手性是自然界中普遍存在的現(xiàn)象。圓二色譜由于其對手性分子信號的敏感性，在研究生物大分子(蛋白質(zhì)、DNA和多糖等)、超分子和手性小分子等方面具有重要的應(yīng)用。《圓二色譜的原理及其應(yīng)用》主要介紹了圓二色譜的原理，及其在蛋白質(zhì)研究、DNA分子研究、手性超分子化學(xué)研究和手性有機(jī)小分子研究等方面的應(yīng)用。
從事化學(xué)生物學(xué)、超分子化學(xué)及其相關(guān)專業(yè)的高年級本科生和研究生。
目錄
序
前
章 圓二色譜的原理 1
節(jié) 紫外-可見光譜 1
一、光的波粒二象性 1
二、光譜學(xué) 2
三、光譜學(xué)的發(fā)展歷程 3
四、紫外-可見吸收光譜 5
第二節(jié) 圓二色性 6
一、平面偏振光 6
二、橢圓偏振光和圓二色性 8
第三節(jié) 圓二色譜的參數(shù)和特征 11
一、圓二色譜與紫外-可見吸收光譜的關(guān)系 11
二、圓二色譜的特征及影響因素 13
三、圓二色譜的溶劑選擇及測試注意事項(xiàng) 15
第四節(jié) 圓二色譜儀 16
一、圓二色譜儀的構(gòu)造 16
二、圓二色譜儀的生產(chǎn)廠家及特點(diǎn) 17
第五節(jié) 本章小結(jié) 17
參考文獻(xiàn) 18
第二章 圓二色譜在蛋白質(zhì)研究方面的應(yīng)用 19
節(jié) 蛋白質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及圓二色譜特征 19
一、蛋白質(zhì)的組成 19
二、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 21
三、蛋白質(zhì)的圓二色信號產(chǎn)生的原因及其特征 24
四、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)特征及其相應(yīng)的圓二色譜 27
第二節(jié) 化學(xué)生物學(xué)中圓二色譜的應(yīng)用 34
一、天然蛋白質(zhì)和提取蛋白質(zhì)的圓二色譜研究 34
二、蛋白質(zhì)與藥物分子作用研究 37
三、蛋白質(zhì)的熱變性實(shí)驗(yàn) 49
第三節(jié) 本章小結(jié) 51
參考文獻(xiàn) 52
第三章 圓二色譜在DNA分子研究方面的應(yīng)用 55
節(jié) DNA分子的結(jié)構(gòu) 55
第二節(jié) DNA分子和RNA分子，及其與化合物作用的圓二色譜特征 64
一、不同DNA和RNA構(gòu)象的圓二色譜 64
二、不同化合物與DNA作用的圓二色譜 71
第三節(jié) 圓二色譜在G-四鏈體DNA分子研究方面的應(yīng)用 84
一、G-四鏈體DNA 分子的圓二色譜特征 84
二、G-四鏈體結(jié)合劑與G-四鏈體DNA分子相互作用的研究 91
第四節(jié) 本章小結(jié) 98
參考文獻(xiàn) 99
第四章 圓二色譜在超分子化學(xué)方面的應(yīng)用 102
節(jié) 環(huán)糊精分子包結(jié)客體分子誘導(dǎo)圓二色譜的規(guī)律及應(yīng)用 102
一、環(huán)糊精分子包結(jié)客體分子誘導(dǎo)圓二色譜的規(guī)律 102
二、圓二色譜在環(huán)糊精分子與客體分子相互作用方面的應(yīng)用 106
第二節(jié) 圓二色譜在手性超分子組裝體方面的應(yīng)用 108
一、圓二色譜在氫鍵組裝方面的應(yīng)用 109
二、圓二色譜在主客體分子絡(luò)合方面的應(yīng)用 116
三、圓二色譜在離子自組裝方面的應(yīng)用 123
四、圓二色譜在π-π自組裝方面的應(yīng)用 125
第三節(jié) 本章小結(jié) 151
參考文獻(xiàn) 151
第五章 圓二色譜在有機(jī)小分子方面的應(yīng)用 155
節(jié) 圓二色譜在平面扭曲手性化合物方面的應(yīng)用 155
第二節(jié) 圓二色譜在手性天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)確定方面的應(yīng)用 159
第三節(jié) 圓二色譜在手性配位化合物方面的應(yīng)用 160
第四節(jié) 圓二色譜在基于氮原子手性化合物方面的應(yīng)用 161
第五節(jié) 圓二色譜在軸手性化合物方面的應(yīng)用 162
第六節(jié) 圓二色譜在手性大環(huán)化合物方面的應(yīng)用 162
第七節(jié) 本章小結(jié) 164
參考文獻(xiàn) 164
章圓二色譜的原理
圓二色譜是一種特殊的吸收譜，用于檢測手性小分子、生物大分子(如DNA分子、蛋白質(zhì)和多糖)等的構(gòu)象信息，廣泛應(yīng)用在化學(xué)、生物、材料和藥學(xué)等領(lǐng)域。
手性是實(shí)物和其鏡像不能重疊的現(xiàn)象，手性分子的分子式相同，但其原子或原子團(tuán)在三維空間的排布不同。手性化合物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等物理性質(zhì)在非手性環(huán)境中基本相同，但其旋光性不同。另外手性分子在手性環(huán)境中，尤其在生理?xiàng)l件下表現(xiàn)出不同的生理性質(zhì)。
從手性小分子到DNA分子、蛋白質(zhì)和多糖等生物大分子都具有手性。研究手性化合物的方法有X射線單晶衍射，核磁共振，旋光和圓二色譜等。其中圓二色譜法具有樣品量少、對測試樣品純度要求低、測試樣品分子量范圍寬、儀器操作簡單等特點(diǎn)。
圓二色譜與紫外—可見光譜存在緊密的聯(lián)系。圓二色譜的譜帶范圍與紫外—可見光譜一致，即只有具有紫外—可見光譜的手性化合物才可能具有圓二色譜的特征。因此要理解圓二色譜的原理必然首先掌握紫外—可見光譜的原理及特征，以及影響因素。
本章將從紫外—可見光譜的原理及特征、圓二色性、圓二色譜和圓二色譜儀等四方面介紹。
節(jié)紫外—可見光譜
一、光的波粒二象性
光是能量的一種傳播方式。光源之所以發(fā)出光，是因?yàn)楣庠粗性印⒎肿拥倪\(yùn)動，而原子和分子運(yùn)動方式主要有三種，即熱運(yùn)動、躍遷輻射(包括自發(fā)輻射和受激輻射)和光輻射(物質(zhì)內(nèi)部帶電粒子加速運(yùn)動產(chǎn)生)。熱運(yùn)動是生活中常見的，躍遷輻射主要用于激光，光輻射又分為紫外輻射、可見光輻射和紅外輻射。
在科學(xué)定義上，光有時(shí)候是指所有的電磁波。光是一種肉眼可以看見(接收)的電磁波(可見光譜)。光是由一種稱為光子的基本粒子組成的。具有波動性和粒子性，即波粒二象性。
波動性：可用波長(λ)、頻率(v)和波數(shù)(σ)來描述，如式(1.1)所示：(1.1)
式中：v為頻率，單位為Hz；c為光速，其量值為；λ為波長，單位為nm；σ為1cm長度中波長的數(shù)目。
粒子性：可用光量子的能量來描述，如式(1.2)所示：(1.2)
式中：E為光量子能量，單位為J；h為普朗克常數(shù)，其值為。
二、光譜學(xué)
光譜學(xué)是涉及物理學(xué)和化學(xué)的一門交叉學(xué)科，光譜被用來研究電磁波與物質(zhì)之間的相互作用。光是一種由各種波長(或頻率)的電磁波疊加起來的電磁輻射。光譜是復(fù)色光經(jīng)棱鏡或光柵等色散系統(tǒng)分光后，被色散開的單色光按波長(或頻率)大小而依次排列的圖案，全稱為光學(xué)頻譜。光譜與電磁波的關(guān)系、產(chǎn)生原理及檢測方法見表1.1。
表1.1光譜與電磁波的關(guān)系、產(chǎn)生原理及檢測方法
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光譜學(xué)所涉及的電磁波波段不斷拓展，基本覆蓋了整個(gè)電磁波波段(從0.005～1000m)，如表1.1所示，包括γ射線、X射線、遠(yuǎn)紫外線、紫外線、紫外—可見區(qū)、紅外線區(qū)、微波，以及無線電波等。根據(jù)光與物質(zhì)的作用形式，光譜一般分為吸收光譜、發(fā)射光譜和散射光譜等。其中，吸收光譜是指物質(zhì)吸收光子，從低能級躍遷到高能級而產(chǎn)生的光譜，如紫外—可見光譜。發(fā)射光譜是指物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜，如熒光光譜。散射光譜是指光照射到物質(zhì)上，會發(fā)生非彈性散射，在散射光中與激發(fā)光波長相同的彈性成分叫瑞利散射，而比激發(fā)光波長短的成分叫拉曼效應(yīng)。
通過研究光譜學(xué)，人們可以解析原子與分子的能級與結(jié)構(gòu)、特定化學(xué)過程的反應(yīng)速率、某些物質(zhì)在太空中特定區(qū)域的濃度分布等多方面的微觀和宏觀信息。另外，人們可利用物質(zhì)的特定組成結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生具有特殊光學(xué)性質(zhì)的光譜，如特定頻率的激光等。光譜學(xué)不僅是一門基礎(chǔ)科學(xué)，也是一種重要的定性、定量測量方法，例如分析水質(zhì)中各項(xiàng)物質(zhì)含量，通過分析血液中蛋白質(zhì)的含量進(jìn)行疾病預(yù)防與檢測，使用波段進(jìn)行光纖通信等。自20世紀(jì)中葉激光被發(fā)現(xiàn)以來，人類對于光的控制達(dá)到了新的階段，可以產(chǎn)生具有前所未有的亮度、頻率分布以及時(shí)間分辨率的電磁輻射，開啟了通向非線性光學(xué)與非線性光譜學(xué)的大門，使得光譜學(xué)進(jìn)入了新的時(shí)期。
三、光譜學(xué)的發(fā)展歷程
光譜學(xué)的研究已有三百多年的歷史。早研究光譜學(xué)的是英國物理學(xué)家牛頓，1666年，牛頓把太陽光通過玻璃棱鏡后分成從紅光到紫光的各種顏色的光譜，白光是由各種顏色的光組成的(圖1.1)，由此發(fā)展了顏色理論。
圖1.1白光通過棱鏡后分成從紅光到紫光的光譜
1802年，渥拉斯頓發(fā)現(xiàn)太陽光譜暗線。1814年，夫瑯和費(fèi)利用陽光照亮的窄縫作為白光源通過棱鏡也觀察到了光譜暗線。進(jìn)而，他又制備了光柵，個(gè)觀察到光柵光譜。每條譜線只代表一種"顏色"的光。這里顏色一詞是廣義的。牛頓之所以沒有能觀察到光譜線，是因?yàn)樗固柟馔ㄟ^圓孔而不是通過狹縫。在1814～1815年，夫瑯和費(fèi)公布了太陽光譜中的許多條暗線，并利用衍射原理測出它們的波長，將576條暗線編制成表，并用字母A、B、C、D、 、I等將其中主要的線命名，其中有些命名沿用至今，此后便把這些線稱為夫瑯和費(fèi)暗線。此外，他還在星光中發(fā)現(xiàn)了某些譜線。他用這些譜線測量了各種光學(xué)玻璃的折射率，達(dá)到以前從未有過的精度，解決了大塊高質(zhì)量光學(xué)玻璃制造的難題。他用幾何光學(xué)理論設(shè)計(jì)和制造了消色差透鏡以取代過去盲目試驗(yàn)的方法，還首創(chuàng)用牛頓環(huán)方法檢查光學(xué)表面加工精度及透鏡形狀。他還制造了大型折射望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器，使當(dāng)時(shí)光學(xué)技術(shù)的由英國轉(zhuǎn)移到德國，推動了精密光學(xué)工業(yè)的發(fā)展。1821年，他發(fā)表了平行光單縫衍射的研究結(jié)果(后人稱平行光衍射為夫瑯和費(fèi)衍射)，做了光譜分辨率的實(shí)驗(yàn)，個(gè)定量地研究了衍射光柵，制成由260條平行線組成的光柵，并用它測量了光的波長。1823年他又用金剛石刀刻制了玻璃光柵(3200條/巴黎寸)，給出了至今通用的光柵方程。
19世紀(jì)60年代，基爾霍夫和本生發(fā)展了實(shí)用光譜學(xué)，他們證明光譜學(xué)可以用作定性化學(xué)分析的新方法，并利用這種方法發(fā)現(xiàn)了幾種當(dāng)時(shí)還不為人所知的元素，并且證明在太陽里存在著多種已知的元素。
當(dāng)一束具有連續(xù)波長的光通過一種物質(zhì)時(shí)，光束中的某些成分便會有所減弱，當(dāng)經(jīng)過物質(zhì)而被吸收的光束由光譜儀分成光譜時(shí)，就得到該物質(zhì)的吸收光譜。幾乎所有物質(zhì)都有其獨(dú)特的吸收光譜。原子的吸收光譜所給出的有關(guān)能級結(jié)構(gòu)的知識同發(fā)射光譜所給出的是互為補(bǔ)充的。
吸收光譜的光譜范圍大約從10nm到100000nm(圖1.2)，其中可見光區(qū)為390～770nm。在200nm到800nm的光譜范圍內(nèi)，可以觀測到固體、液體和溶液的吸收，這些吸收有的是連續(xù)的，稱為一般吸收光譜，即紫外？可見光譜；有的顯示出一個(gè)或多個(gè)吸收帶，稱為選擇吸收光譜。所有這些光譜都是由于分子的電子態(tài)的變化而產(chǎn)生的。
圖1.2吸收光譜的光譜范圍及其可見光區(qū)
選擇吸收光譜在有機(jī)化學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，包括對化合物的鑒定、化學(xué)過程的控制、分子結(jié)構(gòu)的確定、定性和定量化學(xué)分析等。
四、紫外—可見吸收光譜
紫外—可見吸收光譜(ultraviolet and visible spectroscopy，UV-Vis)是由價(jià)電子的躍遷而產(chǎn)生的。紫外—可見吸收光譜是利用物質(zhì)的分子和離子對紫外和可見光的吸收所產(chǎn)生的光譜及吸收程度對物質(zhì)的組成、含量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、測定和推斷的分析方法。一般有機(jī)化合物中存在三種電子之間的躍遷，即σ電子、π電子和n電子。從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷，主要有4種躍遷形式，這4種躍遷所需能量大小為：如圖1.3所示。
圖1.3有機(jī)化合物中電子躍遷的種類
躍遷，所需能量，在遠(yuǎn)紫外區(qū)(100～200nm)；
躍遷，大部分也在遠(yuǎn)紫外區(qū)(100～200nm)；
躍遷，外端在近紫外區(qū)，有助色團(tuán)存在時(shí)會使躍遷紅移，另外隨著共軛體系的增長，吸收波長向長波長方向移動，并且吸收強(qiáng)度增大；
躍遷，一般吸收強(qiáng)度較弱。紫外—可見吸收光譜通常研究的是躍遷和躍遷。
紫外—可見吸收光譜遵循朗伯—比爾定律，如式(1.3)所示：(1.3)
式中：A是吸光度；ε是消光系數(shù)；c是溶液的摩爾濃度；l是樣品池的長度。
將不同波長的光透過某一固定濃度和厚度的樣品溶液時(shí)，測量每一波長下樣品溶液對光的吸收程度，即吸光度，然后以波長為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)作圖，可得一條曲線。這條曲線描述了物質(zhì)對不同波長的光的吸收能力，稱為吸收曲線或吸收光譜(圖1.4)。紫外—可見吸收光譜圖中，橫坐標(biāo)一般為吸收光的波長，單位為納米(nm)，縱坐標(biāo)可以是吸收光的強(qiáng)度(A)、透過率(T)、吸收率(1-T)或消光系數(shù)(ε)中的任何一個(gè)。吸收曲線表示化合物的紫外—可見吸收情況，曲線吸收峰的橫坐標(biāo)為該吸收峰的位置，對應(yīng)的縱坐標(biāo)為該吸收峰的吸收強(qiáng)度。
圖1.4紫外—可見吸收光譜圖
紫外—可見吸收光譜具有靈敏度高、度高、選擇性好、操作方便和分析速度快等特點(diǎn)。利用紫外—可見光譜不僅可進(jìn)行定量分析，還可利用吸收峰的特征進(jìn)行定性分析和簡單的結(jié)構(gòu)分析，此外還可用于測定平衡常數(shù)以及配合物配位比等。
第二節(jié)圓二色性
一、平面偏振光
如前所述，光是一種電磁波，它的電場或磁場振動的方向與光前進(jìn)的方向垂直。在普通光中，光波可以在垂直于前進(jìn)方向的平面上的任何方向振動。因此，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向，如圖1.5所示。振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做偏振，它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個(gè)明顯的標(biāo)志，只有橫波
圖1.5光波的振動和傳播
