关键词：Gaussian 09；DFT；NHC催化；过渡态；弱相互作用；动态动力学拆分
一、文章简要介绍
这篇论文是北京师范大学团队做的，2024年发表在Nature Communications上，DOI：10.1038/s41467-024-46376-8。他们用N-杂环卡宾（NHC）催化，靠动态动力学拆分（DKR）把外消旋的环芳烃变成平面手性环芳烃，收率不错，对映选择性也高。文章里控制实验和Gaussian 09计算各占一半，计算把NHC催化剂加成到两个对映体上的能垒差算得很清楚。
平面手性环芳烃在药物研发里挺受关注，它的手性来自芳环翻转受限。要让拆分跑通，底物得能快速消旋，产物又不能翻环，这两件事对取代基大小和桥链长度都很挑。
二、Gaussian计算设置与模型
计算在Gaussian 09里完成，分两步走。第一步用B3LYP泛函加D3色散校正、6-31G(d,p)基组做结构优化和频率计算，溶剂效应用可极化连续介质模型（PCM）按四氢呋喃处理；第二步在优化好的结构上算单点能，泛函换成M06-2X加D3(0)色散校正，基组用6-311+G(d,p)。过渡态再用内禀反应坐标（IRC）复核一遍，然后交给Multiwfn做原子在分子中（AIM）分析和非共价相互作用（NCI）分析，结构图用VMD和Cylview画出来。
图1 平面手性环芳烃的重要性与NHC催化动态动力学拆分设计
图1是全文的背景和设计思路：A列了几个含平面手性环芳烃的药物分子，B列了四条已有的对映选择性合成路线，C是本文的NHC催化DKR设计。
反应本身是NHC催化下的氧化酯化。催化剂IV（Ar=2,4,6-三异丙基苯基）配DBU碱、DQ氧化剂、THF溶剂，室温24小时，[14]环芳烃1a与醇2a给出97%收率和93:7的对映体比。机理推测是NHC先加成到醛上形成Breslow中间体，再经氧化、酯化放出产物。
图2 反应机理推测（NHC加成与氧化酯化）
图2是推测的机理路径，NHC加成、氧化、酯化三步串起来，手性就在加成那一步定下来。
三、关键结果与发现
控制实验先给出一组旁证。[15]环芳烃4f与2e在标准条件下反应12小时，5fe收率48%、对映体比90:10，同时4f以消旋体形式回收40%。这说明底物消旋很快，不是决速步。另外，[12]环芳烃的4-苯基取代物(Rp)-11在优化条件下给出(Rp)-12，收率82%、对映体比>99:1；换成ent-IV催化剂，产物不到5%，(Rp)-11以89%回收、97:3的对映体比。
图3 动态动力学拆分的控制实验
图3是这些控制实验的方程式，五组对照把消旋速率、动力学拆分和催化剂匹配关系都摆出来了。
Gaussian计算给出的能量剖面对上了实验。NHC催化剂IV加成到(Rp)-1a的能垒比加到(Sp)-1a低3.6千卡每摩尔，所以加成偏向Rp那边。醛羰基的取向也影响很大：把取向换一下，Rp和Sp过渡态的相对吉布斯自由能分别抬高7.2和1.5千卡每摩尔，说明优势取向是算出来的那一个。
图4 Gaussian 09 计算能量剖面（NHC催化剂IV加成到(Rp)-1a与(Sp)-1a）
图4是计算得到的能量剖面，两条路径的过渡态能量差就是3.6千卡每摩尔的来源。
补充材料里的完整剖面把两种情况都画进去了：每条非对映路径都考虑醛羰基的两个朝向，能量低的标-1a，能量高的标-1a’。两个朝向一比，差距就出来了。
图5 补充材料完整能量剖面（M06-2X-D3(0)/6-311+G(d,p)//B3LYP-D3/6-31G(d,p)）
图5是补充材料的完整能量剖面，标注了M06-2X-D3(0)/6-311+G(d,p)//B3LYP-D3/6-31G(d,p)的计算级别。
能垒差从哪来，AIM和NCI分析给出了答案。TS-(Rp)-1a里有7个C–H…π作用、4个C–H…O氢键、2个C–H…N氢键、1个Lp…π、1个C–H…Br卤键和10个C–H…H–C范德华作用；TS-(Sp)-1a只有4个C–H…π、3个C–H…O、1个C–H…N、2个C–H…Br和9个C–H…H–C。弱相互作用堆得更多，过渡态就更稳，能垒也更低。NCI图里这些作用用颜色深浅标出来，和AIM的结果能对上。
图6 NCI图：TS-(Rp)-1a与TS-(Sp)-1a的弱相互作用
图6是两个过渡态的NCI图，左(Rp)右(Sp)，箭头标出典型弱相互作用，颜色反映电子密度的符号和强弱。
底物为什么能快速消旋，动态NMR说得很直白。1a的阻转异构在零下50度以下才观测到，室温下芳环翻转的能垒很低，两个对映体能来回换，DKR才有操作空间。计算给出的加成能垒差、实验给出的选择性，加上这组变温数据，三头对得上，文章也据此认为反应符合Curtin-Hammett情形。
图7 1a的动态NMR（阻转异构与消旋行为）
图7是1a在213到298开尔文之间的动态NMR谱，温度一升峰就并了，说明室温下翻转很快。
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