手性物质与振动圆二色(VCD)

分子与其镜像不能重合的性质称为分子手性。自然界的分子往往以两种对映异构体中的一种存在,如天然的L-型氨基酸和D-型糖,这些现象的产生如今仍然是难解之谜。由于人体中的药物靶点(如各种受体、酶、蛋白质等)由L-型氨基酸组成,本身具有手性,手性药物分子与其发生作用从而产生药理学效应时必然具有对应选择性,对映异构体因而在人体内往往产生不同甚至相反的药理活性,如沙利度胺(Thalidomide)和布洛芬(ibuprofen)等。因此,手性分子绝对构型的确定必然成为一个极其重要并长期存在的课题。

经过数十年的发展,目前确定手性分子绝对构型的方法可以归纳为四类:a.有机合成;b.基于手性试剂化学反应和NMR的mosher法;c.X射线单晶衍射;d.光谱学方法。

 

在光谱学方法中,比较有名和应用广泛的手性分子光谱学性质为旋光(OR)和圆二色(CD)。20世纪70年代,Holzwart,Nafie和Stephens等先后成功测定了红外光区频率下的圆二色谱,即振动圆二色谱(VCD)。此后,随着傅里叶变换红外光谱等新技术的发展,VCD的测量范围逐渐扩大,测量精度不断提高,信噪比不断降低,1997年,由BioTools的Nafie等人开发的第一台VCD光谱仪ChiralIR上市。

 光的性质和VCD的产生

光是一种电磁波,是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的。振动方向与传播方向垂直,为横波。横波有一个特性,就是它的振动是有极性的,在与传播方向垂直的平面上,它可以向任一方向振动。如果把这种光通过一个Nicol棱镜(起偏器),由于它只允许振动方向与其晶轴平行的光线通过,其它光被阻挡,一束光线都在一个平面内振动,称为平面偏振光。

平面偏振光通过手性物质时,能使其偏振面发生旋转,这种现象称之为旋光。产生旋光的原因是,组成平面偏振光的左旋光和右旋光在手性物质中传播时,他们的折射率不同,这种性质叫做手性化合物的双折射性,由此造成两个方向的圆偏振光在手性物质中的传播速度不同,从而导致偏振面的旋转。用仪器记录通过手性化合物溶液的平面偏振光的振动面偏转角度,即为旋光度。旋光度随波长的变化而变化就可获得旋光光谱(ORD)。

组成平面偏振光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在通过手性介质时,不但产生因折射率、传播速度不同而导致的旋光现象,而且还产生因吸收系数不同而导致的圆二色性。用仪器可以记录通过手性化合物溶液的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收系数之差,其随波长变化即可获得圆二色谱(CD)。与此对应,当平面偏振光的波长范围在红外区时,由于其吸收光谱是分子的振动转动能级跃迁引起的,称为振动圆二色谱(VCD),VCD谱即为红外光中的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收系数之差随波长变化所给出的图谱。

长期以来,圆二色谱由于其干扰少,容易测定而被广泛应用,而振动圆二色谱在傅里叶变换红外光谱和量子化学计算的双重推动下,最近几年才得到越来越广泛的应用。与圆二色相比,振动圆二色的最大优势就是不需要分子中含有生色团,几乎所有手性分子都在红外区有吸收,都会产生振动圆二色谱图。

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