D8 VENTURE輕原子分子手性鑒定：一定要用Cu靶麽？

 ▲ 圖1 手性

  構型的測定是X射線晶體(ti) 學研究的一個(ge) 重要方向，在很多領域有很多重要的應用。例如，許多活性藥物原料藥是手性化合物。原料藥構型的分離是藥品生產(chan) 企業(ye) 和藥品生產(chan) 企業(ye) 十分關(guan) 心的問題。因為(wei) 不同的對映體(ti) 具有不同的生理特性，錯誤的對映體(ti) 可能會(hui) 造成非常嚴(yan) 重的後果。如發生在上世紀50年代到60年代的沙利度胺“海豹兒(er) ”的悲劇。

  沙利度胺（反應停）是德國ChemieGrünenthal公司研究的一種具有中樞神經鎮靜作用的藥物，能夠顯著抑製妊娠反應(如嘔吐和失眠)。當時藥學界對其評價(jia) 是：沒有任何副作用的抗妊娠反應藥物，孕婦的理想選擇。然而在1960年，臨(lin) 床陸續發現歐洲新生兒(er) 的畸形比率異常升高，並且與(yu) 沙利度胺的使用有關(guan) 。終研究發現沙利度胺作為(wei) 一個(ge) 手性化合物，其R-構型具有抑製妊娠反應活性，而S-構型會(hui) 導致孕婦流產(chan) 甚至對新生兒(er) 有致畸性。當時用於(yu) 臨(lin) 床的沙利度胺沒有將兩(liang) 者拆分，以對映異構體(ti) 混合物的形式製備成藥。結果妊娠早期服用對胎兒(er) 產(chan) 生了致畸作用。

  ▲ 圖片來自網絡

  X射線晶體(ti) 學測定結構/構型，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(ti) 的反常散射能力可以用Friedifstat參數來表征，通常分子在Mo靶下的反常散射能力隻是Cu靶的六分之一。大多數藥物分子均為(wei) 輕原子（原子序數< O）組成的有機分子，反常散射信號十分微弱，所以坊間流傳(chuan) 著一個(ge) “定律”：分子中必需含有重於(yu) P原子的元素，才能用Mo靶測定構型，否則隻能用Cu靶來測定。然而這個(ge) “定律”不應該被遵循為(wei) 的真理。確實，Cu靶的X射線波長較長，在測定反常散射信號有明顯的優(you) 勢，但這不代表Mo靶無法對輕原子分子進行構型的測定。很多發表的數據都證實了這一點。

 ▲ 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。藍線為(wei) Mo靶，紅線為(wei) Cu靶。黑色虛線為(wei) 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)

  輕原子構型的測定是基於(yu) 統計學的方法，獨立的衍射點越多，分辨對映異構體(ti) 的能力也就越大。不管晶體(ti) 質量多好，Cu靶隻能采集到大約0.78 Å的數據，而Mo靶則可以采集到高達0.36 Å的數據。在同樣的2theta角範圍內(nei) ，Mo靶可以收集10倍的獨立衍射點數量。因此，Mo靶反常散射較弱的缺點可以用數倍的獨立衍射點數目來彌補。另外，因為(wei) 反常散射效應是角度不依賴的，在Mo靶高分辨率的區域，反常散射信號在衍射點的強度中的相對貢獻(Δf/f)在不斷的增加（圖.2）。因此，從(cong) 理論上Mo靶對輕原子分子構型的測定*可行，不能被一句“不可靠”而被否定。

  儀(yi) 器的進步，在不斷地推動著研究的速度和質量。新一代的D8 VENTURE單晶衍射儀(yi) 配備了高強度的微焦斑IμS3.0 Mo靶光源，並且配備了超大麵積，超高檢測效率，靈敏度，超高數據精度的 PHOTON II/III CPAD探測器，因而可以在短時間內(nei) ，采集到高達0.4 Å 分辨率的數據，且不顯著增加數據收集的時間。高分辨率的數據不僅(jin) 可以測定晶體(ti) 結構和構型，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型的可行性，但自己做次數據，才會(hui) 有親(qin) 身的體(ti) 驗。

  那麽(me) 利用新的D8 VENTURE IμS 3.0 PHOTON II，我們(men) 可以獲得什麽(me) 樣的數據質量和速度呢？

實驗儀(yi) 器

D8 VENTURE IμS 3.0 Mo PHOTON II

晶體(ti)

仍舊使用咖啡糖胞中的蔗糖，切出大小約為(wei) 0.15 × 0.1 × 0.1 mm的晶體(ti) 。

實驗參數

低角度曝光1s/0.5°，高角度2s/0.5°，采集分辨率0.45 Å，目標多重度 4，整體(ti) 數據采集時間 1h。

實驗結果

  ▲ 圖3，數據采集和結構解析

  雖然晶體(ti) 不大，但在2s的曝光下，該晶體(ti) 的分辨率可達到0.4Å以上。終結構精修使用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)，Flack x: 0.05(10); Parsons z:-0.06(10); Hooft y:  0.04(9)。 

  在多重度隻有3.8的情況下，Mo靶測定的Flack x， Hooft y， Parsons z以及偏差都*測定構型的標準，並且與(yu) Cu靶測定的結構*一致。

高分辨率數據的重要性

  高分辨率的數據在構型測定中的貢獻在Eduardo C.發表的文章中有詳細的討論（https://doi.org/10.1107/S2052520614014498）。文中進行了大量的數據統計。高分辨率的數據可明顯降低Flack x，Hooft y， Parsons z的偏差，並且提供超高精度的鍵長信息。如果繼續收集高多重度的數據，可以在高分辨率下，去研究電子雲(yun) 的細節，比如成鍵方向等。由於(yu) 原理較複雜，在此不再詳細介紹（其實是因為(wei) 還沒有看懂..），如感興(xing) 趣可以參閱相關(guan) 的資料。

▲圖4 Mo靶0.45 Å和0.83 Å的數據比較，以及電荷密度研究

總結

  當然很多情況下，晶體(ti) 數據的分辨率並不由儀(yi) 器的靶材來決(jue) 定，而是晶體(ti) 本身的質量。Mo靶進行有機分子的構型的鑒定，對晶體(ti) 的質量和實驗條件都有非常高的要求。Cu靶進行有機分子的構型研究，仍舊在原理上有很大的優(you) 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域，您能有更神奇的發現。