Figure 2. (S)-2-(3-fluoro-(p-tolyl)propyl)naphthalene (1)计算得到两个低能构象
图3是另一个说明性示例,展示了基组大小对相对能量以及平均手性性质(此处为旋光度)计算的影响[52]。在这个例子中,合理的构象分布变化影响了计算的平均OR的符号,应怀疑是归属错了,应考虑使用其它方法[53]。
Figure 3. trans-isocytoxazone (3) 的几何优化及其后续计算的OR
在此我们要提到一种不一样的AC归属方法,它是基于在固态下测量的ECD光谱(如微晶KBr或KCl颗粒)与TDDFT使用X-衍射结构(可能经过最小化优化后)作为输入几何计算得出的结果之间的比较。这种方法称为固态ECD/TDDFT方法,它跳过了流程图中的步骤(1-5),并且除了节省时间之外,还避免了与正确的几何形状预测有关的大多数问题。另一方面,它需要适合于X射线分析的晶体[54]。
在图4的示例中,考虑到单一的固态几何结构而不是许多低能构象(20个截然不同的DFT极小点,相对内能在B3LYP/6-311G (d,p)水平估计为3kcal/mol)来建立了天然产物(五味子乙素 A,4)的AC[55]。
Figure 4. 借助固态ECD/TDDFT方法归属五味子乙素A(4)的AC[55]
普遍采用玻尔兹曼分布来计算一组构象异构体的平均分子特性,每个构象异构体都有自己的计算特性,例如ECD光谱[20,30,31]。但是,必须注意使用 Boltzmann分布的基于以下假设:1)各种构象异构体在势能表面上彼此足够分离,也就是说,它们位于尖锐的能量阱中,其势垒高到足以将振动状态限制在每个阱中;2)对于能阱中的所有振动状态,预测的性质(此处是ECD谱)是等效的。当涉及低频振动运动时这些近似值很容易失效,最明显的是与平坦的势相关的扭转模式,这可能会对ECD预测,尤其是OR的预测产生影响[56,57]。
要考虑的第二点是玻尔兹曼分布中使用的数量。如上所述,几何优化或单点计算用来计算焓或内能;随后的频率计算可给出ZPC能量和自由能。原则上,后者应比内能更可靠,因为它们包含了振动熵。表1给出了使用内能和自由能获得的不同分布。但是,实际上,计算出的熵可能非常不准确,尤其是对于低能量振动,至少应使用加权因子来校正振动能[58,59]。
04TD-DFT泛函的选择正如我们在第一部分中提到的那样,选择TDDFT计算的泛函/基组是整个流程中最关键的一步。另一方面,这也是非专业人员可以轻松控制的步骤。实际上,最重要的事情就是简单地尝试泛函与基组的不同组合,从一系列常用的泛函和合理的基组中选择即可,并验证其结果的一致性。实际上,在此步骤中最常见、最危险的错误是仅使用单个组合,典型的做法是B3LYP配双重或三重ζ-基组,并将其结果视为理所当然。需要强调的是,无需对构象系综进行更系统的搜索以求出最佳计算水平,而通常只需对最低能构象或少数有限的稳定构象计算即可节省可观的时间。
如果必须针对特定问题选择出”最佳”泛函,该选择是如何做出的?不幸的是,这个问题没有普遍的答案。就激发态预测而言,与TDDFT计算一样,首先要考虑的是垂直跃迁能量和绝对振子强度[60-62]。但就完全吸收和/或ECD光谱而言,各种跃迁偶极子和旋转强度的相对能量和强度似乎比绝对值更重要。实际上,在流程图的最后步骤9中,在进行计算/实验比较时通常会同时用到波长偏移(UV校正)和强度缩放。
因此,对于ECD计算的最佳性能的泛函/基组组合,可能没有通用的配方,并且选择必须依赖于试错法。一般来说,相对跃迁波长和强度都强烈地依赖于杂化泛函的HF占比和长程校正[60-62]。因此,如上一节所述,应该从两个系列泛函中选取不同的示例与一个比较好的基组(例如def2- SVP或def2-TZVP)组合对一个或多个构象分别进行测试。然后,选择图谱外观表现更好的泛函用于进一步的基组测试(如有必要的话),最后对其余构象异构体进行计算。
下面我们将讨论一些示例,旨在证明泛函对最终结果的影响,特别强调B3LYP与其他泛函之间的比较。
Figure 5. 亚砜化合物5的实验ECD图谱与不同泛函TDDFT计算的ECD图谱比较
最近的一些报告表明,在预测手性方面,像CAM-B3LYP和ωB97X-D这样的长程校正泛函优于混合泛函,首先是B3LYP[63-65]。图5的亚砜5就是一个很好的例子。CAM-B3LYP和ωB97X-D能够预测正确的ECD带(band)序列,而B3LYP则不能,尤其是因为严重低估了第1带(band)的能量[63]。
当这种情况发生时,需要对跃迁和轨道进行更深入的分析,以发现可能的泛函相关问题。在化合物5及其类似物的情况下,以及在下面讨论的双卟啉系统6的情况下,导致B3LYP失效的主要因素是”缺失”跃迁的大电荷转移(CT)特性。由于不正确的渐近行为,B3LYP和许多其他混合泛函对于类CT的跃迁性能表现较差。这个问题可以通过评估特定跃迁的CT特性来证明[36,68],并且通过使用长程校正泛函来方便地处理[36,67]。
同一个例子也指出TDDFT ECD计算对混合DFT泛函中的精确交换比例的依赖性。事实上,HF%的少量增加,即从PBE0的25%变为PBE0-1/3[69]的33%,显著地改善了基于PBE的混合泛函的性能(图5b)。这说明了比较具有不同HF%的相似泛函是多么的有用,例如B3LYP(20%HF)对BH&HLYP(50%,也称为BHLYP)、PBE0(25%)对PBEO-1/3(33%)、M06(27%)对M06-2X(54%)等等。