手性物質(zhì)與振動(dòng)圓二色(VCD)
分子與其鏡像不能重合的性質(zhì)稱為分子手性。自然界的分子往往以兩種對(duì)映異構(gòu)體中的一種存在,如天然的L-型氨基酸和D-型糖,這些現(xiàn)象的產(chǎn)生如今仍然是難解之謎。由于人體中的藥物靶點(diǎn)(如各種受體、酶、蛋白質(zhì)等)由L-型氨基酸組成,本身具有手性,手性藥物分子與其發(fā)生作用從而產(chǎn)生藥理學(xué)效應(yīng)時(shí)必然具有對(duì)應(yīng)選擇性,對(duì)映異構(gòu)體因而在人體內(nèi)往往產(chǎn)生不同甚至相反的藥理活性,如沙利度胺(Thalidomide)和布洛芬(ibuprofen)等。因此,手性分子絕對(duì)構(gòu)型的確定必然成為一個(gè)極其重要并長(zhǎng)期存在的課題。
經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,目前確定手性分子絕對(duì)構(gòu)型的方法可以歸納為四類:a.有機(jī)合成;b.基于手性試劑化學(xué)反應(yīng)和NMR的mosher法;c.X射線單晶衍射;d.光譜學(xué)方法。
在光譜學(xué)方法中,比較有名和應(yīng)用廣泛的手性分子光譜學(xué)性質(zhì)為旋光(OR)和圓二色(CD)。20世紀(jì)70年代,Holzwart,Nafie和Stephens等先后成功測(cè)定了紅外光區(qū)頻率下的圓二色譜,即振動(dòng)圓二色譜(VCD)。此后,隨著傅里葉變換紅外光譜等新技術(shù)的發(fā)展,VCD的測(cè)量范圍逐漸擴(kuò)大,測(cè)量精度不斷提高,信噪比不斷降低,1997年,由BioTools的Nafie等人開發(fā)的第一臺(tái)VCD光譜儀ChiralIR上市。
光的性質(zhì)和VCD的產(chǎn)生
光是一種電磁波,是由與傳播方向垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替轉(zhuǎn)換的振動(dòng)形成的。振動(dòng)方向與傳播方向垂直,為橫波。橫波有一個(gè)特性,就是它的振動(dòng)是有極性的,在與傳播方向垂直的平面上,它可以向任一方向振動(dòng)。如果把這種光通過一個(gè)Nicol棱鏡(起偏器),由于它只允許振動(dòng)方向與其晶軸平行的光線通過,其它光被阻擋,一束光線都在一個(gè)平面內(nèi)振動(dòng),稱為平面偏振光。
平面偏振光通過手性物質(zhì)時(shí),能使其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn),這種現(xiàn)象稱之為旋光。產(chǎn)生旋光的原因是,組成平面偏振光的左旋光和右旋光在手性物質(zhì)中傳播時(shí),他們的折射率不同,這種性質(zhì)叫做手性化合物的雙折射性,由此造成兩個(gè)方向的圓偏振光在手性物質(zhì)中的傳播速度不同,從而導(dǎo)致偏振面的旋轉(zhuǎn)。用儀器記錄通過手性化合物溶液的平面偏振光的振動(dòng)面偏轉(zhuǎn)角度,即為旋光度。旋光度隨波長(zhǎng)的變化而變化就可獲得旋光光譜(ORD)。
組成平面偏振光的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光在通過手性介質(zhì)時(shí),不但產(chǎn)生因折射率、傳播速度不同而導(dǎo)致的旋光現(xiàn)象,而且還產(chǎn)生因吸收系數(shù)不同而導(dǎo)致的圓二色性。用儀器可以記錄通過手性化合物溶液的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的吸收系數(shù)之差,其隨波長(zhǎng)變化即可獲得圓二色譜(CD)。與此對(duì)應(yīng),當(dāng)平面偏振光的波長(zhǎng)范圍在紅外區(qū)時(shí),由于其吸收光譜是分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷引起的,稱為振動(dòng)圓二色譜(VCD),VCD譜即為紅外光中的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的吸收系數(shù)之差隨波長(zhǎng)變化所給出的圖譜。
長(zhǎng)期以來(lái),圓二色譜由于其干擾少,容易測(cè)定而被廣泛應(yīng)用,而振動(dòng)圓二色譜在傅里葉變換紅外光譜和量子化學(xué)計(jì)算的雙重推動(dòng)下,最近幾年才得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。與圓二色相比,振動(dòng)圓二色的最大優(yōu)勢(shì)就是不需要分子中含有生色團(tuán),幾乎所有手性分子都在紅外區(qū)有吸收,都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)圓二色譜圖。

