第六講 計(jì)算機(jī)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(guó)科學(xué)院能量調(diào)控材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所（上海 200032）

2鄭州工程技術(shù)學(xué)院 （河南鄭州 450044）

化學(xué)的發(fā)展史表明化學(xué)是從煉金術(shù)發(fā)展而來?；瘜W(xué)學(xué)科的定義也隨著人們對(duì)化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和理解，得到不斷修改。從1661年起的化學(xué)是混合物的物質(zhì)原理的學(xué)科，到1998年，發(fā)展為化學(xué)是研究物質(zhì)及其變化的學(xué)科。從本質(zhì)上說，物質(zhì)的變化、特性與物質(zhì)的化學(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)是必不可少的基本數(shù)據(jù)。

本文將介紹計(jì)算機(jī)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(xué)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(xué)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(gè)或一組對(duì)應(yīng)的候選化學(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)，采用相應(yīng)的技術(shù)，獲得對(duì)應(yīng)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(cè)的化學(xué)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(cè)的化學(xué)結(jié)構(gòu)即為被確定的化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。如果比較結(jié)果不同，則表明結(jié)構(gòu)解析推測(cè)的化學(xué)結(jié)構(gòu)不是被確定的化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

2 經(jīng)驗(yàn)型結(jié)構(gòu)確定

經(jīng)驗(yàn)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(xiàn)或譜圖手冊(cè)，判斷該譜圖是否已有對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)報(bào)道。如果工作人員未能在文獻(xiàn)和譜圖手冊(cè)中查到對(duì)應(yīng)的化合物結(jié)構(gòu)，則將完全憑工作人員的經(jīng)驗(yàn)，推測(cè)出一組或一個(gè)對(duì)應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

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

圖2 經(jīng)驗(yàn)型結(jié)構(gòu)解析的流程

圖3 經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)得的譜圖數(shù)據(jù)，根據(jù)比較結(jié)果，判斷推測(cè)的化學(xué)結(jié)構(gòu)是否正確。如果推測(cè)的化學(xué)結(jié)構(gòu)不正確，將重復(fù)以上的工作，直到獲得正確的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

3 計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)確定

所謂計(jì)算機(jī)輔助化學(xué)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(yàn)，完成結(jié)構(gòu)解析工作，推測(cè)一組或一個(gè)候選結(jié)構(gòu)；使用譜圖預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)得到譜圖的相似度。根據(jù)相似度，決定購(gòu)買或合成化合物，獲取測(cè)試譜圖；或重復(fù)以上工作，重新推測(cè)候選結(jié)構(gòu)。

計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(kù)系統(tǒng)，獲得相應(yīng)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(yù)測(cè)一個(gè)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(jì)算的方法計(jì)算化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的譜圖。

計(jì)算機(jī)輔助的結(jié)構(gòu)解析和譜圖預(yù)測(cè)流程分別如圖5和6所示。

圖5 計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)解析的流程

圖5 顯示的流程表明，計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)解析過程中，先利用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)查詢信息（即基于數(shù)據(jù)的方法）。如果數(shù)據(jù)庫(kù)中已收錄了對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，則可以不用做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；如果該譜圖尚未被收錄到數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)結(jié)合工作人員的經(jīng)驗(yàn)，預(yù)測(cè)一組結(jié)構(gòu)片段，然后根據(jù)化學(xué)理論和片段連接規(guī)則，同時(shí)結(jié)合工作人員的經(jīng)驗(yàn)，推測(cè)一個(gè)或一組候選化學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖6 計(jì)算機(jī)輔助獲取譜圖的流程

圖6 顯示的流程表明，計(jì)算機(jī)輔助獲取譜圖過程中，先利用數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中已收錄了對(duì)應(yīng)的譜圖數(shù)據(jù)，則可以從數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中，則需要利用譜圖與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及規(guī)則，預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)得到譜圖的相似度，根據(jù)相似度制定實(shí)驗(yàn)方案。

自1946年計(jì)算機(jī)出現(xiàn)起，化學(xué)家們就期盼使用計(jì)算機(jī)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(shí)質(zhì)是模擬波譜學(xué)家結(jié)構(gòu)解析過程的每個(gè)步驟。早在20世紀(jì)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(kù)系統(tǒng)有商業(yè)和非商業(yè)兩大類。商業(yè)類的有美國(guó)Bio-Rad公司[2]已建立的紅外、核磁、質(zhì)譜等數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等。非商業(yè)類的有日本國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)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(kù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包含了有機(jī)化合物的各類NMR、IR、RAMAN、MS和ESR（電子自旋共振譜）等化學(xué)譜圖[3]；中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所建立的紅外等譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[4]。非商業(yè)類的譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)出相應(yīng)的候選結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)候選結(jié)構(gòu)的NMR譜及譜圖比較功能[5]。

中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所在20世紀(jì)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(yù)測(cè)的工作，在20世紀(jì)50年代已有報(bào)道[7]，隨著預(yù)測(cè)方法研究的深入，譜圖預(yù)測(cè)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(cè)試，采用基于結(jié)構(gòu)信息的預(yù)測(cè)方法開發(fā)出的系統(tǒng)，其預(yù)測(cè)性能較前一種好。目前，商業(yè)的譜圖預(yù)測(cè)系統(tǒng)有采用基于邏輯的預(yù)測(cè)軟件如加拿大Advanced Chemistry Development有限公司的核磁預(yù)測(cè)系統(tǒng)[11]等；也有基于原理預(yù)測(cè)方法的軟件，如HyperChem[12],Gaussian[13]等等。

中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所與法國(guó)國(guó)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(yù)測(cè)方法，并開發(fā)了紅外譜圖預(yù)測(cè)系統(tǒng)SIRSSS[9-10]；中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所還建立了基于邏輯的核磁譜圖預(yù)測(cè)方法，并分別開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的C-13(CISOC-SCNMR)，H-1(CISOCSHNMR)核磁譜圖預(yù)測(cè)系統(tǒng)[6]。這些譜圖預(yù)測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)確定的工作中。

與經(jīng)驗(yàn)型的結(jié)構(gòu)確定方法相比，計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)確定方法提高了結(jié)構(gòu)確定的準(zhǔn)確率和效率，降低了實(shí)驗(yàn)的盲目性。