Sadtler Suite综合软件包*

 

何林涛

(北京微量化学研究所，北京 100091)

(*本文已发表在现代科学仪器 4， 35 ,1999）

 

Sadtler公司以编辑出版各种标准谱图集如红外(IR)、紫外(UV)、核磁共振(NMR)等谱图以及相应的数据库而闻名，1978年Sadtler与著名的红外光谱制造商Digilab公司一起加盟Bio-Rad Laboratories Inc., Sadtler继续光谱数据库的发展和光谱软件的开发。1996年Sadtler收购了SoftShell公司，SoftShell的著名产品是ChemWindow，可以绘画化学结构、反应式、实验装置。1998年Sadtler为化学家推出Sadtler Suite综合软件包，它由四个子软件组成：SearchMaster 6.0、IR Mentor Pro 2.0、ChemWindow 6.0 和SymApps 6.0；内容包括红外光谱检索、红外光谱智能解释、13C-NMR化学位移预测、质谱(MS) 解释、化学结构和反应装置的绘画、三维立体化学和点群计算，此外，还有2500张标准红外光谱数据库和4500个化学结构库供红外光谱检索和结构检索。Sadtler Suite为化学家分析谱学数据和化学结构方面提供了有利工具，实现从光谱到结构和从结构到光谱的互通途径。本文简单介绍Sadtler Suite综合软件包的功能，阐明当代计算机对光谱工作者和化学家的帮助。

 

第一节              IR SearchMaster 6.0

 

IR SearchMaster 6.0 是最新版本的红外光谱检索软件，可在Windows 95/98 或NT下运行。IR SearchMaster 6.0 提供了一个非常容易使用的界面，三组工具栏(Toolbars：Standard, Search, Spectrum)可直接启用大部分常用的命令，见图1 。SearchMaster 6.0 可用多种检索方法对未知光谱进行检索。检索方法有光谱检索(全光谱范围Full spectrum或选择范围Limited Range)、峰检索、化合物名称检索、化合物理化性质检索、结构检索。这些方法可单独使用，也可以几种检索方法相互结合同时进行，见图2。SearchMaster 6.0的光谱检索有两种最常用、有效的数学运算方法：Euclidean Distance(欧氏距离，与最小二乘法相近)和1st Derivation Eulidean Distance (一阶微分欧氏距离)。化合物理化性质检索中包括：熔点、沸点、分子量、分子式、CAS登记号、闪点、折光指数、分解温度等百余项参数的检索。

       SearchMaster 6.0 可以直接调入主要的红外仪器和光谱软件公司格式的光谱数据，进行光谱处理和光谱检索，并可以这些格式存储数据。SearchMaster 6.0可直接处理的仪器公司格式有Bio-Rad /Digilab (伯乐)、Bruker（布鲁克）、Galactic、Jasco、JCAMP格式、Jeol、Labcontrol、Mattson、Nicolet(尼高力)、Perkin-Elmer(P－E)、Shimadzu(岛津)、及其他格式。

       SearchMaster 6.0可对光谱进行预处理，然后选择适当的光谱数据库进行检索，提高检索结果的命中率，光谱处理方法包括：平滑(Smoothing)、基线校正(Baseline Correction)、ATR校正、差谱(Spectral Subtraction)、归一化(Normalization)及光谱范围处理(Truncation, Flatline)等。


 


图1. SearchMaster 6.0 工作界面

 

 


 


图2. SearchMaster 6.0 中的检索方法：Combination, Spectrum, Peak, Properties, Name, Structure Search

 

       SearchMaster 6.0可以同时显示无限多张光谱，显示方式有重叠(Overlay)、偏离(Offset)、堆叠(Stacked)等方式，并可同时显示标准谱图的化学结构和相关的理化性质。SearchMaster 6.0还可将光谱图发送到ChemWindow下对光谱图作标注，随意方便地作出各种格式的报告文件, 见图3。SearchMaster 6.0 也可与IR Mentor Pro直接相连对未知光谱进行功能团分析。SearchMaster 6.0的用户还可以建立用户自已的Sadtler格式光谱数据库，供光谱检索之用。

 

 


图3. SearchMaster 6.0 与ChemWindow 6.0 的相连

 


第二节             IR Mentor Pro

 

       IR Mentor Pro是Sadtler的红外光谱专家解释软件, 它也被纳入Sadtler Suite中的一部分，IR Mentor Pro能对红外光谱峰进行解释、归属和功能团分析。IR Mentor Pro中的数据库含有700个峰，对应200多个功能团，数据库中峰的归属基于如下三本书：(1) George Socrates的<<Infrared Characteristic Group Frequencies>> 第二版，(2) L. J. Bellamy的<<The Infrared Spectra of Complex Molecules>>, (3) N. B. Colthrup和Stephen E. Wiberley编的<<Introduction to Infrared and Raman Spectroscopy>>。IR Mentor Pro的工作界面见图4，它是从光谱到结构和从结构到光谱互通的软件。有关IR Mentor Pro的具体应用在另一文中专门介绍。

 

第三节 ChemWindow Spectroscopy

      

       ChemWindow 6.0包括三大部分：(1) 绘画化学结构、化学反应式和化学实验装置，(2) 光谱曲线处理：可直接调入色谱图、光谱图、NMR图、质谱图等曲线进行处理、标注，并以使用者的意愿和要求的格式输出其图谱或转入其它应用软件中如Microsoft Word、PowerPoint等，便于出版或报告。(3) 光谱解释工具：红外光谱、质谱和核磁共振(NMR)谱与化学结构的相互关联。

 


图4. IR Mentor Pro工作界面

 


(1)    绘画化学结构：


ChemWindow 6.0提供了直接绘画化学结构的其本工具如单键、双键、三键、五元环、六元环和苯环等，还有化学反应、电子轨道、空间构象和自由旋转等工具，ChemWindow 6.0 可以绘画出化学上所有的结构式，ChemWindow 6.0追求的是方便、简单和快速。图5显示了ChemWindow 6.0中的绘画结构工具。此外，ChemWindow 6.0还有4500个结构数据库，供使用者直接调用或进行修改，见图6。

图5. ChemWindow 6.0的工具栏和绘画化学结构的能力


 


图6. ChemWindow 6.0中的结构数据库

 

(2)    绘画实验装置                                                                               

ChemWindow 6.0提供130个实验室玻璃仪器装置和250个化学工程装置数据库(见图7)，供使用者直接调用、装配所需要的装置图，如图8。


图7. ChemWindow 6.0中的130个玻璃仪器库

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


图8. ChemWindow实验装置的组配图

 

(3)    光谱曲线处理                                                                                                           

ChemWindow 6.0可以直接调入各种格式的色谱、红外光谱、紫外光谱、质谱、核磁共振谱图等，对它们进行标注、标峰，调整谱图大小，并可输出到其它应用软件如Microsoft Word、PowerPoint等，图9显示了ChemWindow 6.0处理各种谱图的情况, ChemWindow 6.0可以同时比较多张谱图，进行坐标的放大、缩小，并可以Overlay(重叠)、Offset(偏离)、Stacked(堆叠)等方式显示。


 


图9. ChemWindow 6.0对各种图谱的处理

 

(4)    光谱解释工具

ChemWindow 6.0可将化学结构与红外光谱、质谱和13C核磁共振相互关联，实现从光谱到结构(from spectra to structure)和从结构到光谱(from structure to spectra)的联通。

 

A.     红外光谱相关(IR Correction)

在ChemWindow 6.0中，绘画一个化学结构或者再跟随一张相应的红外光谱，然后启动IR Correction, 就可以得到与此结构相关的红外光谱官能团吸收峰，并可与相应的光谱作比较，即从结构到光谱，这与IR Mentor Pro的功能不一样，IR Mentor Pro是对未知光谱进行解释，分析出可能含有的官能团，主要是从光谱到结构。图10显示了ChemWindow 6.0中的从结构(苯酐)到光谱的IR Correction功能，给出苯酐的主要官能团红外吸收峰。


 


图10. 化学结构苯酐的IR Correction分析

 

B.     C-13 NMR 预测

ChemWindow 6.0带有巨大的C-13化学位移数据库，对任意一个化合物结构，ChemWindow 6.0可以通过检索C-13 NMR数据库，预测该结构的C-13化学位移，并标记在相应的位置上；ChemWindow 6.0预测的C-13化学位移是其数据库中相近结构的C-13化学位移之平均值，ChemWindow 6.0允许将这些相近结构及其C-13化学位移调出来进行比较，图11显示了对苯酐的C-13化学位移预测结果，图11中的右上方是预测结果，右下方是数据库中的参考结构之一，左方数据是在预测过程所使用的C-13化学位移参考数据。ChemWindow 6.0中的C-13 NMR预测是从结构到光谱的又一项功能，反过来，它可以验证波谱学家对C-13 NMR谱的归属是否正确。

 


 


图11. ChemWindow 6.0对苯酐的C-13化学位移预测结果(右上方)和数据库中   

  的参考结构之一(右下方)

 

C.     质谱解释工具

ChemWindow 6.0中的质谱解释工具包括如下内容：(1) 对任一化学结构式的分子量和精确质量的计算，以及各组成元素百分含量的计算，见图12。(2) 根据质谱碎片的精确质量，推导其碎片的组成式及同位素模式，见图13。(3) 质谱碎片工具：对化合物结构用质谱碎片工具将其断裂，推导出可能的质谱碎片，帮助解释质谱图，见图14。(4) 元素周期表：给出每个元素的序号、可能的价态、原子量以及同位素丰度。

ChemWinow 6.0拥有丰富的有机结构和光谱知识，是化学家和光谱学者的好帮手，可以作为教学、日常分析和科研工作中的高级工具。


图12. ChemWindow 6.0对结构式的分子量、精确质量及组成元素含量的计算

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


195.986869        8    C5 N4 O5   5     0     4     5     0

195.979658        12 C11 O4        11   0     0     4     0

195.988699        3    C4 H5 N2 O5 Cl1     4     5     2     5     1

195.982825        12 C11 H1 N2 Cl1 11   1     2     0     1

195.978803        8    C6 H1 N4 O2 Cl1     6     1     4     2     1

195.971592        12 C12 H1 O1 Cl1 12   1     0     1     1

195.984655        7    C10 H6 Cl2        10   6     0     0     2

195.980632        3    C5 H6 N2 O2 Cl2     5     6     2     2     2

 

图13. 从精确质量计算组成式或分子式及其同位素质谱模式

 


 


图14. ChemWindow 6.0的质谱碎片工具

第四节SymApps立体结构化学

       SymApps是Sastler Suite综合软件包中的第四个子软件，它是立体结构化学的工具，SymApps 6.0与ChemWindow 6.0直接相连，在ChemWindow 6.0中绘画的二维化学结构式，可直接转入到SymApps 6.0，转化成三维立体结构，见图15。


图15. ChemWindow 6.0 与SymApps 6.0的联通

 


一.    观察(View)三维立体结构                                                                                       

在SymApps中的三维立体结构可以任意旋转，使用者可从不同的角度和方向观察结构，并可计算出每个原子的三维坐标位置，以及相关的键长、键角数据。

       三维立体结构的显示方式有网线(Wireframe)、棒棒键(Sticks)、棒加球(Ball & Stick)、空间立体球(Spacefill)四种方式。图16是Benzoylecgonine的ChemWindow二维结构，图17和18分别是以上四种方式的三维立体结构图。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图16. Benzoylecgonine的ChemWindow二维结构

 


 


图17. Benzoylecgonine的SymApps三维网线(Wireframe)结构(左)和三维棒状

  (Sticks)结构(右)


 


图18. Benzoylecgonine的SymApps三维棒加球(Ball & Stick)结构(左)和三维立

  体球(Spacefill)结构(右)

 

二. 分子点群(Point Group)和特征表(Character Table)的计算

       SymApps 6.0的第二部分功能就是计算分子的点群和相应的特征表，图19显示了蒽醌的三维立体结构和它在不同误差范围(T)下的分子点群及所包含的对称元素(Symmetry Element)和对称操作(Symmetry Operations)。SymApps 6.0还能以三维立体模式显示出各种对称元素，如：对称轴(Cn)、对称中心(i)、对称面(σ)等。图20显示出蒽醌的D2h点群中的对称元素：3个C2对称轴、3个对面(σ)、一个对称中心(i)。此外，SymApps 6.0还能计算所有点群的特征表(除无限群D∞h、C∞v、R3)，图20(右)是SymApps计算D2h点群的特征表。对Dnh、Dnd、Dn、Cnh、Cnv、Cn、Sn等点群，n可以一直到255。

 

三. 动态的三维分子结构制作

SymApps 6.0可用来制作三维分子结构动态画面，(1) 设计分子结构沿X、Y、Z轴作转动或摆动，(2) 按分子点群中对称操作构成动态画面，甚至可以进行循环放映，更加明了地展现分子结构的对称性。

总上所见，SymApps是结构化学的强有利工具。Sadtler的光谱数据库和光谱化学软件发展很快，本文就作者所掌握的1999年的Sadtler Suite 6.0版软件作以上图文并貌的描述。读者可在Internet网上跟踪Sadtler Suite的最新进展，网址为www.sadtlersuite.com，美国Spectros Associates组织将Sadtler Suite软件列为FT-IR及相关软件的培训内容之一，可在网址www.spectrosl.com/#Training Course 中了解Spectros Associates 给出Sadtler Suite培训内容。

 


 


图19. 蒽醌的三维结构和分子点群

 


 

 


图20. 蒽醌D2h点群中的对称元素(左)和SymApps计算出的D2h特征表(右)