旋光光譜和圓二色譜

1、旋光光譜和圓二色譜 旋光光譜（optical rotatory dispersion， ORD） 圓二色譜（circular sichroism， CD） 分別于20世紀(jì)5060年代發(fā)展起來的儀器分析方法，都是利用電磁波和手性物質(zhì)相互作用的信息來研究化合物的立體結(jié)構(gòu)及其它有關(guān)問題。1 偏振光與手性物質(zhì)的相互作用 旋光光譜 圓二色譜 康頓效應(yīng)及ORD、CD和UV間的關(guān)系 應(yīng)用 注意事項(xiàng)2 1、光的偏振態(tài)（1）自然光與線偏振光（或平面偏振光）普通光源中的原子和（或）分子能夠獨(dú)立發(fā)光，所發(fā)出的光 波中具有各個(gè)方向的光矢量，在與傳播方向相垂直的平面 內(nèi)，在所有可能的方向上，E的振幅都相等自然光如果光矢

2、量只在一個(gè)固定的平面內(nèi)，并沿一個(gè)固定方向振 動(dòng)線偏振光或平面偏振光光矢量的振動(dòng)方向與光的傳播方向所構(gòu)成的平面振動(dòng)面一、偏振光與手性物質(zhì)的相互作用3（2）圓偏振光振幅保持不變，而方向周期變化，電場(chǎng)矢量繞傳播方向螺旋前進(jìn)4 可看成是兩個(gè)相互垂直的振幅相等、相位差為/2的線偏振光的合成 /2對(duì)應(yīng)于右旋圓偏振光 /2對(duì)應(yīng)于左旋圓偏振光即圓偏振光中包含著兩個(gè)頻率和振幅相同的左旋和右旋圓偏振光52、偏振光的獲得（1）布儒斯特定律 入射角為0時(shí) 反射光與折射光相互垂直，此時(shí)0為布儒斯特角或起偏角，反射光為線偏振光 若自然光從空氣射到折射率為1.50的玻璃上，起偏角為56.3，折射角為33.7。6（2）晶體的

3、雙折射現(xiàn)象 當(dāng)自然光射入雙折射晶體時(shí)，兩束折射光o和e都是線偏振光，并且它們的振動(dòng)面通常接近于相互垂直7（3）二向色性晶體 有些透明晶體不僅具有雙折射現(xiàn)象，而且對(duì)o光和e光有不同的吸收作用，這種晶體稱為二向色性晶體，如電氣石晶具有很強(qiáng)的二向色性，硫酸碘奎寧晶體（4）波片也稱波晶片或相位延遲片 若讓線偏振光的振動(dòng)面與1/4波片的光軸成45角，則分解后的o光和e光振幅相等，從晶片的另一表面出射的光則是圓偏振光。83、圓偏振光在手性介質(zhì)中傳播時(shí)的特點(diǎn)：（1）左、右旋圓偏振光在手性介質(zhì)中的傳播速度不等，導(dǎo)致透射出的面偏振光與入射角成一角，表現(xiàn)出旋光。9（2）手性介質(zhì)對(duì)兩種圓偏振光的吸光強(qiáng)度不同，由它們

4、合成的出射光不再是一個(gè)平面的偏振光，而是一個(gè)右旋或左旋的橢圓偏振光。10 二、旋光光譜（ORD）1、當(dāng)平面偏振光通過手性物質(zhì)時(shí)，偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，即該物 質(zhì)具有旋光性，旋轉(zhuǎn)的角度旋光度 2、原理（1）介質(zhì)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)，左右旋圓偏振光的傳播速度相同， 則它們的折射率n相等 因nc/ c:真空中光速 :介質(zhì)中光速 n=nL-nR=0 偏振面保持不變（2）介質(zhì)為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)，nLnR n 0 偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，隨光程增大而增大旋光現(xiàn)象113、測(cè)定儀器124、旋光度：實(shí)比旋光度：D(實(shí)/cl)100通常用鈉光D線(589.3nm)測(cè)量實(shí)l:試樣槽厚度（dm）c:100ml溶劑中溶液的g數(shù)不同波長(zhǎng)的(比旋

5、光度)為縱坐標(biāo)， 為橫坐標(biāo)可得ORD光譜 :摩爾比旋光度，常用其代替 = Mr/100(度cm2dmol-1) Mr:待測(cè)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量13三、圓二色譜1、手性物質(zhì)對(duì)組成平面偏振光的左、右旋圓偏振光的吸光度不同，即L R 這種現(xiàn)象為圓二色性CD譜： 為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo):摩爾橢圓度，常用其代替兩者關(guān)系:=3300 =3300(L - R)142、 的物理意義 當(dāng)平面偏振光通過手性介質(zhì)時(shí)，不僅左、右旋圓偏振光的傳播速度不同，而且強(qiáng)度也不同。用箭頭的長(zhǎng)短代替強(qiáng)度。因而光在傳播時(shí)，它的矢量和將產(chǎn)生的一橢圓軌道長(zhǎng)軸：矢量相位相同時(shí)的強(qiáng)度短軸：矢量相位相反時(shí)的強(qiáng)度：平面偏振光離開樣品槽的 角度橢圓度= M

6、/100lc=3300153、測(cè)量裝置16四、康頓效應(yīng)(cotton effect)及ORD、CD和UV間的關(guān)系1、在紫外和可見區(qū)內(nèi)無發(fā)色團(tuán)的飽和化合物，則ORD光譜呈現(xiàn)單調(diào)下降或上升的曲線，若手性化合物的紫外吸收在儀器測(cè)量范圍內(nèi)則出現(xiàn)S型曲線稱cotton效應(yīng)17即形成一個(gè)峰和一個(gè)谷組成的ORD譜線簡(jiǎn)單的Cotton效應(yīng)正Cotton效應(yīng)：波長(zhǎng)由長(zhǎng)波向短波移動(dòng)時(shí)，ORD譜由峰向 谷變化負(fù)Cotton效應(yīng)：波長(zhǎng)由長(zhǎng)波向短波移動(dòng)時(shí)，ORD譜由谷向 峰變化k: ORD線與零線相交點(diǎn)振幅：谷至峰的距離摩爾振幅=(1 -2)/1001:ORD頂峰處的摩爾旋光度2:ORD谷底處的摩爾旋光度182、CD的

7、康頓效應(yīng)正的康頓效應(yīng)： 或?yàn)檎登矣蟹宓腃D曲線負(fù)的康頓效應(yīng)： 或?yàn)樨?fù)值且有谷的CD曲線3、ORD、CD和UV光譜間的關(guān)系（1）ORD和CD是同一現(xiàn)象的兩個(gè)方面，都是光與手性物質(zhì)作用而產(chǎn)生的。主要目的是研究手性化合物的構(gòu)型與構(gòu)象，在該方面兩者提供的信息總是等價(jià)的。UV反映了光與分子的能量交換。19(2)理想情況下：max（UV） =max(CD) =k (ORD)實(shí)際情況：三者接近，但不一定重合ORD譜和CD譜都可用來測(cè)定有特征吸收的手性化合物的絕對(duì)構(gòu)型CD譜：容易解析ORD譜：比較復(fù)雜20 不對(duì)稱分子某生色團(tuán)吸收峰的Cotton effect 的正負(fù)號(hào)與該生色團(tuán)的手性中心的構(gòu)型有關(guān)聯(lián)，故可分

8、析分子的絕對(duì)構(gòu)象。ORD摩爾振幅與CD譜中或的關(guān)系=0.0122=40.28211、在立體結(jié)構(gòu)化學(xué)研究中的應(yīng)用 對(duì)于羰基化合物，特別是環(huán)酮類化合物的研究較多，并形成了半經(jīng)驗(yàn)的“八區(qū)律”來推測(cè)其立體結(jié)構(gòu)：八個(gè)區(qū)域的劃分如下圖所示：五、應(yīng) 用22將環(huán)己酮按圖放好：觀察者迎著O=C的方向即從Y軸的負(fù)方向看Y軸的正方向。三個(gè)互相垂直的A、B、C平面將環(huán)己酮分割為八個(gè)區(qū)：OC前面的4個(gè)區(qū)由于取代基很難進(jìn)入，對(duì)cotton效應(yīng)貢獻(xiàn)小，不考慮OC后面的4個(gè)區(qū)貢獻(xiàn)大，其對(duì)cotton效應(yīng)正負(fù)號(hào)的貢獻(xiàn)如下圖所示：C1,C2,C6A面上C2,C6的e鍵幾乎在A面上C2，C6的a鍵分別在下右和下左O，C1，C4B面

9、上23八區(qū)律1、位于三個(gè)平面上的取代基，對(duì)cotton效應(yīng)貢獻(xiàn)為02、位于正負(fù)區(qū)的取代基效應(yīng)可以抵消3、取代基的貢獻(xiàn)大小與性質(zhì)有關(guān)4、取代基對(duì)cotton效應(yīng)的貢獻(xiàn)大小隨著與生色團(tuán)的距離增大 而變小242,2,5-三甲基環(huán)己酮為例： b是a的投影圖，可看到：C1，C2，C4，C6，C7均處于分割面上，對(duì)cotton效應(yīng)貢獻(xiàn)為0 C3與C5抵消， C8與C9正， 所以該化合物應(yīng)有正的cotton效應(yīng)25例2、天然油脂得一產(chǎn)物為3羥基3十九烷基環(huán)己酮，有正的cotton效應(yīng)，試指出它的構(gòu)型解：按八區(qū)律，S構(gòu)型應(yīng)有正的cotton效應(yīng)，R構(gòu)型應(yīng)有負(fù)的 cotton效應(yīng),故該環(huán)己酮衍生物為S構(gòu)型262

10、、生物大分子構(gòu)型、構(gòu)象的研究（1）蛋白質(zhì)或多肽中主要得光活性基團(tuán)是肽鏈骨架中的肽鍵、芳香氨基酸殘基及二硫橋鍵可產(chǎn)生CD光譜，因而可用于蛋白質(zhì)二、三級(jí)結(jié)構(gòu)和氨基酸微環(huán)境的檢測(cè)。（a）蛋白質(zhì)CD譜27遠(yuǎn)紫外區(qū)： 178-250nm 反映肽鍵的CD 肽鍵是高度有規(guī)則排列的，排列方向決定了肽鍵能級(jí)躍遷的分裂情況 二級(jí)結(jié)構(gòu)不同，其CD位置、吸收強(qiáng)度則不相同 (2) -螺旋： 192nm有一正譜帶222209有兩個(gè)負(fù)的特征峰 -折疊 216nm:負(fù)峰185-200nm:正譜帶28-轉(zhuǎn)角：206nm有一正譜帶左手螺旋的P2結(jié)構(gòu)：有負(fù)的譜帶近紫外區(qū):(1)250-320nm-處于不對(duì)稱微環(huán)境的芳香氨基酸殘基、

11、二硫鍵(2)可作為光譜探針研究它的不對(duì)稱微環(huán)境的擾動(dòng)(b) 研究蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)通過遠(yuǎn)紫外CD譜研究蛋白質(zhì)-螺旋、 -折疊 、-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的分量 29(C) 研究蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)： chymotrypsin (all b) lysozyme (a + b) triosephosphate isomerase(a/b) myoglobin (all a)30三級(jí)結(jié)構(gòu)模型可分為：全型-螺旋 40%-折疊 5%全型-螺旋 40%+ 型：-螺旋、 -折疊均大于15%，這兩種結(jié)構(gòu)在空間是分離的， 60%的折疊鏈?zhǔn)欠雌叫械?型：-螺旋、 -折疊均大于15%，這兩種結(jié)構(gòu)在空間上是相間的， 60%的折疊鏈平行排列

12、31(d)研究氨基酸殘基的微環(huán)境：蛋白質(zhì)中芳香氨基酸殘基：色氨酸(Trp)酪氨酸(Tyr)苯丙氨酸(Phe)二硫鍵處于不對(duì)稱微環(huán)境時(shí)250-320nm出現(xiàn)CD信號(hào)Trp:279,284和291nmTyr:277nmPhe:255,261和268nm二硫鍵:整個(gè)近紫外CD譜32例：陽(yáng)離子表面活性劑CPB誘導(dǎo)BSA構(gòu)象CD光譜的變化Figure 3 Far-UV CD (a) and near-UV CD (b) spectra of BSA and BSA in CPB1. BSA; 2. BSA in 1.010-5mol/L CPB; 3. BSA in 1.010-4 mol/L CPB3

13、3由遠(yuǎn)紫外CD譜可以看出 -螺旋 -折疊 BSA 49% 9.8%CPB（第一CMC） 78% 7.6%CPB（第二CMC） 37% 10.5% 由近紫外CD譜可以看出 自然狀態(tài)下BSA分子的near-UV CD光譜圖中在261 和268 nm處有最小值，在277 和284 nm處有兩個(gè)肩峰。當(dāng)加入CPB后，261和268 nm處的橢圓率增加，而280 至300 nm處的橢圓率降低，表明此時(shí)氨酸酸殘基周圍環(huán)境的極性發(fā)生了變化 ，這種變化是由于雙硫鍵橋的不對(duì)稱性遭到破壞而引起B(yǎng)SA分子三級(jí)結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果。34(2) 核酸 278nm有一強(qiáng)正的cotton效應(yīng)-對(duì)應(yīng)于堿基的堆積 248nm有一弱的

14、負(fù)的cotton效應(yīng)-對(duì)應(yīng)于螺旋性(形)35Z-form: 290nm有一負(fù)的cotton效應(yīng)A-form:280nm有正的cotton效應(yīng)243nm有負(fù)的cotton效應(yīng)正的強(qiáng)度約為負(fù)的強(qiáng)度的3倍(b) 典型的DNA構(gòu)型B-form:277nm有正的cotton效應(yīng)245nm有負(fù)的cotton效應(yīng)C-form:285nm有正的cotton效應(yīng)(弱)250nm有負(fù)的cotton效應(yīng)(強(qiáng))363、誘導(dǎo)園二色譜(1)主客體化合物主體為手性客體為非手性，但有吸收會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)園二色譜例如環(huán)糊精與客體相互作用包結(jié)-產(chǎn)生誘導(dǎo)園二色譜客體結(jié)合在環(huán)糊精外部-不產(chǎn)生誘導(dǎo)園二色譜若客體的電偶極矩與環(huán)糊精Z軸重合正cotton效應(yīng)若客體的電偶極矩與環(huán)糊精Z軸垂直負(fù)cotton效應(yīng)37六、實(shí)驗(yàn)中幾個(gè)注意事項(xiàng) 用N2除臭氧和氧氣； 樣品的濃度應(yīng)使其吸光度在0.61.2之間，可得到較好 的信躁比，對(duì)蛋白質(zhì)來說濃度在0.2mg/mL，池子長(zhǎng)度 是1mm，池體積是350mL； 溶劑和緩沖溶液選擇的原則是使樣品在測(cè)定的波長(zhǎng)范圍 內(nèi)其吸光度盡量的小（溶劑的吸收表如下）；不能用 HCl來調(diào)pH，因?yàn)樵诘偷腢V波段Cl-離子會(huì)干擾CD的 測(cè)定 狹縫帶寬（SBW）的選擇：SBW應(yīng)保持至少為NBW （被掃描物質(zhì)的