检测手性

橘子和柠檬有什么共同之处,但它提供了他们的主要区别?这不是他们的口味,形状或颜色。负责他们的独特的气味的分子没有化学差异,几乎相同的公式。都含有柠檬烯,但那些在柠檬的镜像橘子;左和右的手,他们是相同的,而不同。这包含相同原子的构型的分子,但安排在两个镜像配置——被称为手性。

什么可能是一个好奇心爱好者的柑橘类水果的潜在致命对制药行业的重要性。“右旋”版本的分子在体内的药物可以完全不同。因此科学家们热衷于发现分子是导向,和目前正在更有效地这样做。

“手性”这个词来自于希腊语cheir,这意味着“手”,因为手是最广泛认可的手性的例子——它们不是相同的镜像叠加。很多,但不是全部,天然化学物质具有手性,和手性分子的重叠镜像被称为对映体或光学异构体。

最自然的构建块,例如糖和氨基酸——蛋白质的关键部件——都是手性的。但是地球上的生命只使用糖右旋和左旋氨基酸。这个事实,一直困惑着科学家们根据Jan Labuta化学家在日本国家材料科学研究所。许多人相信“手性是偶然的选择,如果选择是相反的,生活可以是相同的只是用相反的手性分子”,他说。在进化的早期阶段,它正好one-type-chirality积木的生活超过。后一个生物系统的死亡,然而,氨基酸开始变成他们的“右旋的,或右撇子版本,因为蛋白质降解。考古学家利用这一点来约会有机材料:通过比较左-右撇子分子的比例他们知道的东西已经死了多久。

这块陨石从外太空而来

研究人员现在认为,大自然的特定构型可能起源于空间,第一生命的分子结构形成在星际介质中,前乘年轻的地球的陨石和彗星。分子在一定的空间区域可能暴露在极端的圆极化辐射中子星产生过多的手性分子的构型比在地球上更容易,”劳伦斯说也同苏方就达锡拉丘兹大学的美国。

我们也许很快就能验证这一理论,一旦罗塞塔号彗星降落在2014年11月,进入丘留莫夫-格拉西缅研究原子核的组成。预计着陆,Meierhenrich模拟彗星冰和领导的研究小组分析了其组成。我们生产几微克的人造彗星在实验室和意外发现26个氨基酸,其中许多手性,“Meierhenrich说。

他说,分子是不限于氨基酸,但包括手性碳氢化合物、手性醇二醇,以及许多其他手性化合物。罗塞塔的设计和开发手性调查任务,我们花了15年的优化分析技术检测和量化手性分子。没有罗塞塔,这进步肯定会没有意识到。”

援助之手

这是最大的问题:虽然这些分子几乎是相同的,我们的细胞反应所需的方法只有一个镜子的配置,以同样的方式只有右手可以轻松地在一个合适的手套。

这意味着,手性药物是非常重要的。今天90%的药物手性和90%的销售两个对映体的外消旋混合物,混合物,”乌维Meierhenrich表示一个物理化学家在法国大学的好。作为唯一的两个对映体提供了所需的药理效应,其他的(错误的)对映体不一定要被消费者。”

理解和控制手性使得制药业创造阻滞剂等药物,用于治疗心脏方面的疾病和高血压。抗抑郁药物西酞普兰,产生的外消旋混合物,但只有(年代)-(+)对映体负责它的有利影响。药物d-penicillamine可以治疗风湿性关节炎,但l-penicillamine是有毒的。多年来,科学家们发展的方法选择一个分子的特定形状和合成手性版本。研究了开发各种抗生素、消炎药和心脏药物。

今天90%的药物是手性的

乌维Meierhenrich

但有效、正确和快速测定手性混合物中仍然是棘手的。现在科学家们正在推动新方法检测手性分子的形式存在于一个样本,这可能是巨大的制药突破的基础。

手性分子的区别显然是重要的,但是困难。路易·巴斯德发现旋光性可以通过手性分子造成的烧杯。但如果他右手X的混合物,左撇子Y, Z外消旋,等等,他无法选择,”哈佛大学的物理学家大卫·帕特森说剑桥专家我们检测手性。复杂混合物的手性分子是非常常见的,例如,大多数离开某种化学反应混合物,当然我们的身体包含极其复杂的混合物。旋光性今天仍在使用,但仅为手性的基本描述。

分离

今天最常见的方法分离对映体是液体或气体手性色谱法。对映体分离后,可以确定各自的绝对构型——或者用手习惯——圆二色性等方法,振动圆二色性,旋光性,核磁共振(NMR)和x射线晶体学。只有后者,可以直接确定绝对构型,化学家Juergen Stohner说在瑞士苏黎世大学的应用科学,而所有其他的方法都需要支持通过引用化合物的构型或计算机模拟”。

但所有这些方法有局限性。色谱法的分离工作,因为不同的每一个对映体之间的相互作用和手性选择器”,Labuta说。这种方法非常敏感,依赖于非常小心地控制表面化学,因为化学分析洗提了一个狭窄的毛细管,但它也非常容易受到外部参数。色谱法不能建立一个标准,因为它必须调整为每个单独的化学研究,公司手性柱越来越好,但它仍然不是一个«即插即用‰解决方案”,帕特森说。手中的一个熟练的操作员,色谱法可以得到很好的结果,但你想要的标准是相同的,每一次,理想情况下,你可以描述世界各地的人,当她是否得到了相同的答案。”

圆二色性(CD)——微分左、右圆偏振光的吸收,是一种流行的技术,但它只能检测手性在相当简单的系统。通常用于研究为手性转移,“量化”手性——手性蛋白质三级结构等复杂结构,等等,因为它涉及手性的基本面,Labuta说。“不过,它缺乏准确度要求,”他补充道。

振动圆二色性(VCD)更精确,也同苏方就达。扩展的CD,测量光谱中的可见光和紫外线的地区,发生电子转移,振动的红外区域转换发生,”他说。红外(IR)“指纹”地区更多的分子比紫外区域的吸收带。这意味着VCD意义区分和手性对映体具有增强的能力没有化学修改分子或添加一个歧视代理,也同苏方就达解释道。VCD是现在使用的所有主要的制药公司,和许多小的绝对构型的确定——这两个对映体的存在,”他补充道。

另一种方法更广泛使用的手性检测和分析新兴喇曼旋光性(ROA)。这个措施的差异之间的拉曼散射左、右圆偏振光的散射辐射。ROA是VCD的补充,其优势在于它的灵敏度在溶液中蛋白质的结构在不同环境中,也同苏方就达说。”这是生物制药行业的重要信息,许多新药物是基于蛋白质分子。

新把戏

但是新的、更准确的方法仍需要根据Labuta。和他的同事们一起,他最近公布了新的核磁共振技术¹利用超分子化学概念的非共价分子之间的相互作用,如氢键、静电或范德华力扮演重要角色的性质和形状的分子组装。

这种方法在组装产生新的功能,无法获得其个人构建块。新的核磁共振技术应用这一策略形成主客体配合物两个物种——一个探测器分子与手性样品。探测器是一个非手性卟啉衍生物,在结构上类似于血液中血红蛋白的氧捕获中心——可与各种各样的手性物质,“Labuta说。

当一个手性样品与探测器混合在溶液中,手性信息传输通过非共价相互作用从样本到探测器及其核磁共振光谱中观察到。探测器的achirality导致潜在的利基应用,例如原位监测racemisation或者不对称反应,“Labuta说。另一个优势是,很多可能的手性分子可以分析使用一个探测器。的方法可能会发现应用程序在特定任务标准NMR技术不工作,因为他们可能偏见对映体纯度分析的结果。

另一个新方法是由帕特森以及哈佛大学的约翰•道尔和媚兰施耐尔中心的自由电子激光科学在汉堡,德国。这项技术²使用量子物理学和微波光谱-微波旋转一个极性分子的能力,确定气相分子在电场左或右撇子(见微波展示他们的手)。

我们可以区分对映体没有化学分离混合物

大卫•帕特森

该团队使用气相样品(年代)和(R)1、2-propanediol和外消旋混合物。他们第一次冷却样品7 k减少的数量占据了混合旋转状态和沐浴在电场与样品的电偶极子化合物,为每一个对映体与相反的迹象。这种差异出现在这一阶段的微波辐射。

想象一个球有疙瘩。如果我摆动它的一种方式,疙瘩一边将在相反的方向摆动,”多伊尔说。如果球是一个分子,我们能够摆动它的一种方法通过应用微波辐射,并观察肿块“移动”。球摆动以这样一种方式,它发出的微波辐射,我们可以判断它是一个球球左撇子或右撇子,取决于它发出的辐射。

帕特森希望他的团队的方法将两个新特性的许多技术可用。betway必威游戏下载大全因为它依赖于狭窄的共鸣——非常具体的频率用于每个物种——它本质上是兼容混合物。原则上我们的方法可以区分(分子)没有化学分离混合物,”他说。

振动圆二色性可以做同样的事但仅限于两个或三个组件的混合物。我们希望能够做更多复杂的混合物,”帕特森说,并补充说他的团队的方法是目前最mixture-compatible技术可用。

柯南道尔的方法是有前途的快速分析的样本与许多类型的手性分子。这可能是一个突破,如果这将是发达,可以使用它轻松地在医学分析,Labuta说。

爆炸之前

最后,Stohner和他的同事们最近开发出一种直接的方法³他们说,这是比x射线晶体学(见通过质谱解体立体化学)。他们用库仑爆炸成像来确定结构的手性分子在气相。科学家第一枪激光分子,剥夺了他们的电子,使其爆炸成小块。这些作品然后撞上一个检测器。通过了解一块的质量,飞行时间探测器和位置时,探测器,可以计算它的势头。这允许团队找出中心碳原子周围的片段的原始位置。

这项技术成为可行,因为重复率高的高功率激光现在商用。今天的高性能探测器和快速数据采集也是关键的实验。有潜在的补充甚至取代x射线晶体学更为常规的应用程序一旦小型化。大分子的适用性,如为药物开发的,然而,仍然需要探索。

与x射线晶体学,没有单一的晶体是必须的,这是一个很大的优势因为并不是每一个物质明朗化了,因此方法的适用性更广泛,“Stohner说。”也可以“看到‰同位素的自然丰度和可能isotopically研究手性化合物。对光线和重原子的敏感性比x射线是另一个优势。

目前,还没有一个最好的,简单的方法快速有效地检测手性。所有chiroptical方法(VCD、CD、ROA和或)是相互互补,也同苏方就达说。他们都有优势的x射线晶体学,因为它们不需要足够的规模和质量的单晶分析;他们只需要一个解决方案阶段频谱。VCD是最简单和最可靠的,下一个是CD, ROA是准确的,但计算需要花费更长的时间和更多的仪器是昂贵的比VCD,因此较少使用到目前为止,最后,或者至少可靠,很少使用。

但是,帕特森说,希望有一天可以的让你注入混合机,点击一个按钮,它会哔哔作响,认为和告诉你的一切,包括手性的。

凯蒂莫斯科人是一个基于科学作家在伦敦,英国