手性是自然界和化学合成中普遍存在的基本属性，指一个物体或分子与其镜像不能完全重合的特性，如同左手与右手的关系。在分子层面，手性通常源于存在手性中心（最常见的是连接四个不同基团的碳原子，即不对称碳）、手性轴（如联苯、丙二烯类化合物）或手性面（如螺烯类化合物）。
什么是手性化合物
手性化合物指分子与其镜像不能重叠的立体异构体，常见类型包括中心手性、轴手性（如联苯、C-N轴）和平面手性。轴手性化合物因单键旋转受阻形成稳定构型，如联苯的P/M构型或C-N轴化合物。其计算需量化手性中心的立体构型、能垒及光学性质（如旋光、圆二色性）。
DOI: 10.1360/SSC-2019-0168
手性化合物的计算研究
1. 构象搜索与能垒计算
系统地搜索分子所有可能的低能量构象，确定优势构象及其相对稳定性，这对于理解柔性手性分子的行为至关重要，因为其手性性质（如光学活性）可能强烈依赖于构象分布。
通过DFT（密度泛函理论）优化分子构型，计算两种不同构型的手性化合物，根据能垒高低，确认产物的优势构型。
DOI: 10.1038/s41467-022-35610-w
2. 手性光谱预测
旋光度（Optical Rotation）：通过计算电子极化率张量的各向异性，可以预测分子的比旋光度。旋光度的计算通常需要高水平的理论方法和较大的基组，因为这是一个对电子结构细微变化极其敏感的性质。
电子圆二色光谱（ECD）：通过计算电子激发能和相关旋转强度，可以模拟出ECD光谱，用于绝对构型确定。将计算的ECD光谱与实验测量结果比较，可以确定手性化合物的绝对构型。
振动圆二色光谱（VCD）：VCD是红外吸收的差谱，测量的是手性分子对左旋和右旋圆偏振红外光的吸收差异。VCD计算需要先进行频率计算，得到振动频率、振动模式和旋光强度，进而模拟VCD光谱。
核磁共振（NMR）化学位移：计算13C NMR化学位移可用于确定手性化合物的相对构型和绝对构型。通过比较不同立体异构体的计算化学位移与实验值，可以确定化合物的绝对构型。
3. 反应机理与立体选择性研究
计算化学在手性反应机理研究中具有重要作用，特别是对于不对称催化反应。通过计算反应路径上的反应物、中间体、过渡态和产物的能量和结构，可以揭示立体选择性的起源，为催化剂优化提供指导。
例如，对不对称烯丙基烷基化反应的DFT计算揭示了铱/镁双金属协同催化体系的工作机制。计算显示镁催化剂与核结构双齿配位模式及过渡态中配体间空间排斥作用是高立体选择性的关键。这些理论指导研究人员设计出了具有更高选择性的催化剂系统。
DOI: 10.1021/jacs.5c11017
总结
手性化合物的计算研究已经从辅助工具发展成为手性科学中不可或缺的核心研究手段。随着计算方法的不断进步和计算资源的日益丰富，手性计算的范围和精度将持续提高，为手性化合物的研究提供更深入的理论见解和更精准的预测能力。
