D8 VENTURE轻原子分子手性鉴定：一定要用Cu靶么？

 ▲ 图1 手性

 

  构型的测定是X射线晶体学研究的一个重要方向，在很多领域有很多重要的应用。例如，许多活性药物原料药是手性化合物。原料药构型的分离是药品生产企业和药品生产企业十分关心的问题。因为不同的对映体具有不同的生理特性，错误的对映体可能会造成非常严重的后果。如发生在上世纪50年代到60年代的沙利度胺“海豹儿”的悲剧。

 

 

  沙利度胺（反应停）是德国ChemieGrünenthal公司研究的一种具有中枢神经镇静作用的药物，能够显著抑制妊娠反应(如呕吐和失眠)。当时药学界对其评价是：没有任何副作用的抗妊娠反应药物，孕妇的理想选择。然而在1960年，临床陆续发现欧洲新生儿的畸形比率异常升高，并且与沙利度胺的使用有关。终研究发现沙利度胺作为一个手性化合物，其R-构型具有抑制妊娠反应活性，而S-构型会导致孕妇流产甚至对新生儿有致畸性。当时用于临床的沙利度胺没有将两者拆分，以对映异构体混合物的形式制备成药。结果妊娠早期服用对胎儿产生了致畸作用。

 

 

  ▲ 图片来自网络

 

  X射线晶体学测定结构/构型，利用的是反常散射的方法。一般来说原子越重，X射线波长越长，反常散射信号就越明显。晶体的反常散射能力可以用Friedifstat参数来表征，通常分子在Mo靶下的反常散射能力只是Cu靶的六分之一。大多数药物分子均为轻原子（原子序数< O）组成的有机分子，反常散射信号十分微弱，所以坊间流传着一个“定律”：分子中必需含有重于P原子的元素，才能用Mo靶测定构型，否则只能用Cu靶来测定。然而这个“定律”不应该被遵循为的真理。确实，Cu靶的X射线波长较长，在测定反常散射信号有明显的优势，但这不代表Mo靶无法对轻原子分子进行构型的测定。很多发表的数据都证实了这一点。

 

 ▲ 图2

 

  图2 不同波长下，O原子的相对散射因子随着分辨率的变化。蓝线为Mo靶，红线为Cu靶。黑色虚线为Cu靶分辨率极限。

 

 

 图片来源EduardoC etal. The use of MoKα radiation inthe assignment of the absolute configuration of light‐atommolecules; the importance of high‐resolution data. ACTAB. 2014.1)

 

  轻原子构型的测定是基于统计学的方法，独立的衍射点越多，分辨对映异构体的能力也就越大。不管晶体质量多好，Cu靶只能采集到大约0.78 Å的数据，而Mo靶则可以采集到高达0.36 Å的数据。在同样的2theta角范围内，Mo靶可以收集10倍的独立衍射点数量。因此，Mo靶反常散射较弱的缺点可以用数倍的独立衍射点数目来弥补。另外，因为反常散射效应是角度不依赖的，在Mo靶高分辨率的区域，反常散射信号在衍射点的强度中的相对贡献(Δf/f)在不断的增加（图.2）。因此，从理论上Mo靶对轻原子分子构型的测定*可行，不能被一句“不可靠”而被否定。

 

  仪器的进步，在不断地推动着研究的速度和质量。新一代的D8 VENTURE单晶衍射仪配备了高强度的微焦斑IμS3.0 Mo靶光源，并且配备了超大面积，超高检测效率，灵敏度，超高数据精度的 PHOTON II/III CPAD探测器，因而可以在短时间内，采集到高达0.4 Å 分辨率的数据，且不显著增加数据收集的时间。高分辨率的数据不仅可以测定晶体结构和构型，还可以提供超高精度的键长，键角信息，以及探究原子世界电荷密度的秘密。虽然之前的很多的文章都证明了Mo靶测定轻原子分子构型的可行性，但自己做次数据，才会有亲身的体验。

 

  那么利用新的D8 VENTURE IμS 3.0 PHOTON II，我们可以获得什么样的数据质量和速度呢？

 

 

实验仪器

D8 VENTURE IμS 3.0 Mo PHOTON II

晶体

仍旧使用咖啡糖胞中的蔗糖，切出大小约为0.15 × 0.1 × 0.1 mm的晶体。

实验参数

低角度曝光1s/0.5°，高角度2s/0.5°，采集分辨率0.45 Å，目标多重度 4，整体数据采集时间 1h。

实验结果

 

  ▲ 图3，数据采集和结构解析

 

  虽然晶体不大，但在2s的曝光下，该晶体的分辨率可达到0.4Å以上。终结构精修使用XL配合APEX3*的*的IDEAL Multipolar精修孤对电子和成键电子，R1 = 2.47 % (I> 2σ(I)); wR2 = 6.54 % (all data)，Flack x: 0.05(10); Parsons z:-0.06(10); Hooft y:  0.04(9)。 

 

  在多重度只有3.8的情况下，Mo靶测定的Flack x， Hooft y， Parsons z以及偏差都*测定构型的标准，并且与Cu靶测定的结构*一致。

 

高分辨率数据的重要性

 

  高分辨率的数据在构型测定中的贡献在Eduardo C.发表的文章中有详细的讨论（https://doi.org/10.1107/S2052520614014498）。文中进行了大量的数据统计。高分辨率的数据可明显降低Flack x，Hooft y， Parsons z的偏差，并且提供超高精度的键长信息。如果继续收集高多重度的数据，可以在高分辨率下，去研究电子云的细节，比如成键方向等。由于原理较复杂，在此不再详细介绍（其实是因为还没有看懂..），如感兴趣可以参阅相关的资料。

 

 

▲图4 Mo靶0.45 Å和0.83 Å的数据比较，以及电荷密度研究

 

总结

 

  当然很多情况下，晶体数据的分辨率并不由仪器的靶材来决定，而是晶体本身的质量。Mo靶进行有机分子的构型的鉴定，对晶体的质量和实验条件都有非常高的要求。Cu靶进行有机分子的构型研究，仍旧在原理上有很大的优势。不过既然Mo靶有可能，不妨试一试，说不定在高分辨率的领域，您能有更神奇的发现。