现象。在超声速膨胀条件下实现的低温以及使用的窄带纳秒激光器使得能够区分结构非常相似的构象，例如环反转构象或与氢键相关的构象，甚至能够区分立体异构分子中的孤对电子。

1 引言

手性由路易·巴斯德在1848年发现[1]，在自然界中无处不在，从核物理中的微弱相互作用到宏观世界都有体现。最初由开尔文勋爵定义为物体无法与其镜像重叠的性质[2]，后来手性被更广泛地定义为时间偶数、空间奇数的对称性[3]。自19世纪初让-巴蒂斯特·比奥发现光学旋转以来，光的偏振与手性研究密切相关。巴斯德确实利用光学旋转来区分酒石酸盐的两个对映体，这是手性发现的基础。光学旋转不仅出现在晶体中，也出现在溶液中，这突显了手性的分子起源。如今，电子圆二色性或光学旋转的分析与色谱等分离工具广泛结合使用[4-6]。巴斯德发现的另一个基本方面是手性与生命之间的密切联系，只有通过发酵产生的天然酒石酸才是手性的。生物圈中发现的大多数分子都是手性的，并且以单一对映体的形式存在，氨基酸为L型，糖类为D型。生命同手性的原因仍然存在争议。可以确定的是，生命的同手性导致分子识别过程中的高度对映选择性，例如在药物活性或气味感知中。在超声速膨胀条件下实现的低温以及使用的窄带纳秒激光器使得能够区分结构非常相似的构象，如环反转构象或与氢键相关的构象，甚至能够区分立体异构分子中的孤对电子。

1.1 手性的定义与重要性

手性是自然界中普遍存在的现象，从核物理中的微弱相互作用到宏观世界都有体现。最初由开尔文勋爵定义为物体无法与其镜像重叠的性质[2]，后来被更广泛地定义为时间偶数、空间奇数的对称性[3]。自19世纪初让-巴蒂斯特·比奥发现光学旋转以来，光的偏振与手性研究密切相关。巴斯德利用光学旋转区分了酒石酸盐的两个对映体，这是手性发现的基础。光学旋转不仅出现在晶体中，也出现在溶液中，这突显了手性的分子起源。如今，电子圆二色性或光学旋转的分析与色谱等分离工具广泛结合使用[4-6]。巴斯德发现的另一个基本方面是手性与生命之间的密切联系，只有通过发酵产生的天然酒石酸才是手性的。生物圈中发现的大多数分子都是手性的，并且以单一对映体的形式存在，氨基酸为L型，糖类为D型。生命同手性的原因仍然存在争议。可以确定的是，生命的同手性导致分子识别过程中的高度对映选择性，例如在药物活性或气味感知中。在超声速膨胀条件下实现的低温以及使用的窄带纳秒激光器使得能够区分结构非常相似的构象，如环反转构象或与氢键相关的构象，甚至能够区分立体异构分子中的孤对电子。

1.2 光电子圆二色性（PECD）的基本原理

光电子圆二色性（PECD）是一种基于圆偏振光激发手性分子产生的电子角分布前后不对称性的光谱技术。这种不对称性是由于光子与分子相互作用产生的，对于结构变化非常敏感，特别是构象异构现象。由于相关的不对称性较大（可达几个百分点），PECD特别适用于气相中柔性手性分子的研究。PECD有多种变体，包括基于单个真空紫外（VUV）光子或多光子激发的方法。本文描述了PECD光谱学的最新进展，这些进展使得该方法能够选择特定的构象。除了单光子PECD中的部分种群选择外，基于共振增强电离方案的双光子PECD允许完全选择构象，前提是所研究的系统在近紫外区域具有电子跃迁。这些实验因此提供了结构（构象）与手性（PECD）之间的直接联系，这两者都影响着分子识别等现象。在超声速膨胀条件下实现的低温以及使用的窄带纳秒激光器使得能够区分结构非常相似的构象，如环反转构象或与氢键相关的构象，甚至能够区分立体异构分子中的孤对电子。

1.3 PECD在气相中的应用

在气相中，PECD能够选择特定的构象，这对于研究柔性手性分子非常有用。尽管最初的方法基于电子光谱[12-14]或红外吸收[15-17]，但红外-紫外双共振方法为这些研究增加了选择性。这些方法基于中性或带电立体异构复合物的结构表征，其中紫外发色团作为手性选择剂，用于识别给定手性分子的每个对映体。在这些方法中，手性识别的特征是发色团的电子跃迁根据其所结合的对映体而发生选择性位移。红外-紫外光谱提供了关于复合物几何结构以及复合物内部亚单位几何结构的信息。通过比较具有构象选择性的振动光谱和量子化学计算，可以确定相互作用亚单位的结构及其在相互作用中的绝对构型[9, 18-25]。这些结果在两篇综述中有所报道[26, 27]，并扩展到了在低温离子阱中的质子化物种或含有离子核的复合物[11, 28-32]。当与微流控等技术结合使用时，振动光谱在对手性分析中具有广阔的应用前景[33]。旋转光谱为分子结构表征提供了独特的工具，最初应用于简单的醇类和短暂手性系统[34-38]。啁啾脉冲光谱的出现扩展了手性研究的范围，尽管这些实验的原理与上述相同，但它们允许研究没有紫外发色团的分子。这种技术的前所未有的分辨率为分析应用铺平了道路[39-43]。最近的手性分子分析方法也基于旋转光谱，并利用微波三波混频技术，即使在复杂的手性混合物中也能确定对映体过量，从而形成了一种新颖的分析工具[44-48]。最近的实验将紫外辐射与微波辐射结合使用，以选择性地耗尽其中一个旋转态，然后再进行对映体特异性的态转移，显著提高了转移效率，效率超过95%[49, 50]。基于经典圆二色性的手性光谱在气相中由于相关的不对称性小和目标分子密度低而具有挑战性。然而，电子圆二色性（ECD）测量在气相（生物）分子上通常是困难的，但对于在稀有气体基质中分离的物种已有报道[54, 55]，尽管如此，VCD在气相中通常难以实现[56]。尽管存在固有的局限性，手性光谱也可以具有构象选择性，并且结合之前的红外-紫外实验，可以将ECD探测到的每个跃迁与特定的几何结构联系起来。在柔性氨基酸和弱结合复合物中观察到了S0–S1跃迁的PECD，使用激光诱导荧光或共振增强多光子电离（REMPI）方案，并扩展到了低温离子阱中的离子物种[57-60]。同样，也观察到了弱结合复合物中的手性转移[61]。这种新现象由Ritchie在1976年预测[62]，并由Powis在真实手性物种上进行了明确模拟[63, 64]，后来被称为光电子圆二色性（PECD）。它表现为光子传播轴方向上的前后不对称性，体现在由圆偏振光（CPL）光解随机取向的纯对映体产生的光电子的角分布上。与积分探针（如ECD）不同，其相关的不对称性由于对称性考虑而很小，PECD作为一种差分测量，仅依赖于电偶极矩，导致的手性不对称性比ECD大几个数量级（例如在生物氧杂环戊烷上测量到41%[65]）。这一特性使得PECD成为气相稀薄物质的理想手性探针。在电偶极矩近似下，从随机取向的分子中发射的光电子的强度可以表示为：

其中Pn是n阶勒让德多项式，l是参与电离过程的光子数，θ是光传播轴与光电子发射方向之间的角度。p表示光的偏振状态（p = 0表示线性偏振，p = +1表示左旋圆偏振（LCP），p = ?1表示右旋圆偏振（RCP））。Itot是发射电子的总数。为了清晰起见，去除了bn（角参数）和Itot对电子动能（eKE）的依赖性，因此光电子光谱简化为b0(eKE)。对于双光子电离过程，该方程变为：

而对于单光子电离，只有前三项存在。偶数项与手性无关，因为= b0，其中= -1/2 β是常见的非手性各向异性参数。相比之下，PECD与手性敏感的奇数项相关，这些项仅对手性分子和圆偏振有效。对于单光子电离，PECD表示为PECD = 2；对于双光子过程，PECD表示为PECD = 2[66]。与任何手性效应一样，PECD在对映体或光螺旋性交换时会改变符号。除了其显著的幅度外，PECD还取决于光电子发射的初始轨道和最终状态，即电子的连续态。因此，PECD是一个动态效应，因为光电子被分子势散射的情况取决于其动能eKE[67]。因此，PECD提供了三维数据，是初始轨道和eKE的函数。2000年后不久，Powis发表了开创性的理论论文[63, 64]，随后出现了单光子PECD的首批实验证据[68]，然后是成像电子谱仪[69]。在接下来的十年中，几个欧洲团队通过同步辐射对单光子PECD进行了广泛的实验和理论研究，包括价壳层和核壳层光电离[70-77]。PECD的另一个关键特性是对手性分子势微妙变化的敏感性，这使得它对手性异构体和化学取代[78-80]、聚集[81-84]、络合[85]以及整体环境（如孤立纳米颗粒[86]或液相[87, 88]）非常敏感，证明了该效应对中性目标和阴离子物种的普遍性[89, 90]。虽然大多数开创性研究集中在基于樟脑和芬酮等刚性模型系统上，但早在2006年，就有研究关注PECD对各种柔性分子的构象敏感性，如香叶醇[91]、缩水甘油[92]、丙氨酸醇[93]、内酯醇[94]、3-甲基环戊醇[95]、丙氨酸[96]、丁二醇[97]、异丙醇胺[98]、脯氨酸[99]、丝氨酸[86]、1-吲哚醇[100]和氨基吲哚醇[101]。这些工作普遍强调了PECD对构象的极高敏感性，远超过其他光电离过程可观测量（如光电子谱（PES）或β各向异性参数[75, 102, 103]）。这种对分子势微小细节的敏感性源于奇数角参数（如）仅依赖于与出发光电子相关的干涉（因此是相位），这些干涉通过散射相位差的正弦函数变化，该函数在零附近变化显著。同时，在2012年展示了第一台桌面激光多光子PECD[104]，这引发了全球范围内PECD研究的广泛开展，涉及PECD的基础[66, 105-107]和应用方面[66, 107-115]（包括使用椭圆偏振的PEELD变体[118]），用于在气相手性样品[108-111]和混合物[112-115]中测定原位对映体过量[112-115]（综述见[77, 103]）。这些静态方法通过使用紫外激光[116-118]、VUV激光[119]和FELs[120, 121]进行了时间分辨的泵浦/探测研究，开启了手性飞秒化学和阿秒电子动力学领域。在下一节中，我们将讨论所使用的技术方法，重点讨论它们解码构象的能力。然后，我们将讨论在PECD框架内控制构象的三种不同方法，这些方法在图1中进行了总结。首先，我们报告了通过修改实验条件来部分控制构象群体的系统研究，证明了PECD对构象的特定敏感性。接着，我们描述了如何利用分子的内在属性，如光电子谱和阳离子碎裂模式，在PECD中实现部分构象选择性，并细化构象景观。最后，我们介绍了一种基于共振增强多光子电离的最新开发方法，该方法允许进行真正的构象选择性PECD。在结论中讨论了由此开辟的可能性。这里描述的系统显示在图2中。

图1：在图查看器中打开

PECD中的构象选择性。(a) 通过电离能量进行选择。注意，电离能量的差异允许通过发射电子的动能来选择构象。(b) 通过修改实验条件来选择构象群体，例如在低温（蓝色箭头）和高温（红色箭头）下。(c) 通过共振增强多光子电离进行选择。

图2：在图查看器中打开

研究的分子。

2 单光子与双光子共振增强PECD

在这篇综述文章中报告的构象研究中使用了两种PECD装置。第一种位于法国国家同步加速器设施SOLEIL的基于振荡器的束线DESIRS，它提供具有超过97%圆偏振率的强真空紫外（VUV）辐射[122]，并与SAPHIRS分子束室相结合，该束室结合了连续的超音速膨胀和DELICIOUS3双成像电子/离子符合（i2PEPICO）光谱仪[123, 124]。由种子分子束与同步加速器光相互作用形成的离子和电子分别朝相反方向加速，并由改进的Wiley—McLaren成像飞行时间（TOF）光谱仪和速度图成像（VMI）光谱仪进行符合检测。相应的原始电子图像被过滤以获得目标质量。通过pBasex软件[125]进行Abel反演后的总和（LCP + RPC）图像文件提供了PES和b2参数，而差异图像文件（LCP-RCP）提供了b1参数，因此得到PECD = 2b1 [72]。PES可以通过高斯函数拟合来分离不同最高占据轨道对测量PECD的贡献。这个过程可以在不同的光子能量下重复进行，以获取每个轨道的PECD对电子动能的依赖性。第二种装置基于共振增强多光子（REMPI）电离方案。Baumert及其同事首次使用ns激光对fenchone进行了REMPI-PECD实验，采用了基于中间3s或3p Rydberg态的2 + 1方案[126]。中间态中定义良好的振动共振允许在复杂混合物中区分具有相同摩尔质量的物种，这一点在樟脑/fenchone混合物的例子中得到了分析应用[114]。ns REMPI-PECD的结果证实了PECD对分子结构的高敏感性，这在fs范围内无论是单光子还是多光子PECD中都得到了观察。受到这些结果的启发，我们提出了一个使用S1态作为中间态的1 + 1 REMPI方案[101, 127, 128]。S0–S1跃迁对构象的卓越敏感性使得这种电离具有构象选择性（见图1）。如果给定分子或复合物的S0–S1跃迁至少相差约3 cm?1，则可以区分其异构体或构象。这种共振增强的双光子（RE2PI）方案广泛适用于具有芳香色团的分子，并且非常通用：第一个光子可以与所探测物种的任何选定的S0–S1跃迁共振，第二个光子的能量可以连续变化。对于苯衍生物，通常可以使用来自同一激光器的单色方案，因为电离能量小于S0–S1跃迁的两倍。相比之下，基于小PAH（如萘）的色团需要使用第二个激光器，其电离光子的能量高于S0–S1跃迁。这里讨论的实验基于脉冲超音速膨胀、单色或双色共振增强双光子电离以及通过VMI光谱仪检测电子。光源是纳秒染料激光器，其圆偏振通过Rochon棱镜和四分之一波片进行控制。图像的分析与上述类似。重要的是要注意，上述同步加速器设施中的实验涉及符合测量，允许获取与给定质量离子形成相对应的PECD。基于纳秒激光器的实验由于重复率低（通常为10–20 Hz）而不提供这种可能性。然而，由于研究系统的低温和使用的窄带纳秒激光器，可以通过它们的S0–S1跃迁来区分不同的物种，而这使用带宽较大的fs激光器是不可能的。通常在PECD测量之前进行REMPI和IR–UV实验，使用飞行时间光谱仪来完全表征系统。

3 单光子PECD

在大量关于柔性系统的PECD研究中，无法真正控制构象分布，通常简单地假设它受到样品内部温度下的Boltzmann分布的控制[92-95]。尽管由于超音速膨胀的非平衡条件，喷射冷却系统的构象温度难以确定，但实验结果与各个构象的Boltzmann平均理论曲线之间的一致性通常相对令人满意。然而，如果没有直接控制构象分布及其变化的可能性，就无法了解精确的构象景观。实现部分控制的一种方法是改变样品的温度。Turchini等人[95]在300 K和370 K下测量了3-甲基环戊酮的单光子PECD，这是一种在室温下有两种主要构象的柔软酮，其PECD贡献可以通过事先知道它们的能量差（5.2 kJ/mol）来区分。另一种控制方法是通过改变分子束的载气来控制，这在某些情况下会直接影响构象分布。这就是Dupont等人在下一节中报道的关于1-吲醇[100]的PECD研究的情况。

3.1 通过改变实验条件来部分控制构象分布：以1-吲醇为例

1-吲醇的构象景观（图2）显示了两个最小值，这两个最小值是由非环状五元环的翻转（皱缩运动）产生的两种低能量构象。这些构象在羟基取代基的位置上有所不同，Ieq位于赤道位置，而IIax位于轴向位置，并通过IR–UV或旋转光谱学[18, 24, 129, 130]进行了表征。1-吲醇的独特之处在于，构象的群体强烈依赖于超音速膨胀条件，这些条件允许或不允许克服皱缩障碍。在氦气中，两种构象共存，IIax/Ieq的比例为1/3。这一比例在氖气中减小，在氩气中消失，导致仅产生Ieq构象。因此，通过改变载气可以控制相对构象群体[100]。该系统使用SOLEIL的DESIRS束线通过单VUV光子电离进行了研究，使用氦气或氩气作为载气。这样获得的PES和b2参数在氦气和氩气中是相同的；换句话说，它们不依赖于构象（图3a）。这是因为这两种情况下的轨道性质是相同的。相比之下，在氦气和氩气中获得了截然不同的PECD光谱；换句话说，PECD强烈依赖于构象。这在图3c,d中记录的PECD光谱中尤为明显，该光谱是在11 eV的光子能量下记录的。在电子动能低于1 eV时，氦气和氩气中记录的不对称性值没有差异，因此在这个范围内PECD对构象不敏感。相反，在电子动能高于1.5 eV时，氦气和氩气中记录的不对称性有显著差异，即两种构象之间有差异。特别是在2 eV的电子动能下，氩气中得到相反的符号，其中仅存在赤道构象，而在氦气中两种构象共存。这证明了PECD的Ieq和IIax在符号上相反，在幅度上也不同。这个例子提供了PECD对微小构象变化敏感性的第一个直接证据，这比其他光电离可观测量（如PES和通常的不对称性参数β (= ?2b2）更为显著。我们将在第4节中更深入地探讨同一个系统。

(a) 在12 eV的光子能量下，在氦气（绿色）或氩气（黑色）中记录的PES（实线）和b2参数（圆圈），并在1-吲醇的质量（m/z 134）上进行了过滤。字母X、A、B、C分别对应于离子的基态和前三个激发态，其中HOMO到HOMO-3轨道的电离。(b) 离子化轨道的电子等高线。在(c)氩气和(d)氦气中播种的1-吲醇的PES（实线）和PECD（带误差条的符号）。(R)对映体用蓝色表示，(S)对映体用红色表示。改编自参考文献[100]。在11 eV电离后，HOMO轨道的PECD差异在赤道和轴向构象之间特别明显（图3），但在其他电离能量和其他最高占据轨道上也可见。图4使用高斯拟合程序绘制了在不同光子能量下获得的HOMO、HOMO-1和HOMO-2的平均PECD。尽管仅限于有限数量的点，图4显示这三个轨道在电子动能约为2 eV时显示出最大的构象依赖性。

3.2 利用内在属性实现构象敏感的单光子PECD：通过它们的电离能量选择构象

尽管单光子PECD本身不具有构象选择性，但它可以利用研究系统的内在属性来实现部分选择性。这里以氨基酸脯氨酸为例来说明这一点。脯氨酸（Pro）具有吡咯烷环，是一种独特的氨基酸，其特定的结构属性会影响富含Pro的生物聚合物的结构。Pro已知具有4种低能量构象，分为两组（类型I和II），它们在分子内氢键网络上有所不同（见图5）[131, 132]。中性Pro的类型II构象中存在的H键改变了最高占据分子轨道（HOMO）的能量[133]，n轨道位于酰胺氮上，这导致类型I和II构象之间的电离能量相差约0.7 eV[134]。使用光电子光谱作为构象标记并仔细选择光子能量，可以以构象特定的方式捕获各种光子诱导的过程，包括Hadidi等人[99]报告的PECD电子不对称性。每组构象，类型I和II，包含两个通过环皱缩运动相关的构象，因此总共需要考虑4种构象，A、B、C和D。由N…H─O H键稳定的类型II构象（A和B）在能量上是最有利的。值得注意的是，关于构象C和D的顺序在文献中存在争议，计算出的能量差异在约1 kJ/mol范围内，这是计算精度的极限[99, 132, 135]。氧原子被标记为红色，氮原子被标记为蓝色。蓝色曲线代表中性分子的电子能量，红色曲线代表阳离子的电子能量，两者之间的差值是估计的绝热（0 K）电离能。垂直的电离能（IEvert）以深蓝色曲线显示。此外，还显示了实验估计的0 K时主要碎片m/z 70的出现能量（用虚线洋红色表示）。转载自参考文献[99]。Pro是通过电阻加热（RH）和气溶胶热脱附（TD）[136]以两种温度（分别称为TD415和TD493）引入气相的，从而总共进行了三种“热”条件下的完整双成像电子/离子同时性研究[99]。通过分析所谓的离子分解光谱，即母离子和碎片离子的产生与光子能量的关系，并假设基态下的统计性碎片化，可以分别得出TD415、TD493和RH条件下的内部温度，分别为384 K、452 K和600 K。图6（顶部面板）报告了在3种温度下Pro的HOMO和HOMO-1轨道区域的阈值电子光谱（TPES）。显然，在HOMO轨道的低结合能侧，随着温度的升高，出现了一个肩峰，这一效应已经由Plekan等人[134]观察到，并归因于类型I（C和D）构象随温度的增加而增加。这一特征使得可以对PES以及相应的PECD进行构象标记。此外，图6中可见的质量选择TPES表明，由Prolin的类型I构象电离产生的阳离子部分是稳定的，而由类型II构象电离产生的阳离子则完全解离，并发生Cα–Cβ键断裂，生成m/z 70的碎片。这种构象特异性主要是由于类型II构象在中性和阳离子之间的几何变化较大，因此可以通过质量选择记录的电子图像进一步分离类型I构象，这些图像与m/z 115的母离子同时出现。图6在图查看器中打开。

对于三种蒸发条件获得的Pro的总TPES和质量选择TPES。下面板中的虚线显示了从m/z 115曲线得到的估计表观电离能。上面板显示了通过记录所有阈值电子（这些电子的动能近似为零，因此所有超过电离限的光子能量都作为阳离子的内部激发）获得的全TPES，而下面板仅显示与母离子或碎片离子同时检测到的阈值电子。转载自参考文献[99]。在TD415条件下，使用10.2 eV的光子能量记录的l-脯氨酸的PES和PECD显示在图7中。用于这些测定的电子图像仅对母离子（m/z 115）、碎片（m/z 70）和总质量（母离子+碎片）阳离子进行了质量过滤。从总质量曲线就可以明显看出类型I/类型II构象的特异性：在8.8 eV左右的电离能量时，类型I的PECD强度约为-10%，而在9.6 eV左右的电离能量时，类型II的PECD符号变为约+5%。当考虑仅选择低振动能量内容（IE约为8.2–8.7 eV）的母离子质量过滤数据时，这种差异更加明显。图7在图查看器中打开。

在TD415蒸发条件下，以10.2 eV记录的L-脯氨酸的PECD和PES（黑色曲线）。数据分别对母离子（m/z 115）和碎片（m/z 70）以及总质量进行了过滤。下面板中的总PES显示了去卷积过程，使我们能够分离类型I和类型II构象的HOMO，使用两个高斯函数来拟合PES（虚线青色曲线，一个对应类型I，中心位于8.75 eV；另一个对应类型II，中心位于9.65 eV）。部分转载自参考文献[99]。图8显示了从PES的低结合能区域提取的类型I（C和D）的平均值，使用以约8.75 eV电离能量为中心的高斯加权函数（见图7下面板中的虚线绿色曲线），并且使用从8.7 eV到17.5 eV的光子能量进行记录。该图中还可以看到类型I构象C和D的计算PECD曲线。实验数据和理论数据都显示出随eKE的强烈变化，反映了PECD的纯量子起源。此外，还存在明显的温度依赖性，TD493和RH数据集向类型D构象的预测方向移动。从定性上讲，这强烈表明类型C构象在两种构象中更为稳定，随着温度的升高，类型D构象的占比增加。更定量地，将CMS-Xα PECD理论曲线在对应于三种实验条件的内部温度下的玻尔兹曼平均值与实验数据进行了匹配，当构象C和D之间的能量差设置在1–4 kJ/mol范围内时（更多细节见参考文献[99]）。图8在图查看器中打开。

类型I构象（C+D）的HOMO轨道光电离值作为eKE的函数。使用以8.75 eV结合能量为中心的高斯采样函数从总（母离子+碎片）质量过滤的TD415、TD495、RH数据集中提取的平均实验数据点，以符号表示，用于l-脯氨酸。还包括显示了类型C和D构象的CMS-Xα计算的实线曲线。通过用预测的玻尔兹曼因子对计算结果进行加权，获得了最佳拟合实验数据集（见文本）。这项研究表明，通过结合电离能量标记和电子图像的质量标记来解码构象，可以直接观察到非常强烈的构象依赖性PECD动态，并且可以细化关于C/D构象排序和微小能量差异的构象景观，这是量子化学计算无法预测的。这表明PECD由于其对于分子势能微小细节的强敏感性，可能允许细化柔性手性系统的构象景观，这一方法可以应用于Pro以外的其他分子，特别是几种具有较大类型I/类型II构象电离能差异的氨基酸[137]。

4 双光子电离研究：通过共振增强多光子激发方案进行构象选择

只要构象能够在近中紫外范围内通过光谱分离并且电子跃迁是可访问的，就可以通过基于REMPI的PECD方案获得总构象控制。这种方案最近被应用于可以通过单色双光子过程电离的环状苯衍生物，这些衍生物具有可以通过 puckering 运动相互转换的构象，使得取代基从最稳定的赤道位置移动到轴向位置。所有这些衍生物都通过IR-UV光谱结合量子化学计算进行了结构表征，因此它们的结构是已知的。

4.1 以氮为中心的手性和非对映异构性：1,2,3,4-四氢-3-异喹啉甲醇（THIQM）

1,2,3,4-四氢-3-异喹啉甲醇（THIQM）（图2）存在两种构象，分别命名为THIQMI和THIQMII。它们之间的区别在于NH氢原子的位置，轴向或赤道位置，导致分子内氢键的性质不同，THIQMI为OH…N，而THIQMII为NH…O，这一点之前已经通过IR–UV双共振光谱进行了表征[138]。THIQMI和THIQMII中NH氢原子的轴向或赤道位置对应于氮手性中心的相反绝对构型。因此，THIQMI和THIQMII是非对映异构体。图9显示了它们的PES、b2参数和PECD。两种构象之间PES的差异可以用氮自由电子对（LP）与苯π轨道之间的不同耦合来解释，这取决于氢键的方向（OH…N或NH…O）。在这方面，THIQM与上面描述的脯氨酸情况类似，但电离阈值的变化较小[99]。电离后的HOMO轨道性质的差异也体现在各向异性参数b2上，THIQMI的b2几乎消失，而THIQMII的b2虽然仍然很小但不为零，大约为0.1。关于奇异手性参数b3，在误差范围内消失，PECD的唯一贡献来自b1，对于THIQMI和THIQMII都是如此。它们的PECD谱具有相同的符号但幅度不同。在这个系统中，最大的构象差异出现在8.2 eV，此时THIQMI无法被电离；或者在8.8 eV，THIQMII的PECD接近于零，而THIQMI的PECD约为5%。图9在图查看器中打开。

(a) 通过分别在9.150 eV和9.159 eV的激发能量下激发THIQMI（蓝色）和THIQMII（黑色）的起源跃迁获得的PES（实线）和b2参数（圆圈）。(b) 从IR–UV实验中推导出的最稳定计算结构。(c) 和 (d) 分别是构象THIQMI和THIQMII的PECD（带误差棒的符号）。(R) 对映体用蓝色表示，(S) 对映体用红色表示。(e) 在MP2几何结构上，针对构象(S) THIQMI（上）和构象(S) THIQMII（下）计算的电离HOMO轨道的电子等高线。改编自参考文献[128]。在这个系统中，偶数参数（b0和b2）允许区分两种构象，尽管b1也提供了额外的信息。这是因为THIQMI和THIQMII之间的HOMO轨道不同。

4.2 Puckering 运动的影响：1-Indanol

之前对1-Indanol的单光子研究（见第3.1节）通过使用RE2PI电离进行了重新研究[127]。首先使用单色RE2PI电离选择Ieq和IIax的构象，将激光设置为与Ieq或IIax的跃迁起源共振。正如之前对单光子电离观察到的那样，两种构象的PES和各向异性参数是相同的。相比之下，图10中显示的PECD谱则截然不同。它们的符号相反，证实了单光子实验所暗示的结论，并且在形状上也不同。(R) Ieq的PECD在电离阈值时为零，然后逐渐增加到约7%，而(R) IIax的PECD在电离阈值时为负值，然后在低电子动能时消失。对于这两种构象，两种对映体之间获得了满意的镜像关系，尽管由于激光对齐不完美，这种关系并不完美，但随后通过改进程序得到了解决。图10在图查看器中打开。

通过将激光设置为(a) Ieq构象的跃迁起源37075 cm?1，(b) IIax构象的跃迁起源37043 cm?1，获得了单色双光子PES（实线）和PECD（圆圈）。(R) 对映体用蓝色表示，(S) 对映体用红色表示。改编自参考文献[127]。对于(R) 1-indanol，在(c) 赤道跃迁起源激发时获得了双色PES（实线）和PECD（方块）。电离激光的能量为40 000 cm?1。(d) 对于轴向构象，在其跃迁起源激发时也是如此。平行CPL方案用蓝色表示，反平行用黑色表示。由于Ieq和IIax的PECD之间有非常明显的差异，这个系统是讨论RE2PI PECD与ns激光特异性的良好候选者。第一个问题是初始状态的性质。Baumert等人在之前的多光子电离工作中已经讨论了这一点[107, 114]。在RE2PI PECD的情况下，将激光设置在分配给puckering运动的振动带上只会略微改变PECD。将S0–S1激光固定在它们的跃迁起源，并将电离光子能量从9.20 eV（单色）增加到9.56 eV（双色）不会改变PECD的符号，但会改变其形状，特别是对于Ieq，其平均PECD得到了增强。尽管IIax的PECD绝对值略有增加，但它对总能量的敏感性较低。最后，该方案允许评估两种激光的相对偏振效应。换句话说，问题是决定PECD的不仅仅是电离激光的圆偏振，还是诱导S0–S1跃迁的偏振也起着重要作用。由于用于分析数据的逆Abel变换的对称性约束[116-118]，在反向传播方案中使用线性和圆偏振激光并不理想。因此，我们使用了两个反向传播的圆偏振激光，它们的螺旋度相同或相反。图10c,d中观察到的伪镜像现象表明，电离激光的偏振是决定PECD符号的关键因素。这一观察结果表明，至少对于这里研究的系统而言，S1态是电离过程中的实际初始态。同时，这也表明，至少在这种情况下，可以忽略中间态的对齐效应。

4.3 结合起皱运动和差向异构性：1-氨基-2-吲醇

1-氨基-2-吲醇与1-吲醇类似，是一种取代的茚衍生物。它在非环状环上拥有两个立体中心，因此存在两种不同的差向异构体，即顺式和反式形式，分别用cis-AI和trans-AI表示[139, 140]。每种形式都有两个对映体，从而产生(1R,2R) trans-AI、(1S,2S) trans-AI、(1R,2S) cis-AI和(1S,2R) cis-AI。trans-AI只有一个构象，其中两个取代基位于赤道位置，而cis-AI有两个构象：cis-AII的NH2基团位于赤道，OH基团位于轴上，反之亦然。cis-AIII则相反。cis-AI和trans-AI都经过了单光子和双光子电离的研究。计算出的HOMO能量对于trans-AI和cis-AI的两个构象是相似的，但由于氮自由电子对与芳香π轨道之间的超共轭作用，cis-AII的HOMO能量略高[101]。这种差异仅表现为单光子电离得到的PES图中的一个肩峰，并不足以区分cis-AI的两个构象。尽管如此，单光子PECD仍然可以通过监测与特定碎片重合的电子来提供有关电子被从哪个轨道中射出的信息。图11展示了一些选定的例子。图11b显示了通过过滤质量为母离子的离子记录的PECD，这对应于HOMO和HOMO-1轨道。通过过滤m/z 148的离子（即氢的损失）记录的PECD是HOMO-2的特征。最后，通过过滤m/z 132的离子（即氨的损失）记录的PECD是HOMO-3的特征。虽然两种差向异构体的PES和碎片化模式非常相似，但PECD揭示了明显的差异。这个例子说明了PECD在区分具有相同轨道结构的两种差向异构体方面的潜力。然而，这种方法无法区分cis-AI的两个构象。

图11显示了通过单光子电离trans-AI（左）和cis-AI（右）获得的PES光谱（黑线）和PECD光谱（带误差条的红线和蓝线），光子能量为11.0 eV。数据是通过(a)对所有与(m/z 149+150（母离子）、(b) m/z 148（氢的损失）和(d) m/z 132（氨的损失）重合的碎片进行求和得到的。黑色箭头指示了HOMO、HOMO-1、HOMO-2和HOMO-3轨道的计算能量。颜色编码在底部。改编自参考文献[101]。因此，REMPI PECD也被应用于trans-AI和cis-AI。接下来我们将重点讨论后者，因为它展示了IR–UV光谱学和PECD之间的互补性。通过监测m/z 149的离子获得的cis-AI的REMPI光谱显示在图12中。cis-AII和cis-AIII的S0–S1跃迁仅相差3 cm?1，但在超声速膨胀中实现的低温和激光的带宽（0.02 cm?1）使得这两个峰能够清晰区分。将UV探针设置在这些跃迁中的一个上，可以记录振动光谱，如图12所示，同时还有与实验结果最匹配的模拟光谱，即cis-AII和cis-AIII。通过将激光设置在每个构象的跃迁原点上获得的PES和PECD光谱也显示在图13中。单光子PES中出现的电离起始时间的差异现在清晰可见。尽管PECD光谱的符号相同，但它们的形状却大不相同。特别是在低电子动能下，cis-AII的PECD消失，而cis-AIII的PECD达到了5%的绝对值[101]。这个例子证明了即使跃迁能量相差仅3 cm?1，也可以选择性地激发这些物种并完全区分它们的PECD。

图12显示了通过监测m/z 149的离子电流（上）或总电子电流（下）获得的cis-AI的2-光子REMPI光谱。刻度的零点位于最强烈的带，即cis-AII的跃迁原点36918 cm?1。(b) 在B3LYP-D3/aug-cc-pVTZ水平上计算出的最稳定结构，基于实验IR–UV光谱推导得出。(c) 通过将探针设置在cis-AII的跃迁原点36918 cm?1（上）和cis-AIII的跃迁原点36915 cm?1（下）获得的实验IR-UV双共振光谱。改编自参考文献[101, 140]。

图13显示了在各自跃迁原点激发的cis-AI的两个构象的2-光子REMPI PES（实线）和PECD光谱（圆圈）。由于两个跃迁的接近，两个构象的总电离能量相同（9.155 eV）。(1S, 2R) cis-AI用红色表示，(1R, 2S) cis-AI用蓝色表示。改编自参考文献[101]。

4.4 诱导的手性和伪对映体

PECD对聚集非常敏感，这一点在从二聚体到纳米颗粒的多种研究中都有体现，包括液相和溶液[81, 83, 84, 86-88]。复合物的形成通过增加分子间的自由度而增加了可能的异构体数量。因此，构象选择性的PECD是研究弱结合复合物的宝贵工具。第一项使用REMPI PECD研究复合物的研究是关于苯酚和甲基氧杂环丙烷（MOx）之间形成的复合物。这个系统之前已经通过单光子PECD进行了研究，这是第一个通过手性环境甲基氧杂环丙烷诱导非手性发色团苯酚发生PECD的例子[85]。由于PECD与初始状态和最终状态都有关，因此产生了一个问题：在这个系统中，哪种效应负责诱导PECD。基于REMPI实验的结构研究提供了一些答案。通过监测总电子电流记录的苯酚:MOx复合物的REMPI光谱显示在图14a中。较低能量的跃迁也是最强的带，其能量相对于裸露的苯酚S0–S1跃迁原点下降了404 cm?1，出现在35,960 cm?1。该光谱与苯酚与氧杂环丙烷（MOx的非手性等效物）的复合物的光谱相似，但更为复杂，因为这里的低能量跃迁被分裂了[141]。通过将UV探针设置在这些带中的每一个上获得的构象选择性振动光谱表明复合物存在两种异构形式[142]。根据它们的实验ν(OH)频率与量子化学计算之间的对应关系，它们被分配到图14b,c中显示的两种氢键结构。这两种结构分别称为复合物A和复合物B，显示出苯酚的手性扭曲，这是由于羟基的平面外变形造成的。尽管相似，但复合物A和B在苯酚羟基与哪个氧自由电子对氢键结合上有所不同，这导致ν(OH)伸缩频率略有不同。复合物A涉及与MOx甲基取代基一侧的自由电子对的相互作用，而复合物B涉及与另一侧的自由电子对的相互作用。这导致苯酚羟基的平面外扭曲方向相反：复合物A为-9.9°，复合物B为9.6°。对于给定的MOx绝对构型，复合物A和B显示出相反符号的PECD，如图15所示。这种PECD符号的相反性可以用复合物A和B中苯酚羟基的相反平面外扭曲来解释。尽管符号相反，但复合物A和B的PECD幅度略有不同，特别是在电离起始时（分别为约6%和3%）。这是因为复合物A和B几乎是镜像对称的，但由于MOx部分的 chirality，它们并不是严格意义上的镜像[见图15e]。这反映在描述波函数手性的手性指标上，这些指标的符号相反但幅度不等，PECD光谱也是如此。因此，我们可以认为这里的诱导手性具有双重来源：苯酚的手性作用于初始状态（初始手性轨道），并增加了MOx的手性，后者作用于最终状态，为离开的电子提供了一个手性势场。

图14显示了通过监测电子电流记录的Phe:MOx复合物的S0–S1 REMPI光谱。A和B标记的带分别对应于复合物A和B。(b) Complex A（黑色光谱）和(c) Complex B（红色光谱）的IR–UV光谱，以及相应的在B3LYP-D3BJ/631++G(d,p)水平上计算的模拟光谱和关联结构。改编自参考文献[142]。

图15显示了通过激发phenol:MOx复合物的跃迁原点获得的PES（实线）和PECD光谱（带误差条的圆圈）。由于两个跃迁原点的接近，两个复合物的总电离能量相同（8.92 eV）。含有(MOx) (R)对映体的复合物用蓝色表示，含有(S)对映体的复合物用红色表示。(c) Complex A和(d) Complex B在OVGF水平上计算的离子化HOMO轨道的电子等高线。(e) Phe:(S)-MOx复合物的Complex A（全彩）和Complex B（透明色）的结构比较。请注意，芳香环是一个伪对称平面。改编自参考文献[142]。

5 总结与展望

在这篇综述文章中，我们专注于通过频率分辨PECD探测的分子构象，这是一种对稀释的手性目标的手性效应非常敏感的强大光学方法。研究手性和构象之间的相互作用对于手性识别和不对称反应性的基础和应用方面都非常重要。手性光谱学是这种研究的独特工具，因为它对构象变化非常敏感。这种敏感性有时会使溶液中圆二色光谱的解释变得困难。例如，正确处理构象敏感性对于基于振动圆二色光谱的绝对构型分配至关重要[143-148]。另一方面，圆二色光谱对构象的敏感性可以用于结构确定，而电子圆二色光谱可以提供关于蛋白质二级和三级结构的信息。然而，这些方法由于测量信号的固有弱点，并不适用于气相。相比之下，PECD由于与之相关的大型不对称性而脱颖而出，非常适合用于气相中的结构和手性分析。然而，PECD对构象分布的高度敏感性，因此也对温度敏感，这可能成为其在气相中作为分析探针检测对映体过量时的一个问题/限制，例如在气相色谱分析的顶空采样中。因此，理解PECD与构象之间的联系是相关的。通常，当电离基于单光子过程时，只能间接推断PECD对构象的敏感性，例如通过比较实验和Boltzmann平均的模拟PECD光谱。然而，在某些情况下，可以利用分子的内在属性来获得部分构象选择性和/或控制。这可以通过改变预膨胀温度或更换载气来打破构象平衡，在某些情况下也可以利用不同构象体之间的电离能差异来实现。通过使用REMPI PECD技术，可以实现完全的构象选择性。我们已经证明，即使电子跃迁频率相差仅3 cm?1，也可以分别记录这些构象体的PECD信号，无论是分子内异构体还是分子间异构体。PECD对构象的敏感性非常高，以至于对于同一对映体也可以观察到相反的PECD信号，例如1-吲醇的情况。PECD的符号还可以表征酚类化合物与MOx分子中哪个电子孤对之间的结合位点，从而提供了一种前所未有的光谱方法来探测手性。这些结果表明，总体而言，PECD比PES或各向异性参数b对构象异构体更加敏感。实际上，在我们研究的大多数情况下，PES或b2参数对异构体并不敏感，除非异构体的最高占据分子轨道（HOMOs）性质不同。这种策略已经广泛应用于以碳或氮为中心的手性系统，并且目前也被用于研究非中心手性（轴向手性）和特定位点的复合物形成。接下来我们要解决的问题是，如何通过PECD信号来检测发色团在不同位点上的水合情况。为了回答这个问题，我们正在记录已经通过IR–UV方法表征过的复合物的PECD信号，并将溶剂化位点的性质与PECD光谱的形状联系起来。此外，这项工作还提出了关于多光子PECD基本原理的几个问题，特别是初始态的性质。极化研究和非常弱的b3参数表明，应考虑的初始态是激发态S1态，并且在迄今为止研究的系统中，这种态并没有发生对齐。然而，这一结论不应草率下结论，因为Baumert及其同事发现，在芬酮的情况下，PECD主要由b1项主导，而b3和b5项可以忽略不计；而在樟脑的情况下，PAD图中出现了额外的节点，这些节点由b3系数描述[107]。从应用的角度来看，构象选择性的PECD可能有助于复杂混合物的手性分析。与传统的分析化学方法（如色谱法）相比，PECD可以在操作过程中在线使用，且速度更快。然而，如果研究的分子具有灵活性（如大多数化学或生物相关分子），不同的构象体可能会产生相反的PECD信号，这使得测量变得困难、受温度影响较大且效率不高。这在Phen:MOx复合物的情况下尤为明显，因为在该复合物中，8.5 eV处的一光子PECD信号在电离开始时仅占4%–5%，这可能与不同构象体对信号的贡献方向相反有关。使用REMPI-PECD方法测量得到的两个构象体的PECD信号值分别为10%和-5%。事先进行的IR-UV和REMPI-PECD分析可以帮助确定最佳构象体，即信号最强烈的构象体，从而实现快速高效的对映体过量测量。这些实验也可以扩展到低温离子阱中的阴离子，以便研究更大、更真实的手性系统。

致谢：
本项工作得到了法国国家科研计划（ANR）在France 2030项目下的资助，项目编号为ANR-23-EXLU-0004，PEPR LUMA TORNADO。作者感谢许多同事在研究中的关键贡献，他们的名字列在参考文献中。特别感谢G.A. Garcia博士、I. Powis教授、V. Lepère博士、E. Rouquet博士、J. Dupont博士、R. Haddidi博士、D. Bozanic博士和S. Hartweg博士的宝贵支持。开放获取出版物的资金由COUPERIN CY26提供。

利益冲突：
作者声明没有利益冲突。

作者简介：
Laurent Nahon目前是SOLEIL同步加速器的DESIRS光束线小组负责人，主要从事各种对象（主要是孤立物种）的VUV光动力学研究。他特别关注VUV圆偏振光与手性物质的相互作用，这一相互作用可能与生命起源的手性起源有关，特别是分子光电离与手性之间的光电子圆二色性（PECD）现象。他毕业于法国奥赛大学，获得物理学博士学位。Anne Zehnacker目前是法国国家科学研究中心（CNRS）和巴黎萨克雷大学分子科学研究所的研究主任，并于2019年获得东京工业大学的特聘教授职位。她的研究兴趣包括光谱学和手性，具体领域包括气相中的手性识别、手性晶体中的振动圆二色性以及构象选择性光电子圆二色性。她也毕业于法国奥赛大学，获得物理化学博士学位。

数据可用性声明：
由于本研究过程中没有生成或分析任何数据集，因此不适用数据共享的规定。