Chiroptické metody a analýza chirálních léčiv Chiroptické metody Sylabus na www Literatura:

1. 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 2014 přednáška 1

2. 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 + literatura na http://vscht.prague-cdlab.cz/ • Organizace semestru, zkouška • Kontakt: marie.urbanova@vscht.cz, tel. 22044 3036, B217 (pro e-mailový kontakt používat doménu @vscht) CH M 2014 přednáška 1

3. Přednáška 1 • Úvod – chiroptické metody • Molekulární chiralita • 2.1 Definice molekulární chiralita 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 2014 přednáška 1

4. Úvod – chiroptické metody • Optická aktivita – 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 2014 přednáška 1

5. 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 • Molekula je chirální, pokud není ztotožnitelná se svým zrcadlovým obrazem • nejpreciznější def. pomocí anti-částic a slabých jaderných interakcí (přesný zrcadlový obraz navíc je tvořen antičásticemi) • historie: • 19. stol – stáčení 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 2014 přednáška 1

6. 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 SnS1 ≡ 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 symetrieC1– asymetrická molekula, je chirální Cn, n > 1 – disymetrickámolekula, je chirální Dn– disymetrická, je chirální T,O, I - tetrahedral, octahedral, icosahedral CH M 2014 přednáška 1

7. 2.2 Absolutní konfigurace • vyjadřována vzhledem k strukturním elementům: • Chiraliní centrum, C-I-P systém 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 helicitaP, M • chirální rovina M -helicita P -helicita

8. 2.3 Enantioméry, diasteroméry, racemáty • Enantiomér - jeden člen páru chirálních molekul, které jsou svým zrcadlovým obrazem, avšak jinak jsou stejné. • „Opačný smysl chirality“ • Stejné fyzikální vlastnosti? • Diastereoméry– týká se molekul s více než jedním strukturním prvkem chirality; 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 enantimér) = ?, ee(racemát) = ?, • Perfektní racemát? • energie chirální molekuly a jeho enantioméru– 10-17 částicelkové energierozdíl způsoben slabými jadernými interakcemi, “parity violation” (Quack, Stohner, 2005, Barron 1994) • „true pair ofenantiomers“ CH M 2014 přednáška 1

9. 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: • kolmé k • k popisu stačí jen jeden vektor • intenzita (energie přenesená jedn pl. za jedn. času) Lineárně polarizované vlnění: Nepolarizované vlnění : CH M 2014 přednáška 1

10. 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

11. 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 2014 přednáška 1

12. 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 2014 přednáška 1

13. Skládání lineárně polarizovaného vlnění v kolmých směrech vlnová rovnice tabule vlnění v rov. xy: vlnění v rov. xz: • fázový rozdílf = 0, p, ... tabule →lineárně polarizované CH M 2014 přednáška 1

14. CH M 2014 přednáška 1

15. Skládání lineárně polarizovaného vlnění • E1,max=E2,max= E0, fázový rozdíl f = p/2 – vlevo cirkulárně polarizované LCPf= - p/2 – vpravo cirkulárně polarizované RCL CH M 2014 přednáška 1

16. Cirkulárně polarizované vlnění http://www.enzim.hu/~szia/cddemo/ CH M 2014 přednáška 1

17. Jak se v jednotlivých spektrálních metodách získává cirkulárně polarizované záření – v přednášce o metodologii CD CH M 2014 přednáška 1

18. 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-helikálnímolekula) ≠ systém: (záření LCP a P-helikálnímolekula) • symbolicky: (Prad, Pmol) ≠ (Mrad, Pmol) • (Prad, Pmol) má jiné fyzikální vlastnosti než (Mrad, Pmol) podobně jako (R,R) má jiné vlastnosti než (R,S) • 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 2014 přednáška 1

19. Popis interakce chirálního vzorku s cirkulárně polarizovaným zářením, dva nejpoužívanější případy • Experimentální fakt – chirální molekuly reagují odlišně s LCP a RCP: • odlišná absorpceenergie LCP a RCP, • odlišná rychlost šíření LCP a RCP, tj. odlišné indexy lomu nLa nR • Ad 1) Odlišná absorpce LCP a RCP je měřena jako cirkulární dichroismusDA= AL-ARnebo někdy vyjadřován jako elipticitaq,sledováno spektrálně • Ad 2) Odlišné nLa nRse se měří stáčením roviny lineárně polarizovaného vlnění tabule • - optická rotace, opticalrotation, je-li pozorováno u jedné vln. délky, zpravidla vlnová délka sodíkové čáry D (žlutá 589 nm) • - optická rotační disperze, opticalrotatorydispersion (ORD), je-li sledována spektrálně CH M 2014 přednáška 1

20. 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 2014 přednáška 1

21. 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 komplikovanáinterpretace • obtížněji počitatelná CH M 2014 přednáška 1

22. 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 2014 přednáška 1

23. 3.4 Pozorovatelné veličiny • Presentace na http://vscht.prague-cdlab.cz/ CH M 2014 přednáška 1