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1、手性分子旋光仪圆二色谱第1页，此课件共41页哦手性分子，手性分子，是化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子；手性物体与其镜像被称为对映体；在有关分子概念的引用中也被称为对映异构体。可与其镜像叠合的物体被称为非手性的。手性及手性物质只有两类：左手性和右手性。有时为了对比，另外加上一种无手性（也称“中性手性”）。左手性用learus或者L表示，右手性用dexter或者D表示，中性手性用M表示。不具有不具有对称面对称面和和对称中心对称中心的分子有一个重要的特点的分子有一个重要的特点，就是实体和镜象不能重叠，镜面不对称性是识别手性分子与非手性分子的基本标志。对称轴不能作为分子手性判别的依据。对称轴
2、不能作为分子手性判别的依据。除了利用偏光照射所产生的角度角度偏差偏差正负值相反正负值相反外，对映异构体在化学特性、物理特性上大致相同光学活性光学活性当一束平面偏振光通过一个装有一对对映异构体中一种异构体的试管时，平面偏振光将会向左或向右弯曲或者旋转。而另一异构体在同样条件下（相同的温度、溶剂、浓度）也会导致偏振光发生同样程度的旋转，但方向相反，这种现象叫做旋光性旋光性。对映体和外消旋体对映体和外消旋体一对对映体的旋光能力相等，但旋光方向相反。即，若一个能使平面偏振光向左旋转A度，一个则可使之向右旋转A度。将一对对映体等量混合，可以得到一个旋光度为零的组成物，称之为外消旋体。按照惯例，当面对光源
3、方向观察时，如果一个对映体能使偏振光向右旋转（顺时针旋转），这个对映体称为右旋体右旋体，用（d）或（+）表示；同理使偏振光左旋（逆时针旋转）的叫左旋体左旋体，用（l）或（-）表示。测量旋光性的仪器叫旋光仪。第2页，此课件共41页哦比旋光度比旋光度标志一个异构体旋光能力的尺度就是比旋光度，它等于/cl。内消旋体内消旋体偶数个不对称碳原子的旋光性恰好相反，整个分子没有旋光性，就将该分子称为内消旋体。左左/右旋光性右旋光性面对光源观察使旋光仪第二棱镜向左旋的叫左旋光性，向右旋的叫右旋光性。旋光度用表示，t为测试温度，为光的波长。R/S构型绝对构型构型绝对构型将与手性碳原子相连的四个基团按照顺序规则排
4、列大小，将最小的基团放到离眼睛最远的地方，其他三个基团按照由大到小的方向旋转，顺时针旋转的手性碳为R构型，逆时针旋转的为S构型。潜非对称分子潜非对称分子一个对称的分子经一个原子或基团被取代之后失去了其对称性，而变成一个非对称的分子，那么原来的对称分子称为“潜非对称分子”COOHHHCH3COOHHHOCH3COOHOHHCH3第3页，此课件共41页哦按手性中心分类按手性中心分类Helical Chirality.Helicity is a special case of chirality in which molecules are shaped as a right-or left-han
5、ded spiral like a screw or spiral stairs.The configurations are designed M and P,respectively,according to the helical direction.Viewed from the top of the axis,a clockwise helix is defined as P,whereas a counterclockwise orientation is defined as M.Thus,the configuration of example 9 is defined as
6、M.Planar Chirality.Central Chirality.Axial Chirality.现有的现有的20多种氨基酸，只有一种是非手性的，甘氨酸，其他的都有一个立体中心多种氨基酸，只有一种是非手性的，甘氨酸，其他的都有一个立体中心 第4页，此课件共41页哦圆二色性光谱第5页，此课件共41页哦光电场矢量（E）为光波振动矢量；电场矢量和光传播方向组成的平面称光波振光波振动面动面；自然光含有各种波长的光（振幅），并且是在各个平面上振动；对着光前进的方向观察第6页，此课件共41页哦平面偏振光（plane polarized light)，又称线偏振光(linearly polarize
7、d light)。对着光前进的方向观察时，一束光波的电场矢量都是在同一方向振动。当线偏振光沿着某些晶体的光轴方向传播，或通过某些溶液时，它的偏振面将以光的传播方向为轴旋转；若电矢量的绝对值不变，则运动轨迹的投影是一个圆，就变成圆偏振。圆偏振光，对着光前进的方向观察时，一束光波的电场矢量（或磁场矢量）端点在空间的轨迹是以光传播方向为轴的圆形螺旋（在平面上的投影为圆形）。电矢量方向沿顺时针方向旋转，称为右圆（旋）偏振光，用R表示；电矢量方向沿逆时针方向旋转，称为左圆（旋）偏振光，用L表示。第7页，此课件共41页哦XYE E E Ex x x x=E E0 0 cos cos t tEyEy=E0
8、cos(t-/2)E E E Ex x x x2 2 2 2+E Ey y2 2 =E=E0 02 2E E E Ex x x x=E E0 0 cos cos t tEyEy=E0 cos(t+/2)线偏振光圆偏振光第8页，此课件共41页哦XY频率相同,方向相反振幅相同,相位相同线线偏偏振振光光参照面圆偏振光线偏振光第9页，此课件共41页哦频率相同,方向相反振幅相同、相位不同线线偏偏振振光光2参照面1圆偏振光线偏振光第10页，此课件共41页哦圆/线偏振光线/圆偏振光第11页，此课件共41页哦任何偏振光都可以看成左旋光和右旋光的叠加椭圆偏振光椭圆偏振光，对着光前进的方向观察时，一束光波的电场矢
9、量（或磁场矢量）端点在空间的轨迹是以光传播方向为轴的椭圆形螺旋（在平面上的投影为椭圆形）。Ex=Ey，圆偏振光；ExEy，椭圆偏光第12页，此课件共41页哦 yyxxRL椭椭圆圆偏偏振振光光频率相同,方向相反振幅不同、相位不同参照面21正椭圆偏振光-斜椭圆偏振光第13页，此课件共41页哦 yyxxRL =tg-1(|El Er|)/(El+Er)参照面12=(2-1)/2第14页，此课件共41页哦 合成光特性合成光特性 合成效果合成效果比比较频频率率 振幅 相位 是否旋旋转是否椭圆相同相同 相同 否 否相同 不同 是 否不同 不同 是 是左、右左、右旋旋圆圆偏振光偏振光的的合成合成第15页，此
10、课件共41页哦椭圆偏振光椭圆偏振光Optically Active SampleChiral Plane(linearly)polarized lightRightandRightandLefthandLefthandcircularlycircularlypolarizedpolarizedlightlightPreferential Preferential absorption absorption of left hand of left hand polarized polarized?第16页，此课件共41页哦光学活性物质可以旋转偏振光平面，其大小和方向除了与该物质结构有关外，还与
11、测定时的温度、所用光的波长、溶液的浓度和溶剂、旋光管的长度等有关一般单色光源用钠光灯，波长为589nm，以D表示。规定以每毫升溶液所含溶质的克数作为质量浓度的单位。由旋光仪测得旋光角度后，可以下式计算旋光度：为用旋光仪测得的旋光度；c为溶液的质量浓度(g/ml)；l为旋光管的长度/dm；t为测定时温度()，为测定所用光波波长(钠光以D表示)。光活性物质为液体时，则以密度(g/ml)代替c，即若以100ml溶液含溶质的克数，则，如果糖的水溶液，溶液浓度为5g/100ml，在1dm旋光管中测得旋光角度为-4.64，则：书写旋光度时，除注明温度，光波波长外，在数据后的括号内，注明其质量百分浓度和配制
12、溶液用的溶剂。旋光性的维相描述旋光性的维相描述旋光性，可以用左旋光和右旋光具有不同传播速度维相地进行描述.任何偏振光都可以看成左旋光和右旋光的叠加.把左右旋的光叠加成偏正光时，偏振方向跟两种光的位相差有关系.如果两种光传播速度不同，就会产生附加的维相差，导致偏振光旋转。旋光性和晶体双折射的类比旋光性和晶体双折射的类比双折射晶体可以将偏振光变为椭圆偏振光，或者其他方向的偏振光,将两块很薄的双折射晶体以比较随意的方向叠加(夹角为)，则叠加结果破坏空间反演不变性第17页，此课件共41页哦振振动方程方程E E=E E0 0 cos cos(t+t+0 0)E Ex x=E E0 0 cos cos (
13、t-(t-L/vL/v)+)+0 0 波波动方程方程E Ex x=E Eo o cos cos t t-(2-(2 L/)n+0 0 Or Or L/v v=2L n/c0=2/Lnv v速率；速率；频率；频率；n折光系数；折光系数；=2；v v=c0/n第18页，此课件共41页哦圆二色性圆二色性与振幅与振幅 A A=lgIlgI0 0/I/I =(1/2,303)lnI =(1/2,303)lnI0 0/I/I =C CL LC:摩尔浓度；L:光程光程(d dm)m)Beer-Lanmbert Law =2.303 A/4 (弧度弧度)A=A=AL-L-AR=C LLOptical acti
14、ve objectE E E Ex x x x=E E0 0 cos cos t-t-(2 L/)n+0 0?则：书写旋光度时，除注明温度，光波波长外，在数据后的括号内，注明其质量百分浓度和配制溶液用的溶剂。第19页，此课件共41页哦C:摩尔浓度摩尔浓度 L:光程光程(d dm)m)l l:deg mol-1 cm-1 or deg cm2 dmol-1 摩尔椭圆率摩尔椭圆率 ,l l the molar ellipticity l lMRw MRw l l /100比椭圆率比椭圆率 l l the specific ellipticity平均残基椭圆率平均残基椭圆率 l lMRw the m
15、ean residue ellipticity l l Mw l l /100 =/CL第20页，此课件共41页哦旋光色散旋光色散与位相与位相?Optical active object nl nr=(=(L/)n n (弧度)n=nl-nr=(2=(2 L /)n nLE E E Ex x x x=E E0 0 cos cos t t-(-(2 L/)n+0 0 ORD(optical rotatory dispersion)第21页，此课件共41页哦Light nl,nr yyxxRL l=f(l)l=f(l)ORDCDKronig-KramerstransitionCD（圆二色性）和二色
16、性）和ORD（旋光色散）（旋光色散）Cotton effect光学活性（见旋光异构）介质在其吸收峰附近表现出来的特征的旋光色散(ORD)（见旋光谱）和（或）圆二色性(CD)现象。每个跃迁都对应一个科顿效应。第22页，此课件共41页哦1 旋光性通常用旋光度表示，的大小随入射波长而变化的关系称为旋光色散（optical rotatorydispersion,ORD)。2 圆二色性常用椭圆率（ellipticity)表示：tg=(ELEr)/(EL+Er)=b(椭圆短轴）/a(椭圆长轴）3 文献上也常用光学活性物质对左、右圆偏振光的摩尔吸收系数的差别来表示。L或随波长而变化的关系称为圆二色谱（cir
17、cular dichroism,CD)Kronig-Kramer转换式；与物质的折射率n和吸收系数类似，nL、nR、AL、AR均是在波长的函数、为了更完全地描述光学活性物质的特征，就必须在不同波长下研究它们的旋光曲线和圆二色曲线。折射率在吸收带的外侧随着波长的减小而增加，在吸收带的范围内迅速降低，在最大吸收波长处折射率对一个电子跃迁的贡献为零，这就是科顿效应。第23页，此课件共41页哦Cotton effectl0ePositive cotton effectNegative cotton effectl0+-l0+-光学活性物质在其吸收最大值附近表现出特征的旋光色散和圆二色性现象。科顿效应分
18、正、负两种，可由圆二色性谱带的符号或根据旋光色散曲线的峰位来确定：当圆二色性谱带的符号为正值或者正的旋光色散峰（正S型）在较长波长方向时，称为正的科顿的效应；当圆二色性谱带的符号为负值或者正的旋光色散峰在较短波长方向时，称为负的科顿效应（反S型）。理论上可以证明:当生色团的跃迁电偶极矩与磁偶极矩方向相同(即跃迁时电荷沿右手螺旋途径运动)时，出现正的科顿效应，反之则出现负的科顿效应。圆二色性旋光色散第24页，此课件共41页哦UV m Chiral 第25页，此课件共41页哦UV m Plane(linearly)polarized lightChiral 椭圆偏振光椭圆偏振光 m Optical
19、ly Active Sample第26页，此课件共41页哦一种假想物质的吸收光谱、圆二色谱、和旋光色散谱；是吸收峰，CD圆二色峰，ORD旋光色散谱，在复杂分子中，并不是所有的跃迁吸收带都是光学活性的，如峰就不是的，CD谱清楚的将带的正圆二色性与的负圆二色性分开，但所伴随的正科顿效应和所伴随的负科顿效应表现在ORD曲线上就很难解释。第27页，此课件共41页哦ORD和CD的互相换算只停留在理论意义，从实际上看价值不大。CD谱的优点是谱带和谱带和吸收带重叠，因此我们寻找它的贡献者容易吸收带重叠，因此我们寻找它的贡献者容易。ORD由于在所有的波长都有数值，它的科顿效应又与吸收峰不一致，如果包含一系列复
20、杂的旋光带就很难分辨，如上图所示，因此解释起来就有较大困难。科顿效应曲线总是发生在光学活性物质的吸收带附近，这时光学活性科顿效应曲线总是发生在光学活性物质的吸收带附近，这时光学活性物质也总是表现出圆二色性物质也总是表现出圆二色性。因此不难想象，当化合物在所研究的波长范围内不存在光学活性吸收带时，就会导致平坦型色散曲线。利用旋光色散研究蛋白质的构象虽然有过较大的进展，但是存在两个困难。首先是在旋光色散谱中，科顿效应的极值都在吸收带极值的旁边科顿效应的极值都在吸收带极值的旁边，而不是在吸收带的顶端，这对分析科顿效应的归属带来了困难。其次是残基本身具有旋光值残基本身具有旋光值。要讨论ORD与构象的关
21、系时，有必要将残基的旋光扣除。但是我们只能测出氨基酸的旋光值而无法测出残基的旋光值，因此这种扣除是很困难的。这两个缺点是ORD自身性质所决定的。第28页，此课件共41页哦相应于ORD的缺点，CD谱有许多有利的方面。首先它的峰或峰或负峰的位置与吸收峰的位峰的位置与吸收峰的位置基本重叠置基本重叠，因此每一个谱峰的贡献者是谁可以利用吸收光谱的知识来寻找。其次是肽键上与碳原子有关的共价键的吸收光谱带在红外区，或者在低于180nm的超远紫外区。在可见波长或紫外区它与碳原子相关的价电子不表现出任何吸收带，因此也没有它的CD谱带。这样，残基除非有生色基团的侧链，不然就不提供CD谱。可以看出ORD的缺点就可以
22、在CD谱中避免。第29页，此课件共41页哦（四）CD与ORD和吸收光谱的关系1 旋光性和圆二色性差别：一个孤立的生色团在所有波长均有旋光性。圆二色性只在发生吸收的那些波长才能观测到。联系：都是由光学活性分子的不对称性引起的二者之间相互联系，由其一可推知其二。由Kroning-Kramers将二者联系起来。2 CD与ORD和吸收光谱的关系CD谱中在=0处，取极值，（峰值或最小值）ORD在=0处，=03 CD与ORD和吸收光吸收光谱相比在结构分析中的优点（1）吸收谱均是正值，若同时存在多个吸收峰，其互相交叠，分析困难。（2）对于ORD谱，任意波长处的旋光性是所有生色团贡献之和，其极值与吸收谱不同。
23、（3）CD谱线可正可负，其极值与吸收谱一致。第30页，此课件共41页哦对获取理想的溶液或固体CD谱图的建议：手性样品符合CD光谱测试的条件(在给定波长范围内有较强的CD信号和合适的吸收值)。必须事先测定手性样品的UV-Vis吸收光谱(溶液或固体漫反射)，预测CD谱峰的可能位置和选择合适的制样浓度(对于溶液吸收光谱，A 1)。提供高对映纯度的手性样品。根据样品的性质选择测定方式(溶液、固体、单晶或荧光CD)。对溶液样品应选用合适的溶剂(见附表)、浓度和光程(与测定UV-Vis光谱类似)。对于在紫外区测试的样品建议选用较小的光程(0.5 cm)和截止波长足够低的溶剂，最好为高纯水或醇类溶剂(见附表
24、)。对固体样品的压片法测试，应视样品的不同选用合适百分比浓度及合适的稀释剂(KBr、KCl或 CsI 等)研磨压片后进行透射扫描。选择适当的测定参数(波长范围、扫描速度、灵敏度和狭缝等)。对于同一个样品，在可能的条件下，建议同时做其溶液和固体CD光谱加以比较。如果可能，最好同时做一对对映体的CD光谱，以检查其CD信号的真伪和在定量的条件下互相印证其对映纯度。第31页，此课件共41页哦CD application肽的的圆二色性二色性Secondary structure of macromolecule-helixa a-helix:19x nm(+)208nm,222nm(-)远紫外双负峰q
25、x E-30200210220 230 240nmb b-sheet:195nm(+)antiparallel:red shift parallel:blue shift 215-7nm(-)b-sheetUnordered structure:(-)below 200nm (+)218nm weak bandunorderedb b-turn:180-190nm(-)200-205nm(+)225nm(+)band,weak red shift第32页，此课件共41页哦旋光仪与圆二色仪第33页，此课件共41页哦（一）圆二色仪组成部分1 光源氙灯2 起偏器尼科耳棱镜:天然方解石Rochon棱镜：结晶状石英3 调制解调器（）在其上施加几万赫兹的高频交变电压，作用是将单色的平面偏振光以这种频率交替地变化为左、右旋圆偏振光。4 光电倍增管（PM）样品杯由高度均匀的熔融石英制做，不会带来附加的原二色性，也不会对光产生散射。样品浓度要与样品杯光径配合，使待测样品的O.D.值不大于。6 氮气保护装置（二）功能蛋白质远紫外CG光谱，单值计算蛋白质中螺旋的含量；计算蛋白质的构象含量。第34页，此课件共41页哦第35页，此课件共41页哦第36页，此课件共41页哦第37页，此课件共41页哦第38页，此课件共41页哦第39页，此课件共41页哦第40页，此课件共41页哦第41页，此课件共41页哦