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D8 VENTURE轻原子分子手性鉴定:一定要用Cu靶么?

浏览次数:49发布日期:2020-08-03

 ▲ 图1 手性

 

  绝对构型的测定是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。原料药绝对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。最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射线晶体学测定绝对结构/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靶测定绝对构型,否则只能用Cu靶来测定。然而这个“定律”不应该被遵循为绝对的真理。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绝对构型的测定。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)

 

  轻原子绝对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靶对轻原子分子绝对构型的测定完全可行,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绝对构型,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靶测定轻原子分子绝对构型的可行性,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。最终结构精修使用XL配合APEX3独有的独有的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以及偏差都完全满足测定绝对构型的标准,并且与Cu靶测定的结构完全一致。

 

高分辨率数据的重要性

 

  高分辨率的数据在绝对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靶进行有机分子的绝对构型的鉴定,对晶体的质量和实验条件都有非常高的要求。Cu靶进行有机分子的绝对构型研究,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。

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