手性的本质及其多种表征研究进展

手性红外光谱研究进展
确定分子绝对构型和构象方面更为可靠
(+)-plumericin =+204
甲酰化 (-)-prismatomerin
= -136
四种构象加权平均 相似结构，不同旋光方向，相同绝对构型
手性红外光谱研究进展
Mason等用电子圆二色光谱结合耦合 振子模型理论判断Tröger碱绝对构型 为R,R(+)
Prof. Dr. J.M. Bijvoet (1892-1980)
X射线角度仪
1953年Franklin拍摄 DNA的X光片
1954年Dorothy Hodgkin(1964 年诺贝尔化学奖)解析penicillin 的晶体结构
X 射线结晶学
没有X射线聚焦棱镜，只能依赖Fraunhofer 衍射花样的反射强度差异
Nina Berova, Lorenzo Di Bari, Gennaro Pescitelli Chem. Soc. Rev., 2007, 36, 914-931
HPLC-圆二色光谱联用
色谱检测器与电子圆二色在线检测独立，CD采用停留模式
GERHARDBRINGMANN, TOBIASA.M.GULDER,MATTHIASREICHERT, AND TANJAGULDER，CHIRALITY 20:628–642(2008)
Stephens等用手性红外光谱显示其绝对构型为 R,R(-)/S,S(+)，与Mason的归属正好相反
Besse等采用Bijvoet X射线结晶学方法判断 构型为R(-)/S(+)
但Stephens等用手性红外光谱确定其乙酸衍生物绝 对构型为R(+)/S(-)，正好与Besse等的归属相反。
手性的本质 及其多种表征研究进展
内容
手性的含义 分子手性相关研究 手性表征与进展
总结与展望
手性意味着什么?
William Thomson, Lord Kelvin (1824-1907)
不能与镜像重合
旋光仪
光学活性 : (+)/(-)- 对于一对对映体
α-helix
1,1'-bi-2-naphthol (BINOL) (Pauling 1950)
对于运动物体和磁场等很必要
手性的表现
大多数药物都是手性分子。由于药物与 细胞靶向分子必须匹配，因此经常只有 一种对映体产生药效。在某些特定情况 下，另一种对映体甚至可能有害
就像鞋与脚的匹配关系一样，这些分 子只与感觉器官的左或右手形式的感 受体发生作用
分子手性研究方法
非经验方法
相对经验方法
X-射线
共振散射(反常散射)： f = f0 + f ’ + if ’’
重原子内层电子对X射线散射相移小于180度，
当X射线频率接近重原子内层电子(K层)的共振 频率时，散射因子二级效应f ’’起主要作用
轻原子共振频率位于长波方向，很难获得
工作流程 Bijvoet对强度差别(最初)
Flack 参数 (20世纪80年代)
- i(1t
- kz)
1 2
E0 (ex
iey ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱexp
- i(1t
-
k z)
RCP
LCP
电子态信息
更为丰富 的振动态 信息
手性光谱的理论模拟
寻找稳定构象 （Mnote-Carlo, DFT)
与实验结构比较 （NMR或其他）
各构型谱线 （R vs.λ)
拟合光谱 （线型，带宽）
平均谱图 （Boltzmann, exp. )
J. STEPHENS, et al., CHIRALITY, 2008, 20, 454–470
电子圆二色光谱
V12
12
r132
e1
,
e2
3
e1
0
V12r12
e12
1
e2
e12
2 , 0
1222
r122
,
,
Exciton Chirality: Fundamentals and Frontiers, Monatsh. Chem., 2005, 136(3)
手性红
结晶学 圆二色 旋光色散 外/拉曼
HPLC
NMR
酶拆分
重原子共振散射 手性光学方法 最可信 需要从头计算方法辅助 需要单晶 光学纯 ≠ ee
对映体分离 定性分析 手性固定相
非对映异构体 各项异性 动力学拆分 结合HPLC
X 射线结晶学
1950年Bijvoet 采用重原子反常色散 (共振散射)来解 决绝对结构问题
X 射线结晶学最新研究
用ps-fs脉冲X 射线激光研究 核酶的构象变化
Robert C.Spitale，Joseph E. Wedekind，
Methods 49 (2009) 87–100
手性核磁共振
Cram(1987年Noble化学奖)
Δδ:化学位移的差别,符号提供构型信息（各向异性） 将手性底物转换成两个不同物种(非对映异构 体或构象体)，从而可以区分(相对经验方法)
手性红外光谱
电子跃迁发生在电子基态的振动能级之间
不仅需要电荷的线性震荡，还同时需要电荷的角度震荡， 即磁偶极的跃迁 相比较于常用的电子圆二色光谱： 不需要手性化合物有生色基团 振动跃迁比电子跃迁有小得多的谱带宽度，高得多的分辨率； 强度计算只依赖于电子基态波函数，而电子圆二色光谱还依 赖于电子激发态波函数 ，基态波函数的计算要比电子激发态 波函数的计算更为准确
Candida rugosa lipase (CRL) 只适用于环 状醇，而不适用于芳香醇，可能是其位点更 宽
手性光学方法
Linearly polarized light (LP) 线偏振光
Circularly polarized light (CP)圆偏振光
ER EL
1 2
E0 (ex
iey )exp
手性核磁共振新趋势
HPLC-NMR 在线检测
“Mix and Shake”方法 采用树脂接连的辅助试剂
酶动力学拆分发展现状
经验规则只适用于二级醇；
最常用的酶是Burkholderia cepacia (BCL) 和Candida antarctica lipase B (CAL-B)
近半数实验都需要一个已知构型的二级醇作 为参考
手性的严格定义
• IUPAC: 物体不能通过纯粹的转动和平动和其沿一 点反演的镜像完全重合; 物体所属对称群不能包含第 二类对称操作 ( 1, m, 3, 4, 6)。
几何对称性角度，静态物体
▪ Barron: 真实的手性是由存在两个不同对映态的
系统显现，这两个对映态通过空间反演内转换，但 是不能通过时间反演与任何纯空间转动实现内转换。