Tarczay György, Góbi Sándor, Magyarfalvi Gábor, Vass Elemér ELTE Kémiai Intézet KMOP-4.2.1/B-10-2011-0002 Rezgési optikai aktivitás Abszolút konfiguráció meghatározása és konformációanalízis A gyógyszerkutatás műszeres módszerei MTA 2012. május 9.
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
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
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)
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)
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
VCD spektrométerek
ROA spektrométerek ICP ROA http://www.chem.gla.ac.uk/~laurence/roahome.htm L. Hecht, L. D. Barron, E. W. Blanch, A. F. Bell and L. A. Day J. Raman Spectrosc. 1999, 30, 815
ROA spektrométerek SCP ROA
Kereskedelmi VCD és ROA készülékek JASCO Bruker BioTools FVS-6000 VCD spectrometer Vertex 70 + PMA 50 Thermo Scientific (Nicolet) ChiralIR-2X µ-chiralraman-2x
VCD spektrométer az ELTÉ-n Néhány műszaki paraméter: Bruker Equinox55/PMA37 Detektor: MCT Tartomány: kb. 750 4000 cm -1 Felbontás: max. 0.5 cm -1 (rutin: 4 cm -1 )
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. 200 2600 cm -1, felbontás: 10 cm -1 A legnagyobb érzékenységű Raman-spektrométer a piacon Opcionálisan kiegészíthető Raman-mikroszkóppal
VCD: Abszolút konfiguráció meghatározása 2 (1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor mért VCD spektrum A 10 4 0 1-1 (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 0.6 0.4 0.2 általában ΔA/A = 10-5 10-4 0.0 1300 1200 1100 1000 900 Hullámszám /cm -1
VCD: Abszolút konfiguráció meghatározása 2 (1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor számított IR spektrum mért VCD spektrum A 10 4 Abszorbancia 1 0-1 (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 0.6 0.4 0.2 általában ΔA/A = 10-5 10-4 0.0 1300 1200 1100 1000 900 Hullámszám /cm -1
VCD: Abszolút konfiguráció meghatározása 2 (1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor mért VCD spektrum A 10 4 0 1-1 (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 0.6 0 0.4 A VCD-effektus igen kicsi: általában ΔA/A = 10-5 10-4 0.2 0.0 1300 1200 1100 1000 900 1300 1200 Hullámszám 1100/ cm -1 1000 900 Hullámszám /cm -1
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 1x10 9 0 4.0x10 5 0.0-4.0x10 5 I R -I L I R +I L ROA Raman ROA 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Hullámszám / cm -1
ROA: Abszolút konfiguráció meghatározása Alanin D 2 O-ban L. D. Barron, L. Hecht, P. L. Povalarapu, Spectrochimica Acta, 1992, 48A, 1993.
A 10 4 VCD intenzitás 0.2 0.0-0.2-0.4 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 150 S enantiomerre számított 10 100 B3LYP/6-31G* 6 (A-D konformerek spektrumának 45 50 populációval súlyozott átlaga) 3 8 0-50 -100-150 VCD: Abszolút konfiguráció és konformereloszlás meghatározása 3-heteroaril-3-hidroxipropionsav-etilészter Mért (CDCl 3 oldat) 1 1-200 2 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 2 3 4 6 5 Hullámszám / cm -1 7 7 8 9 9 10 11 11 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.
ROA: Abszolút konfiguráció és konformereloszlás meghatározása 2x10 6 1x10 6 0 Ac-β-homo-Pro-NHCH 3 Amid III Mért ROA I R -I L -1x10 6-2x10 6-3x10 6 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 20 Hullámszám / cm -1 A 48% B 18% I R -I L 10 0-10 Amid III Számitott ROA 48% A + 18% B + 7% C + 7% D -20 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Hullámszám / cm -1 E. Vass et al., 2012 C 7% D 7% + 16 további konformer
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
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.
Nehézségek: Érzékeny sávok A VCD sávok robosztussága Eredeti definíció: V. P. Nicu, E. J. Baerends Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 6107. R k 60 60 = < > 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, 16130. ζ = μm cosξk k = Rk D k
A VCD sávok robosztussága V. P. Nicu, E. J. Baerends Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 6107.
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% 1800 1700 1400 1300 Hullámszám / cm -1 1800 1700 1400 1300 S. Góbi, E. Vass, G. Magyarfalvi, G. Tarczay, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 13972
Mátrixizolációs rezgési cirkuláris dikroizmus (MI-VCD) spektroszkópia + Molekulák nagy hígításban fagyott (8-12 K) nemesgázban elhanyagolható intermolekuláris kölcsönhatás, jó egyezés egyszerű számításokkal
MI-VCD : A 2-amino-1-propanol konformerei 3 torziós szög 25 konformer ebből 10-15 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, 550-551, 365.
MI-VCD: Az R-2-amino-1-propanol MI vs oldatfázisú IR és VCD spektruma A 5.0x10-4 0.0-5.0x10-4 1.0 A A 0.5 0.0 5.0x10-5 0.0-5.0x10-5 Mátrix-VCD Mátrix-IR Folyadékfilm-VCD 10 A 1.0 0.5 Folyadékfilm-IR 0.0 3600 3400 3200 3000 2800 2600 Hullámszám/ Wavenumber / cm -1-1 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 G. Tarczay, E. Vass, G. Magyarfalvi, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 1775
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
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 1 2 3 A 2-S-klórpropionsav 1800 1400 1300 1800 1400 1300 Hullámszám / cm -1 1 59% 2 35% 3 6% S. Góbi, E. Vass, G. Magyarfalvi, G. Tarczay, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 13972
VCD: Poliszacharidok vizsgálata T. Taniguchi, K. Monde, Chem. - Asian J. 2007, 2, 1258.
ROA: Cukrok vizsgálata I R +I L 2.5x10 10 2.0x10 10 1.5x10 10 1.0x10 10 Raman D-(+)-Glükóz H HO HO OH O H H CHOH H OH I R +I L 2.5x10 10 2.0x10 10 1.5x10 10 1.0x10 10 Raman D-(+)-Mannóz H HO HO OH O OH H H H CHOH 5.0x10 9 0.0 2x10 6 ROA 5.0x10 9 0.0 6.0x10 6 4.0x10 6 ROA 1x10 6 2.0x10 6 I R -I L 0 I R -I L 0.0-1x10 6-2x10 6 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Hullámszám / cm -1 3.0x10 10 2.5x10 10 Raman D-(+)-Galaktóz -2.0x10 6-4.0x10 6 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Hullámszám / cm -1 2.0x10 10 E. Vass et al., 2012 I R +I L 1.5x10 10 1.0x10 10 5.0x10 9 0.0 4.0x10 6 2.0x10 6 ROA H HO OH H OH O H H CHOH OH I R -I L 0.0-2.0x10 6-4.0x10 6-6.0x10 6 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Hullámszám / cm -1
VCD: Peptidek vizsgálata P. Bour, V. Andrushchenko, M. Kabelac, V. Maharaj, H. Wieser, J Phys Chem B, 2005, 109, 20579.
ROA: Fehérjék vizsgálata L. A. Barron, A. D. Buckingham, Chem. Phys. Lett. 2010, 492, 199.
ROA: Vírusok vizsgálata E. W. Blanch, D. J. Robinson, L. Hecht, L. D. Barron, J. Gen. Virol. 2001, 82, 1499.
VCD: Vírusok vizsgálata G. Shanmugam, P. L. Polavarapu, A. Kendall, G. Stubbs, J. Gen. Virol. 2005, 86, 2371.
Rezgési optikai aktivitás Alapkutatás publikációk hivatkozások VCD ROA
Rezgési optikai aktivitás Gyógyszergyárak
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)