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1、手性光谱学原理 及在药化中的应用 北京协和医学院 药物研究所 圆二色谱实验室 2011年9月16日 1 什么是手性光谱学（Chiroptic/chiroptical Spectroscopy）？ 2 Chiroptic/chiroptical: A term referring to the optical techniques (using refraction, absorption or emission of anisotropic radiation) for investigating chiral substances e.g. measurements of optical r
2、otation at a fixed wavelength, optical rotatory dispersion (ORD), circular dichroism (CD), and circular polarization of luminescence (CPL). 3 手性化合物的绝对构型确定（Absolute configuration assignment）和构象分析（Conformation analysis） 生物大分子的结构和功能研究 材料科学 。 手性光谱学能解决什么问题？ 4 手性是自然界的普遍现象。天然产物、合成药物、生物 大分子（蛋白质、核酸、糖）大多具有手性。
3、 为什么要进行手性光谱学研究？ 紫杉醇 五味子丙素 5 立体化学 手性药物 紫外光谱 分子性质 偏振光 一、基础知识 6 基础知识 光学活性（又称为手性，chirality）是指化学分子 的实物与其镜像不能重叠的现象。 COOH NH2 CH3 H Chiral L-alanine COOH CH3 NH2 H D-alanine 7 7 基础知识 分子的手性是由于分子中含有手性中心（Chiral center）、 手性轴（Chiral axis）或手性面（Chiral plane）所致，非平面 环状化合物则具有螺旋手性（Spiral chirality）。 手性四面体手性碳 手性硫手性叔胺
4、8 环芳香类手性平面螺旋手性 取代丙二烯类 手性轴 取代联苯手性轴 基础知识 9 基础知识 在空间上不能重叠，互为镜像关系的立体异构体称为对映异构体。 非对映异构体包括几何异构体和具有光学活性但没有镜像关系的立体异构体 。 立体异构体（Stereoisomer）是指由分子中原子在空间上排 列方式不同所产生的异构体，可分为对映异构体（Enantiomer）和 非对映异构体（Diastereomer, diastereoisomer）两大类。 （）-赤藓糖 （+）-赤藓糖（）-苏糖（+）-苏糖 10 基础知识 构象（Conformation）：由于分子中的某个原子（基团）绕C-C单键 自由旋转而形
5、成的不同的暂时的易变的空间结构形式，不同的构象之间可以 相互转变。在各种构象中，势能最低、最稳定的构象是优势构象。 单键旋转引起 环的扭曲方向不同引起 11 基础知识 构型（Configuration）：因分子中存在不对称元素而产生的异 构体中的原子或取代基团的空间排列关系。 能真实描述手性分子中各取代基的空间排列情况被称为绝对构型 （Absolute Configuration）。尚未能确定各取代基空间排列真实 情况的构型被称为相对构型（Relative Configuration）。相对构 型还包括同分子中各不对称碳原子间的相互关系，如同侧或异侧。 相对构型的表示方法绝对构型的表示方法 绝
6、对构型的表示方法 左旋体（Levorotatory）和右旋体（Dextrotatory） 12 基础知识 能使偏振光的偏振面按顺时针方向旋转的对映体称为右旋体， 用d-或(+)-表示；反之，称为左旋体，用l-或(-)-表示。 外消旋体（Racemate）由等量的左旋体和右旋体构成，没有 旋光性，用dl-或()-表示。 这种表示方法，直观地反映了对映体之间光学活性的差别，但 不能提供手性分子三维空间排列或绝对构型的信息。 以标准参照物的化学相关性确定药物的立体化学构型。 标准参照物有糖类如D-甘油醛，氨基酸如L-丝氨酸。 13 基础知识 D和L系统 由于D/L构型表示法与表示旋光方向的d和l系统
7、容易混淆， 且意义不甚明确，目前多限于糖和氨基酸的立体化学命名。 将手性中心的取代基按原子序数依次排列，A B C D，把D 作为手性碳原子的顶端，A、B、C为四面体底部的3个角，从底部向 顶端方向看，若保持从大到小基团按顺时针方向排列者，称为R型； 若为逆时针方向排列者，称为S型。 14 基础知识 R和S系统 15 对映体在对称的环境中，物理化学性质完全相同。但在非对称 的环境中，例如在偏振光中，对映体对偏振光面旋转方向相反；在 生物系统中与酶或受体相互作用时，由于蛋白质分子的非对称性， 与对映体的识别方向和结合位点不同，导致生物活性的差异。 非对映体之间，彼此属于不同结构的化合物，所以物理
8、化学和 生物学性质均不相同。 基础知识 16 临临床药药物 1850种 天然和半 合成药药物 523种 化学合成 药药物 1327种 非手性6种 手性517种 非手性799种 手性528种 以单单个对对映 体给药给药 509种 以外消旋体 给药给药 8种 以单单个对对映 体给药给药 61种 以外消旋体 给药给药 467种 基础知识 17 基础知识 在分子水平上，生物系统是由生物大分子组成的手性环境。 光学异构体进入生物体内，将被手性环境识别为不同的分子，从 而表现出不同的药效学、药物动力学、毒理学行为。 各国药政部门规定在申报手性新药时，需同时呈报各光学异构体 的药理学、毒理学、药物动力学资料
9、。如果对映体之间的药效与 毒性无明显区别，才可考虑应用外消旋体，否则必须应用单一的 手性化合物。 我国药品管理法已明确规定，对手性药物必须研究光学纯异构体 的药代、药效和毒理学性质，择优进行临床研究和批准上市。停 留在外消旋体药物的研究与开发水平，已不符合国际与国内药品 法规的要求。 18 基础知识 u对映体有相同的药理活性 R和S型异构体的抗心率失常和对心肌钠通道作用相同，吸收、 分布、代谢、排泄性质亦无显著区别，两者及外消旋体的综合评价 结果相当，所以临床使用消旋的氟卡尼。 19 u对映体活性类型相同但强度不同 基础知识 S-(-)-氧氟沙星抑制细细菌拓 扑异构酶II的活性是R-(+)-型
10、的 9.3倍，是外消旋体的1.3倍。对对 各种细细菌的抑菌活性S型强于R 型8128倍。左氧氟沙星已取 代消旋氧氟沙星。 S-(+)-萘萘普生的抗炎和 解热镇热镇 痛活性约为约为 R-(-)-型 的1020倍，因此，临临床 用其S-(+)-对对映体。 20 基础知识 u只有一个对映体有药理活性 (+)-联苯双酯(-)-联苯双酯 由于联联苯基存在阻转转作用，形成两个阻转转异构体，室温下 可稳稳定存在。右旋体为为活性体。 21 基础知识 u对映体有不同或相反的药理活性 左旋咪唑唑（Levamisole） 有驱驱虫和免疫刺激作用，而右 旋咪唑唑（Dextramisole）有抗 抑郁作用。 奎宁-奎尼
11、丁（Quinine- Quinidine）两个异构体都有抗 疟疟、解热热、氧化毒性和骨骼肌 及心肌抑制作用。奎宁主要用 于解热热和抗疟疟，奎尼丁对对心肌 作用更强，用于心房纤颤纤颤 和其 他心律不齐齐。 22 基础知识 在20世纪60年代出现的沙立 度胺事件是药学史上的沉痛教训 。 S-(-)-沙立度胺的二酰亚胺进行酶 促水解，生成邻苯二甲酰亚胺基戊二酸 ，后者可渗入胎盘，干扰胎儿的谷氨酸 类物质转变为叶酸的生化反应，从而干 扰胎儿发育，造成畸胎。 23 基础知识 偶极矩（Dipole moment）是正、负电荷中心间的距离r和 电荷中心所带电量q的乘积， = r q。它是一个矢量，方向规定
12、为从负电荷中心指向正电荷中心。偶极矩的单位是D（德拜）。 偶极矩可以指键偶极矩，也可以是分子偶极矩。分子偶极矩 可由键偶极矩经矢量加法后得到。实验测得的偶极矩可以用来判 断分子的空间构型。 偶极矩 24 生色团和助色团 基础知识 生色团（Chromophoric group）是指分子中含有的，能对 光辐射产生吸收、具有跃迁的不饱和基团。通常表现为n*和 *跃迁，因而吸收范围多在200800nm之间。 助色团（Auxochrome group）是含孤对电子的基团，如氨 基、羟基和卤素等。这些基团与生色团上的不饱和键作用，使颜 色加深。 25 基础知识 u 光是一种电磁波横波 机械波穿过狭缝 26
13、 u 平面偏振光（又称线偏振光） 基础知识 17世纪，Huggens，发现偏振光； 1812年，Biot，发现石英能使偏振光的偏振面旋转； 1934年，Lowry，旋光测定； 1953年，制备了第一台偏振光检测仪； 19世纪60年代以后，圆二色谱仪出现。 自然光-光振动沿各个方向均匀分布 偏振光-光振动沿着特定的方向 27 基础知识 当只有一块偏振片时，以 光的传播方向为轴旋转偏振片 ，透射光的强度不变。 当两块偏振片的透振方向 平行时，透射光的强度最大， 但比通过一块偏振片时弱。 当两块偏振片的透振方向 垂直时，透射光的强度最弱， 几乎为零。 28 基础知识 偏振光的应用：立体电影 两个摄像
14、机 + 偏振片 两个放像机 + 偏振片 眼睛 + 偏振片 29 基础知识 u 左旋圆偏振光和右旋圆偏振光 振幅相同、周期相同， 但运动方向相反 二、旋光光谱与圆二色谱测定原理 30 比旋光度 旋光光谱 圆二色谱 Cotton效应 平面偏振光在手性环境中的传播特性 使平面偏振光的偏振平面发生偏转 反映了手性化合物的圆双折射性 (1) 左旋、右旋圆偏振光的折射率不同 nL nR 31 ORD & CD原理 式中，是波长，nL和nR分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光 在介质中的折射率，的单位是rad/cm，的单位是/dm。 32 偏振平面所转过的角度可用下式计算： ORD & CD原理 = (/)(n
15、L nR) = 1800/ = (1800/)(nL nR) 将的单位由rad转变为，即实验测定的旋转角度为： 33 (2) 左旋、右旋圆偏振光的吸收系数不同 L R 形成椭圆偏振光 反映了手性化合物的圆二色性 ORD & CD原理 形成具有一定偏转角度的椭 圆偏振光 34 ORD & CD原理 (3) 左旋、右旋圆圆偏振光的折射率和吸收系数均不同 nL nR，L R 35 圆二色性是摩尔吸收系数的差值，在手性介质中， ORD & CD原理 = L R 0 椭圆度（）定义为： tan = tanh(/)(L R)lcm) 式中是吸收指数，l是光程长度，单位是/cm。 吸收指数与消光系数k的关系
16、为： 由于(L R)lcm 1，可近似为： = (/)(L R) k = (4/) 吸收系数之差(L R)通常只是的10-2到10-4。 36 将椭圆椭圆 度的单单位由rad转变为转变为 ，换换算公式如下： = (1800/)(L R) = (1800/4)(kL kR) 摩尔椭圆度的计算公式如下： = (/cl)(M/100) 由于消光系数k = 2.303c，摩尔椭圆度的计算公式如下： = 2.303(4500/)(L R) = 3300() ORD & CD原理 37 比旋光度测定 仪仪器记录记录 的是旋光率，计计算公式为为： D = /(lc) D 比旋光度，D: 589 nm l:池长长，dm c: 溶液浓浓度，g/m
