D8 VENTURE輕原子分子手性鑒定：一定要用Cu靶么？

 ▲ 圖1 手性

 

  構型的測定是X射線晶體學研究的一個重要方向，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企業和藥品生產企業十分關心的問題。因為不同的對映體具有不同的生理特性，錯誤的對映體可能會造成非常嚴重的后果。如發生在上世紀50年代到60年代的沙利度胺“海豹兒”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，能夠顯著抑制妊娠反應(如嘔吐和失眠)。當時藥學界對其評價是：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，臨床陸續發現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。終研究發現沙利度胺作為一個手性化合物，其R-構型具有抑制妊娠反應活性，而S-構型會導致孕婦流產甚至對新生兒有致畸性。當時用于臨床的沙利度胺沒有將兩者拆分，以對映異構體混合物的形式制備成藥。結果妊娠早期服用對胎兒產生了致畸作用。

 

 

  ▲ 圖片來自網絡

 

  X射線晶體學測定結構/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只是Cu靶的六分之一。大多數藥物分子均為輕原子（原子序數< O）組成的有機分子，反常散射信號十分微弱，所以坊間流傳著一個“定律”：分子中必需含有重于P原子的元素，才能用Mo靶測定構型，否則只能用Cu靶來測定。然而這個“定律”不應該被遵循為的真理。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)

 

  輕原子構型的測定是基于統計學的方法，獨立的衍射點越多，分辨對映異構體的能力也就越大。不管晶體質量多好，Cu靶只能采集到大約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角范圍內，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單晶衍射儀配備了高強度的微焦斑IμS3.0 Mo靶光源，并且配備了超大面積，超高檢測效率，靈敏度，超高數據精度的 PHOTON II/III CPAD探測器，因而可以在短時間內，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可以測定晶體結構和構型，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，才會有親身的體驗。

 

  那么利用新的D8 VENTURE IμS 3.0 PHOTON II，我們可以獲得什么樣的數據質量和速度呢？

 

 

實驗儀器

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

 

  雖然晶體不大，但在2s的曝光下，該晶體的分辨率可達到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*測定構型的標準，并且與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，并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，去研究電子云的細節，比如成鍵方向等。由于原理較復雜，在此不再詳細介紹（其實是因為還沒有看懂..），如感興趣可以參閱相關的資料。

 

 

▲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，晶體數據的分辨率并不由儀器的靶材來決定，而是晶體本身的質量。Mo靶進行有機分子的構型的鑒定，對晶體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。