旋光光譜和圓二色光譜

旋光光譜（opticalrotatorydispersion，ORD）圓二色譜（circularsichroism，CD）分別于20世紀50年代和60年代發展起來的儀器分析方法，都是利用電磁波和手性物質相互作用的信息來研究化合物的立體結構及其它有關問題。簡介旋光光譜（opticalrotatorydispersion，ORD）和圓二色光譜（circulardichroism，CD）都是與化合物的光學活性有關的光譜，它們在提供手性化合物的絕對構型、優勢構象和反應歷程的信息方面，具有其他任何光譜不能取代的獨到優越性。旋光光譜和圓二色光譜在測定手性化合物的構型和構象、確定某些官能團(如羰基)在手性分子中的位置方面有獨到之處，是其它光譜無法代替的。基本原理：旋光光譜(OpticalRotatoryDispersion,ORD)

假如有機分子是具有手性的，即分子和它的鏡像互相不能重疊，當平面偏振光通過它時，偏振面便發生旋轉，即所謂該物質具有“旋光性”。17世紀,Huggens,偏振光1881年,Biot（畢奧）,石英能使偏振光的偏振面轉動1934年，Lowry（勞里）,《光功率計》1953年，建立了第一臺偏振光檢測儀19世紀60年代以后，圓二色儀出現一、背景（一）偏振光偏振光不僅僅在化學領域中應用廣泛，在拍攝中也廣泛應用，比如在攝像鏡頭前加上偏振鏡消除反光，使拍攝出的照片更加清楚。偏振光還可以應用到行車安全中。利用偏振光可以消除司機在行車過程由于遠光燈的頻繁使用造成的眼睛不適性炫光。偏振光還可應用于3D電影和保密通信中。6（二）手性化合物S-(-)-氧氟沙星抑制細菌拓撲異構酶II的活性是R-(+)-型的9.3倍，是外消旋體的1.3倍。對各種細菌的抑菌活性S型強于R型8～128倍。左氧氟沙星已取代消旋氧氟沙星。S-(+)-萘普生的抗炎和解熱鎮痛活性約為R-(-)-型的10～20倍，因此，臨床用其S-(+)-對映體。7在20世紀60年代出現的沙立度胺事件是藥學史上的沉痛教訓。S-(-)-沙立度胺的二酰亞胺進行酶促水解，生成鄰苯二甲酰亞胺基戊二酸，后者可滲入胎盤，干擾胎兒的谷氨酸類物質轉變為葉酸的生化反應，從而干擾胎兒發育，造成畸胎。右旋葡萄糖在動物代謝中能起到獨特的作用，具有很高的營養價值，但其對映體左旋葡萄糖不能被動物代謝，又如左旋的氯毒素有抗菌作用，但其對映體則無效。（一）幾種偏振光的概念1平面偏振光（planepolarizedlight)又稱線偏振光。對著光前進的方向觀察時，一束光波的電場矢量（或磁場矢量）都是在同一方向振動。二、基本原理當只有一塊偏振片時，以光的傳播方向為軸旋轉偏振片，透射光的強度不變。當兩塊偏振片的透振方向平行時，透射光的強度最大，但比通過一塊偏振片時弱。當兩塊偏振片的透振方向垂直時，透射光的強度最弱，幾乎為零。2圓偏振光振幅保持不變，而方向周期變化電場矢量繞傳播方向螺旋前進電矢量方向沿逆時針方向旋轉，稱為左圓偏振光電矢量方向沿順時針方向旋轉，稱為右圓偏振光

可看成是兩個相互垂直的振幅相等、相位差為±π/2的線偏振光的合成＋π/2——對應于右旋圓偏振光－π/2——對應于左旋圓偏振光即圓偏振光中包含著兩個頻率和振幅相同的左旋和右旋圓偏振光（二）旋光度和比旋光度旋光度：旋光物質是偏光振動平面旋轉的角度稱為旋光度，通常用a表示。比旋光度：[α]D＝(α實/cl)×100通常用鈉光D線(≈589.3nm)測量α實l:試樣槽厚度（dm）c:100ml溶劑中溶液的g數因此，利用偏振光這樣一個原理來設計一種儀器，用它來定性和定量的測定具有手性的化合物，從而確定他們的構象。13光學活性（又稱為手性，chirality）是指化學分子的實物與其鏡像不能重疊的現象。COOHNH2CH3HChiralL-alanineCOOHCH3NH2HD-alanine（三）物質的光學活性手性是自然界的普遍現象。天然產物、合成藥物、生物大分子（蛋白質、核酸、糖）大多具有手性。絕對構型的表示方法左旋體（Levorotatory）和右旋體（Dextrotatory）能使偏振光的偏振面按順時針方向旋轉的對映體稱為右旋體，用d-或(+)-表示；反之，稱為左旋體，用l-或(-)-表示。外消旋體（Racemate）由等量的左旋體和右旋體構成，沒有旋光性，用dl-或()-表示。這種表示方法，直觀地反映了對映體之間光學活性的差別，但不能提供手性分子三維空間排列或絕對構型的信息。將手性中心的取代基按原子序數依次排列，A>B>C>D，把D作為手性碳原子的頂端，A、B、C為四面體底部的3個角，從底部向頂端方向看，若保持從大到小基團按順時針方向排列者，稱為R型；若為逆時針方向排列者，稱為S型。R和S系統（四）偏振光在手性介質中傳播時的特點：（1）左、右旋圓偏振光在手性介質中的傳播速度不等，導致透射出的面偏振光與入射角成一α角，表現出旋光。不對稱介質對稱介質（2）手性介質對兩種圓偏振光的吸光強度不同，由它們合成的出射光不再是一個平面的偏振光，而是一個右旋或左旋的橢圓偏振光。

1、當平面偏振光通過手性物質時，偏振面會發生旋轉，即該物質具有旋光性，旋轉的角度——旋光度

2、原理（1）介質為對稱結構時，左右旋圓偏振光的傳播速度相同，則它們的折射率n相等因n＝c/υc:真空中光速υ:介質中光速

Δn=nL-nR=0偏振面保持不變（2）介質為不對稱結構時，nL≠nR

Δn≠0偏振面發生旋轉，隨光程增大而增大——旋光現象三、旋光光譜（ORD）偏振面所旋轉的角度稱之為旋光度，可用旋轉檢偏鏡進行測定。從觀察者的角度看當檢偏鏡順時針方向旋轉時，樣品稱右旋(+)物質，逆時針方向旋轉時稱左旋（-）物質，通常用鈉光D線(≈589.3nm)，來測量。定義比旋光度[α]D為：

[α]D=（α實/CL）×100

式中，α實是實際觀察到的旋光度。C為100ml溶劑中溶質的g數，L是試樣槽的厚度(以dm計)。（3）采用不同波長的平面偏振光來測量化合物的比旋光度[α]λ，并以[α]λ或有關量作縱坐標，波長為橫坐標，得到的圖譜就叫旋光譜（簡稱ORD）。（4）實際的ORD測量工作中常用摩爾旋光度[φ]λ來代替比旋光度[α]λ，它們之間的關系為：[φ]λ=[α]λ·Mr／100[α]λ——比旋光度Mr——待測物質相對分子質量

旋光光度計是用單色器發光，一邊改變波長一邊連續記錄旋光度的一種裝置。3、儀器示意圖及介紹對于在紫外和可見區無發色團的飽和化合物，[φ]λ的絕對值隨波長增大而變小[α=π（nL-nR）/λ]。旋光度為負值的化合物，ORD譜線從紫外到可見區單調上升；而旋光度為正值的化合物是單調下降。譜線只是在一個相內延伸，沒有峰也沒有谷，這類ORD譜線為正常的或平坦的旋光譜線。4、旋光譜圖類型分析平滑型分子中有一個簡單的發色團(如羰基)的ORD譜線：羰基在270nm左右有弱的吸收峰，ORD曲線在此處越過零點，進入另一個相區。形成的一個峰和一個谷組成的ORD譜線，稱為簡單康頓效應譜線。正的康頓效應——峰在長波段，谷在短波段的曲線負的康頓效應——谷在長波段，峰在短波段的曲線ORD與零線相交點的波長稱為λK。谷至峰之間的高度稱為振幅。康頓效應康頓效應的強度通常用摩爾振幅α來表示α=（[φ]1-[φ]2）/100[φ]1——ORD頂峰處的摩爾旋光度[φ]2——ORD谷底處的摩爾旋光度圖為D-（+）-樟腦酮的ORD譜，呈正的簡單康頓效應，λK=294nm。有些化合物同時含有兩個以上不同的發色團，其ORD譜可有多個峰和谷，呈復雜康頓效應曲線。每一個實際的ORD曲線都是分子中各個發色團的平均效應，包括200nm以下的吸收，分子的每種取向及每種構象的貢獻，因此，ORD譜線呈復雜情況。四、圓二色譜旋光性有機分子對組成平面偏振光的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的摩爾吸光系數是不同的，即εL≠εR，這種現象稱之為圓二色性。兩種摩爾吸光系數之差△ε=εL-εR，是隨入射偏振光的波長變化而變化的。以△ε或有關量為縱坐標，波長為橫坐標，得到的圖譜就叫圓二色譜(CD)。左旋圓偏振光和右旋圓偏振光分別通過光學活性物質,所得的圖譜如下圖所示,其中(a)是正常的紫外吸收,(b)是左圓偏振光和右圓偏振光分別的吸收及圓二色吸收。摩爾橢圓度由于△ε絕對值很小，常用摩爾橢圓度[θ]來代替，它與摩爾吸光系數的關系是：

[θ]=3300△ε=3300（εL-εR）當平面偏振光通過旋光性介質時，它的左旋和右旋圓偏振光不僅傳播速度不同，而且強度也不同。以箭頭長短表示左旋和右旋圓偏振光強度。在迎著它的傳播方向觀察時，它們的矢量和描出一個橢圓軌跡。橢圓的長軸即二矢量相位相同時的值，短軸即二矢量相位相反時的值，兩短軸與長軸比例的正切tanθ，就同時反映了圓雙折射和圓二向色性。θ是平面偏振光離開試樣槽，即最后出來時的橢圓度，它與摩爾橢圓度[θ]的關系是：[θ]=θM/100lc=3300△ε因為[θ]=3300△ε，△ε可為正值亦可為負值，圓二色性曲線(CD)也有正性譜線（向上）和負性譜線（向下）。圖為化合物A和B的CD譜，A呈正的康頓效應，B呈負的康頓效應。康頓效應圓二色光譜計構造圓二色性是由于平面偏振光透過旋光性介質時，使左、右圓偏光的摩爾吸光系數不同而產生的，故測量時，在光電調制器上加一交流電壓，便可得到交替組成的左右偏振光。美國Aviv公司Model400型圓二色光譜儀三、ORD、CD、UV之間的關系旋光譜(ORD)，圓二色譜(CD)是同一現象的二個方面，它們都是光與物質作用產生的。ORD譜主要是與電子運動有關。UV譜反映了光和分子的能量交換。在紫外可見區域，用不同波長的左、右旋圓偏振光測量CD和ORD的主要目的是研究有機化合物的構型或構象。理想情況下，UV吸收峰λmax、CD的△ε最大絕對值對應波長及ORD的λK三者應相等，但實際上這三者不一定重合。當ORD呈正性康頓效應時，相應的CD也呈正性康頓效應，反之亦然。當ORD和CD呈正性康頓效應時，物質是右旋；當ORD和CD呈負性康頓效應時，物質是左旋。CD譜比較簡單明確，容易解析。ORD譜比較復雜，但它能提供更多的立體結構信息。ORD和CD都可以用于測定有特征吸收的手性化合物的絕對構型。對于有多個紫外吸收峰的化合物，就會有多個連續變化的CD峰和相應的ORD譜線。五、ORD和CD的應用八區律（羰基）例，環己酮以環己酮C=O鍵的中心為原點，用xy平面、xz平面、yz平面（A、B、C）三個平面隔開，分成八個空間。xy平面后的四個空間稱后八區，xy平面前的四個空間稱前八區。位于ABC三個分割面上的取代基，對康頓效應貢獻為零。位于正、負區的取代效應可以相抵消。取代基對于康頓效應貢獻的大小隨著與生色團的距離增加而減小。貢獻大小還與取代基的性質有關。例，2，2’，5-三甲基環己酮

C1，C2，C4，C6，C7均在分割面上，從而對康頓效應沒有貢獻。C3和C5的貢獻相互抵消，C8和C9的貢獻均為正。該化合物具有正的康頓效應，即CD譜中△ε＞0，吸收峰在橫坐標上方；ORD譜中，長波位置出現峰，短波方向出現谷。例，3-羥基-3-十九烷