技術(shù)文章
TECHNICAL ARTICLES▲ 圖1 手性
構(gòu)型的測定是X射線晶體學(xué)研究的一個(gè)重要方向,在很多領(lǐng)域有很多重要的應(yīng)用。例如,許多活性藥物原料藥是手性化合物。原料藥構(gòu)型的分離是藥品生產(chǎn)企業(yè)和藥品生產(chǎn)企業(yè)十分關(guān)心的問題。因?yàn)椴煌膶τ丑w具有不同的生理特性,錯(cuò)誤的對映體可能會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。如發(fā)生在上世紀(jì)50年代到60年代的沙利度胺“海豹兒”的悲劇。
沙利度胺(反應(yīng)停)是德國ChemieGrünenthal公司研究的一種具有中樞神經(jīng)鎮(zhèn)靜作用的藥物,能夠顯著抑制妊娠反應(yīng)(如嘔吐和失眠)。當(dāng)時(shí)藥學(xué)界對其評價(jià)是:沒有任何副作用的抗妊娠反應(yīng)藥物,孕婦的理想選擇。然而在1960年,臨床陸續(xù)發(fā)現(xiàn)歐洲新生兒的畸形比率異常升高,并且與沙利度胺的使用有關(guān)。終研究發(fā)現(xiàn)沙利度胺作為一個(gè)手性化合物,其R-構(gòu)型具有抑制妊娠反應(yīng)活性,而S-構(gòu)型會(huì)導(dǎo)致孕婦流產(chǎn)甚至對新生兒有致畸性。當(dāng)時(shí)用于臨床的沙利度胺沒有將兩者拆分,以對映異構(gòu)體混合物的形式制備成藥。結(jié)果妊娠早期服用對胎兒產(chǎn)生了致畸作用。
▲ 圖片來自網(wǎng)絡(luò)
X射線晶體學(xué)測定結(jié)構(gòu)/構(gòu)型,利用的是反常散射的方法。一般來說原子越重,X射線波長越長,反常散射信號就越明顯。晶體的反常散射能力可以用Friedifstat參數(shù)來表征,通常分子在Mo靶下的反常散射能力只是Cu靶的六分之一。大多數(shù)藥物分子均為輕原子(原子序數(shù)< O)組成的有機(jī)分子,反常散射信號十分微弱,所以坊間流傳著一個(gè)“定律”:分子中必需含有重于P原子的元素,才能用Mo靶測定構(gòu)型,否則只能用Cu靶來測定。然而這個(gè)“定律”不應(yīng)該被遵循為的真理。確實(shí),Cu靶的X射線波長較長,在測定反常散射信號有明顯的優(yōu)勢,但這不代表Mo靶無法對輕原子分子進(jìn)行構(gòu)型的測定。很多發(fā)表的數(shù)據(jù)都證實(shí)了這一點(diǎn)。
▲ 圖2
圖2 不同波長下,O原子的相對散射因子隨著分辨率的變化。藍(lán)線為Mo靶,紅線為Cu靶。黑色虛線為Cu靶分辨率極限。
圖片來源EduardoC etal. The use of MoKα radiation inthe assignment of the absolute configuration of light‐atommolecules; the importance of high‐resolution data. ACTAB. 2014.1)
輕原子構(gòu)型的測定是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法,獨(dú)立的衍射點(diǎn)越多,分辨對映異構(gòu)體的能力也就越大。不管晶體質(zhì)量多好,Cu靶只能采集到大約0.78 Å的數(shù)據(jù),而Mo靶則可以采集到高達(dá)0.36 Å的數(shù)據(jù)。在同樣的2theta角范圍內(nèi),Mo靶可以收集10倍的獨(dú)立衍射點(diǎn)數(shù)量。因此,Mo靶反常散射較弱的缺點(diǎn)可以用數(shù)倍的獨(dú)立衍射點(diǎn)數(shù)目來彌補(bǔ)。另外,因?yàn)榉闯I⑸湫?yīng)是角度不依賴的,在Mo靶高分辨率的區(qū)域,反常散射信號在衍射點(diǎn)的強(qiáng)度中的相對貢獻(xiàn)(Δf/f)在不斷的增加(圖.2)。因此,從理論上Mo靶對輕原子分子構(gòu)型的測定*可行,不能被一句“不可靠”而被否定。
儀器的進(jìn)步,在不斷地推動(dòng)著研究的速度和質(zhì)量。新一代的D8 VENTURE單晶衍射儀配備了高強(qiáng)度的微焦斑IμS3.0 Mo靶光源,并且配備了超大面積,超高檢測效率,靈敏度,超高數(shù)據(jù)精度的 PHOTON II/III CPAD探測器,因而可以在短時(shí)間內(nèi),采集到高達(dá)0.4 Å 分辨率的數(shù)據(jù),且不顯著增加數(shù)據(jù)收集的時(shí)間。高分辨率的數(shù)據(jù)不僅可以測定晶體結(jié)構(gòu)和構(gòu)型,還可以提供超高精度的鍵長,鍵角信息,以及探究原子世界電荷密度的秘密。雖然之前的很多的文章都證明了Mo靶測定輕原子分子構(gòu)型的可行性,但自己做次數(shù)據(jù),才會(huì)有親身的體驗(yàn)。
那么利用新的D8 VENTURE IμS 3.0 PHOTON II,我們可以獲得什么樣的數(shù)據(jù)質(zhì)量和速度呢?
實(shí)驗(yàn)儀器
D8 VENTURE IμS 3.0 Mo PHOTON II
晶體
仍舊使用咖啡糖胞中的蔗糖,切出大小約為0.15 × 0.1 × 0.1 mm的晶體。
實(shí)驗(yàn)參數(shù)
低角度曝光1s/0.5°,高角度2s/0.5°,采集分辨率0.45 Å,目標(biāo)多重度 4,整體數(shù)據(jù)采集時(shí)間 1h。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
▲ 圖3,數(shù)據(jù)采集和結(jié)構(gòu)解析
雖然晶體不大,但在2s的曝光下,該晶體的分辨率可達(dá)到0.4Å以上。終結(jié)構(gòu)精修使用XL配合APEX3*的*的IDEAL Multipolar精修孤對電子和成鍵電子,R1 = 2.47 % (I> 2σ(I)); wR2 = 6.54 % (all data),F(xiàn)lack x: 0.05(10); Parsons z:-0.06(10); Hooft y: 0.04(9)。
在多重度只有3.8的情況下,Mo靶測定的Flack x, Hooft y, Parsons z以及偏差都*測定構(gòu)型的標(biāo)準(zhǔn),并且與Cu靶測定的結(jié)構(gòu)*一致。
高分辨率數(shù)據(jù)的重要性
高分辨率的數(shù)據(jù)在構(gòu)型測定中的貢獻(xiàn)在Eduardo C.發(fā)表的文章中有詳細(xì)的討論(https://doi.org/10.1107/S2052520614014498)。文中進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。高分辨率的數(shù)據(jù)可明顯降低Flack x,Hooft y, Parsons z的偏差,并且提供超高精度的鍵長信息。如果繼續(xù)收集高多重度的數(shù)據(jù),可以在高分辨率下,去研究電子云的細(xì)節(jié),比如成鍵方向等。由于原理較復(fù)雜,在此不再詳細(xì)介紹(其實(shí)是因?yàn)檫€沒有看懂..),如感興趣可以參閱相關(guān)的資料。
▲圖4 Mo靶0.45 Å和0.83 Å的數(shù)據(jù)比較,以及電荷密度研究
總結(jié)
當(dāng)然很多情況下,晶體數(shù)據(jù)的分辨率并不由儀器的靶材來決定,而是晶體本身的質(zhì)量。Mo靶進(jìn)行有機(jī)分子的構(gòu)型的鑒定,對晶體的質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)條件都有非常高的要求。Cu靶進(jìn)行有機(jī)分子的構(gòu)型研究,仍舊在原理上有很大的優(yōu)勢。不過既然Mo靶有可能,不妨試一試,說不定在高分辨率的領(lǐng)域,您能有更神奇的發(fā)現(xiàn)。
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