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.
Optikai rotációs diszperzió (ORD) és cirkuláris dikroizmus (CD) Θ(ν ) ORD CD forgatás
Φ (ν ) eltérő abszorpció
technikailag egyszerűbb
optikailag aktív (királis) közeg síkban polarizált fény Θ(ν ) = −
2ν π
∞
∫ 0
Φ (ν ′) dν ′ 2 2 ν ′ −ν
egyszerűbb számítani, direktben hasonlítható abszorpciós spektrumokhoz
cirkulárisan polarizált fény
n∗ (ν ) = n(ν ) + in′(ν ) Kramers-Kronig transzformáció
Φ (ν ) =
∞ 2 π
∫ 0
ν ′Θ(ν ′) dν ′ 2 2 ν ′ −ν
Rezgési Cirkuláris Dikroizmus Vibrational Circular Dichroism (VCD) Jobbra és balra cirkulárisan polarizált fény abszorpciójának különbsége
L
R
rezgési gerjesztett állapot
rezgési alapállapot ∆A =AL – AR
Raman Optikai Aktivitás Incident Circular Polarized ROA (ICP-ROA)
Scattered Circularly Polarized ROA (SCP-ROA)
Dual Circularly Polarized ROA (DCPI-ROA) (DCPII-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 Bruker
BioTools
JASCO
Vertex 70 + PMA 50
ChiralIR-2X
Thermo Scientific (Nicolet) FVS-6000 VCD spectrometer
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 Detektor: Peltier-hűtésű CCD-kamera BioTools ChiralRamanChiralRaman-2x 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 (1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor
∆A × 10
4
2
mért VCD spektrum
1 0 -1
(1R)-(+)-kámfor
(1S)-(-)-kámfor
mért IR spektrum
0.8
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 Hullámszám /cm-1
1000
900
VCD: Abszolút konfiguráció meghatározása 2
(1S)-(-)-kámfor
számított IR spektrum
mért VCD spektrum
1 Abszorbancia
4
∆A × 10
(1R)-(+)-kámfor
(1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor
0 -1
mért IR spektrum
0.8
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 Hullámszám /cm-1
1000
900
VCD: Abszolút konfiguráció meghatározása mért VCD spektrum
(1R)-(+)-kámfor (1S)-(-)-kámfor
2
∆A × 10
4
1 0 -1
(1S)-(-)-kámfor
0.8 VCD intenzitás
(1R)-(+)-kámfor
számított mért VCD IR spektrum spektrum (1S)-(-)-kámfor
0.6
Az enantiomerek IR-spektruma azonos, de VCD-spektruma ellentétes előjelű A VCD-effektus igen kicsi:
0
0.4 0.2
általában ΔA/A = 10-5 – 10-4 0.0
1300
1200
1100
1300
Hullámszám / cm 1200 1100 Hullámszám /cm-1
-1
1000
900
1000
900
Mért
IR+IL
ROA: Abszolút konfiguráció meghatározása 4x10
9
3x10
9
2x10
9
1x10
9
R-α-pinén S-α-pinén
0
IR-IL
4.0x10
R-α-pinén
Raman
5
ROA
0.0
-4.0x10
5
ROA IR-IL
S-α-pinén
Számított
IR+IL
Raman
E. Vass et al., 2012 1800
1600
1400
1200
1000
800
Hullámszám / cm-1
600
400
200
ROA: Abszolút konfiguráció meghatározása
Alanin D2O-ban
L. D. Barron, L. Hecht, P. L. Povalarapu, Spectrochimica Acta, 1992, 48A, 1993.
VCD: Abszolút konfiguráció és konformereloszlás meghatározása 3-heteroaril-3-hidroxipropionsav-etilészter 0.2
Mért (CDCl3 oldat)
3 4
H
10 5
8
S
0.0
S
7
9
4
∆A × 10
-0.2
OH
O
H
HO
O
6
R
OEt S
11
2
Az S enantiomer legalacsonyabb energiájú konformerei:
-0.4 1 1800 150
VCD intenzitás
100 50
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
10
S enantiomerre számított B3LYP/6-31G* 6 45 (A-D konformerek spektrumának populációval súlyozott átlaga) 3
8
0 -50 -100
7 9
1
-150 -200 1800
11 2 1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
-1
Hullámszám / cm
J. Brehm, Cs. Paizs, M. I. Toşa, E. Vass, F. D. Irimie, Tetrahedron-Asymmetry, 2009, 20, 489.
OEt
ROA: Abszolút konfiguráció és konformereloszlás meghatározása Ac-β-homo-Pro-NHCH3
6
2x10
Amid III
6
Mért ROA
1x10
6
-1x10
6
-2x10
6
-3x10
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
A 48%
B 18%
C 7%
D 7%
200
-1
Hullámszám / cm
20
Amid III
10
IR-IL
IR-IL
0
Számitott ROA
0
48% A + 18% B + 7% C + 7% D
-10 -20 1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
-1
Hullámszám / cm
E. Vass et al., 2012
… + 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 = μ e μ m cos ξ k k k k 60° < ξ k < 120° 60° > ξ k ,
nem-robosztus rezgési mód
ξ k > 120°
robosztus rezgési mód
koordinátarendszer-függő! Alternatív, koordinátarendszer-független definíció: S. Góbi, G. Magyarfalvi, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 16130.
ζ = μm k
Rk cos ξ k = Dk
A VCD sávok robosztussága
V. P. Nicu, E. J. Baerends Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 6107.
Nehézségek: Dimerképződés A 2-klórpropionsav VCD spektruma CCl4-ben IR
VCD
A
2-S-klórpropionsav
∆A
*
38%
Kísérleti 2-R-klórpropionsav
A
23%
2-S-klórpropionsav dimer
∆A
Számított, Boltzmann -faktorokkal súlyozott A
2-S-klórpropionsav dimer
1-2 IR 1-1 IR 2-2 IR
Számított
∆A
39% 1800 1700
1400 1300
1800 1700
1400 1300
-1
Hullámszám / cm
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 -4
5.0x10
∆A
Mátrix-VCD
0.0 -4
-5.0x10 1.0
Mátrix-IR
A
0.5
0.0
Folyadékfilm-VCD
-5
5.0x10
∆A
0.0 -5
-5.0x10
×1
Folyadékfilm-IR
0
1.0
A
0.5
0.0 3600
3400
3200
3000
2800
2600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
-1
Wavenumber /cm cm -1 Hullámszám/
G. Tarczay, E. Vass, G. Magyarfalvi, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 1775
900
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 MI-IR
MI-VCD 2-S-klórpropionsav ∆A
Kísérleti A
2-R-klórpropionsav
Számított, Boltzmann-faktorokkal A súlyozott
∆A
2-S-klórpropionsav
Számított A
1
2
∆A
3
2-S-klórpropionsav
1800
1400
1300
1800
1400
1300
-1
Hullámszám / cm
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.
2.5x10
10
2.0x10
10
1.5x10
10
1.0x10
10
D-(+)-Glükóz
Raman
OH
H HO HO
H H
2.5x10
H
OH
Raman
HO HO
2.0x10
O
10
CHOH
1.5x10
H H
O OH H
10
1.0x10
5.0x10
9
OH
H
10
5.0x10
9
0.0
0.0 6
2x10
D-(+)-Mannóz
10
IR+IL
IR+IL
ROA: Cukrok vizsgálata
ROA
6.0x10
6
4.0x10
6
2.0x10
6
ROA
6
IR-IL
0 6
-1x10
0.0 -2.0x10
6
-4.0x10
6
1800
6
-2x10
1800
1600
1400
1200
1000
800
Hullámszám / cm
600
400
1600
1400
200
1200
1000
800
Hullámszám / cm
600
400
-1
-1
D-(+)-Galaktóz
10
3.0x10
10
Raman
2.5x10
10
IR+IL
2.0x10
10
OH OH
1.5x10
10
1.0x10
H HO
9
5.0x10
0.0 6
4.0x10
E. Vass et al., 2012
0.0 6
-2.0x10
6
-4.0x10
6
-6.0x10
1800
1600
H H
ROA
6
2.0x10
IR-IL
IR-IL
1x10
1400
1200
1000
800
Hullámszám / cm
-1
600
400
200
H
O
OH
CH OH
200
CHOH
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
VCD
ROA
hivatkozások
Rezgési optikai aktivitás – Gyógyszergyárak
Magyar/Közép-európai Kiroptikai Szerkezetvizsgálati Központ? • ELTE – Gyógyszergyárak – RKTech/Biotools
Jasco J-810 ECDECD-spektromé spektrométer
• 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 VCDVCD-spektromé spektrométer
BioTools ChiralRaman ChiralRaman--2x ROAROA-spektromé spektrométer
Magyarorszá Magyarországon és a szomszé szomszédos orszá országokban egyedü egyedülálló lló
• Műszerhasználati idő (titkosított kutatások esetén)
