Fejezetek a fizikai kémiából Ph.D.főtárgy Előadó: Pál Krisztina Bevezetés az UV-Vis-CD-spektroszkópia elméletébe és gyakorlati alkalmazásaiba Fejezetek a fizikai kémiából Ph.D.főtárgy Előadó: Pál Krisztina

CSAK KIRÁLIS vegyületek / komplexek vizsgálatára alkalmas!   Centrális királitás Helikális kiralitás    

Főbb felhasználási területek (stacionárius mérések) Enantiomerek egymástól való megkülönböztetése, enantiomertisztaság meghatározás. Abszolút konfiguráció meghatározás. Indukált CD: Két v. több CD-jelet nem adó anyagból olyan komplex jön létre, amely CD-jelet ad. Fehérjék, DNS vizsgálata.

A CD (cirkuláris dikroizmus) jelenség A síkban polarizált fény két cirkuláris komponense (jobbra és balra cirkulárisan polarizált fény) eltérő MÉRTÉKBEN nyelődik el, királis mintán áthaladva. AbalAjobb A /c·l (A=Abal-Ajobb) baljobb  l=190-800nm, e- gerjesztés

A síkban polarizált fény két cirkulárisan polarizált komponense

És a cirkuláris dikroizmus jelensége

Enantiomerek CD-spektruma jobb,(R)= bal,(S), bal,(R)=jobb,(S) bal, (R)-jobb,(R) = (R) = jobb, (S)-bal,(S) =  (S) bal, (S)-jobb,(S)=  (S)= jobb, (R)-bal,(R)=  (R) TÜKÖRKÉPEK!

Mit mesél a CD-spektrum? A molekulában lévő kromofór csoportok egymáshoz képesti térbeli elrendeződéséről, vagyis a molekula térszerkezetéről ad információt.

Egy szemléletes modell (Mi történik az elektronokkal?) Optikai aktivitás akkor lép fel, ha az elektron a gerjesztés során helikális pályán mozdul el. Királis molekulában csak az egyik irány lehetséges. Gerjesztéskor VAGY jobbmenetes pályán halad az e-, VAGY balmenetesen. Ezt a két ellentétes irányban cirkulárisan polározott fény NEM AZONOS MÉRTÉKBEN tudja kiváltani

Egy szemléletes modell (Mi történik az elektronokkal?) Akirális molekula esetén nincs helikális töltés elmozdulás. Vagy nincs is jobb és balmenetes pálya, vagy ugyanolyan arányban veszik igénybe mindkettőt. MINDEGY, hogy jobbmenetes vagy a balmenetes fény gerjeszt.

Az optikai aktivitás kvantummechanikai értelmezése Helikális pályán való elmozdulás= lineáris elmozdulás+cirkuláris elmozdulás Töltés lineáris elmozdulásaelektromos momentum () Töltés cirkuláris elmozdulásamágneses momentum (m) Rotátorerősség (a CD-sávok intenzitásával arányos): R=·m=·mcos (,m)

A hexahelicén enantiomerjeinek CD-sáv előjele =0° =180° cos  =1 cos  = -1 R = (+) R = (-)

Mi kell a CD jelhez (R-hez)? Ott van CD, ahol van abszorpció  kromofór csoport () Kell a molekula kiralitása (m) Ennek 3 alapesete: Önmagában királis kromofór (nagy intenzitás) Akirális kromofórok királisan rögzítve (COUPLET) Akirális kromofór királis perturbáló környezettel (kis intenzitás) speciális esete: indukált CD

Az enantimerek megkülönböztetése, enantiomertisztaság [Miért fontos?] Ma a gyógyszerek 40%-a királis hatóanyagú, sokat ebből racémként hoznak forgalomba. Az enantiomerek farmakokinetikája eltérő, rendszerint különböző receptorokon hatnak. Csak az egyik fejti ki a kívánt klinikai hatást, a másik vagy egyáltalán nem hat, vagy a nemkívánt hatásokért felelős

Egy példa (a gyógyszert racémként hozták forgalomba) A tájékoztató szerint jól használható köhögés, pánikbetegség, migrén ellen, pszichés traumák esetén nyugtatószerként. Nem terheli a máj anyagcseréjét, és a hányingert is csillapítja. Célcsoport: állapotos nők.

A Contergan hatóanyagának (thalidomide) antipódjai Kiralitás centrum: A piperidilgyűrűn a H-atom, amely a ftálimid-részhez kapcsolódó C-atomon található.

Az antipódok hatásai (R)-izomer (S)-izomer teratogén hatású hatékony szedatívum

Gyógyszerek enantiomerjeinek hatása Salbutamol – asztmások gyógyszere: (R): bronchodilatáció, (S): szívdobogásérzés, vérnyomásemelkedés, tremor. Ibuprofen: (R): hatástalan, (S): lázcsillapító. Penicillamin: (R): toxikus, (S): krónikus artritis (izületi gyulladás) ellen – fájdalomcsillapító, tünetenyhítő.

Enantiomertisztaság (ee%) meghatározás Ee(%): enantiomeric excess, (enantiomer túlsúly v. enantiomer tisztaság). A racém részen felüli túlsúly.

Abszorpciós és CD-spektrum CD: a túsúlyban lévő enantiomer koncentrációjával arányos

Enantiomertisztaság meghatározás (koncentráció független) Anizotrópia-faktor (g-faktor): A CD spektrum intenzitása/az abszorpciós spektrum intenzitása. Enantiomerekre egyenlő nagyságú, ellentétes előjelű.

Enantiomertisztaság meghatározás A g-faktor : függ az enantiomer összetételtől független a koncentrációtól  nincs bemérési hiba és hígítási hiba.

Enantiomertisztaság meghatározás g-érték vs. enantiomer összetétel (kalibrációs görbe). A mintában nem lehet CD-aktív vagy abszorbeáló komponens.

Az abszolút konfiguráció meghatározás módszerei (1): CD spektrumok összehasonlítása: Kérdéses vegyülethasonló, ismert térszerkezetű vegyület. (2): Tapasztalati szabály: Adott elektronátmenetekre megadják a CD-sáv előjelét (3): A CD spektrum kvantumkémiai számítása és ennek összevetése a mért spektrummal.

Az ismert abszolút konfigurációjú alapvegyületek    

A meghatározandók (1)    

Oktáns szabály (ketonokra) (2) A karbonil-csoport 300 nm körül észlelhető n→π* elektronátmenetéhez indukálódó rotátor erősségéhez a molekula egyes atomjai koordinátáik szorzatával ellentétes előjelű perturbációs hozzájárulást adnak.  

Oktáns-szabály alkalmazása a vegyületünkre (2)

Kvantumkémiai számítások (3) Az egyik enantiomer szerkezetre  az e- átmenetek rotátorerőssége (R) számítható. A számított és a kísérletileg felvett CD spektrumsávok előjelei: Egyeznek  a számítás alapjául szolgáló térszerkezet igazolódott. Ellentétesek  a fenti tükörképe az abszolút konfiguráció.

Indukált CD Királis gazdamolekula vagy kötőhely (ciklodextrin, fehérje/enzim kötőhely) Akirális, kromofór vendégmolekula (színezékmolekula, hatóanyagmolekula). A bekötődő akirális kromofór e-átmeneteit a környezet királisan perturbálja  CD-jel indukálódik.

Indukált CD A cisz-parinársav (akirális, kromofór), a β-laktoglobulinhoz (királis) kötődik. 1:1 komplex képződik. K megállapítható.

Indukált CD Az emberi vér gyógyszerkötődés szempontjából fontos fehérje-komponense az AGP. Itt 2 db festékmolekula kötődik az AGP-hez (couplet).

Indukált CD Ciklodextrinek üregébe gyógyszermolekulát, szinezékanyagot juttatnak (vízoldható lesz, célba juttatható).

Fehérjék CD spektroszkópiai vizsgálata CD spektrum alakja  a vizsgált fehérje másodlagos ill. harnadlagos szerkezete. pH változás, hődenaturáció, stb... → konformációs változás

Másodlagos szerkezet A távoli UV (180nm - 260nm) - amid kromofórok. amid csoportok egymáshoz képesti orientációjára jellemző → másodlagos szerkezet.

Harmadlagos szerkezet A közeli UV (260nm - 320nm) - aromás oldalláncok. azok egymáshoz képesti orientációjára jellemző → harmadlagos szerkezet.

Másodlagos szerkezetek arányának meghatározása A kívánt fehérje spektrum kikeveréséhez ezt 4 másodlagos szerkezetet használják leggyakrabban. Legalább 2, de max. 8 féle különböző komponens

Másodlagos szerkezetek arányának meghatározása Az ismeretlen fehérje CD spektruma = referencia CD spektrumok lineáris kombinációja Referencia spektrum: tiszta másodlagos szerkezetek CD spektruma (szintetikus polipeptidek). Ma valós fehérjék.

Másodlagos szerkezetek arányát meghatározó program

A ribonukleáz hődenaturációja Jobbra: 0.02% Ribonukleáz A, (0.001M HCl) CD spektruma 10, 20, 30, 40, 50, 55, 60, 70, 80 °C-on. Balra: A CD-jel a hőmérséklet függvényében (222nm-en).

Köszönöm a megtisztelő figyelmet! Remélem mindenki él még…