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D8 VENTURE轻原子分子手性鉴定:一定要用Cu靶么?

更新时间:2020-08-03点击次数:1816

 ▲ 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。

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