旋光光譜和圓二色光譜

旋光光譜和圓二色光譜

旋光光譜（opticalrotatorydispersion，ORD）圓二色譜（circularsichroism，CD）分別于20世紀(jì)50年代和60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。簡(jiǎn)介旋光光譜（opticalrotatorydispersion，ORD）和圓二色光譜（circulardichroism，CD）都是與化合物的光學(xué)活性有關(guān)的光譜，它們?cè)谔峁┦中曰衔锏慕^對(duì)構(gòu)型、優(yōu)勢(shì)構(gòu)象和反應(yīng)歷程的信息方面，具有其他任何光譜不能取代的獨(dú)到優(yōu)越性。旋光光譜和圓二色光譜在測(cè)定手性化合物的構(gòu)型和構(gòu)象、確定某些官能團(tuán)(如羰基)在手性分子中的位置方面有獨(dú)到之處，是其它光譜無法代替的?；驹恚盒夤庾V(OpticalRotatoryDispersion,ORD)

假如有機(jī)分子是具有手性的，即分子和它的鏡像互相不能重疊，當(dāng)平面偏振光通過它時(shí)，偏振面便發(fā)生旋轉(zhuǎn)，即所謂該物質(zhì)具有“旋光性”。17世紀(jì),Huggens,偏振光1881年,Biot（畢奧）,石英能使偏振光的偏振面轉(zhuǎn)動(dòng)1934年，Lowry（勞里）,《光功率計(jì)》1953年，建立了第一臺(tái)偏振光檢測(cè)儀19世紀(jì)60年代以后，圓二色儀出現(xiàn)一、背景（一）偏振光偏振光不僅僅在化學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，在拍攝中也廣泛應(yīng)用，比如在攝像鏡頭前加上偏振鏡消除反光，使拍攝出的照片更加清楚。偏振光還可以應(yīng)用到行車安全中。利用偏振光可以消除司機(jī)在行車過程由于遠(yuǎn)光燈的頻繁使用造成的眼睛不適性炫光。偏振光還可應(yīng)用于3D電影和保密通信中。6（二）手性化合物S-(-)-氧氟沙星抑制細(xì)菌拓?fù)洚悩?gòu)酶II的活性是R-(+)-型的9.3倍，是外消旋體的1.3倍。對(duì)各種細(xì)菌的抑菌活性S型強(qiáng)于R型8～128倍。左氧氟沙星已取代消旋氧氟沙星。S-(+)-萘普生的抗炎和解熱鎮(zhèn)痛活性約為R-(-)-型的10～20倍，因此，臨床用其S-(+)-對(duì)映體。7在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的沙立度胺事件是藥學(xué)史上的沉痛教訓(xùn)。S-(-)-沙立度胺的二酰亞胺進(jìn)行酶促水解，生成鄰苯二甲酰亞胺基戊二酸，后者可滲入胎盤，干擾胎兒的谷氨酸類物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿~酸的生化反應(yīng)，從而干擾胎兒發(fā)育，造成畸胎。右旋葡萄糖在動(dòng)物代謝中能起到獨(dú)特的作用，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，但其對(duì)映體左旋葡萄糖不能被動(dòng)物代謝，又如左旋的氯毒素有抗菌作用，但其對(duì)映體則無效。（一）幾種偏振光的概念1平面偏振光（planepolarizedlight)又稱線偏振光。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）都是在同一方向振動(dòng)。二、基本原理當(dāng)只有一塊偏振片時(shí)，以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)偏振片，透射光的強(qiáng)度不變。當(dāng)兩塊偏振片的透振方向平行時(shí)，透射光的強(qiáng)度最大，但比通過一塊偏振片時(shí)弱。當(dāng)兩塊偏振片的透振方向垂直時(shí)，透射光的強(qiáng)度最弱，幾乎為零。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)電矢量方向沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱為左圓偏振光電矢量方向沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱為右圓偏振光

可看成是兩個(gè)相互垂直的振幅相等、相位差為±π/2的線偏振光的合成＋π/2——對(duì)應(yīng)于右旋圓偏振光－π/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（二）旋光度和比旋光度旋光度：旋光物質(zhì)是偏光振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)的角度稱為旋光度，通常用a表示。比旋光度：[α]D＝(α實(shí)/cl)×100通常用鈉光D線(≈589.3nm)測(cè)量α實(shí)l:試樣槽厚度（dm）c:100ml溶劑中溶液的g數(shù)因此，利用偏振光這樣一個(gè)原理來設(shè)計(jì)一種儀器，用它來定性和定量的測(cè)定具有手性的化合物，從而確定他們的構(gòu)象。13光學(xué)活性（又稱為手性，chirality）是指化學(xué)分子的實(shí)物與其鏡像不能重疊的現(xiàn)象。COOHNH2CH3HChiralL-alanineCOOHCH3NH2HD-alanine（三）物質(zhì)的光學(xué)活性手性是自然界的普遍現(xiàn)象。天然產(chǎn)物、合成藥物、生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸、糖）大多具有手性。絕對(duì)構(gòu)型的表示方法左旋體（Levorotatory）和右旋體（Dextrotatory）能使偏振光的偏振面按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的對(duì)映體稱為右旋體，用d-或(+)-表示；反之，稱為左旋體，用l-或(-)-表示。外消旋體（Racemate）由等量的左旋體和右旋體構(gòu)成，沒有旋光性，用dl-或()-表示。這種表示方法，直觀地反映了對(duì)映體之間光學(xué)活性的差別，但不能提供手性分子三維空間排列或絕對(duì)構(gòu)型的信息。將手性中心的取代基按原子序數(shù)依次排列，A>B>C>D，把D作為手性碳原子的頂端，A、B、C為四面體底部的3個(gè)角，從底部向頂端方向看，若保持從大到小基團(tuán)按順時(shí)針方向排列者，稱為R型；若為逆時(shí)針方向排列者，稱為S型。R和S系統(tǒng)（四）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α角，表現(xiàn)出旋光。不對(duì)稱介質(zhì)對(duì)稱介質(zhì)（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。

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n＝c/υc:真空中光速υ:介質(zhì)中光速

Δn=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)，nL≠nR

Δn≠0偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，隨光程增大而增大——旋光現(xiàn)象三、旋光光譜（ORD）偏振面所旋轉(zhuǎn)的角度稱之為旋光度，可用旋轉(zhuǎn)檢偏鏡進(jìn)行測(cè)定。從觀察者的角度看當(dāng)檢偏鏡順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，樣品稱右旋(+)物質(zhì)，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)稱左旋（-）物質(zhì)，通常用鈉光D線(≈589.3nm)，來測(cè)量。定義比旋光度[α]D為：

[α]D=（α實(shí)/CL）×100

式中，α實(shí)是實(shí)際觀察到的旋光度。C為100ml溶劑中溶質(zhì)的g數(shù)，L是試樣槽的厚度(以dm計(jì))。（3）采用不同波長(zhǎng)的平面偏振光來測(cè)量化合物的比旋光度[α]λ，并以[α]λ或有關(guān)量作縱坐標(biāo)，波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，得到的圖譜就叫旋光譜（簡(jiǎn)稱ORD）。（4）實(shí)際的ORD測(cè)量工作中常用摩爾旋光度[φ]λ來代替比旋光度[α]λ，它們之間的關(guān)系為：[φ]λ=[α]λ·Mr／100[α]λ——比旋光度Mr——待測(cè)物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量

旋光光度計(jì)是用單色器發(fā)光，一邊改變波長(zhǎng)一邊連續(xù)記錄旋光度的一種裝置。3、儀器示意圖及介紹對(duì)于在紫外和可見區(qū)無發(fā)色團(tuán)的飽和化合物，[φ]λ的絕對(duì)值隨波長(zhǎng)增大而變小[α=π（nL-nR）/λ]。旋光度為負(fù)值的化合物，ORD譜線從紫外到可見區(qū)單調(diào)上升；而旋光度為正值的化合物是單調(diào)下降。譜線只是在一個(gè)相內(nèi)延伸，沒有峰也沒有谷，這類ORD譜線為正常的或平坦的旋光譜線。4、旋光譜圖類型分析平滑型分子中有一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)色團(tuán)(如羰基)的ORD譜線：羰基在270nm左右有弱的吸收峰，ORD曲線在此處越過零點(diǎn)，進(jìn)入另一個(gè)相區(qū)。形成的一個(gè)峰和一個(gè)谷組成的ORD譜線，稱為簡(jiǎn)單康頓效應(yīng)譜線。正的康頓效應(yīng)——峰在長(zhǎng)波段，谷在短波段的曲線負(fù)的康頓效應(yīng)——谷在長(zhǎng)波段，峰在短波段的曲線ORD與零線相交點(diǎn)的波長(zhǎng)稱為λK。谷至峰之間的高度稱為振幅。康頓效應(yīng)康頓效應(yīng)的強(qiáng)度通常用摩爾振幅α來表示α=（[φ]1-[φ]2）/100[φ]1——ORD頂峰處的摩爾旋光度[φ]2——ORD谷底處的摩爾旋光度圖為D-（+）-樟腦酮的ORD譜，呈正的簡(jiǎn)單康頓效應(yīng)，λK=294nm。有些化合物同時(shí)含有兩個(gè)以上不同的發(fā)色團(tuán)，其ORD譜可有多個(gè)峰和谷，呈復(fù)雜康頓效應(yīng)曲線。每一個(gè)實(shí)際的ORD曲線都是分子中各個(gè)發(fā)色團(tuán)的平均效應(yīng)，包括200nm以下的吸收，分子的每種取向及每種構(gòu)象的貢獻(xiàn)，因此，ORD譜線呈復(fù)雜情況。四、圓二色譜旋光性有機(jī)分子對(duì)組成平面偏振光的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的摩爾吸光系數(shù)是不同的，即εL≠εR，這種現(xiàn)象稱之為圓二色性。兩種摩爾吸光系數(shù)之差△ε=εL-εR，是隨入射偏振光的波長(zhǎng)變化而變化的。以△ε或有關(guān)量為縱坐標(biāo)，波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，得到的圖譜就叫圓二色譜(CD)。左旋圓偏振光和右旋圓偏振光分別通過光學(xué)活性物質(zhì),所得的圖譜如下圖所示,其中(a)是正常的紫外吸收,(b)是左圓偏振光和右圓偏振光分別的吸收及圓二色吸收。摩爾橢圓度由于△ε絕對(duì)值很小，常用摩爾橢圓度[θ]來代替，它與摩爾吸光系數(shù)的關(guān)系是：

[θ]=3300△ε=3300（εL-εR）當(dāng)平面偏振光通過旋光性介質(zhì)時(shí)，它的左旋和右旋圓偏振光不僅傳播速度不同，而且強(qiáng)度也不同。以箭頭長(zhǎng)短表示左旋和右旋圓偏振光強(qiáng)度。在迎著它的傳播方向觀察時(shí)，它們的矢量和描出一個(gè)橢圓軌跡。橢圓的長(zhǎng)軸即二矢量相位相同時(shí)的值，短軸即二矢量相位相反時(shí)的值，兩短軸與長(zhǎng)軸比例的正切tanθ，就同時(shí)反映了圓雙折射和圓二向色性。θ是平面偏振光離開試樣槽，即最后出來時(shí)的橢圓度，它與摩爾橢圓度[θ]的關(guān)系是：[θ]=θM/100lc=3300△ε因?yàn)閇θ]=3300△ε，△ε可為正值亦可為負(fù)值，圓二色性曲線(CD)也有正性譜線（向上）和負(fù)性譜線（向下）。圖為化合物A和B的CD譜，A呈正的康頓效應(yīng)，B呈負(fù)的康頓效應(yīng)?？殿D效應(yīng)圓二色光譜計(jì)構(gòu)造圓二色性是由于平面偏振光透過旋光性介質(zhì)時(shí)，使左、右圓偏光的摩爾吸光系數(shù)不同而產(chǎn)生的，故測(cè)量時(shí)，在光電調(diào)制器上加一交流電壓，便可得到交替組成的左右偏振光。美國(guó)Aviv公司Model400型圓二色光譜儀三、ORD、CD、UV之間的關(guān)系旋光譜(ORD)，圓二色譜(CD)是同一現(xiàn)象的二個(gè)方面，它們都是光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的。ORD譜主要是與電子運(yùn)動(dòng)有關(guān)。UV譜反映了光和分子的能量交換。在紫外可見區(qū)域，用不同波長(zhǎng)的左、右旋圓偏振光測(cè)量CD和ORD的主要目的是研究有機(jī)化合物的構(gòu)型或構(gòu)象。理想情況下，UV吸收峰λmax、CD的△ε最大絕對(duì)值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)及ORD的λK三者應(yīng)相等，但實(shí)際上這三者不一定重合。當(dāng)ORD呈正性康頓效應(yīng)時(shí)，相應(yīng)的CD也呈正性康頓效應(yīng)，反之亦然。當(dāng)ORD和CD呈正性康頓效應(yīng)時(shí)，物質(zhì)是右旋；當(dāng)ORD和CD呈負(fù)性康頓效應(yīng)時(shí)，物質(zhì)是左旋。CD譜比較簡(jiǎn)單明確，容易解析。ORD譜比較復(fù)雜，但它能提供更多的立體結(jié)構(gòu)信息。ORD和CD都可以用于測(cè)定有特征吸收的手性化合物的絕對(duì)構(gòu)型。對(duì)于有多個(gè)紫外吸收峰的化合物，就會(huì)有多個(gè)連續(xù)變化的CD峰和相應(yīng)的ORD譜線。五、ORD和CD的應(yīng)用八區(qū)律（羰基）例，環(huán)己酮以環(huán)己酮C=O鍵的中心為原點(diǎn)，用xy平面、xz平面、yz平面（A、B、C）三個(gè)平面隔開，分成八個(gè)空間。xy平面后的四個(gè)空間稱后八區(qū)，xy平面前的四個(gè)空間稱前八區(qū)。位于ABC三個(gè)分割面上的取代基，對(duì)康頓效應(yīng)貢獻(xiàn)為零。位于正、負(fù)區(qū)的取代效應(yīng)可以相抵消。取代基對(duì)于康頓效應(yīng)貢獻(xiàn)的大小隨著與生色團(tuán)的距離增加而減小。貢獻(xiàn)大小還與取代基的性質(zhì)有關(guān)。例，2，2’，5-三甲基環(huán)己酮

C1，C2，C4，C6，C7均在分割面上，從而對(duì)康頓效應(yīng)沒有貢獻(xiàn)。C3和C5的貢獻(xiàn)相互抵消，C8和C9的貢獻(xiàn)均為正。該化合物具有正的康頓效應(yīng)，即CD譜中△ε＞0，吸收峰在橫坐標(biāo)上方；ORD譜中，長(zhǎng)波位置出現(xiàn)峰，短波方向出現(xiàn)谷。例，3-羥基-3-十九烷