Tarczay György, Góbi Sándor, Magyarfalvi Gábor, Vass Elemér. ELTE Kémiai Intézet

Átírás

1 Tarczay György, Góbi Sándor, Magyarfalvi Gábor, Vass Elemér ELTE Kémiai Intézet KMOP-4.2.1/B Rezgési optikai aktivitás Abszolút konfiguráció meghatározása és konformációanalízis A gyógyszerkutatás műszeres módszerei MTA május 9.

2 technikailag egyszerűbb Optikai rotációs diszperzió (ORD) és cirkuláris dikroizmus (CD) ORD Θ ( ν ) CD Φ( ν ) forgatás eltérő abszorpció Θ síkban polarizált fény ( ν) 2ν = π 0 ( ν ) Φ ν 2 ν 2 dν optikailag aktív (királis) közeg ( ν) = n( ν) + in( ν) n cirkulárisan polarizált fény Kramers-Kronig transzformáció Φ ( ν) = 2 π egyszerűbb számítani, direktben hasonlítható abszorpciós spektrumokhoz ( ) ν Θν dν ν 2 ν 2 0

3 Rezgési Cirkuláris Dikroizmus Vibrational Circular Dichroism (VCD) Jobbra és balra cirkulárisan polarizált fény abszorpciójának különbsége L R rezgési gerjesztett állapot rezgési alapállapot DA =A L A R

4 Raman Optikai Aktivitás Incident Circular Polarized ROA (ICP-ROA) Scattered Circularly Polarized ROA (SCP-ROA) Dual Circularly Polarized ROA (DCP I -ROA) (DCP II -ROA)

5 A rezgési optikai aktivitás mérföldkövei 1811: François Jean Dominique Arago észleli a kvarckristály optikai forgatóképességét 1815: Jean Baptiste Biot a terpentinolaj forgatóképességét észleli 1847: Wilhelm K. von Haidinger cirkuláris dikroizmus ametisztben 1895: Aimé Cotton cirkuláris dikroizmus oldatokban 1961: JASCO első ORD készüléke 1964: Leonard I. Katzin optikai rotáció első reprodukálható észlelése a közeli IR tartományban 1965: JASCO első CD egysége 1967: Az első ORD készülék az ELTÉ-n 1971: Az első CD spektrométer az ELTÉ-n (Kajtár, Hollósi, majd Perczel, Majer)

6 A rezgési optikai aktivitás mérföldkövei 1971: Barron és Buckingham ROA elméleti jóslata 1972: Holtzwarth és Chabay VCD első elméleti modellje (csatolt oszcillátor modell) 1973: Barron és Buckingham felveszi az első ROA spektrumot (reprodukció 1975 Werner Hug) 1974: Holtzwarth és munkatársai felveszik az első VCD spektrumot (reprodukció 1975 Stephens, Nafie és Cheng) 1997: első kereskedelmi VCD készülék (Bomem/BioTools) 2003: első VCD készülék az ELTÉ-n 2003: első kereskedelmi ROA készülék (BioTools) 2011: első ROA készülék az ELTÉ-n

7 VCD spektrométerek

8 ROA spektrométerek ICP ROA L. Hecht, L. D. Barron, E. W. Blanch, A. F. Bell and L. A. Day J. Raman Spectrosc. 1999, 30, 815

9 ROA spektrométerek SCP ROA

10 Kereskedelmi VCD és ROA készülékek JASCO Bruker BioTools FVS-6000 VCD spectrometer Vertex 70 + PMA 50 Thermo Scientific (Nicolet) ChiralIR-2X µ-chiralraman-2x

11 VCD spektrométer az ELTÉ-n Néhány műszaki paraméter: Bruker Equinox55/PMA37 Detektor: MCT Tartomány: kb cm -1 Felbontás: max. 0.5 cm -1 (rutin: 4 cm -1 )

12 ROA spektrométer az ELTÉ-n Néhány műszaki paraméter: SCP-ROA működési elv 532 nm-es, folytonos üzeműnd:yvo4 lézer BioTools ChiralRaman-2x Detektor: Peltier-hűtésű CCD-kamera Tartomány: kb cm -1, felbontás: 10 cm -1 A legnagyobb érzékenységű Raman-spektrométer a piacon Opcionálisan kiegészíthető Raman-mikroszkóppal

13 VCD: Abszolút konfiguráció meghatározása 2 (1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor mért VCD spektrum A (1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor 0.8 mért IR spektrum Az enantiomerek IR-spektruma azonos, de VCD-spektruma ellentétes előjelű A VCD-effektus igen kicsi: Abszorbancia általában ΔA/A = Hullámszám /cm -1

14 VCD: Abszolút konfiguráció meghatározása 2 (1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor számított IR spektrum mért VCD spektrum A 10 4 Abszorbancia (1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor 0.8 mért IR spektrum Az enantiomerek IR-spektruma azonos, de VCD-spektruma ellentétes előjelű A VCD-effektus igen kicsi: Abszorbancia általában ΔA/A = Hullámszám /cm -1

15 VCD: Abszolút konfiguráció meghatározása 2 (1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor mért VCD spektrum A (1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor 0.8 számított mért VCD IR spektrum (1S)-(-)-kámfor Az enantiomerek IR-spektruma azonos, de VCD-spektruma ellentétes előjelű VCD intenzitás A VCD-effektus igen kicsi: általában ΔA/A = Hullámszám 1100/ cm Hullámszám /cm -1

16 ROA: Abszolút konfiguráció meghatározása 4x10 9 3x10 9 Raman R-α-pinén S-α-pinén I R +I L 2x10 9 R-α-pinén S-α-pinén E. Vass et al., 2012 Számított Mért I R -I L 1x x x10 5 I R -I L I R +I L ROA Raman ROA Hullámszám / cm -1

17 ROA: Abszolút konfiguráció meghatározása Alanin D 2 O-ban L. D. Barron, L. Hecht, P. L. Povalarapu, Spectrochimica Acta, 1992, 48A, 1993.

18 A 10 4 VCD intenzitás S enantiomerre számított B3LYP/6-31G* 6 (A-D konformerek spektrumának populációval súlyozott átlaga) VCD: Abszolút konfiguráció és konformereloszlás meghatározása 3-heteroaril-3-hidroxipropionsav-etilészter Mért (CDCl 3 oldat) Hullámszám / cm S H S OH O OEt HO Az S enantiomer legalacsonyabb energiájúkonformerei: S R H O OEt J. Brehm, Cs. Paizs, M. I. Toşa, E. Vass, F. D. Irimie, Tetrahedron-Asymmetry, 2009, 20, 489.

19 ROA: Abszolút konfiguráció és konformereloszlás meghatározása 2x10 6 1x Ac-β-homo-Pro-NHCH 3 Amid III Mért ROA I R -I L -1x10 6-2x10 6-3x Hullámszám / cm -1 A 48% B 18% I R -I L Amid III Számitott ROA 48% A + 18% B + 7% C + 7% D Hullámszám / cm -1 E. Vass et al., 2012 C 7% D 7% + 16 további konformer

20 VCD vs (E)CD spektroszkópia VCD technikailag nehezebb (de ma már kereskedelmi készülékek is kaphatók) VCD esetében nincs szükség kromofórra Gyakorlatilag minden királis molekulának van VCD spektruma VCD spektrumokban több sáv van VCD spektrumok jobban számíthatóak (elég csak az alapállapotot számítani, ECD-ben elektrongerjesztést kell számolni) VCD-vel legtöbbször könnyebben/biztosabban lehet az abszolút konfigurációt megállapítani DE VCD érzékenyebb a konformációra és az intermolekuláris kölcsönhatásokra

21 VCD/ROA vs Röntgen diffrakció/nmr Nincs szükség egykristályra (nehézatomra és kémiai módosításra) Nem kell enantiomertisztának lennie a mintának Nincs szükség shift reagensre Kisebb az esélye a téves kiértékelésnek (rossz egykristály, bonyolult kölcsönhatások shift reagenssel) Egyszerre konfiguráció és konformáció meghatározás Különösen a ROA technika alkalmas vizes fázisú mérésekre is Kis és közepes méretű, merev molekulák esetében egyértelműen a VCD (és ROA) technika a legolcsóbb, leggyorsabb és legmegbízhatóbb módszer abszolút konfiguráció meghatározásra.

22 Nehézségek: Érzékeny sávok A VCD sávok robosztussága Eredeti definíció: V. P. Nicu, E. J. Baerends Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, R k = < > μe k μm cosξk ξk < 120 ξk, ξk > 120 k nem-robosztus rezgési mód robosztus rezgési mód koordinátarendszer-függő! Alternatív, koordinátarendszer-független definíció: S. Góbi, G. Magyarfalvi, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, ζ = μm cosξk k = Rk D k

23 A VCD sávok robosztussága V. P. Nicu, E. J. Baerends Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 6107.

24 Nehézségek: Dimerképződés A 2-klórpropionsav VCD spektruma CCl 4 -ben IR VCD A 2-S-klórpropionsav A 38% Kísérleti * 2-R-klórpropionsav A 2-S-klórpropionsav dimer A 23% Számított, Boltzmann -faktorokkal súlyozott Számított A 1-2 IR 1-1 IR 2-2 IR 2-S-klórpropionsav dimer A 39% Hullámszám / cm S. Góbi, E. Vass, G. Magyarfalvi, G. Tarczay, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 13972

25 Mátrixizolációs rezgési cirkuláris dikroizmus (MI-VCD) spektroszkópia + Molekulák nagy hígításban fagyott (8-12 K) nemesgázban elhanyagolható intermolekuláris kölcsönhatás, jó egyezés egyszerű számításokkal

26 MI-VCD : A 2-amino-1-propanol konformerei 3 torziós szög 25 konformer ebből konformer >1% feletti arányban van jelen szobahőmérsékleten 5 konformert azonosítottak mátrix izolációs IR spektroszkópiával R. Fausto, C. Cacela, M. L. Duarte, J. Mol. Struct. 2000, , 365.

27 MI-VCD: Az R-2-amino-1-propanol MI vs oldatfázisú IR és VCD spektruma A 5.0x x A A x x10-5 Mátrix-VCD Mátrix-IR Folyadékfilm-VCD 10 A Folyadékfilm-IR Hullámszám/ Wavenumber / cm G. Tarczay, E. Vass, G. Magyarfalvi, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 1775

28 MI-VCD: Az R-2-amino-1-propanol MI vs oldatfázisú IR és VCD spektruma (SQM) (SQM) G. Tarczay, E. Vass, G. Magyarfalvi, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 1775

29 MI-VCD: Izolált 2-klórpropionsav monomer VCD spektruma Kísérleti A MI-IR MI-VCD 2-S-klórpropionsav A Számított, Boltzmann-faktorokkal súlyozott A 2-R-klórpropionsav A 2-S-klórpropionsav Számított A A 2-S-klórpropionsav Hullámszám / cm % 2 35% 3 6% S. Góbi, E. Vass, G. Magyarfalvi, G. Tarczay, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 13972

30 VCD: Poliszacharidok vizsgálata T. Taniguchi, K. Monde, Chem. - Asian J. 2007, 2, 1258.

31 ROA: Cukrok vizsgálata I R +I L 2.5x x x x10 10 Raman D-(+)-Glükóz H HO HO OH O H H CHOH H OH I R +I L 2.5x x x x10 10 Raman D-(+)-Mannóz H HO HO OH O OH H H H CHOH 5.0x x10 6 ROA 5.0x x x10 6 ROA 1x x10 6 I R -I L 0 I R -I L 0.0-1x10 6-2x Hullámszám / cm x x10 10 Raman D-(+)-Galaktóz -2.0x x Hullámszám / cm x10 10 E. Vass et al., 2012 I R +I L 1.5x x x x x10 6 ROA H HO OH H OH O H H CHOH OH I R -I L x x x Hullámszám / cm -1

32 VCD: Peptidek vizsgálata P. Bour, V. Andrushchenko, M. Kabelac, V. Maharaj, H. Wieser, J Phys Chem B, 2005, 109,

33 ROA: Fehérjék vizsgálata L. A. Barron, A. D. Buckingham, Chem. Phys. Lett. 2010, 492, 199.

34 ROA: Vírusok vizsgálata E. W. Blanch, D. J. Robinson, L. Hecht, L. D. Barron, J. Gen. Virol. 2001, 82, 1499.

35 VCD: Vírusok vizsgálata G. Shanmugam, P. L. Polavarapu, A. Kendall, G. Stubbs, J. Gen. Virol. 2005, 86, 2371.

36 Rezgési optikai aktivitás Alapkutatás publikációk hivatkozások VCD ROA

37 Rezgési optikai aktivitás Gyógyszergyárak

38

39 Magyar/Közép-európai Kiroptikai Szerkezetvizsgálati Központ? ELTE Gyógyszergyárak RKTech/Biotools Jasco J-810 ECD-spektrom spektrométerter Kiroptikai szerkezetvizsgálati szolgáltatások nyújtása ipari partnerek számára K+F együttműködés ipari partnerek bevonásával Kiroptikai (elsősorban VCD és ROA) témájú tanfolyamok, workshopok szervezése Doktoranduszok képzése Bruker Equinox55/PMA37 VCD-spektrom spektrométerter BioTools ChiralRaman Raman-2x ROA-spektrom spektrométerter Magyarországon gon és s a szomszédos országokban egyedüláll lló Műszerhasználati idő (titkosított kutatások esetén)