手性分子旋光儀圓二色譜

手性分子手性分子，是化學(xué)中結(jié)構(gòu)上鏡像對(duì)稱而又不能完全重合的分子；手性物體與其鏡像被稱為對(duì)映體；在有關(guān)分子概念的引用中也被稱為對(duì)映異構(gòu)體?？膳c其鏡像疊合的物體被稱為非手性的。手性及手性物質(zhì)只有兩類：左手性和右手性。有時(shí)為了對(duì)比，另外加上一種無(wú)手性（也稱“中性手性”）。左手性用learus或者L表示，右手性用dexter或者D表示，中性手性用M表示。不具有對(duì)稱面和對(duì)稱中心的分子有一個(gè)重要的特點(diǎn)，就是實(shí)體和鏡象不能重疊，鏡面不對(duì)稱性是識(shí)別手性分子與非手性分子的基本標(biāo)志。對(duì)稱軸不能作為分子手性判別的依據(jù)。除了利用偏光照射所產(chǎn)生的角度偏差正負(fù)值相反外，對(duì)映異構(gòu)體在化學(xué)特性、物理特性上大致相同光學(xué)活性當(dāng)一束平面偏振光通過一個(gè)裝有一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體中一種異構(gòu)體的試管時(shí)，平面偏振光將會(huì)向左或向右彎曲或者旋轉(zhuǎn)。而另一異構(gòu)體在同樣條件下（相同的溫度、溶劑、濃度）也會(huì)導(dǎo)致偏振光發(fā)生同樣程度的旋轉(zhuǎn)，但方向相反，這種現(xiàn)象叫做旋光性。對(duì)映體和外消旋體一對(duì)對(duì)映體的旋光能力相等，但旋光方向相反。即，若一個(gè)能使平面偏振光向左旋轉(zhuǎn)A度，一個(gè)則可使之向右旋轉(zhuǎn)A度。將一對(duì)對(duì)映體等量混合，可以得到一個(gè)旋光度為零的組成物，稱之為外消旋體。按照慣例，當(dāng)面對(duì)光源方向觀察時(shí)，如果一個(gè)對(duì)映體能使偏振光向右旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)），這個(gè)對(duì)映體稱為右旋體，用（d）或（+）表示；同理使偏振光左旋（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）的叫左旋體，用（l）或（-）表示。測(cè)量旋光性的儀器叫旋光儀。比旋光度標(biāo)志一個(gè)異構(gòu)體旋光能力的尺度就是比旋光度，它等于α/cl。內(nèi)消旋體偶數(shù)個(gè)不對(duì)稱碳原子的旋光性恰好相反，整個(gè)分子沒有旋光性，就將該分子稱為內(nèi)消旋體。左/右旋光性面對(duì)光源觀察使旋光儀第二棱鏡向左旋的叫左旋光性，向右旋的叫右旋光性。旋光度用αλ表示，t為測(cè)試溫度，λ為光的波長(zhǎng)。R/S構(gòu)型絕對(duì)構(gòu)型將與手性碳原子相連的四個(gè)基團(tuán)按照順序規(guī)則排列大小，將最小的基團(tuán)放到離眼睛最遠(yuǎn)的地方，其他三個(gè)基團(tuán)按照由大到小的方向旋轉(zhuǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的手性碳為R構(gòu)型，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的為S構(gòu)型。潛非對(duì)稱分子一個(gè)對(duì)稱的分子經(jīng)一個(gè)原子或基團(tuán)被取代之后失去了其對(duì)稱性，而變成一個(gè)非對(duì)稱的分子，那么原來(lái)的對(duì)稱分子稱為“潛非對(duì)稱分子”COOHHHCH3COOHHHOCH3COOHOHHCH3按手性中心分類

HelicalChirality.

Helicityisaspecialcaseofchiralityinwhichmoleculesareshapedasaright-orleft-handedspirallikeascreworspiralstairs.TheconfigurationsaredesignedMandP,respectively,accordingtothehelicaldirection.Viewedfromthetopoftheaxis,aclockwisehelixisdefinedasP,whereasacounterclockwiseorientationisdefinedasM.Thus,theconfigurationofexample9isdefinedasM.PlanarChirality.CentralChirality.AxialChirality.現(xiàn)有的20多種氨基酸，只有一種是非手性的，甘氨酸，其他的都有一個(gè)立體中心

圓二色性光譜光電場(chǎng)矢量（E）為光波振動(dòng)矢量；電場(chǎng)矢量和光傳播方向組成的平面稱光波振動(dòng)面；自然光含有各種波長(zhǎng)的光（振幅），并且是在各個(gè)平面上振動(dòng)；對(duì)著光前進(jìn)的方向觀察平面偏振光（planepolarizedlight)，又稱線偏振光(linearlypolarizedlight)。對(duì)著光前進(jìn)的方向觀察時(shí)，一束光波的電場(chǎng)矢量都是在同一方向振動(dòng)。當(dāng)線偏振光沿著某些晶體的光軸方向傳播，或通過某些溶液時(shí)，它的偏振面將以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)；若電矢量的絕對(duì)值不變，則運(yùn)動(dòng)軌跡的投影是一個(gè)圓，就變成圓偏振。圓偏振光，對(duì)著光前進(jìn)的方向觀察時(shí)，一束光波的電場(chǎng)矢量（或磁場(chǎng)矢量）端點(diǎn)在空間的軌跡是以光傳播方向?yàn)檩S的圓形螺旋（在平面上的投影為圓形）。電矢量方向沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱為右圓（旋）偏振光，用R表示；電矢量方向沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱為左圓（旋）偏振光，用L表示。XYEx=E0

cosωtEy=E0

cos(ωt-/2)Ex2+Ey2

=E02Ex=E0

cosωtEy=E0

cos(ωt+/2)線偏振光——圓偏振光XY頻率相同,方向相反振幅相同,相位相同線偏振光參照面圓偏振光——線偏振光頻率相同,方向相反振幅相同、相位不同線偏振光2參照面1圓偏振光——線偏振光圓/線偏振光——線/圓偏振光任何偏振光都可以看成左旋光和右旋光的疊加橢圓偏振光，對(duì)著光前進(jìn)的方向觀察時(shí)，一束光波的電場(chǎng)矢量（或磁場(chǎng)矢量）端點(diǎn)在空間的軌跡是以光傳播方向?yàn)檩S的橢圓形螺旋（在平面上的投影為橢圓形）。Ex=Ey，圓偏振光；Ex≠Ey，橢圓偏光yy’axx’RL橢圓偏振光頻率相同,方向相反振幅不同、相位不同參照面21正橢圓偏振光-斜橢圓偏振光yy’axx’RL=tg-1[(|El–Er

|)/(El+Er

)]參照面12=(2-1)/2合成光特性合成效果比較頻率振幅相位

是否旋轉(zhuǎn)是否橢圓相同相同相同否否相同不同是否不同不同是是左、右旋圓偏振光的合成橢圓偏振光OpticallyActiveSampleChiralPlane(linearly)polarizedlightRightandLefthandcircularlypolarizedlightPreferentialabsorptionoflefthandpolarized?光學(xué)活性物質(zhì)可以旋轉(zhuǎn)偏振光平面，其大小和方向除了與該物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與測(cè)定時(shí)的溫度、所用光的波長(zhǎng)、溶液的濃度和溶劑、旋光管的長(zhǎng)度等有關(guān)一般單色光源用鈉光燈，波長(zhǎng)為589nm，以D表示。規(guī)定以每毫升溶液所含溶質(zhì)的克數(shù)作為質(zhì)量濃度的單位。由旋光儀測(cè)得旋光角度后，可以下式計(jì)算旋光度：α為用旋光儀測(cè)得的旋光度；c為溶液的質(zhì)量濃度(g/ml)；l為旋光管的長(zhǎng)度/dm；t為測(cè)定時(shí)溫度(℃)，λ為測(cè)定所用光波波長(zhǎng)(鈉光以D表示)。光活性物質(zhì)為液體時(shí)，則以密度ρ(g/ml)代替c，即若以100ml溶液含溶質(zhì)的克數(shù)，則，如果糖的水溶液，溶液濃度為5g/100ml，在1dm旋光管中測(cè)得旋光角度為-4.64°，則：書寫旋光度時(shí)，除注明溫度，光波波長(zhǎng)外，在數(shù)據(jù)后的括號(hào)內(nèi)，注明其質(zhì)量百分濃度和配制溶液用的溶劑。旋光性的維相描述旋光性，可以用左旋光和右旋光具有不同傳播速度維相地進(jìn)行描述.任何偏振光都可以看成左旋光和右旋光的疊加.把左右旋的光疊加成偏正光時(shí)，偏振方向跟兩種光的位相差有關(guān)系.如果兩種光傳播速度不同，就會(huì)產(chǎn)生附加的維相差，導(dǎo)致偏振光旋轉(zhuǎn)。旋光性和晶體雙折射的類比雙折射晶體可以將偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，或者其他方向的偏振光,將兩塊很薄的雙折射晶體以比較隨意的方向疊加(夾角為ψ)，則疊加結(jié)果破壞空間反演不變性振動(dòng)方程E=E0

cos(ωt+φ0)Ex=E0

cos[ω(t-L/v)+φ0]波動(dòng)方程Ex=Eo

cos[ωt-(2L/λ)n+φ0]

OrωL/v=2L

n/c0=2/λLnv速率；頻率；n折光系數(shù)；ω=2；v=c0/n圓二色性與振幅

A=lgI0/I=(1/2,303)lnI0/I=εCLC:摩爾濃度；L:

光程(dm)Beer-LanmbertLaw

=2.303

A/4(弧度)ΔA=AL-

AR=Δε

C

LLOpticalactiveobjectEx=E0

cos[ωt-(2L/λ)n

+φ0]

?則：書寫旋光度時(shí)，除注明溫度，光波波長(zhǎng)外，在數(shù)據(jù)后的括號(hào)內(nèi)，注明其質(zhì)量百分濃度和配制溶液用的溶劑。C:

摩爾濃度L:

光程(dm)[]l:

[deg?mol-1?cm-1]

or

[deg?cm2?dmol-1]

摩爾橢圓率[],[]

l

themolarellipticity[]lMRw

=MRw

[y]l

/100比橢圓率[y]l

thespecificellipticity平均殘基橢圓率[]lMRw

themeanresidue

ellipticity[]l=Mw

[y]l

/100[]

=

/CL旋光色散與位相?Opticalactiveobject

nl

nr=(L

/λ)n

(弧度)Dn=nl-nr

ΔΦ=(2

L

/λ)ΔnLEx=E0

cos[ωt-(2L/λ)n+φ0]

ORD(opticalrotatorydispersion)Lightnl,nryy’axx’RL[]l=f(l)[a]l=f(l)ORDCDKronig-KramerstransitionCD（圓二色性）和ORD（旋光色散）

Cottoneffect光學(xué)活性（見旋光異構(gòu)）介質(zhì)在其吸收峰附近表現(xiàn)出來(lái)的特征的旋光色散(ORD)（見旋光譜）和（或）圓二色性(CD)現(xiàn)象。每個(gè)躍遷都對(duì)應(yīng)一個(gè)科頓效應(yīng)。

1旋光性通常用旋光度α表示，α的大小隨入射波長(zhǎng)而變化的關(guān)系稱為旋光色散（opticalrotatorydispersion,ORD)。2圓二色性常用橢圓率（ellipticity)θ表示：tgθ=(

EL–Er)/(EL+Er)=b(橢圓短軸）/a(橢圓長(zhǎng)軸）3文獻(xiàn)上也常用光學(xué)活性物質(zhì)對(duì)左、右圓偏振光的摩爾吸收系數(shù)的差別Δε來(lái)表示。LΔε或θ隨波長(zhǎng)而變化的關(guān)系稱為圓二色譜（circulardichroism,CD)Kronig-Kramer轉(zhuǎn)換式；與物質(zhì)的折射率n和吸收系數(shù)ε類似，nL、nR、AL、AR均是在波長(zhǎng)λ的函數(shù)、為了更完全地描述光學(xué)活性物質(zhì)的特征，就必須在不同波長(zhǎng)下研究它們的旋光曲線和圓二色曲線。折射率在吸收帶的外側(cè)隨著波長(zhǎng)的減小而增加，在吸收帶的范圍內(nèi)迅速降低，在最大吸收波長(zhǎng)λ處折射率對(duì)一個(gè)電子躍遷的貢獻(xiàn)為零，這就是科頓效應(yīng)。Cottoneffectl0ePositivecotton

effectNegativecotton

effectλl0+-λl0+-λ光學(xué)活性物質(zhì)在其吸收最大值附近表現(xiàn)出特征的旋光色散和圓二色性現(xiàn)象?？祁D效應(yīng)分正、負(fù)兩種，可由圓二色性譜帶的符號(hào)或根據(jù)旋光色散曲線的峰位來(lái)確定：當(dāng)圓二色性譜帶的符號(hào)為正值或者正的旋光色散峰（正S型）在較長(zhǎng)波長(zhǎng)方向時(shí)，稱為正的科頓的效應(yīng)；當(dāng)圓二色性譜帶的符號(hào)為負(fù)值或者正的旋光色散峰在較短波長(zhǎng)方向時(shí)，稱為負(fù)的科頓效應(yīng)（反S型）。理論上可以證明:當(dāng)生色團(tuán)的躍遷電偶極矩與磁偶極矩方向相同(即躍遷時(shí)電荷沿右手螺旋途徑運(yùn)動(dòng))時(shí)，出現(xiàn)正的科頓效應(yīng)，反之則出現(xiàn)負(fù)的科頓效應(yīng)。圓二色性旋光色散UVmChiralUVmPlane(linearly)polarizedlightChiral橢圓偏振光mOpticallyActiveSample一種假想物質(zhì)的吸收光譜、圓二色譜、和旋光色散譜；ⅠⅡⅢ是吸收峰，CD圓二色峰，ORD旋光色散譜，在復(fù)雜分子中，并不是所有的躍遷吸收帶都是光學(xué)活性的，如峰Ⅲ就不是的，CD譜清楚的將帶Ⅰ的正圓二色性與Ⅱ的負(fù)圓二色性分開，但Ⅰ所伴隨的正科頓效應(yīng)和Ⅱ所伴隨的負(fù)科頓效應(yīng)表現(xiàn)在ORD曲線上就很難解釋。ⅡORD和CD的互相換算只停留在理論意義，從實(shí)際上看價(jià)值不大。CD譜的優(yōu)點(diǎn)是譜帶和吸收帶重疊，因此我們尋找它的貢獻(xiàn)者容易。ORD由于在所有的波長(zhǎng)都有數(shù)值，它的科頓效應(yīng)又與吸收峰不一致，如果包含一系列復(fù)雜的旋光帶就很難分辨，如上圖所示，因此解釋起來(lái)就有較大困難?？祁D效應(yīng)曲線總是發(fā)生在光學(xué)活性物質(zhì)的吸收帶附近，這時(shí)光學(xué)活性物質(zhì)也總是表現(xiàn)出圓二色性。因此不難想象，當(dāng)化合物在所研究的波長(zhǎng)范圍內(nèi)不存在光學(xué)活性吸收帶時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致平坦型色散曲線。利用旋光色散研究蛋白質(zhì)的構(gòu)象雖然有過較大的進(jìn)展，但是存在兩個(gè)困難。首先是在旋光色散譜中，科頓效應(yīng)的極值都在吸收帶極值的旁邊，而不是在吸收帶的頂端，這對(duì)分析科頓效應(yīng)的歸屬帶來(lái)了困難。其次是殘基本身具有旋光值。要討論ORD與構(gòu)象的關(guān)系時(shí)，有必要將殘基的旋光扣除。但是我們只能測(cè)出氨基酸的旋光值而無(wú)法測(cè)出殘基的旋光值，因此這種扣除是很困難的。這兩個(gè)缺點(diǎn)是ORD自身性質(zhì)所決定的。相應(yīng)于ORD的缺點(diǎn)，CD譜有許多有利的方面。首先它的峰或負(fù)峰的位置與吸收峰的位置基本重疊，因此每一個(gè)譜峰的貢獻(xiàn)者是誰(shuí)可以利用吸收光譜的知識(shí)來(lái)尋找。其次是肽鍵上與α碳原子有關(guān)的共價(jià)鍵的吸收光譜帶在紅外區(qū)，或者在低于180nm的超遠(yuǎn)紫外區(qū)。在可見波長(zhǎng)或紫外區(qū)它與α碳原子相關(guān)的價(jià)電子不表現(xiàn)出任何吸收帶，因此也沒有它的CD譜帶。這樣，殘基除非有生色基團(tuán)的側(cè)鏈，不然就不提供CD譜。可以看出ORD的缺點(diǎn)就可以在CD譜中避免。（四）CD與ORD和吸收光譜的關(guān)系1旋光性和圓二色性差別：一個(gè)孤立的生色團(tuán)在所有波長(zhǎng)均有旋光性。圓二色性只在發(fā)生吸收的那些波長(zhǎng)才能觀測(cè)到。聯(lián)系：都是由光學(xué)活性分子的不對(duì)稱性引起的二者之間相互聯(lián)系，由其一可推知其二。由Kroning-Kramers將二者聯(lián)系起來(lái)。2CD與ORD和吸收光譜的關(guān)系CD譜中在λ=λ0處，[θ]λ取極值，（峰值或最小值）ORD在λ=λ0處，[φ]λ=03CD與ORD和吸收光譜相比在結(jié)構(gòu)分析中的優(yōu)點(diǎn)（1）吸收譜均是正值，若同時(shí)存在多個(gè)吸收峰，其互相交疊，分析困難。（2）對(duì)于ORD譜，任意波長(zhǎng)處的旋光性是所有生色團(tuán)貢獻(xiàn)之和，其極值與吸收譜不同。（3）CD譜線可正可負(fù)，其極值與吸收譜一致。對(duì)獲取理想的溶液或固體CD譜圖的建議：①手性樣品符合CD光譜測(cè)試的條件(在給定波長(zhǎng)范圍內(nèi)有較強(qiáng)的CD信號(hào)和合適的吸收值)。必須事先測(cè)定手性樣品的UV-Vis吸收光譜(溶液或固體漫反射)，預(yù)測(cè)CD譜峰的可能位置和選擇合適的制樣濃度(對(duì)于溶液吸收光譜，A≈1)。②提供高對(duì)映純度的手性樣品。③根據(jù)樣品的性質(zhì)選擇測(cè)定方式(溶液、固體、單晶或熒光CD)。④對(duì)溶液樣品應(yīng)選用合適的溶劑(見附表)、濃度和光程(與測(cè)定UV-Vis光譜類似)。對(duì)于在紫外區(qū)測(cè)試的樣品建議選用較小的光程(≤0.5cm)和截止波長(zhǎng)足夠低的溶劑，最好為高純水或醇類溶劑(見附表)。⑤對(duì)固體樣品的壓片法測(cè)試，應(yīng)視樣品的不同選用合適百分比濃度及合適的稀釋劑(KBr、KCl或CsI等)研磨壓片后進(jìn)行透射