KIROPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA optikailag aktív anyagok vizsgálata CD: cirkuláris dikroizmus spektroszkópia ORD: optikai rotációs diszperzió A CD spektroszkópia az UV spektroszkópia egyik speciális formája, annak kiroptikai változata. A vegyértékelektronok gerjesztése UV spektroszkópia: izotróp fénysugárral (minden irányban van rezgési komponense). Kiroptikai spektroszkópia: lineárisan polarizált UV fénnyel. Az optikai rotációs diszperzió az optikai forgatóképesség változása a hullámhossz függvényében a = f(l). Amennyiben az optikai forgatást a teljes UV ill. látható hullámhossz tartományban meghatározzuk, akkor az optikai rotációs diszperzió spektrumot nyerjük.

KIROPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA Azokat az anyagokat, amelyek a rajtuk átbocsátott fény polarizációs síkját elforgatják (optikai rotáció), vagy a síkban poláros fényt elliptikussá teszik, optikailag aktív anyagoknak nevezzük. Biomolekulák (fehérjék, színhidrátok, nukleinsavak) homokirális egységekből épülnek fel. A fehérjéket felépítő aminosavak balkezesek (L-módosulatok), a szénhidrátok és a nukleinsavak cukor-építőkövei pedig jobbkezesek (D-módosulatok). A térszerkezeti homogenitás azt jelenti, hogy az élő szervezetek máshogy reagálnak a környezet jobb és balkezes molekuláira. Ezt hívjuk diasztereomer megkülönböztetésnek.

Diasztereomer megkülönböztetés Ízek (L)-(-)aszparagin       íztelen D-(+)-aszparagin       édes (L,L)-aszpartil-fenilalanin-metilészter (aszpartám) édes (D,D), (L,D), (D,L)-aszpartil-fenilalanin-metilészter nem édes Illatok (S)-(+)-karvon köményillatú (R)-(-)-karvon mentolillatú (-)-mentol mentolillatú és „ízű” (R)-(+)-limonén narancsillatú (S)-(-)-limonén citromillatú Biológiai hatás (R)-nikotin (nem természetes) kevésbé toxikus morfin-enantiomer nem hatásos barbiturát-enantiomer ellentétes hatású (S)-a-(2-brómfenoxi)-propionsav   növényi növekedési hormon (auxin) (R)-a-(2-brómfenoxi)-propionsav   növekedés-gátló

Cirkuláris Dikroizmus Elektromágneses hullám Az elektromágneses hullám az elektromos és a mágneses tér időbeli és térbeli, periodikus változása. Mind az elektromos, mind a mágneses tér a fénysugár terjedési irányára merőleges síkban rezeg.

síkban (lineárisan) polarizált fény A fény tulajdonságai nem polarizált fény (izotróp) UV-VIS síkban (lineárisan) polarizált fény (anizotróp) CD felbontható cirkulárisan polarizált fény

Síkban polarizált hullámok Ha az elektromos térerősség vektora a tér valamely, a fénysugár vonalában lévő, rögzített pontjában egy egyenes mentén rezeg, akkor síkban polarizált vagy lineárisan polarizált hullámról beszélünk. metszősíkot szemből nézve Készítette: Szilágyi András (szia@enzim.hu)

Cirkulárisan poláros hullámok metszősíkot szemből nézve Készítette: Szilágyi András (szia@enzim.hu)

Cirkulárisan polarizált hullámok szuperpozíciója Két, egy jobbra és egy balra cirkulárisan poláros fény szuperpozíciójának eredménye: metszősíkot szemből nézve Két, cirkulárisan poláros fény összeadása síkban poláros fényt eredményez. Bármely, lineárisan polarizált fény felbontható két, azonos amplitúdójú, jobbra, ill. balra cirkulárisan polarizált fény összegére. Készítette: Szilágyi András (szia@enzim.hu)

cvákuum n = cközeg A fény és az anyag kölcsönhatása Ha a fény anyagba hatol, tulajdonságai megváltozhatnak. Megváltozhat intenzitása (amplitúdója), polarizációja, sebessége, hullámhossza, stb. A fény és az anyag kölcsönhatásának két alapjelensége az elnyelés (abszorpció), és a lelassulás. Az abszorpció azt jelenti, hogy a fény erőssége, intenzitása, s ezzel együtt amplitúdója az anyagban csökken, mert az anyag a fény egy részét elnyeli. A fény lelassulását anyagban az okozza, hogy az anyagoknak, még ha nem nyelik is el a fényt, törésmutatójuk van, tehát bennük a fény sebessége kisebb, mint vákuumban. Törésmutató a vákuumban és valamely más közegben mért fény sebességének az aránya. n = cvákuum cközeg

Síkban polarizált hullám abszorpciója közegben Egy síkban polarizált hullám olyan anyagon halad át, amely elnyeli a fényt, fénytörést azonban nem mutat (törésmutatója 1). anyag előtt: anyag után: Készítette: Szilágyi András (szia@enzim.hu)

Cirkulárisan polarizált hullám abszorpciója közegben Cirkulárisan polarizált hullám fényelnyelő anyagon halad át (törésmutató 1): anyag előtt: anyag után: Készítette: Szilágyi András (szia@enzim.hu)

Cirkuláris dikroizmus hatása síkban poláros hullámra Optikailag aktív anyagok eltérő mértékben nyelik el a jobbra, ill. balra cirkulárisan poláros fényt. Ezt a jelenséget nevezzük cirkuláris dikroizmusnak. Bármely lineárisan poláros fény felbontható egy jobbra és egy balra cirkulárisan poláros fény összegére. Ha egy lineárisan poláros fényt optikailag aktív (cirkuláris dikroizmust mutató) közegen engedünk át, akkor a fény jellemzői megváltoznak: a közeg eltérő mértékben nyeli el a két cirkuláris komponenst.

Cirkuláris dikroizmus hatása síkban poláros hullámra Közeg a hullám egyik irányba cirkulárisan poláros összetevőjét egyáltalán nem nyeli el (piros), a másik irányba cirkulárisan poláros összetevőjét viszont jelentős mértékben elnyeli (zöld).

Cirkuláris dikroizmus hatása síkban poláros hullámra anyag előtt: anyag után: Térerősségvektor nem egy egyenes mentén rezeg, hanem egy ellipszis mentén forog körbe. Az ilyen hullámot nevezzük elliptikusan poláros fénynek. Készítette: Szilágyi András (szia@enzim.hu)

Cirkuláris dikroizmus hatása síkban poláros hullámra anyag előtt: anyag után: Az ellipszis nagytengelye párhuzamos az eredeti fény polarizációs síkjával. Az elliptikusan poláros fény körbeforgásának irányát az szabja meg, hogy melyik cirkulárisan poláros komponens marad erősebb a közegen való áthaladás után. Esetünkben az elliptikusan poláros fény ugyanarra forog, mint a piros színnel jelzett, a közegen gyengülés nélkül áthaladt fény. Az, hogy a síkban poláros fény mennyire válik elliptikussá a közegen való áthaladás után, a két cirkuláris komponensre vonatkozó elnyelés különbségétől függ. Készítette: Szilágyi András (szia@enzim.hu)

Közeg törésmutatójának hatása síkban poláros hullámra Síkban polarizált hullám olyan anyagon halad át, amely 1-nél nagyobb törésmutatóval rendelkezik, a fényt azonban nem nyeli el: anyag előtt: anyag után: Készítette: Szilágyi András (szia@enzim.hu)

Közeg törésmutatójának hatása cirkulárisan poláros hullámra Cirkulárisan polarizált hullám olyan anyagon halad át, amely 1-nél nagyobb törésmutatóval rendelkezik, a fényt azonban nem nyeli el: anyag előtt: anyag után: Készítette: Szilágyi András (szia@enzim.hu)

Cirkuláris kettőstörés hatása síkban poláros hullámra Vannak olyan anyagok is, amelyeknek eltérő a törésmutatójuk a jobbra, ill. balra cirkulárisan poláros fényre nézve. Ezt a jelenséget nevezzük cirkuláris kettőstörésnek. Közegben eltérő mértékben lassul le a két cirkuláris komponens. anyag előtt: anyag után: A kijövő hullám továbbra is síkban poláros, polarizációjának síkja azonban már nem függőleges, hanem ahhoz képest elfordult (optikai rotáció). Készítette: Szilágyi András (szia@enzim.hu)

Cirkuláris dikroizmus és a cirkuláris kettőstörés együttes hatása síkban poláros hullámra Egy síkban poláros fénysugarat olyan anyagon bocsátunk át, amely cirkuláris dikroizmust és cirkuláris kettőstörést egyaránt mutat: A piros komponens változatlanul halad át az anyagon, a zöld komponensre nézve viszont az anyagnak elnyelése és törésmutatója is van. anyag előtt: anyag után: Beeső fény kétféle módosuláson is átesik: a cirkuláris dikroizmus következtében elliptikusan polárossá válik, a cirkuláris kettőstörés következtében pedig polarizációja (elliptikusan poláros fény ellipszisének nagytengelye) elfordul. Készítette: Szilágyi András (szia@enzim.hu)

CD: cirkuláris dikroizmus spektroszkópia ORD: optikai rotációs diszperzió A CD spektroszkópia: vegyértékelektronok gerjesztése lineárisan polarizált UV fénnyel történik. Az abszorpciós sáv lmax értékhez közeli hullámhosszaknál a jobbra és a balra cirkulárisan polarizált fényt különböző mértékben abszorbeálja az optikailag aktív közeg: DA = Abal – Ajobb, az ebből számítható megfelelő moláris mennyiség a De = ebal – ejobb. UV-VIS görbéhez hasonló alakú, de (+) és (-) is lehet, mivel a CD differenciaspektrum. Az optikai rotációs diszperzió az optikai forgatóképesség változása a hullámhossz függvényében a = f(l). lmax-tól távol „sima” hiperbolikus lefutású, (+) vagy (-). A vizsgált anyag UV maximumának közelében az eredeti görbére völgy/csúcs vagy csúcs/völgy görbe szuperponálódik. A cirkuláris dikroizmus és az optikai forgatás ilyen lefutását együttesen Cotton-effektusnak nevezzük.

Optikai rotációs diszperzió Az optikai forgatóképesség változása a hullámhossz függvényében a = f(l). Amennyiben az optikai forgatást a teljes UV ill. látható hullámhossz tartományban meghatározzuk, akkor az ORD, azaz optikai rotációs diszperzió spektrumot nyerjük. Az ORD görbe sima (plain) szakasza pozitív vagy negatív lefutású lehet a molekulaszerkezet függvényében a spektrumok abszorpciós maximumától távoli l-tartományban.

Anomális ORD görbék Pozitív Cotton-effektus esetén a növekvő hullámhosszak irányában előbb a völgy, majd a csúcs lép fel, negatív Cotton-effektusnál viszont a völgy található a nagyobb hullámhossznál.

ORD- és CD-spektrum viszonya Az ORD görbe inflexiós pontja megegyezik a CD csúcs (szaggatott vonal) maximumának hullámhosszával. [F]2 Az ORD görbe maximuma és minimuma közötti különbség 1/100-ad része az a, a Cotton-effektus amplitúdója: [F]1 Az ORD- és CD- spektrum egymásba átszámítható, az egyik a másik ismeretében megszerkeszthető.

UV, CD és ORD spektrumok kapcsolata A CD sáv előjele lehet pozitív vagy negatív a molekula kiralitásának függvényében. A sáv intenzitásának maximuma ugyanannál a hullámhossznál jelentkezik, mint az UV spektrumban. Az ORD görbe inflexiós pontja megegyezik a CD csúcs maximumának hullámhosszával. Elvileg kétszer annyi maximumot és minimumot tartalmaz, mint egy CD spektrum, ezek azonban a valóságban gyakran összeolvadnak, ezért nehezebben értelmezhető. Az ORD- és CD- spektrum egymásba átszámítható, az egyik a másik ismeretében megszerkeszthető.

Szimmetria és molekuláris sajátságok Egy kémiai vegyület tartós dipólusmomentuma a molekula kiegyenlítetlen töltéseloszlásából ered. Bármely különböző elektronegativitású atomokból álló X-Y molekularészlet „lokális” dipólusmomentummal rendelkezik. Szimmetriacentrummal rendelkező molekulákban az egyenlő nagyságú és ellentétes előjelű lokális dipólusmomentumok kioltják egymást, a molekula eredő dipólusmomentuma nulla lesz. Ha a tömeggel és töltéssel rendelkező elektron gerjesztés hatására helikális pályán mozdul el, elektromos dipólus momentumot hoz létre. A helikális pályán haladó elektron mágneses momentummal is rendelkezik. Rotátorerősség az átmeneti elektromos és átmeneti mágneses momentum nagyságától és relatív helyzetétől függ:

Elektronátmenet optikai aktivitásának molekulaszerkezeti feltételei 1. Önmagában királis kromofór hexahelicén P-hélix M-hélix A szélső gyűrűhöz kapcsolódó hidrogén atomok térigénye miatt nem lehet planáris, hanem jobb vagy bal csavarodottsággal fordul elő.  p* gerjesztés során helikális töltéssűrűség-változás következik be, ami átmeneti mágneses momentumot indukál. P-hélix: (mm)  0o, R pozitív (pozitív Cotton effektus) M-hélix: (mm)  180o, R negatív (negatív Cotton effektus)

2. Királis molekulában két vagy több akirális kromofór Optikai aktivitás akkor is fellép, ha két vagy több önmagában akirális kromofór királis molekulán belül egymáshoz képest királisan (nem egy síkban) van rögzítve. ciklikus diamid molekula Két egymáshoz közeli, nagy átmeneti elektromos momentummal rendelkező független kromofór csoport királis (csavart) térbeli elrendeződése olyan kölcsönhatáshoz (dinamikus csatolás) vezet, amelynek eredményeképpen egy ellentétes előjelű sávpár (couplet) jelenik meg a CD spektrumban. A couplet előjeléből, amely nem más mint a nagyobb hullámhossz értéknél jelentkező sávkomponens előjele, következtetni lehet a kiralitáscentrumok konfigurációjára.

2. Királis molekulában két vagy több akirális kromofór nagy átmeneti elektromos momentum Ha a két kromofór elég közel van egymáshoz, akkor elektronjaik a gerjesztés hatására kapcsolt rezgéseket végeznek: vagy azonos fázisban, vagy ellentétes fázisban rezegnek. A két rezgési módhoz eltérő energia tartozik, s ezért a p  p* elektronátmenet felhasad. A két kromofór együttes, kapcsolt rezgéseinek azonban már nemcsak elektromos, hanem mágneses momentuma is van.

Két amid-csoport kiralitása M (mínusz), mert a hátsó az elülsőhöz képest az óramutató járásával ellentétes irányban van elfordulva. fázisban Az eredő elektromos momentum az azonos fázisban történő rezgésnél felfelé mutat. A két vektorpárnak az eredő elektromos momentum irányára merőlegesen is van összetevője: az első esetben a közelebbi vektor balról jobbra, a távolabbi jobbról balra mutat, ami az elektromos momentummal megegyező irányú mágneses momentum fellépését (pozitív Cotton-effektus) eredményezi. + CD Azonos fázisban történő csatolt rezgés +CD-t eredményez.

ellenkezőleg Az eredő elektromos momentum az ellentétes fázisban történő rezgésnél balról jobbra mutat. Az ellentétes fázisú rezgésnél a közelebbi vektornak felfelé, a távolabbinak lefelé mutat az eredő elektromos momentumra merőleges irányú összetevője, ami az elektromos momentummal ellenkező irányú mágneses momentum fellépését (negatív Cotton-effektus) okozza. – CD Ellentétes fázisban történő csatolt rezgés –CD-t eredményez. A CD-ben két ellentétes előjelű és ideális esetben azonos intenzitású sáv-pár (couplet) jelenik meg. A CD sávok előjele a két kromofór kiralitásától függ.

A két rezgésmód viszonylagos energiája, vagyis a megfelelő sávok hullámhossza – a kiralitástól függetlenül – a két kromofór relatív helyzetétől függ (pl. az általuk bezárt szög nagysága). Az a rezgésmód igényli a nagyobb energiát, amelyben az átmeneti dipólusok azonos polaritású végei közelebb esnek egymáshoz. ellenkezőleg fázisban fázisban ellenkezőleg

A csatolás térkémiai feltételei Couplet amplitúdója fordítottan arányos a kromofórok közötti távolság négyzetével. Előnyös, ha a kromofórok térben közel vannak egymáshoz, de nem kell, hogy szomszédos helyzetűek legyenek. A couplet amplitúdója a dibenzoát rendszernél akkor a legnagyobb, ha torziós szög ~70°. Az amplitudó nulla, ha a torziós szög 0° vagy 180°.(Parallel dipóluselrendeződés nem eredményez cirkuláris töltéselmozdulást, azaz a gerjesztés során mágneses momentum nem indukálódik.) Dibenzoát-észterek

Fehérjék vizsgálata Circuláris dikroizmus egyik legfontosabb felhasználási területe Fehérjék másodlagos szerkezetének analízise, harmadlagos szerkezettípusok meghatározása Különböző forrásokból kapott fehérjék szerkezetének összehasonlítása vagy ugyanazon fehérje esetén a különböző mutánsok összehasonlítása. Oldatbeli konformációk vizsgálata Fehérje konformáció stabilitásának tanulmányozása stressz hatására – termikus stabilitás, pH stabilitás, denaturációval szembeni stabilitás – hogy változik a stabilitás a puffer összetétel függvényében vagy stabilizátor hozzáadására Oldószer kiválasztás, kísérleti körülmények optimalizálása Fehérje-fehérje vagy fehérje-nukleinsav kölcsönhatások vizsgálata a fehérje konformációjának függvényében Konformáció változás különböző receptor/ligandum komplex kialakulásának hatására

a-hélix, b-redőzött réteg és rendezetlen konformáció a-hélix, a b-szalag és a rendezetlen konformáció CD-spektruma

Fehérjék a-hélix konformációja A fehérjék a-hélix konformációjában az amid-csoportok szabályos geometria szerint helyezkednek el a hélix mentén. Gerjesztéskor az amid kromofórok nagy elektromos momentummal járó p  p* elektronátmenete felhasad. Két rezgési mód lehetséges: vagy minden amid-kromofór fázisban rezeg vagy páronként ellenkező fázisban. Az L-aminosavakból felépülő jobb csavarodású hélixben a hélix tengelyével párhuzamosan polarizált rezgésmódnak negatív, míg a tengelyre merőlegesnek pozitív Cotton-effektusa van. Az előbbinek kisebb az energiája, így az a-hélix CD spektrumában intenzív negatív couplet jelentkezik.

3. Királisan zavart (perturbált) akirális kromofórok A legtöbb kromofór csoport önmagában akirális. Az akirális kromofórok elektronátmenetei nem lehetnek optikailag aktívak. Akirális kromofór gerjesztődése esetén az elektromos és a mágneses átmeneti momentumnak nem lehet azonos irányú komponense. A │m║m│cos (mm) szorzat, azaz a rotátorerő mindig zérus. Az akirális kromofórokat tartalmazó vegyületek is mutathatnak azonban mérhető CD-spektrumot, mert egyrészt a molekulának vannak nem teljesen szimmetrikus rezgései és forgásai, másrészt a kromofór királis környezete úgy perturbálhatja a kromofór elektronátmeneteit, hogy a hiányzó átmeneti momentum is létrejöjjön. A királisan perturbált akirális elektronátmenet tehát elektromos és mágneses átmeneti momentummal jár, s ezért fellép a cirkuláris dikroizmus, illetve az optikai aktivitás. Ennek mértéke azonban nagyságrendekkel kisebb, mint a királis kromofóroknál észlelhető hatás.

Szektor és helicitási szabályok Az abszolút konfiguráció vagy abszolút konformáció és a kiroptikai tulajdonságok (CD-spektrum sávjainak előjele) között szemiempírikus szabályok állíthatóak fel: Akirális kromofórok: szektor szabályok Királis kromofórok: helicitási szabályok Szektor szabály: akirális kromofórt környező teret szimmetriasíkok és csomósíkok vagy csomófelületek segítségével térrészekre (szektorokra) osztjuk.

Szektor szabály A Cotton-effektus előjelét és nagyrészt a nagyságát is a kromofórhoz legközelebbi királis szféra határozza meg. A molekulákat különböző szférákra oszthatjuk: Első szféra: maga a kromofór Második szféra: gyűrű, amely a kromofórt magába foglalja Harmadik szféra: a második szférához kapcsolódó gyűrűk vagy csoportok alkotják és így tovább.

Királis ketonok vizsgálatára Keton-kromofór átmenetei: n  p*, p  p*, n  s*. n  p* átmenet: az n pálya az oxigén atomra lokalizált py-pálya, a p*-pálya pedig az oxigén és a szén px pályáiból jön létre, mely az oxigén és a szén atom között helyezkedik el. Az átmenetnek nagy mágneses momentuma van (m > 0), de nincs elektromos momentuma (m = 0). Ez a sáv kb. 300 nm-nél jelentkezik, de az abszorpció nagyon gyenge (e  20).

Királis ketonok vizsgálatára Keton-kromofór átmenetei: n  p*, p  p*, n  s*. p  p* átmenet: a p-pályán a két pz-pálya előjelei azonosak, a p*-pályán ellentétesek. Az elektromos momentum nagy (m > 0), mágneses momentum azonban nem jön létre (m = 0), mert az átmenet során cirkuláris töltéselmozdulás nem következik be (max  190 nm).

Királis ketonok vizsgálatára Keton-kromofór átmenetei: n  p*, p  p*, n  s*. n  s* átmenet: mind elektromos, mind mágneses momentum fellép. Az átmenethez tartozó abszorpciós sáv 120 nm körül figyelhető meg, e  103. Bár az átmenet során átmeneti elektromos és mágneses momentum egyaránt létrejön, CD mégsem lép fel, mert a két vektor merőleges egymásra, és ezért cos(m,m) = cos 90o = 0.

Oktáns-szabály: királis ketonok vizsgálatára Ha m = 0 és/vagy m = 0, akkor nincs UV és CD, de királis környezetben sérül a szimmetria, a különböző átmenetek keveredhetnek. Mivel az n  p* átmenetnek nagy mágneses momentuma van, de nincs elektromos momentuma, a p  p* átmenettől „lopja el” a hiányzó elektromos momentumot. Az oktáns-szabály alapján megjósolható, hogy az így kialakuló elektromos és mágneses momentumok alapján milyen előjelű CD spektrumot kaphatunk. hátsó szektorok elülső szektorok hátsó négy szektor

R konfigurációjú (+)-3-metil-ciklohexanon pozitív Cotton-effektus A  értékéhez csak azon atomok adnak hozzájárulást, melyek nem a két szimmetria síkon helyezkednek el, és melyeknek nincs valamelyik szimmetria sík szemközti oldalán egy megfelelő párja. A hozzájárulás előjelét az szabja meg, hogy az illető atom melyik oktánsban foglal helyet, s hatásának nagysága arányos azzal, hogy milyen közel helyezkedik el a kromofórhoz.

R konfigurációjú (+)-3-metil-ciklohexanon pozitív Cotton-effektus A pozitív Cotton-effektus arra utal, hogy a molekula domináns konformációjában az a szék konformer lép fel, melyben a metil-csoport ekvatoriális helyzetű. Amennyiben a domináns konformer pl. az NMR vizsgálat alapján ismert, akkor a CD alapján a konfiguráció határozható meg

Oktáns szabály: ketoszteroidok vizsgálata 2-keto-5b-kolesztán 2-keto-5a-kolesztán

Egy akridono-típusú koronaéter fémion-komplexeinek CD spektruma Az akridono-18-korona-6 vegyület CD spektruma alig változott a vizsgált kationok szokásos feleslegének jelenlétében, ami a komplexképzés elmaradására, vagy a komplex kis stabilitására engedett következtetni. Más volt a helyzet Pb2+ ionok jelenlétében. A spektrum stabilis komplexképződésre és nagy szelektivitásra utal

Jasco J-715 CD spectropolarimeter Aviv 202 Circular Dichroism Spectrometer