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，它們在提供手性化合物的絕對構(gòu)型、優(yōu)勢構(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，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1934年，Lowry（勞里）,《光功率計(jì)》1953年，建立了第一臺偏振光檢測儀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。右旋葡萄糖在動物代謝中能起到獨(dú)特的作用，具有很高的營養(yǎng)價值，但其對映體左旋葡萄糖不能被動物代謝，又如左旋的氯毒素有抗菌作用，但其對映體則無效。（一）幾種偏振光的概念1平面偏振光（planepolarizedlight)又稱線偏振光。對著光前進(jìn)的方向觀察時，一束光波的電場矢量（或磁場矢量）都是在同一方向振動。二、基本原理當(dāng)只有一塊偏振片時，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，透射光的強(qiáng)度最大，但比通過一塊偏振片時弱。當(dāng)兩塊偏振片的透振方向垂直時，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矢量繞傳播方向螺旋前進(jìn)電矢量方向沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，稱為左圓偏振光電矢量方向沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，稱為右圓偏振光

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（二）旋光度和比旋光度旋光度：旋光物質(zhì)是偏光振動平面旋轉(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原理來設(shè)計(jì)一種儀器，用它來定性和定量的測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針方向旋轉(zhuǎn)的對映體稱為右旋體，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個角，從底部向頂端方向看，若保持從大到小基團(tuán)按順時針方向排列者，稱為R型；若為逆時針方向排列者，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。不對稱介質(zhì)對稱介質(zhì)（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。

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)行測定。從觀察者的角度看當(dāng)檢偏鏡順時針方向旋轉(zhuǎn)時，樣品稱右旋(+)物質(zhì)，逆時針方向旋轉(zhuǎn)時稱左旋（-）物質(zhì)，通常用鈉光D線(≈589.3nm)，來測量。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）采用不同波長的平面偏振光來測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)，波長為橫坐標(biāo)，得到的圖譜就叫旋光譜（簡稱ORD）。（4）實(shí)際的ORD測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——待測物質(zhì)相對分子質(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的絕對值隨波長增大而變小[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簡單的發(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)入另一個相區(qū)。形成的一個峰和一個谷組成的ORD譜線，稱為簡單康頓效應(yīng)譜線。正的康頓效應(yīng)——峰在長波段，谷在短波段的曲線負(fù)的康頓效應(yīng)——谷在長波段，峰在短波段的曲線ORD與零線相交點(diǎn)的波長稱為λK。谷至峰之間的高度稱為振幅?？殿D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，呈正的簡單康頓效應(yīng)，λK=294nm。有些化合物同時含有兩個以上不同的發(fā)色團(tuán)，其ORD譜可有多個峰和谷，呈復(fù)雜康頓效應(yīng)曲線。每一個實(shí)際的ORD曲線都是分子中各個發(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變化而變化的。以△ε或有關(guān)量為縱坐標(biāo)，波長為橫坐標(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，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，它們的矢量和描出一個橢圓軌跡。橢圓的長軸即二矢量相位相同時的值，短軸即二矢量相位相反時的值，兩短軸與長軸比例的正切tanθ，就同時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，使左、右圓偏光的摩爾吸光系數(shù)不同而產(chǎn)生的，故測量時，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，用不同波長的左、右旋圓偏振光測量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最大絕對值對應(yīng)波長及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，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，物質(zhì)是右旋；當(dāng)ORD和CD呈負(fù)性康頓效應(yīng)時，物質(zhì)是左旋。CD譜比較簡單明確，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都可以用于測定有特征吸收的手性化合物的絕對構(gòu)型。對于有多個紫外吸收峰的化合物，就會有多個連續(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）三個平面隔開，分成八個空間。xy平面后的四個空間稱后八區(qū)，xy平面前的四個空間稱前八區(qū)。位于ABC三個分割面上的取代基，對康頓效應(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，長波位置出現(xiàn)峰，短波方向出現(xiàn)谷。例，3-羥基-3-十九烷