ECD/UV拟合

小工具教程

发布日期: 2023-06-27

更新日期: 2023-07-04

文章字数: 1.6k

阅读时长: 6 分

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1. 用途

将计算的电子圆二色谱（ECD）/紫外光谱（UV）与实验图谱拟合、比较，判断化合物绝对构型。

2. 特色

本工具支持多批次处理，自动拟合曲线，手动调整参数，允许随意组合构象，帮助用户排除不合理结果，获得最佳图谱。

3. 预备知识

以下内容了解概念即可，不必专研数学公式，连概念都不想了解的，可以直接跳过！

3.1 玻尔兹曼（Boltzmann）分布

在真实环境中，化合物分子往往是多构象并存的。在平衡状态下，各构象的比例服从玻尔兹曼（Boltzmann）分布，能量越低则比例越大。在ECD/UV计算中，多构象按比例加权平均得到的图谱，通常会更接近实验图谱，也更为合理稳定。

p_i=\frac{N_i}{\sum_j{N_j}}=\frac{e^{-E_i/k_{B}T}}{\sum_j{e^{-E_j/k_{B}T}}}=\frac{Q_i}{Q}

其中， $p_i$ 是第 $i$ 个构象所占比例， $N_i$ 是其分子个数， $E$ 是构象能量（单位：kcal/mol）， $T$ 是温度（单位：K）， $k_B$ 是玻尔兹曼常数， $Q$ 称为配分函数。

3.2 图谱拟合

ECD/UV计算得到的是若干激发态下电子跃迁（electronic transition）的旋转强度（rotatory strength，用于ECD）或振子强度（oscillator strength，用于UV）和对应的激发态能量（ $E_{0k}$ ）。展示在图上是类似核磁的棒状线谱，按照下面的公式进行高斯展宽才能模拟出科顿效应图谱。

\Delta\epsilon(\lambda)=\frac{1}{c}\cdot\frac{1}{\sigma\sqrt\pi}\sum_k{E_{0k}R_{0k}}e^{-\left(\frac{E-E_{0k}}{\sigma}\right)^2}

其中， $\lambda_k$ 是波长， $\sigma$ 是在 $\frac{1}{e}$ 峰高处的半带宽；对于ECD， $c=22.96\times 10^{-40}$ ，对于UV， $c=2.870\times 10^4$ 。

熟悉高斯分布（正态分布）的话，很容易看出上述两个参数 $\lambda$ 和 $\sigma$ 是控制图谱位置和形状的关键，通过调整参数使计算图谱与实验图谱吻合。

4. 入口

平台地址：https://cloud.yinfotek.com

功能入口：平台左侧菜单栏【计算方案】->【小工具】->【波谱分析】->【ECD/UV拟合】

5. 平台操作步骤

上传文件

上传实验图谱数据和量化计算输出文件。
- 实验数据格式为两列数据：波长和光谱（无列名，如下图所示）；
- 计算文件为ECD/UV计算（TDDFT激发态计算）的输出文件。
1. 对于xls和xlsx格式，若有多个工作簿（sheet），该工具仅读取第一个；
2. 实验数据首列为波长，第二列为光谱，波长无排序要求（顺序、倒序或乱序均可），只要波长与光谱数据一一对应即可；
3. 目前仅支持Gaussian09的输出文件，后续更新会增加对Gaussian16、ORCA和NWChem的支持。
自动拟合

选择图谱类型、实验数据和构象，设置波长范围、偏移范围和半带宽范围，点击【拟合图谱】，系统将在所设范围内进行扫描，找到使计算图谱（或其对映异构体）与实验图谱吻合的最佳参数。

首次拟合，采用默认参数即可。
手动拟合

若自动拟合的图谱不理想，用户可凭观察，调整图谱下方的参数，平台会自动更新曲线。点击下方的Excel文件，获取当前图谱曲线数据（提示：可用《【ECD/UV作图】》工具绘制高质量图片，请参考这篇教程）。
1. 偏移值为正数时，计算曲线（红色）右移；值为负数时，曲线左移；
2. 半带宽值越大，计算曲线越“胖”，有被横向拉平、合并邻峰的趋向；值越小，则曲线越“瘦”，有被纵向拉伸、分裂峰谷的趋向；
3. 偏移绝对值不宜过大，采用B3LYP方法时，偏移一般在±30 nm范围内，但并非不可超过，采用其他方法时，偏移幅度可能更大；
4. 半带宽值也不宜过大过小，一般在0.1-0.5范围内，超过0.5也未尝不可；
5. 当改变偏移值后，需要点击【更新下载文件】才能将当前参数更新到Excel文件中。
图谱右侧给出了实验图谱、计算的平均图谱、各构象的计算图谱（和对平均图谱的贡献百分比）以及对映异构体的选项。

勾选显示各构象图谱，观察分析它们是如何影响平均图谱的，有助于排除不合理的构象，优化平均图谱。当明确构象后，回到第2步，重新选择构象，拟合图谱。通过这种方法，探索构象组合。

例如，观察发现所有构象的图谱基本接近。其中，r-3和r-4与实验图谱差距较大，从比例看，r-3和r-4的贡献很小，由此判断，剔除r-3和r-4不会对平均曲线造成显著影响。最终选定的构象组合是r-1和r-2。

(各构象图谱、平均图谱与实验图谱的比较)

（剔除无关紧要的构象后的平均图谱与其对映异构体图谱）

值得注意的是，很多化合物的科顿效应较多，左右移动（本体或对映异构体的）计算曲线，可能都在一定程度上吻合实验图谱，此时可参考UV图谱拟合的偏移值。理想情况下，ECD的偏移值与UV偏移值接近，但实际操作时，常见差别较大甚至符号相反的情况。

例如，下图所示UV偏移值为-3 nm，而上面拟合得到的ECD偏移值为-11 nm，两者符号相同、数值接近。由此肯定该偏移值是可靠的。

6. 总结

本篇教程介绍了使用殷赋云计算平台【ECD/UV拟合】小工具进行图谱分析的操作流程及注意事项。ECD/UV分析是一项复杂的探索性的工作，限于篇幅，本文无法详细讨论各种复杂情况。有疑问的读者，请在评论区留言，更推荐加入殷赋科技学术交流群，一起探讨。