第六講 計算機輔助結(jié)構(gòu)確定方法

姚建華 李佳 徐雯麗 蔣舒仰 胡靜 李靖靖 王宇飛

1中國科學院能量調(diào)控材料重點實驗室，中國科學院上海有機化學研究所（上海 200032）

2鄭州工程技術(shù)學院 （河南鄭州 450044）

化學的發(fā)展史表明化學是從煉金術(shù)發(fā)展而來。化學學科的定義也隨著人們對化學本質(zhì)的認識和理解，得到不斷修改。從1661年起的化學是混合物的物質(zhì)原理的學科，到1998年，發(fā)展為化學是研究物質(zhì)及其變化的學科。從本質(zhì)上說，物質(zhì)的變化、特性與物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。也就是說，要研究化合物的各種性質(zhì)、變化過程，確定的化合物的化學結(jié)構(gòu)是必不可少的基本數(shù)據(jù)。

本文將介紹計算機輔助結(jié)構(gòu)確定的方法。

1 結(jié)構(gòu)確定

確定化合物的化學結(jié)構(gòu)主要由以下3部分組成：結(jié)構(gòu)解析、譜圖獲取和譜圖比較（見圖1）。

圖1 結(jié)構(gòu)確定示意圖

所謂結(jié)構(gòu)解析即根據(jù)該化合物的多種化學分析結(jié)果數(shù)據(jù)，如質(zhì)譜（MS）、紅外（IR）、拉曼（RAMAN）、核磁（NMR）、紫外（UV）、元素分析等數(shù)據(jù)，推斷出一個或一組對應的候選化學結(jié)構(gòu)。目前，在結(jié)構(gòu)解析中，用質(zhì)譜、紅外、拉曼和核磁數(shù)據(jù)用作結(jié)構(gòu)解析的主要依據(jù)。

所謂譜圖獲取即根據(jù)化合物的化學結(jié)構(gòu)，采用相應的技術(shù)，獲得對應的譜圖數(shù)據(jù)，如質(zhì)譜、紅外、拉曼、核磁和紫外等譜圖數(shù)據(jù)。

圖1的內(nèi)容表明了結(jié)構(gòu)解析與譜圖獲取的關(guān)系。

譜圖比較即比較用于結(jié)構(gòu)解析的譜圖數(shù)據(jù)與根據(jù)推測的化學結(jié)構(gòu)獲得的譜圖。如果比較結(jié)果相同，則結(jié)構(gòu)解析推測的化學結(jié)構(gòu)即為被確定的化合物的化學結(jié)構(gòu)。如果比較結(jié)果不同，則表明結(jié)構(gòu)解析推測的化學結(jié)構(gòu)不是被確定的化合物的化學結(jié)構(gòu)。

2 經(jīng)驗型結(jié)構(gòu)確定

經(jīng)驗型的結(jié)構(gòu)解析和譜圖獲取的工作流程分別如圖2和圖3所示。

圖2顯示的流程表明，工作人員通過查文獻或譜圖手冊，判斷該譜圖是否已有對應的結(jié)構(gòu)報道。如果工作人員未能在文獻和譜圖手冊中查到對應的化合物結(jié)構(gòu)，則將完全憑工作人員的經(jīng)驗，推測出一組或一個對應的化學結(jié)構(gòu)。

圖3顯示的流程表明，工作人員通過查文獻或譜圖手冊，判斷該推測的化學結(jié)構(gòu)是否已有對應的譜圖報道。如果工作人員未能在文獻和譜圖手冊中查到對應的譜圖數(shù)據(jù)，那么采用購買或合成化合物的方式，獲得推測的化學結(jié)構(gòu)的化合物。然后，用對應的儀器獲取該化合物的譜圖數(shù)據(jù)。

圖2 經(jīng)驗型結(jié)構(gòu)解析的流程

圖3 經(jīng)驗型獲取譜圖的流程

完成了以上兩部分工作后，比較被分析的譜圖和實驗測得的譜圖數(shù)據(jù)，根據(jù)比較結(jié)果，判斷推測的化學結(jié)構(gòu)是否正確。如果推測的化學結(jié)構(gòu)不正確，將重復以上的工作，直到獲得正確的化學結(jié)構(gòu)。

3 計算機輔助結(jié)構(gòu)確定

所謂計算機輔助化學結(jié)構(gòu)確定，即借助結(jié)構(gòu)解析軟件和工作人員的經(jīng)驗，完成結(jié)構(gòu)解析工作，推測一組或一個候選結(jié)構(gòu)；使用譜圖預測軟件，完成獲取候選結(jié)構(gòu)的譜圖數(shù)據(jù)；然后，使用譜圖比較軟件，比較被解析譜圖和預測得到譜圖的相似度。根據(jù)相似度，決定購買或合成化合物，獲取測試譜圖；或重復以上工作，重新推測候選結(jié)構(gòu)。

計算機輔助結(jié)構(gòu)確定的方法主要有3種：基于數(shù)據(jù)（D）、基于邏輯（L）和基于原理（P）（如圖 4所示）。

圖4 計算機輔助結(jié)構(gòu)確定的3種方法

基于數(shù)據(jù)即利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，獲得相應的譜圖和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；基于邏輯即利用譜圖與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及規(guī)則，預測一個結(jié)構(gòu)片段，并按規(guī)則將片段連接成候選結(jié)構(gòu)；基于原理即利用量化計算的方法計算化學結(jié)構(gòu)對應的譜圖。

計算機輔助的結(jié)構(gòu)解析和譜圖預測流程分別如圖5和6所示。

圖5 計算機輔助結(jié)構(gòu)解析的流程

圖5 顯示的流程表明，計算機輔助結(jié)構(gòu)解析過程中，先利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)查詢信息（即基于數(shù)據(jù)的方法）。如果數(shù)據(jù)庫中已收錄了對應的數(shù)據(jù)，則可以不用做實驗驗證；如果該譜圖尚未被收錄到數(shù)據(jù)庫中，則需要利用譜圖與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及規(guī)則，同時結(jié)合工作人員的經(jīng)驗，預測一組結(jié)構(gòu)片段，然后根據(jù)化學理論和片段連接規(guī)則，同時結(jié)合工作人員的經(jīng)驗，推測一個或一組候選化學結(jié)構(gòu)。

圖6 計算機輔助獲取譜圖的流程

圖6 顯示的流程表明，計算機輔助獲取譜圖過程中，先利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)查詢候選結(jié)構(gòu)的譜圖（即基于數(shù)據(jù)的方法）。如果數(shù)據(jù)庫中已收錄了對應的譜圖數(shù)據(jù)，則可以從數(shù)據(jù)庫中提取該譜圖數(shù)據(jù)；如果該譜圖尚未被收錄到數(shù)據(jù)庫中，則需要利用譜圖與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及規(guī)則，預測該候選結(jié)構(gòu)的譜圖，隨后使用譜圖比較軟件，比較被解析譜圖和預測得到譜圖的相似度，根據(jù)相似度制定實驗方案。

自1946年計算機出現(xiàn)起，化學家們就期盼使用計算機技術(shù)來輔助開展結(jié)構(gòu)確定的工作。基于譜圖數(shù)據(jù)來推斷正確結(jié)構(gòu)的專家系統(tǒng)的實質(zhì)是模擬波譜學家結(jié)構(gòu)解析過程的每個步驟。早在20世紀60年代末和70年代初期，就有人開始致力于開發(fā)專家系統(tǒng)[1]。

目前，譜圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有商業(yè)和非商業(yè)兩大類。商業(yè)類的有美國Bio-Rad公司[2]已建立的紅外、核磁、質(zhì)譜等數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。非商業(yè)類的有日本國家先進工業(yè)科學技術(shù)研究所 (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)建立的化合物多譜圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包含了有機化合物的各類NMR、IR、RAMAN、MS和ESR（電子自旋共振譜）等化學譜圖[3]；中國科學院上海有機化學研究所建立的紅外等譜圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[4]。非商業(yè)類的譜圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)比較分散，這里就不一一列舉。

基于譜圖結(jié)構(gòu)確定的相關(guān)的商業(yè)軟件為數(shù)不多，如加拿大Advanced Chemistry Development有限公司的“ACD/Structure Elucidator Suite”。該軟件具有根據(jù)核磁，質(zhì)譜，紫外，紅外和色譜數(shù)據(jù)處理功能，以及根據(jù)這些數(shù)據(jù)推測出相應的候選結(jié)構(gòu)，預測候選結(jié)構(gòu)的NMR譜及譜圖比較功能[5]。

中國科學院上海有機化學研究所在20世紀90年代末，完成了基于2DNMR的結(jié)構(gòu)解析方法研究和模塊（CISOC-SES）的開發(fā)[6]。

關(guān)于譜圖預測的工作，在20世紀50年代已有報道[7]，隨著預測方法研究的深入，譜圖預測的方法從采用取代基常數(shù)逐步轉(zhuǎn)化成采用化合物結(jié)構(gòu)與譜圖關(guān)系的規(guī)則[8-10]。經(jīng)測試，采用基于結(jié)構(gòu)信息的預測方法開發(fā)出的系統(tǒng)，其預測性能較前一種好。目前，商業(yè)的譜圖預測系統(tǒng)有采用基于邏輯的預測軟件如加拿大Advanced Chemistry Development有限公司的核磁預測系統(tǒng)[11]等；也有基于原理預測方法的軟件，如HyperChem[12],Gaussian[13]等等。

中國科學院上海有機化學研究所與法國國家科研中心ITODYS研究所聯(lián)合建立了基于邏輯的紅外譜圖預測方法，并開發(fā)了紅外譜圖預測系統(tǒng)SIRSSS[9-10]；中國科學院上海有機化學研究所還建立了基于邏輯的核磁譜圖預測方法，并分別開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的C-13(CISOC-SCNMR)，H-1(CISOCSHNMR)核磁譜圖預測系統(tǒng)[6]。這些譜圖預測系統(tǒng)已應用于結(jié)構(gòu)確定的工作中。

與經(jīng)驗型的結(jié)構(gòu)確定方法相比，計算機輔助結(jié)構(gòu)確定方法提高了結(jié)構(gòu)確定的準確率和效率，降低了實驗的盲目性。