旋光光譜和圓二色譜課件

旋光光譜和圓二色譜偏振光與手性物質(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)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——自然光如果光矢量只在一個固定的平面內(nèi)，并沿一個固定方向振動——線偏振光或平面偏振光光矢量的振動方向與光的傳播方向所構(gòu)成的平面——振動面一、偏振光與手性物質(zhì)的相互作用（2）圓偏振光振幅保持不變，而方向周期變化，電場矢量繞傳播方向螺旋前進(jìn)可看成是兩個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——對應(yīng)于右旋圓偏振光－π/2——對應(yīng)于左旋圓偏振光即圓偏振光中包含著兩個頻率和振幅相同的左旋和右旋圓偏振光2、偏振光的獲得（1）布儒斯特定律入射角為?0時反射光與折射光相互垂直，此時?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56.3o，折射角為33.7o。（2）晶體的雙折射現(xiàn)象

當(dāng)自然光射入雙折射晶體時，兩束折射光o和e都是線偏振光，并且它們的振動面通常接近于相互垂直（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面與1/4波片的光軸成45o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。3、圓偏振光在手性介質(zhì)中傳播時的特點(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。（2）手性介質(zhì)對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平面的偏振光，而是一個右旋或左旋的橢圓偏振光。

二、旋光光譜（ORD）1、當(dāng)平面偏振光通過手性物質(zhì)時，偏振面會發(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)為對稱結(jié)構(gòu)時，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)為不對稱結(jié)構(gòu)時，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3、測定儀器4、旋光度：α實(shí)比旋光度：[α]D＝(α實(shí)/cl)×100通常用鈉光D線(≈589.3nm)測量α實(shí)l:試樣槽厚度（dm）c:100ml溶劑中溶液的g數(shù)不同波長的[α]λ(比旋光度)為縱坐標(biāo)，λ為橫坐標(biāo)可得ORD光譜[Ф]λ:摩爾比旋光度，常用其代替[α]λ[Ф]λ=[α]λ·Mr/100(度·cm2·dmol-1)Mr:待測物質(zhì)的摩爾質(zhì)量三、圓二色譜1、手性物質(zhì)對組成平面偏振光的左、右旋圓偏振光的吸光度不同，即εL

≠εR這種現(xiàn)象為圓二色性CD譜：Δε為縱坐標(biāo)，λ為橫坐標(biāo)[θ]:摩爾橢圓度，常用其代替Δε兩者關(guān)系:[θ]=3300Δε=3300(εL-εR)2、[θ]的物理意義當(dāng)平面偏振光通過手性介質(zhì)時，不僅左、右旋圓偏振光的傳播速度不同，而且強(qiáng)度也不同。用箭頭的長短代替強(qiáng)度。因而光在傳播時，它的矢量和將產(chǎn)生的一橢圓軌道長軸：矢量相位相同時的強(qiáng)度短軸：矢量相位相反時的強(qiáng)度θ：平面偏振光離開樣品槽的角度——橢圓度[θ]=θ·M/100lc=3300Δε3、測量裝置四、康頓效應(yīng)(cottoneffect)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量范圍內(nèi)則出現(xiàn)S型曲線稱cotton效應(yīng)即形成一個峰和一個谷組成的ORD譜線—簡單的Cotton效應(yīng)正Cotton效應(yīng)：波長由長波向短波移動時，ORD譜由峰向谷變化負(fù)Cotton效應(yīng)：波長由長波向短波移動時，ORD譜由谷向峰變化λk:ORD線與零線相交點(diǎn)振幅：谷至峰的距離摩爾振幅α=([Ф]1-[Ф]2)/100[Ф]1:ORD頂峰處的摩爾旋光度[Ф]2:ORD谷底處的摩爾旋光度2、CD的康頓效應(yīng)正的康頓效應(yīng)：Δε或[θ]為正值且有峰的CD曲線負(fù)的康頓效應(yīng)：Δε或[θ]為負(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。(2)理想情況下：λmax（UV）=λmax(CD)=λk(ORD)實(shí)際情況：三者接近，但不一定重合ORD譜和CD譜都可用來測定有特征吸收的手性化合物的絕對構(gòu)型CD譜：容易解析ORD譜：比較復(fù)雜不對稱分子某生色團(tuán)吸收峰的Cottoneffect的正負(fù)號與該生色團(tuán)的手性中心的構(gòu)型有關(guān)聯(lián)，故可分析分子的絕對構(gòu)象。ORD摩爾振幅α與CD譜中[θ]或Δε的關(guān)系α=0.0122[θ]=40.28Δε1、在立體結(jié)構(gòu)化學(xué)研究中的應(yīng)用對于羰基化合物，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”來推測其立體結(jié)構(gòu)：八個區(qū)域的劃分如下圖所示：五、應(yīng)用將環(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。三個互相垂直的A、B、C平面將環(huán)己酮分割為八個區(qū)：O＝C－前面的4個區(qū)由于取代基很難進(jìn)入，對cotton效應(yīng)貢獻(xiàn)小，不考慮O＝C－后面的4個區(qū)貢獻(xiàn)大，其對cotton效應(yīng)正負(fù)號的貢獻(xiàn)如下圖所示：＋－－＋C1,C2,C6——A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，C4——B面上八區(qū)律1、位于三個平面上的取代基，對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2,2’,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cotton效應(yīng)貢獻(xiàn)為0C3與C5——抵消，C8與C9——正，

所以該化合物應(yīng)有正的cotton效應(yīng)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2、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、三級結(jié)構(gòu)和氨基酸微環(huán)境的檢測。（a）蛋白質(zhì)CD譜遠(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躍遷的分裂情況二級結(jié)構(gòu)不同，其CD位置、吸收強(qiáng)度則不相同(2)α-螺旋：

192nm有一正譜帶222209有兩個負(fù)的特征峰β-折疊

216nm:負(fù)峰185-200nm:正譜帶β-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-處于不對稱微環(huán)境的芳香氨基酸殘基、二硫鍵(2)可作為光譜探針研究它的不對稱微環(huán)境的擾動(b)研究蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)通過遠(yuǎn)紫外CD譜研究蛋白質(zhì)α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的分量

(C)研究蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)：——

chymotrypsin(allb)——lysozyme(a+b)——triosephosphateisomerase(a/b)——myoglobin(alla)三級結(jié)構(gòu)模型可分為：全α型α-螺旋>40%β-折疊<5%全β型α-螺旋<5%β-折疊>40%α+β型：α-螺旋、β-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)欠雌叫械摩?β型：α-螺旋、β-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(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)二硫鍵處于不對稱微環(huán)境時250-320nm出現(xiàn)CD信號Trp:279,284和291nmTyr:277nmPhe:255,261和268nm二硫鍵:整個近紫外CD譜例：陽離子表面活性劑CPB誘導(dǎo)BSA構(gòu)象CD光譜的變化Figure3Far-UVCD(a)andnear-UVCD(b)spectraofBSAandBSAinCPB1.BSA;2.BSAin1.0

10-5mol/LCPB;3.BSAin1.0

10-4mol/LCPB由遠(yuǎn)紫外CD譜可以看出α-螺旋β-折疊BSA49%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-UVCD光譜圖中在261和268nm處有最小值，在277和284nm處有兩個肩峰。當(dāng)加入CPB后，261和268nm處的橢圓率增加，而280至300nm處的橢圓率降低，表明此時氨酸酸殘基周圍環(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稱性遭到破壞而引起B(yǎng)SA分子三級結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果。(2)核酸

278nm有一強(qiáng)正的cotton效應(yīng)-對應(yīng)于堿基的堆積

248nm有一弱的負(fù)的cotton效應(yīng)-對應(yīng)于螺旋性(形)Z-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))3、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)六、實(shí)驗(yàn)中幾個注意事項(xiàng)用N2除臭氧和氧氣；樣品的濃度應(yīng)使其吸光度在0.6—1.2之間，可得到較好的信躁比，對蛋白質(zhì)來說濃度在0.2mg/mL，池子長度是1mm，池體積是350mL；溶劑和緩沖溶液選擇的原則是使樣品在測定的波長范圍內(nèi)其吸光度盡量的?。ㄈ軇┑奈毡砣缦拢徊荒苡?/p>

HCl來調(diào)pH，因?yàn)樵诘偷腢V波段Cl-離子會干擾CD的測定狹縫帶寬（SBW）的選擇：SBW應(yīng)保持至少為NBW

（被掃描物質(zhì)的自然帶寬）的十分之一；在遠(yuǎn)紫外一般為2nm；如果NBW不知，可選擇不同SBW進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；溶劑的吸收表——myoglobin(alla)285nm有正的cotton效應(yīng)(弱)谷變化cotton效應(yīng),故該環(huán)己酮衍生物為S構(gòu)型CPB（第二CMC）37%10.280nm有正的cotton效應(yīng)可看成是兩個相互垂直的振幅相等、相位差為±π/2的線偏振光的合成不同波長的[α]λ(比旋光度)為縱坐標(biāo)，正的強(qiáng)度約為負(fù)的強(qiáng)度的3倍cotton效應(yīng),故該環(huán)己酮衍生物為S構(gòu)型對于羰基化合物，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”來推測其立體結(jié)構(gòu)：八個區(qū)域的劃分如下圖所示：即圓偏振光中包含著兩個頻率和振幅相同的左旋和右旋圓偏振光例：陽離子表面活性劑CPB誘導(dǎo)BSA構(gòu)象CD光譜的變化1、手性物質(zhì)對組成平面偏振光的左、右旋圓偏振光的吸光度不同，即εL≠εR這種現(xiàn)象為圓二色性1、位于三個平面上的取代基，對cotton效應(yīng)貢獻(xiàn)為0Δn=nL-nR=0偏振面保持不變兩者關(guān)系:[θ]=3300Δε=3300(εL-εR)內(nèi)其吸光度盡量的小（溶劑的吸收表如下）；α-螺旋、β-折疊均大于15%，這兩