Chiroptické metody a analýza chirálních léčiv Chiroptické metody

Prezentace na téma: "Chiroptické metody a analýza chirálních léčiv Chiroptické metody"— Transkript prezentace:

1 Chiroptické metody a analýza chirálních léčiv Chiroptické metody
Sylabus na www Literatura: Urbanová M., Maloň P. Circular Dichroism Spectroscopy v Analytical Methods in Supramolecular Chemistry (Schalley C. A., Ed.), Wiley VCH: Weinheim, Germany, 2007, str. 265–304, 2nd edition, Wiley-VCH 2012, pp Analýza chirálních sloučenin (Tesařová E., Ed.), Pražské analytické centrum inovací: Praha, 2007, kapitoly 8-11. Setnička V., Urbanová M. Spektroskopie cirkulárního dichroismu v Moderní přístupy k farmaceutické analýze (Dohnal J., Jampílek J., Král V., Řezáčová A., Eds.), Farmaceutická fakulta Veterinární a farmaceutické univerzity Brno: Brno, 2010, kapitola 4.6. Kontakt: tel , B217 (pro ový kontakt používat Organizace semestru, zkouška

2 Úvod – chiroptické metody Molekulární chiralita
Přednáška 1 Úvod – chiroptické metody Molekulární chiralita 2.1 Definice molekulární chiralita na základě molekulární symetrie 2.2 Absolutní konfigurace 2.3 Enantioméry, diasteroméry, racemáty Základní pojmy 3.1 Polarizace elektromagnetického záření 3.2 Definice optické aktivity 3.3 Klasické formy optické aktivity 3.4 Pozorovatelné veličiny CH M 2013 prřednáška 1

3 Úvod – chiroptické metody
Optická aktivita – všechny jevy spojené s různou interakcí chirálních vzorků s vlevo a vpravo cirkulárně polarizovaným zářením, které vykazují na molekulární úrovni Metody, která studuji optickou aktivitu - chiroptické metody: Cirkulární dichroismus (CD) otická rotační disperze (ORD) Ramanova optická aktivita (ROA) Polarizované záření (vlevo a vpravo cirkulárně polarizované, LCP, RCP) – rozšiřují informace oproti konvenčním spektroskopiím Aplikovatelné pouze na chirální vzorky Výzkum 3-rozměrného stavu hmoty Chirální varianty konvenčních spektroskopických technik CH M 2013 prřednáška 1

4 Molekulární chiralita
Optická aktivita vs. molekulární chiralita Optická aktivita měřitelná molekulární vlastnost, která vznikla při interakci hmoty a záření, zahrnuje všechny jevy spojené s rozdílnou interakcí objektu RCP a LCP Molekulární chiralita je obecnější vlastnost, která je spojená s molekulou, nezávislá na interakci se zářením. Řada úrovní definice Molekula je chirální, pokud není ztotožnitelná se svým zrcadlovým obrazem nejpreciznější def. pomocí anti-částic a slabých jaderných interakcí (přesný zrcadlový obraz navíc je tvořen antičásticemi) historie: 19. stol – stáčení lin. polar. světla 1811, Pasteurova ruční separace tartrátových krystalů (1848), 3D struktura asymetrického C (Le Bel, 1874), termín chiralita, z řečtiny – Lord Kelvin 1904: “I call any geometrical figure, or any group of points, chiral, and say that it has chirality, if its image in a plane mirror, ideally realized, cannot be brought to coincide with itself” CH M 2013 prřednáška 1

5 2.1 Molekulární chiralita na základě molekulární symetrie
Prvky symetrie: n-četná rotační osa Cn rovina symetrie s střed symetrie i n-četná rotačně-inverzní osa Sn S1 ≡ s, S2 ≡ i Tvrzení: Molekule je chirální tehdy a jen tehdy, jestliže nemá žádnou rotačně inverzní osu Sn asymetrická molekula – žádný prvek symetrie, je chirální disymetrická molekula – jen rotační osu, je chirální Bodové grupy symetrie C1 – asymetrická molekula, je chirální Cn, n > 1 – disymetrická molekula, je chirální Dn – disymetrická, je chirální T, O, I - tetrahedral, octahedral, icosahedral CH M 2013 prřednáška 1

6 2.2 Absolutní konfigurace
vyjadřována vzhledem k strukturním elementům: Chiraliní centrum, C-I-P systém S a R (sinister, rectus) helix, P -helicita, M -helicita Def.: Od bližší části k vzdálenější části po směru hod. ručiček – P –helicita chirální osa, buď R, S systém, nebo helicita P, M chirální rovina M -helicita P -helicita CH M 2013 prřednáška 1

7 2.3 Enantioméry, diasteroméry, racemáty
Enantiomér - jeden člen páru chirálních molekul, které jsou svým zrcadlovým obrazem, avšak jinak jsou stejné. „Opačný smysl chirality“ Stejné fyzikální vlastnosti? Diastereomér – týká se molekuly s více než jedním strukturním prvkem chirality. Př. Všechny diastereoméry se dvěma chirálními centry, stejné vlastnosti? Racemát – vztahuje se k souboru molekul, nevztahuje se k jedné molekule enantiomerní přebytek - ee , ee (čistý enantimér) = ?, racemát) = ?, Perfektní racemát? energie chirální molekuly a jeho enantioméru – části celkové energie rozdíl způsoben slabými jadernými interakcemi, “parity violation” (Quck, Stohner, 2005, Barron 1994 „true pair of enantiomers“ CH M 2013 prřednáška 1

8 3.1 Polarizace elektromagnetického záření
Základní pojmy 3.1 Polarizace elektromagnetického záření záření  elektromagnetické vlnění, elektromag. vlnění – příčné Př. elektromagnetické vlnění lineárně polarizované šířící se podél osy x: 𝐸 kolmé k 𝐵 k popisu stačí jen jeden vektor 𝐸 𝐵 =𝑐 Lineárně polarizované vlnění: Nepolarizované vlnění : CH M 2013 prřednáška 1

9 Lineárně polarizované vlnění, způsob polarizace
Polarizační filtry Malusův zákon: zkřížené polarizátory I0 …intenzita dopadajícího lineárně polarizovaného záření I …intenzita prošlého a … úhel mezi rovinou kmitů dop. zář. a směrem polarizace filtru 𝐼= 𝐼 0 cos 2 𝛼

10 Lineárně polarizované vlnění, způsob polarizace
Polarizace odrazem při odrazu dochází vždy k částečné polarizaci Brewsterův úhel – úhel dopadu, kdy odražený a lomený paprsek jsou kolmé → odražený paprsek je úplně polarizován CH M 2013 prřednáška 1

11 Lineárně polarizované vlnění, způsob polarizace
Polarizace použitím dvojlomu anizotropní prostředí – vstupující paprsek v jiném směru než tzv. optická osa se štěpí na řádný (o) a mimořádný (e), ty jsou lineárně polarizované v kolmých směrech oddělení obou paprsků → polarizace Nicolův polarizační hranol CH M 2013 prřednáška 1

12 fázový rozdíl f = 0, p, ... tabule
Skládání lineárně polarizovaného vlnění v kolmých směrech vlnová rovnice tabule vlnění v rov. xy: vlnění v rov. xz: fázový rozdíl f = 0, p, ... tabule → lineárně polarizované CH M 2013 prřednáška 1

13 CH M 2013 prřednáška 1

14 E1,max= E2,max = E0, Skládání lineárně polarizovaného vlnění
fázový rozdíl f = p/2 – vlevo cirkulárně polarizované LCP f = - p/2 – vpravo cirkulárně polarizované RCL CH M 2013 prřednáška 1

15 Cirkulárně polarizované vlnění
CH M 2013 prřednáška 1

16 Jak se v jednotlivých spektrálních metodách získává cirkulárně polarizované záření – v přednášce o metodologii CD CH M 2013 prřednáška 1

17 3.2 Definice optické aktivity
molekulární chiralita + cirkulárně polarizované záření Def.: Přirozená optická aktivita je rozdíl v interakci chirální molekuly s LCP a RCP zářením. Tento rozdíl existuje, protože tato interakce je diatereomerní: symbolicky: (Rrad, Rmol) ≠ (Lrad, Rmol) (Rrad, Rmol) má jiné fyzikální vlastnosti než (Lrad, Rmol) podobně jako (R,R) má jiné vlastnosti než (R,S) Interakce molekuly a záření vede k přechodu mezi různými kvantovými stavy molekuly charakterizovanými energií CH M 2013 prřednáška 1

18 Popis interakce chirálního vzorku s cirkulárně polarizovaným zářením, dva nejpoužívanější případy
Experimentální fakt – chirální molekuly reagují odlišně s LCP a RCP: odlišná absorpce energie LCP a RCP, odlišná rychlost šíření LCP a RCP, tj. odlišné indexy lomu nL a nR Ad 1) Odlišná absorpce LCP a RCP je měřena jako cirkulární dichroismus DA= AL-AR nebo někdy vyjadřován jako elipticita q, sledováno spektrálně Ad 2) Odlišné nL a nR se se měří stáčením roviny lineárně polarizovaného vlnění tabule jako - optická rotace, optical rotation, je-li pozorováno u jedné vln. délky, zpravidla vlnová délka sodíkové čáry D (žlutá 589 nm) - optická rotační disperze, optical rotatory dispersion (ORD), je-li sledována spektrálně CH M 2013 prřednáška 1

19 3.3 Klasické formy optické aktivity
historicky: optická rotace (OR) optická rotační disperze (ORD) cirkulární dichroismus (CD) v 70. letech objevena optická aktivita ve vibračním oboru (IČ) - vibrační optická aktivita (VOA) proto se rozlišuje elektronový cirkulární dichroismus (ECD), a vibrační cirkulární dichroismus (VCD) elektronová rotační disperze (EORD), vibrační rotační disperze (VORD) Přechody mezi elektronovými hladinami – elektronová optická aktivita (EOA)

20 Optická rotace a optická rotační disperze
historicky první optická aktivita (1935) Důvody: Instrumentální lineárně polarizované záření, LP, snazší než cirkulárně polarizované záření, CP, ve vid. oboru bezbarvých vzorků mimo absorpci v UV často standard pro popis chirální látky často měřeno pro sodíkovou čáru D (546 nm), kyveta 1 dm, vyjádřeno na jednotkovou hustotu (g cm-3) nebo koncentraci (g ml-1) při určité teplotě OR při určité vlnové délce je výsledný jev, do něhož přispívají všechny přechody, spektrálně bližší přechody více než vzdálenější => ORD komplikovaná interpretace obtížněji počitatelná

21 Cirkulární dichroismus
měření rozdílu absorbance DA= AL-AR dnes komerčně dostupné ve dvou spektrálních oborech – jako elektronový cirkulární dichroismus (ECD) a vibrační cirkulární dichroismus (VCD), CD se míní většinou ECD, pozor taky cyklodextrin měří se v absorbanci nebo jako molární cirkulární dichroismus De uvidíme, že elipticita používaná v ECD je jen historická rutinní měření v začalo v 60. létech, vztah ORD a CD objeven teprve v 60. létech min. století CH M 2013 prřednáška 1

22 3.4 Pozorovatelné veličiny
Presentace na CH M 2013 prřednáška 1