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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。,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）。,8,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。
4、,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。,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
5、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。,绝对构型的表示方法,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
6、，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，
7、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，所以物理化学和生物学性质均不相同。,基础知识,16,临床药物 1850种,天然和半合成药物 523种,化学合成药物 1327种,非手性6种,手性517种,非手性799种,手性528种,以单个对映体给药509种,以外消旋体给药8种,以单个对映体给药61种,以外消旋体给药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。
8、 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。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,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，
9、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,对映体活性类型相同但强度不同,基础知识,S-(-)-氧氟沙星抑制细菌拓扑异构酶II的活性是R-(+)-型的9.3倍，是外消旋体的1.3倍。对各种细菌的抑菌活性S型强于R型8128倍。左氧氟沙星已取代消旋氧氟沙星。,S-(+)-萘普生的抗炎和解热镇痛活性约为R-(-)-型的1020倍，因此，临床用其S-(+)-对映体。,20,基础知识,只有一个对映体有药理活性,(+)-联苯双酯,(-)-联苯双酯,由于联苯基存在阻转作用，形成两个阻转异构体，室温下可稳定存在。右旋体为活性体。,21,基础知识,对映体有不同或相反的药理活性,左旋咪唑
10、（Levamisole）有驱虫和免疫刺激作用，而右旋咪唑（Dextramisole）有抗抑郁作用。,奎宁-奎尼丁（Quinine-Quinidine）两个异构体都有抗疟、解热、氧化毒性和骨骼肌及心肌抑制作用。奎宁主要用于解热和抗疟，奎尼丁对心肌作用更强，用于心房纤颤和其他心律不齐。,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
11、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
12、础知识,光是一种电磁波横波,机械波穿过狭缝,26,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,
13、偏振光的应用：立体电影,两个摄像机 + 偏振片 两个放像机 + 偏振片 眼睛 + 偏振片,29,基础知识,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 &
14、CD原理, = (/)(nL 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。,
15、吸收指数与消光系数k的关系为：,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,将椭圆度的单位由rad转变为，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,仪器记录的是旋光率，计算公式为： D = /(lc) D 比旋光度，D: 589 nm l
16、:池长，dm c: 溶液浓度，g/mL,常用光源： 钠灯（589nm） 汞灯（365nm、436nm、546nm、578nm）,比旋光度（Specific optical rotatory ）, D17 = + 213 0.3 （c= 5.77, 氯仿）,38,注意： 一个手性化合物的比旋光度随测定温度、浓度、溶剂而变化，因此测定时应当注意选择与文献报告相同或相近的温度、相同的溶剂，以及配置相近浓度的溶液，否则难以比较。 比旋光度的符号与该分子的绝对构型没有直接关系。,比旋光度报告形式：,比旋光度测定,旋光测定的应用,确定样品的光学纯度，用于工业生产过程对产品质量的检测。 确定手性分子的绝对构型（某些类化合物已总结出一些经验性的结构与旋光性的关系规则）。 测定不对称合
