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. 337-369. 8. kapitola (CD) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527610273.ch8/pdf   celá kniha http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/9783527610273 Analýza chirálních sloučenin (Tesařová E., Ed.), Pražské analytické centrum inovací: Praha, 2007, kapitoly 8-11. http://www.vscht.cz/anl/paci/PAC/skripta.htm CH M 2016 přednáška 1

Chiroptické metody a analýza chirálních léčiv Chiroptické metody Literatura: 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. Presentace přednášek na http://vscht.prague-cdlab.cz/ Organizace semestru, zkouška Kontakt: marie.urbanova@vscht.cz, tel. 22044 4445, B03 (pro e-mailový kontakt používat doménu @vscht) CH M 2016 přednáška 1

Úvod – chiroptické metody Molekulární chiralita Přednáška 1 Úvod – chiroptické metody Molekulární chiralita 2.1 Definice molekulární chirality 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 2016 přednáška 1

Úvod – chiroptické metody Optická aktivita – zahrnuje všechny jevy spojené s odlišnou interakcí chirálních vzorků s vlevo a vpravo cirkulárně polarizovaným zářením 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 2016 přednáška 1

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 molekulární chirality Molekula je chirální, pokud není ztotožnitelná se svým zrcadlovým obrazem (nejpreciznější def. pomocí anti-částic a slabých jaderných interakcí (přesný zrcadlový obraz, druhý enantiomer, je navíc tvořen antičásticemi)) historie: 19. stol – stáčení roviny 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 2016 přednáška 1

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 2016 přednáška 1

2.2 Absolutní konfigurace vyjadřována vzhledem k stereogenním centrům: Chiraliní centrum (jeden atom), C-I-P systém (Cahn-Ingold-Prelog) S a R (sinister, rectus) šroubovice, 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 2016 přednáška 1

2.3 Stereoizomery, enantioméry, diasteromery, racemát molekula mající n chirálních center: 2n steroizomerů, 2n-1 diasteromerů Stereoizomer – člen skupiny, které mají stejný molekulární vzorec, stejnou sekvenci vazeb (tj. stejnou konstituci), liší se 3-rozm. orientací atomů v prostoru Enantiomér - jeden člen páru chirálních molekul, které jsou svým zrcadlovým obrazem, avšak jinak jsou stejné. „Opačný smysl chirality“ Stejné fyzikální vlastnosti? Diastereomery – týká se molekul s více než jedním stereogenním centrem; liší se konfigurací alespoň jednoho chirálního prvku, ale nejsou zrcadlovými obrazy ? Všechny isomery se dvěma chirálními centry, stejné vlastnosti ? Racemát – vztahuje se k souboru molekul, nevztahuje se k jedné molekule enantiomerní přebytek - ee , ee (čistý enantiomér) = ?, ee (racemát) = ?, Perfektní racemát? energie chirální molekuly a jeho enantioméru – 10-17 části celkové energie rozdíl způsoben slabými jadernými interakcemi, “parity violation” (Quack, Stohner, 2005, Barron 1994) „true pair of enantiomers“ CH M 2016 přednáška 1

3.1 Polarizace elektromagnetického záření Základní pojmy 3.1 Polarizace elektromagnetického záření záření  elektromagnetické vlnění, elektromag. vlnění – příčné Pro příčné vlnění můžemem zavést pojem polarizace Př. elektromagnetické vlnění lineárně polarizované šířící se podél osy x: 𝐸 kolmé k 𝐵 𝐸 𝐵 =𝑐 k popisu stačí jen jeden vektor intenzita (energie přenesená jedn pl. za jedn. času) 𝐼= 𝑑𝑊 𝑑𝑆𝑑𝑡 ~ 𝐸 2 Lineárně polarizované vlnění: Nepolarizované vlnění : CH M 2016 přednáška 1

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

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 2016 přednáška 1

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 2016 přednáška 1

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 2016 přednáška 1

CH M 2016 přednáška 1

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 2016 přednáška 1

Cirkulárně polarizované vlnění http://www.enzim.hu/~szia/cddemo/ CH M 2016 přednáška 1

Jak se v jednotlivých spektrálních metodách získává cirkulárně polarizované záření – v přednášce o metodologii CD CH M 2016 přednáška 1

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 diastereomerní: systém: (záření RCP a P-helikální molekula) ≠ systém: (záření LCP a P-helikální molekula) symbolicky: (Prad, Pmol) ≠ (Mrad, Pmol) (Prad, Pmol) má jiné fyzikální vlastnosti než (Mrad, Pmol) podobně jako (R,R) má jiné vlastnosti než (S,R) Interakce molekuly a záření vede k přechodu mezi různými kvantovými stavy molekuly charakterizovanými absorpcí (nebo emisí energie, nebo nepružným rozptylem…) odlišná absorpce (emise, rozptyl…) v systému (Prad, Pmol) a (Mrad, Pmol) chiroptické metody CH M 2016 přednáška 1

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 CH M 2016 přednáška 1

k koncentrace d délka kyvety 𝛼 měrná otáčivost d 𝛼 Ad 2) Odlišné nL a nR se se měří stáčením roviny lineárně polarizovaného vlnění tabule - optická rotace, optical rotation, je-li pozorováno u jedné vln. délky, zpravidla vlnová délka sodíkové čáry D (žlutá 589 nm), měří se polarimetry - optická rotační disperze, optical rotatory dispersion (ORD), je-li sledována spektrálně Proč ? tabule k koncentrace d délka kyvety 𝛼 měrná otáčivost 𝛼= 𝛼 𝑘𝑑 d 𝛼 CH M 2016 přednáška 1

a CH M 2016 přednáška 1

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) Jestliže sledujeme přechody mezi elektronovými hladinami – elektronová optická aktivita (EOA) CH M 2016 přednáška 1

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 (589 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 CH M 2016 přednáška 1

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 2016 přednáška 1

3.4 Pozorovatelné veličiny Presentace na http://vscht.prague-cdlab.cz/ CH M 2016 přednáška 1