单氯化增强的构象复杂性：以3-氯丙烷-1,2-二醇为例

《Journal of Molecular Spectroscopy》：Enhanced conformational complexity by mono-chlorination: The case of 3-chloropropane-1,2-diol

　　

通过对丙烷-1,2-二醇进行单氯化，其构象复杂性可显著增强。氯原子允许稳定具有OC-CO二面角反式-反式构象的构象异构体，这在气相中其他邻位二醇中尚未被检测到。研究人员在啁啾脉冲傅里叶变换微波（CP-FTMW）光谱中，针对每种情况，为³⁵Cl和³⁷Cl同位素体总共指认了八个不同的构象异构体。此外，研究人员对构象景观进行了非常详细的分析，包括过渡态计算。除了单体物种外，还观察到了全局最低点的Ne配合物。通过核四极耦合常数，评估了弱OH?Cl键的存在。研究人员进一步利用基于密度泛函和显式相关波函数理论的方法，研究了氯原子引起的能量景观位移。为了理解色散作用在稳定某些关键构象异构体中的潜在作用，采用了伴随色散相互作用密度的局域能量分解。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
柔性分子在分子光谱和量子化学中均构成重大挑战。光谱学面临单个构象异构体无歧义检测的困难，而量子化学则需实现正确的能量排序并准确预测实验性质以指导实验指认。红外（IR）和拉曼光谱，即使在气相高分辨研究中，也常因光谱重叠而难以区分构象异构体。冷却池、氦纳米液滴或超声射流膨胀虽可降低光谱拥挤，但可能仍不足以分辨所有稳定构象异构体。IR–UV双共振光谱及其变体可记录构象特异性光谱，但需生色团，限制了其对具有合适电子跃迁分子的适用性。高分辨纯转动光谱可分辨细微结构差异，但传统上要求永久电偶极矩。然而，刚性转子近似下形式上无偶极矩的分子，如CH₄（甲烷），也可能因离心畸变产生微小偶极矩。因此，转动光谱是处理复杂构象空间分子的理想工具，即使某些构象异构体具有相对较小的偶极分量。实践中，微波光谱受限于计算化学对柔性分子的预测能力。对于简单情况，可能通过蛮力分析指认光谱，而不依赖量子化学预测。对于较复杂情况，如3-氯丙烷-1,2-二醇（α-氯甘油，3-单氯丙烷-1,2-二醇，3MCPD），则逐渐接近“混淆极限”，其中线/模式密度极高，指认仅在有精确预测时可行。3MCPD的转动光谱因Cl（I=3/2）核的电四极矩与分子转动耦合而进一步复杂化。虽然尚远未达到混淆极限，但转动常数和核四极耦合常数的准确预测可显著加速指认过程，而全面理解构象空间可进一步辅助。丙烷-1,2-二醇（PD）已通过转动光谱广泛研究，实验上已识别多达七个构象异构体，因此3MCPD预计具有类似的构象多样性。核四极耦合带来的复杂性也有助于区分具有几乎相同转动常数的构象异构体。研究人员利用转动常数、偶极选择规则、四次离心畸变常数和核四极耦合常数，对3MCPD的构象异构体进行无歧义表征，并将其与未氯化类似物比较以突出结构相似性和差异。为此，采用了常用的B3LYP杂化密度泛函以及双杂化DSD-PBEP86，并进行了“金标准”CCSD(T)方法和计算上更经济的替代方法DCSD的计算。此外，局域能量分解分析结合色散相互作用密度被用于阐明色散力在稳定特定构象异构体中的作用。该研究发表在《Journal of Molecular Spectroscopy》。

**主要关键技术方法**
研究人员使用了啁啾脉冲傅里叶变换微波（CP-FTMW）光谱法，分别在德国汉堡（2–15.5 GHz和18–26 GHz范围）和西班牙毕尔巴鄂（7–14 GHz范围）的两套自制光谱仪上进行实验。样品从Sigma-Aldrich购买（纯度98%），加热至约375 K（汉堡）或363 K（毕尔巴鄂），以纯Ne作为载气（约2 bar），通过脉冲喷嘴产生超声射流。理论方面，采用CREST程序（GFN2-xTB水平）进行构象采样，使用B3LYP-D4(BJ,abc)/ma-def2-TZVP、DSD-PBEP86-D4/ma-def2-TZVP、CCSD(T)-F12c/VDZ-F12和DCSD-F12b/VDZ-F12等方法进行几何优化、频率和核四极耦合常数计算，并对关键构象进行局域能量分解（LCCSD(T)-F12b/VQZ-F12）和色散相互作用密度分析。

**研究结果**

**3.1. 构象景观**
研究人员在B3LYP-D4(BJ,abc)/ma-def2-TZVP水平上，对10 kJ mol^?1能量窗口内的所有构象异构体进行了详细能量分析，以能量矩阵形式呈现，包括零点能校正的相对能量和过渡态能垒。大多数能垒显著高于10 kJ mol^?1，因此大多数弛豫路径被冻结（动力学冻结）。仅涉及单个OH基扭转的能垒较小（<3 kJ mol^?1），可能导致完全弛豫。基于能垒，初步筛选出十个可能存在于射流中的构象异构体。其中，两个最稳定结构gG′tG′和g′GtG′均具有弱分子内氢键网络OH?OH?Cl，且与其他构象能量差距显著。G′取向的OC-CCl二面角比G取向更受青睐，这已在1-氯丙烷-2-醇和1-溴丙烷-2-醇中观察到。仅涉及OH?O接触的结构倾向于使末端OH基团结合。3MCPD独特之处在于，单个OH?Cl接触可稳定具有OC-CO二面角反式-反式构象的结构，从而扩展了可访问的构象景观，这在PD中未被实验指认。基于Gibbs自由能计算了不同温度下的种群，并考虑了偶极矩对可检测性的影响，发现较高能量构象因偶极矩较大而受益。

**3.2. 实验指认**
实验上从十个候选构象中成功指认了八个构象异构体，所有构象均检测了³⁵Cl和³⁷Cl同位素体。所有拟合使用Watson S约化（Ir表示法），均方根误差（σ_RMS）低于光谱分辨率。尽管tGg′T和tTtG′构象能量高于全局最低点6.5 kJ mol^?1，仍被识别，因其偶极矩分量大而获得可检测性增强。通过转动常数、偶极矩、四次离心畸变常数和核四极耦合常数的综合比较，所有指认无歧义。对于全局最低点gG′tG′，还指认了单取代¹³C同位素体。通过比较未指认的tG′tT和tGg′G，估计构象温度T_conf在100–150 K范围。核四极耦合张量完全确定，大多数情况下χ_ij(³⁵Cl)/χ_ij(³⁷Cl)比值接近原子四极矩比（1.27），表明惯性轴系旋转可忽略。对g′GgG和g′G′gG构象，χ_aa异常，可能源于小轴旋转。通过比较不同计算方法的相对中位绝对偏差（RMAD），发现B3LYP预测A最准确，但B+C最差；DSD-PBEP86总体稍好；DCSD和CCSD(T)预测相似，但DCSD在核四极耦合常数上表现最佳，甚至优于CCSD(T)。B3LYP的偶然准确性源于误差抵消。此外，还指认了全局最低点的Ne配合物（²⁰Ne和²²Ne）。

**3.3. 与丙烷-1,2-二醇的能量比较**
比较3MCPD和PD的构象能量排序，发现不同构象发生了显著重排。例如，对应于PD全局最低点tGg′的3MCPD构象tGg′T和tGg′G能量显著升高（分别为5.9和9.6 kJ mol^?1）。所有在PD中可观察到的OH?OH键合基序在3MCPD中大多存在，但gG′g′T和tGg′G基序能量更高。具有反式-反式OC-CO二面角的构象（tTgG和tTtG′）在PD中因全局最低点变化而无法观察到。局域能量分解（LED）和色散相互作用密度（DID）分析表明，3MCPD中色散相互作用能量变化更大，平均比PD增加约5.4 kJ mol^?1（约30%）。对于g′G′gG和tTgG构象，色散相互作用尤为关键，可能解释了其可被实验指认的原因。此外，tTt构象比tTg构象稳定约1 kJ mol^?1，而tTtG′和tTgG在CCSD(T)-F12c水平上几乎等能。

**3.4. 核四极耦合与氢键**
从核轴系下的核四极耦合常数χ_ii和不对称参数η可推断OH?Cl氢键的存在。若存在氢键，η应相对于参考的氯丙烷（溴丙烷）增加。对于tG′gT构象（无OH?Cl接触），η与gauche-1-溴丙烷的η(⁷⁹Br)一致，确认无氢键。其他构象η显著增加，表明存在OH?Cl氢键。η值与氯丙醇中观察到的值一致。在trans和gauche家族中，较高的η与较大的计算OH伸缩频率红移相关，可定性判断氢键强度。值得注意的是，gauche家族中具有OH?OH?Cl网络的g′GgG构象η高于仅OH?Cl的tTgG，而trans家族中趋势相反，表明G型构象（OC-CCl二面角约60°）中协同效应更强，而G′型构象（约?60°）中可能表现为反协同或无协同。

**总结与讨论**
研究人员全面探索了3MCPD的能量景观，包括弛豫路径的详细分析，并实验识别了两个具有反式-反式OC–CO二面角的构象异构体（tTgG和tTtG′），这种排列在先前气相邻位二醇中未被发现。尽管失去了OH?OH氢键，它们仍可维持OH?Cl氢键。局域能量分解结合色散相互作用密度图显示，乙烷-1,2-二醇亚基与CClH₂基团之间的色散力对稳定一些先前未观察到的基序起重要作用。总共在超声射流中指认了八个构象异构体，每个均检测了³⁵Cl和³⁷Cl同位素体，全局最低点还检测了单取代¹³C同位素体。基于光谱可检测性分析，构象温度估计为100–150 K。波函数方法和色散校正泛函在相对能量上大体一致，但B3LYP对g′G′gG预测显著更稳定，可能高估了OH?Cl相互作用。对于当前数据集，DCSD提供与实验最接近的预测，优于计算上更昂贵的CCSD(T)。B3LYP对转动常数给出良好一致性，但核四极耦合常数预测最差，其偶然准确性源于误差抵消。从核轴系下的核四极耦合常数可提取氢键信息，不对称参数η特别有用，可用于确认OH?Cl氢键的存在并定性判断强度。