NMR计算 | 殷赋的博客

量化计算方案

发布日期: 2023-06-25

更新日期: 2023-07-04

文章字数: 2.2k

阅读时长: 8 分

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1. 前言

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）计算可用于辅助确证相对构型或候选结构。本教程以一个文献例子，介绍如何使用殷赋云平台大方案和相关小工具进行NMR计算。

2. 流程图

graph LR
A(准备结构) --> B(构象搜索) 
B(构象搜索) --> C(量化计算) 
C(量化计算) --> D(回归分析)
D(回归分析) --> E(DP4+分析)

3. 知识点

理论上，对映异构体的NMR化学位移值是完全一样的。因此，NMR无法区分对映异构体，通常搭配ECD计算来辅助确证。
柔性分子在溶液中会有多个构象共存，实际图谱是它们按照玻尔兹曼分布的加权平均的结果。因此，构象搜索是十分必要的。

4. 结构信息

本教程例子来自文献[1]

化合物结构：1a和1b是差向异构体（下图），区别在于环氧基（2、3位）的朝向。

实验图谱：某个未知构型的NMR化学位移数据（在公众号首页回复“NMR数据”获取）。

5. 平台操作步骤

下面以1a构型为例详细讲解操作步骤，1b类同。

5.1 准备结构

打开殷赋云平台（https://cloud.yinfotek.com/）【准备化合物结构】小工具；
绘制化学结构或上传分子文件，填写分子名称，点击【添加】；

注意：所有手性中心的构型都必须用楔形键明确标出（糖环上的取代基可用直立键、平伏键标志）。
不要勾选质子化/去质子化，点击【准备】，下载文件。

一般来说，实验测定NMR时，所用溶剂为有机溶剂，化合物呈中性分子状态，很少呈离子状态，因此不要勾选质子化/去质子化；当然，特殊情况除外。

建议将文件名改为有意义的名称。比如，1r.mol2，表示化合物1的R构型；当手性中心数目较多时，建议改用a、b、c、d……来标记。

5.2 构象搜索

打开殷赋云平台【小分子构象搜索】大方案，创建任务，进入提交任务页面；
上传结构文件，选择随机搜索算法；

关于各种搜索算法的适用范围，详见《小分子构象搜索》的预备知识部分。
设置RMSD阈值为0.2，其他采用默认值，点击【提交】任务。

当可旋转键太少，可降低RMSD阈值为0.2，这样会产生更多细致的构象。
待任务完成，点击【查看】，进入分析页面；
查看构象能量与比例分布，勾选所需构象，点击selected下载文件；
- 默认只显示比例 > 0的构象；
- 对于柔性分子，构象不宜选得太少，因为MMFF94分子力场下计算的能量和比例是不够精确的，选得太少容易漏掉优势构象，导致后续计算徒劳无功；
- conf.csv、conf.sdf包含所有构象的能量比例数据，发表文章可能用到。

5.3 量化计算

打开殷赋云平台【量化计算（Gaussian 09）】大方案，创建任务，进入提交任务页面；
上传分子结构，设置净电荷，其他保持默认；
使用PM6水平优化结构，按下图设置计算步骤，点击【提交】任务；
待任务完成，点击【查看】，进入分析页面；
查看构象能量与比例分布，勾选所需构象，选择mol2格式，点击selected下载文件。

默认状态下，比例为0%或者重复的构象自动隐藏。
再次优化结构。上传构象文件，设置理论水平为HF/6-31G(d)，【提交】任务；
查看结果，选择构象，下载文件；
最后一次几何优化并计算NMR，按下图设置，【提交】任务；
查看结果，选择构象，选择log格式，点击selected下载文件。

5.4 回归分析

按下图准备碳谱和氢谱的化学位移实验数据，保存为1.cnmr.csv、1.hnmr.csv文件（或xlsx格式）；

文件格式有两种：两列式和三列式。详见《【小工具教程】NMR回归分析》。

此处采用两列式，第一列为位置标记，第二列为化学位移值。
打开殷赋云平台【NMR回归分析】小工具；
上传实验图谱数据和量化计算文件，选择Gaussian 09，点击【计算】，稍等片刻，进入分析页面；
碳谱分析
1. 核磁类型选择 $^{13}$ C NMR，实验数据选择1.cnmr.csv，构象选择1a-1.log，1a-2.log，1a-5.log，对照视图中的原子编号，将其填写在表格中，并复制到各个构象的表格中，点击【回归分析】；
  
  下图所示，7位（原子编号为6）偏差绝对值略大于5，显示该处可能有问题。但查看各个构象，发现1a-1的偏差为5.25，其他构象的偏差都< 5。可见，这是构象导致的，可考虑剔除1a-1构象，重新【回归分析】。
  
  当偏差≥10 ppm时，单元格显红色；当偏差为5~10 ppm，单元格显黄色。
  
  偏差较大表明该结构计算值偏离实际，应仔细核实“原子编号”是否填写正确，分析结构、推测可能导致该现象的原因（通常为构象问题，也有可能是化学结构有误）。
2. 剔除不合适的构象，调整原子编号，重新进行【回归分析】，然后下载文件。
氢谱分析
1. 选择核磁类型 $^{1}$ H NMR，选择实验数据和构象，填写原子编号，点击【回归分析】；
  
  氢谱通如果有亚甲基和甲基，需要特别注意原子编号的写法。
  
  当偏差≥1 ppm时，单元格显红色；当偏差为0.5~1 ppm，单元格显黄色。
2. 剔除不合适的构象，调整原子编号，重新进行【回归分析】，然后下载文件。
  
  分析发现，亚甲基的原子编号都对应错了。例如，9a的化学位移实验值小于9b，但拟合值却反过来，因此须将原子编号调整过来，重新分析；其余类推。
同理，对构型1b进行碳谱和氢谱分析；
总结数据，判断构型。

显然，无论是否剔除1a-1构象，1a的碳谱CLAD都小于1b， $R^2$ 都显著大于1b；而保留1a-1时，1a的氢谱CLAD小于1b， $R^2$ 大于1b，剔除后，1a的氢谱CLAD略大于1b， $R^2$ 小于1b。因此，可以认为1a是更加符合实验数据的构型，最终以保留1a-1构象的结果作为判断依据。

构型	核磁类型	CMAD	CLAD	$\mathbf{R^2}$	RMSD
1a（保留1a-1）	$^{13}$ C	1.39	5.02	0.9987	1.9790
	$^1$ H	0.15	0.27	0.9810	0.1860
1a（剔除1a-1）	$^{13}$ C	1.48	4.73	0.9987	1.9592
	$^1$ H	0.18	0.48	0.9667	0.2462
1b	$^{13}$ C	2.76	6.72	0.9949	3.8426
	$^1$ H	0.14	0.43	0.9796	0.1929

5.5 DP4+分析

为进一步确认上述结论，增强说服力，我们进行DP4+分析[2]。按下图，将上述计算值填入DP4+ Excel表，立即得到两构型的概率值：1a (100%)，1b（0%）。因此，可非常肯定地认为，实验得到的构型是1a。

当回归分析结论很明确时，DP4+分析的结论也会一致。但在模棱两可的情况下，比如碳谱和氢谱结论相反时，DP4+分析就起到决定性作用了。

关注本公众号，在首页回复“dp4+”获取文件链接。

6. 结语

本教程讲述了NMR计算的标准流程，结合计算与实验数据，最终确认了1a为正确构型。

实际研究中，经常遇到计算偏差较大的情况，研究者要善于分析结构，推测原因，然后改进。通常而言，NMR对构象的敏感度不如ECD，但不可忽视局部关键区域的构象。这时候NOESY、ROESY等实验数据就派上用场，可帮助筛选构象。当遇到碳谱与氢谱结论相反时，或者构型间区别不大时，可考虑增加DP4+分析。

欢迎加入殷赋云计算群，在这里开启您的计算之旅吧！

7. 参考文献

Wang et. al, Purpurolide A, 5/5/5 Spirocyclic Sesquiterpene Lactone in Nature from the Endophytic Fungus Penicillium purpurogenum. Org. Lett. DOI: 10.1021/acs.orglett.8b03323
Nicolás Grimblat, María M. Zanardi, and Ariel M. Sarotti. Beyond DP4: an Improved Probability for the Stereochemical Assignment of Isomeric Compounds using Quantum Chemical Calculations of NMR Shifts. J. Org. Chem. 2015, 80, 24, 12526–12534. DOI: 10.1021/acs.joc.5b02396

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