通过建模溶剂化与二聚化效应，利用振动圆二色性（VCD）改进绝对构型判定

引言

具有药理学意义的分子其立体异构体可能对生物体产生不同的作用。因此，了解所合成药物的绝对立体构型至关重要。正如《FDA 》指南所示，已获批的对映体纯治疗药物必须明确其立体化学性质，即绝对构型（AC）。¹

VCD光谱法是一种通过比较实验测得的VCD光谱与理论预测的VCD光谱，从而确定溶液中分子绝对构型的方法。²某些分子的VCD光谱可能会随溶剂的不同而发生显著变化（主要归因于构象效应和氢键作用）。由于VCD测量的溶剂选择可能取决于分子的溶解度，因此必须确保理论VCD计算能够以足够的精度考虑溶剂效应。

R-2-羟基-4-苯基丁酸（(R)-2H4PBA）是一种羧酸，其在氯仿（_CHCl₃）和二甲基亚砜（DMSO）中的实验VCD光谱显示出显著差异。这些差异很可能源于两种溶液中发生的分子间相互作用。为了通过VCD计算准确再现实验光谱，在设置计算参数时必须将这些相互作用考虑在内。

本白皮书展示了将BioTools的实验VCD测量结果与Schrödinger的计算VCD预测结果相结合的应用，其目的不仅在于确定2H4PBA在两种标准溶剂（_CHCl3和DMSO）中的绝对构型，还旨在展示一种可能的方法，以实现实验VCD光谱与理论VCD光谱之间更大的重叠。

我们进一步演示了现有比较和比对算法的应用，例如Schrödinger软件中的皮尔逊^系数³（PC），以及 BioTools 的 CompareVOA 算法中的对映体相似性指数（ESI）/置信度^{⁴。简而言之}，皮尔逊系数是衡量测得和计算的 VCD 光谱重叠程度的指标。 CompareVOA 计算出 SNS（西格玛邻域相似度，以百分比表示），而 ESI（对映体相似度指数，ESI 或 delta）则是首选对映体的 SNS 与相反（相似度较低）对映体的 SNS 之间的差值。ESI 值越大，AC 视觉判别的置信度就越高。为了获得更高的可靠性，PC 和 ESI 可以结合使用。

氯仿和二甲基亚砜中的实验光谱及理论光谱建模

首先，我们尝试在隐式溶剂中对(R)-2H4PBA的光谱进行建模。下图1显示了(R)-2H4PBA的理论和实验红外（IR）及VCD光谱。左侧图对应_CDCl3，右侧图则代表DMSO-d6。实验光谱中使用了氘代溶剂，以避免溶剂的红外吸收带与样品的红外吸收带发生重叠。

采用隐式溶剂化模型对(R)-2H4PBA进行的理论VCD计算结果与两种溶剂下的实验数据均吻合良好，从而可以确定其绝对构型。实验与理论VCD光谱之间的光谱重叠皮尔逊系数（PC）显示在光谱下方。绝对值大于0.2的皮尔逊系数通常足以对立体化学定性提供信心，^³因此系数值0.776和0.618证实了将立体中心视觉定性为R是正确的。^ESI⁴结果也支持将绝对构型判定为R。与皮尔逊系数的情况一样，DMSO-d6 溶剂的 ESI 值低于_CDCl₃溶剂的值。DMSO-d6 溶剂的较低值表明理论与实验之间的重叠程度较低。

理论与实验之间一个显而易见的定性差异在于，两种溶剂中均在约1700^cm⁻¹处出现羧基峰。由于未考虑分子内或分子间氢键的作用，该区域的理论频率几乎总是发生偏移。就本例中的酸而言，这最可能是由于_在CDCl₃中涉及COOH基团的分子二聚化，以及在DMSO中存在的溶剂-溶质氢键所致。

众所周知，DMSO 可与某些溶质形成氢键，从而改变其构象谱图。⁵含有羟基的 2H4PBA 与 DMSO 之间必然会形成^此类氢键。这很可能是氯仿和 DMSO 中的实验 VCD 谱图存在差异的主要原因。在隐式氯仿/DMSO溶剂中计算得到的2H4PBA理论光谱未能考虑氢键的形成，因此，正如预期的那样，这些光谱非常相似。

**图1：**实验光谱（蓝色）与隐式溶剂模拟光谱（绿色）在FTIR（下图）和VCD（上图）中的对比。可以观察到一些定性上的差异，特别是在1700^cm⁻¹附近。

在氯仿中获得更好的光谱重叠

为了考虑(R)-2H4PBA在氯仿中可能发生的二聚化现象，我们使用相同的隐式溶剂，对(R)-2H4PBA二聚体（见图2）进行了类似的VCD计算。所得的预测光谱与实验光谱在视觉上更为吻合（图 3）。与单体（在 8 个 CPU 上耗时 2 小时）相比，二聚体的 VCD 计算计算成本要高得多（此类计算包括构象搜索，在 8 个 CPU 上耗时 2 天）。一种减少计算时间的方法是“模拟”二聚体模型，将其视为与体积小得多的甲酸形成氢键复合物的(R)-2H4PBA，如图4所示。图5表明，此类计算结果与实验数据吻合良好。所得光谱的形状与完整的 (R)-2H4PBA 二聚体相似，且在 1700-1850^cm-1 区域内的峰值符号正确。对 (R)-2H4PBA + 甲酸的计算在 8 个 CPU 上耗时约 6 小时。

尽管二聚体和甲酸的计算结果均提高了视觉一致性，从而增强了对绝对构型判定结果的信心，但值得注意的是，PC值和ESI值均有所下降，这说明了一个非常重要的观点：PC值和ESI值仅应用于确认对绝对构型的视觉判定。此外，这些值还为绝对构型（AC）的判定以及VCD光谱一致性的程度提供了定量衡量标准。PC和ESI值既取决于VCD峰的位置和光谱宽度，也取决于符号相反的相邻VCD峰之间的强度抵消。并非总能判断计算结果的变化先导化合物是否会导致PC或ESI值的提高或降低。

**图2：**根据隐式溶剂化模型，(R)-2H4PBA二聚体在氯仿中的最低能构象。对这类二聚体进行建模，可能有助于更好地描述羧酸在氯仿中的VCD光谱。

**图3：**_{CDCl₃溶液中实验}光谱（蓝色）与二聚体理论计算光谱（绿色）的FTIR（下图）和VCD（上图）对比。对二聚化效应的建模大大提高了实验光谱与理论光谱之间的定性一致性（与图1左图对比）。

**图4：**根据隐式溶剂化模型，(R)-2H4PBA与甲酸在氯仿中形成配合物的最低能构象。通过将小分子甲酸纳入模型来模拟二聚化效应，可节省计算时间。

在DMSO中获得更好的光谱重叠

为了考虑(R)-2H4PBA与溶剂DMSO之间的氢键作用，我们构建了由(R)-2H4PBA与一分子DMSO组成的复合物。我们分别在气相phase 和带完整溶剂PCM壳层的情况下，对该配合物进行了VCD计算。涉及(R)-2H4PBA+DMSO配合物且采用隐式DMSO溶剂的计算结果，与(R)-2H4PBA二聚体在隐_式CHCl3中的计算协议一致。与本研究中的所有计算一样，VCD计算中也对该配合物进行了构象搜索。

采用隐式DMSO计算成功改善了约1700^cm⁻¹处的模拟羧基峰。所得光谱如下图6-7所示。

**图5：**CDCl₃溶液中实验光谱（蓝色）与甲酸配合物理论计算光谱（绿色）的FTIR（下图）和VCD（上图）对比。对较小的甲酸配合物进行建模，可再现完整二聚体光谱中出现的大部分光谱特征（参见图3）。

**图6：**DMSO-d6溶液中实验光谱（蓝色）与该配合物的理论计算光谱（绿色）在FTIR（下图）和VCD（上图）中的对比。与显式DMSO分子形成配合物，改善了理论VCD光谱在1700 cm-1附近的峰（参见图1右图）。

**图7：**DMSO-d6溶液中实验光谱（蓝色）与采用隐式溶剂化模型计算的配合物理论光谱（绿色）在FTIR（下图）和VCD（上图）谱图中的对比。在隐式溶剂中与显式DMSO分子形成配位复合物，进一步改善了1100-1500 cm⁻¹区域的VCD光谱（与图6及图1右侧子图对比）。

结论

通过将实验VCD测量（BioTools公司）与理论VCD计算（Schrödinger 公司）相结合，可以常规地确定绝对构型。由于溶剂对VCD光谱的影响可能很大，建议采用隐式溶剂模型来模拟这些影响。为了使某些化合物的实验VCD光谱与理论VCD光谱更好地吻合，除了标准的隐式溶剂计算外，还可以采取以下措施：

(i) 对在非极性溶剂中易形成分子间氢键的化合物的二聚体进行建模；

(ii) 使用包含隐式溶剂分子的复合物，以更好地描述由氢键驱动的溶质-溶剂相互作用。

VCD光谱的实验测量

将约8-10 mg的2H4PBA溶解于约125-250 μL的溶剂中，并将所得溶液转移至光程为100 μm的BaF2红外池中。光谱测量使用BioTools公司（佛罗里达州朱庇特）的ChiralIR2X DualPEMFT-VCD光谱仪进行，分辨率为4^cm⁻¹，PEM最大频率^为1400^cm⁻¹^。在干燥空气吹扫以去除水蒸气的同时，对样品进行了8个测量块，每个测量块持续1小时。红外光谱经溶剂扣除处理，并在2000^cm⁻¹处归零。对VCD数据块进行平均处理后，采用半差法[(E1 – E2) / 2]进行处理。

VCD光谱的理论计算

理论VCD光谱由Schrödinger 公司采用标准计算VCD工作流程进行建模。通过MacroModel/OPLS4构象搜索，在5 kcal/mol的能量窗口内保留最多100种构象。后续所有DFT 计算均在Jaguar 上以B3LYP-D3/LACVP**理论水平进行。当需要隐式溶剂模型时，构象的几何结构将通过PCM（极化连续介质模型）进行优化，并采用PBF（泊松-玻尔兹曼有限元法）进行最终单点能量评估以确定玻尔兹曼权重。若未要求使用隐式溶剂，则在气体phase 中对构象的几何结构进行优化。对于能量范围在5 kcal/mol内的构象，将根据要求计算其VCD光谱（可选择是否使用隐式PCM溶剂）。对各个构象的光谱进行玻尔兹曼平均，然后进行归一化处理，以生成最终的VCD光谱。理论光谱与实验光谱的比对是根据参考文献3中描述的算法进行的。