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22/07/2010
Interacção entre luz polarizada e um meio quiral
⇒
• Dispersão Óptica Rotatória (Optical Rotatory Dispersion, ORD)
Dicroísmo Circular
• Dicroísmo Circular (Circular Dichroism, CD)
Circular Dichroism
• Luz polarizada segundo um plano
• Luz polarizada circularmente
Luz polarizada segundo um plano ⇒ a direcção de oscilação do vector campo
eléctrico mantém‐se constante num plano
Vertical
Horizontal
⇒ Actividade óptica: capacidade de alguns compostos interactuarem com a luz
polarizada plana:
rodando o plano de polarização da luz polarizada segundo um plano
⇒ Composto quiral é um composto em que na molécula não existe um eixo impróprio
de simetria (ausência de um plano de simetria e de um centro de inversão).
Os compostos quirais são normalmente espécies com “actividade óptica”.
projecção no eixo de propagação
projecção no eixo de propagação
Luz polarizada Circularmente ⇒ o vector campo eléctrico tem amplitude constante e
Importante:
descreve um círculo enquanto se propaga no espaço
Circularmente (direita)
2 componentes
(verde e vermelho)
Luz polarizada segundo um plano é equivalente a ter-se:
Circularmente (esquerda)
Duas componentes polarizadas circularmente a rodar em fase:
-uma polarizada circularmente para a esquerda
-e outra polarizada circularmente para a direita
projecção no eixo de propagação
projecção no eixo de propagação
András Szilágyi, http://www.enzim.hu/~szia/cddemo/edemo0.htm
Interacção Luz ↔ meio não absorvente (Refracção)
Meio material (com um índice de refracção n)
⇒ a luz propaga‐se a uma velocidade inferior; o feixe sofre uma alteração de fase
em relação ao feixe incidente
Material não absorvente (índice de refacção n)
feixe emergente
feixe incidente
András Szilágyi, http://www.enzim.hu/~szia/cddemo/edemo0.htm
1
22/07/2010
Interacção Luz ↔ meio quiral não absorvente
meio quiral não absorvente ⇒ tem índices de refracção diferentes para a luz polarizada circularmente para a esquerda e a direita, nR e nL
Interacção Luz ↔ meio quiral absorvente
Meio quiral absorvente ⇒ além de nR e nL, tem coeficientes de extinção
diferentes para a luz polarizada circularmente para a esquerda e a direita, εR e εL
⇒
Feixe incidente: 2 componentes de igual amplitude, em fase
Rotação do plano de oscilação
⇒
⇒
Círculo na direcção de propagação
Rotação Óptica
componentes com igual amplitude
Feixe emergente: 2 componentes de diferente amplitude e desfasadas
⇒
feixe incidente
feixe emergente
Dispersão Óptica Rotatória (Optical Rotatory Dispersion, ORD)
⇒ variação da rotação óptica com λ
András Szilágyi, http://www.enzim.hu/~szia/cddemo/edemo0.htm
Dicroísmo Circular (Circular Dichroism, CD) é a representação da
diferença entre a absorção de:
- luz polarizada circularmente para a esquerda a um dado λ,
- luz polarizada circularmente para a direita a um dado λ.
ΔA = Δε × b × C
Δε = εL - εD
Só pode existir CD diferente de zero para λ
em que o composto absorve radiação
Luz polarizada
circularmente esquerda
Detector
+
feixe incidente
feixe emergente
projecção no eixo de propagação
⇒
projecção no eixo de propagação
Elipse na direcção de propagação, com eixo maior rodado face ao plano de polarização original
CD (e ORD)
András Szilágyi, http://www.enzim.hu/~szia/cddemo/edemo0.htm
Interaction of Light with a chiral medium
ORD, Dispersão Óptica Rotatória
Rotação de um ângulo α do plano de
polarização em consequência da diferente
velocidade das componentes circularmente
polarizadas esquerda e direita
α
θ
CD, Dicroísmo Circular
É a absorção diferencial entre as das
componentes
circularmente
polarizadas
esquerda e direita, medida através do ângulo θ,
elipticidade.
ΔA = Δε × b × C
θ=
Luz polarizada
circularmente direita
2.303π
Δε / deg
720
K. Nakanishi, N. Berova, R.W. Woody, “Circular Dichroism – Principles and Applications” (1994) VCH Publishers, 31‐38, 473‐496.
Circular Dichroism ‐ Selection rules
Circular Dichroism– applications:
A condição para uma transição de CD ser permitida pode ser representada como
envolvendo em simultâneo uma rotação (a) e translacção de carga (b), originando um
movimento de carga helicoidal (c) :
All areas which involve chirality
Most studies involving chiral biomolecules:
proteins, carbohydrates, DNA, etc.
<ψb|μm|ψ0>
<ψ0|μe|ψb>
<ψ0|μe|ψb> · <ψb|μm|ψ0>
μm: operador dipolar magnético; μe: operador dipolar eléctrico
Transições
permitidas (ex.):
Synthetic Chemistry
Synthetic Chemistry
pz → py
n → π*
dxy → dyz
Example: to confirm the formation of enantiomers
grupo carbonilo
Characterization of coordination compounds
transições d‐d
Qualitative and quantitative information on the interaction of the coordination compound, chiral or not, with chiral biomolecules. J. Costa Pessoa et al., 2009, J. Arg. Chem. Soc., 97(1) 151‐165.
2
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Enantiómeros
T. Pinho e Melo & coworkers,
Tetrahedron Lett, 2003
20
Circular dichroism ‐ applications
15
• Characterization of coordination compounds
Absort. Molar
10
5
0
-5
198
248
298
348
398
Confirm the
formation of
enantiomers
ACC-293
ACC-471
-10
• Information on symmetry/structure of a complex (non‐resolved bands in the isotropic spectrum and resolved in the CD)
-15
-20
Comp. Onda
• Useful in conditions where the isotropic spectrum is not so informative
(ex. extensive hydrolysis; solid vs. solution)
Enantiómeros-Bzl
3
• Speciation in solution – interaction of a chiral ligand with a metal ion
2
Abortividade Molar
1
Chiral
Allenes
• Information on the interaction of the coordination compound, chiral or not, with chiral biomolecules. 0
200
250
300
350
-1
ACC-411
ACC-479
-2
-3
-4
-5
-6
Comp. Onda
Circular Dichroism ‐ applications
Aqueous solutions containing aspartic acid and VIVO2+ at pH ≈ 7.5
Characterization of coordination compounds (ex. chiral ligands)
Only considering d
oxovanadium(IV)
levels
In the range 600-900 nm two CD bands are
observed in the CD spectrum
S-o-N-(N-benzylprolyl)aminobenzophenone (BBP)
5
4
Mol CD / M-1 cm-1
3
2
*
1
NH
O
*
NH
0
V
-1
O
-2
O
-3
-4
-5
250
350
450
550
650
VO(S,S-CHSal)
VO(S,S
CHSal)2an
λ / nm
Change of the CD spectra with time (0 – 75 min) for solutions
containing 0.3 mM of complex VIVO(S,S-CHSal)2an in DMSO.
VIVO(S,S-CHSal)2an
Assymetric Synthesis of amino acids
VVO(S,S-CHSal)2an+
J. Costa Pessoa & coworkers, Dalton, 2005
3
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Complexation with chiral ligands:
It is possible to measure CD spectrum of solids
Solução
[Ni(S-BBP-S-Ser)]
8: [VO(Gly-L-Ala)(phen)]
[Ni(S-BBP-R-Ser)]
9: [VO(Gly-L-Phe)(phen)]
Relation between Δε and size of
amino acid side groups
10: [VO(Gly-L-Tyr)(phen)]
11: [VO(Gly-L-Val)(phen)]
12: [VO(Gly-L-Leu)(phen)]
J. Biol. Inorg. Chem, 2002
J. Costa Pessoa & coworkers, Dalton, 2005
Circular Dichroism – structure of proteins
Circular Dichroism ‐ applications
Semi‐empirical Method to characterize secondary structure of proteins
• Characterization of biomolecules ‐ structure of proteins
Simple technique; in aqueous solution (in vitro); low concentrations
Different types of secondary structure yield different CD signals
far‐UV near UV Visible
T: turns; R: random coil
α‐helix
250 – 400 nm
185 – 250 nm
Secondary
Structure
400 – 1000 nm
Metal ion complexes; very informative if a CD Induced signal is observed
Tertiary
Structure
β‐sheets
α‐helix; β‐sheet;
turns; random coil
• Estimate secondary structure (in terms of % of each type)
3D Organization of the protein (polypeptide chain; absorption bands in the range of the aromatic residues (Trp, Tyr, Phe) • Check changes in secondary structure (in terms of % of each type) due to interaction with a therapeutic compound ⇒ interaction with the protein
BSA conformational changes upon adsorption on titania and on
hydroxyapatite and their relation with biomineralisation,
Addition of VIVOSO4 to a 5 μM solution of transferrin
B. Saramago & coworkers, J. Biom. Mat. Res., 2004
100
222
227
232
before
after A
5
after B
-2400
-2900
-3400
-3900
λ / nm
0
-5
-3
5uM hTF
(1:1)
(1:2)
(1:3)
(1:4)
(1:5)
(1:20)
(1:10)
(1:20)
-3
-1900
-1
10
2
-1
-1
15
15
-1400
Δε /M
M .cm
TiO2
HA
237
-10
-15
-20
200
210
220
230
Wavelength (nm)
10
bef ore
af ter A
5
af ter B
2
217
-900
θx10 (deg cm dmol )
212
-1
207
θ x 10 (deg cm dmol )
202
-400
240
0
-5
-10
-15
-20
200
210
220
230
240
Wavelength (nm)
4
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Circular Dichroism: UV range
10
Trp
-1
-1
Δε / M cm
O
30
0.2 cm cell, HEPES-C buffer, pH 7.4,
100 μM hTF adding VOSO4
Tyr
Phe
0
OH
-10
15
(1:0:0)
(1:2:0)
(1:2:2)
(1:2:4)
(1:2:8)
(1:4:8)
-20
-30
250
0
λ / nm
350
N
R'
Induced CD signal
in UV transitions
of the complex
R
400
20
(1:1)
(1:3)
(1:5)
(1:15)
(1:25)
O
OH
Tyr
(1:0:0)
(1:2:0)
(1:2:2)
(1:2:4)
(1:2:8)
(1:4:8)
10
-1
100 μM hTF and titration
with a VIV-maltol solution
-1
(1:0)
(1:2)
(1:4)
(1:10)
(1:20)
-15
-30
250
300
Δε / M cm
-1
-1
Δε / M cm
100 μM hTF and titration
with a VIV-dhp solution
20
Interactions with apo-hTF
0
-10
300
λ / nm
350
400
O
R'
CD due to bands of side groups of aromatic amino acids
-20
250
300
λ / nm
350
400
CD spectral changes of plasmid DNA
(1 × 10−4 M in base pairs) upon
addition of AuIII in the presence of
HEPES.
In the presence of HEPES and AuIII,
free radicals are generated that
damage the DNA, producing
unwound DNA fragments.
Habib and Tabata, J. Inorg. Biochem., 2004, 98,
1696.
CD spectrum of CT DNA adduct with
compound 1.
Solid line: free CT DNA
Conclusion:
Dotted: ri = 0.1
Compound 1 interacts with DNA
Dot-dashed: ri = 0.3
The modifications indicate
transformation from DNA B to
DNA C form.
Dashed: ri = 0.5
ri = molar ratio compound : DNA
• Induced CD Signal
1.68768
CD titration of pza with
ctDNA (5% DMSO). Only for
20 eq of DNA induced CD
signal was detected and the
other corresponds to 40, 60
and 80 eq of DNA.
Induced CD signals may be observed when a non‐chiral (may be chiral) absorbing species is inserted in a chiral medium.
Example: interaction of a metal ion complex, which is silent in CD spectroscopy, with a chiral bio‐molecule – e.g. protein or DNA – in a wavelength region where the bio‐molecule does not absorb radiation.
1
CD
0
- 0.810383
319.128
350
400
448.963
Wavel ength[nm]
pza
NH
NH
N
The electronic transitions of the metal complex may acquire chiral character if the complex is inserted in a chiral medium, in other words, if it forms an adduct with the bio‐molecule (close to its chiral centers)
Complex, MLn
N
CD silent
Absorbance range extends to
near UV‐Visible range
+
Protein
(HSA, hTF)
Chiral ⇒
Adduct
Induced CD Signal
I. Santos & coworkers, ChemBioChem,
5
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Interaction of oxovanadium(IV) and (V)
with human serum Transferrin (hTF)
VIVOSO4
5.0 cm cell, HEPES-S buffer, pH 7.4,
750 μM hTF adding VIVOSO4,
Effect of addition of dmpp in the CD
spectra of solutions containing VIVOtransferrin (1:1)
CVO = 1 mM
0
[dmpp] = 0.0; 1.2; 2.4; 4.9; 10.2; 21.1 mM.
-1
Δε / M cm
Δ
-1
0.3
5.0 cm cell,, HEPES-C buffer,, pH
p 7.4,,
750 μM hTF adding NaVVO3
0.3
600
λ / nm
800
(1:0)
(1:1) t=5min
(1:1) t=15min
(1:2) t=5min
(1:2) t=15min
1000
-1
Δε / M cm
-0.6
400
(1:0)
(1 0 5)
(1:0.5)
(1:1)
(1:1.5)
(1:2)
-1
03
-0.3
0
T. Kiss and coworkers, Chapter 23,
ACS Symposium Series 974, 2007.
-0.3
400
600
λ / nm
800
1000
Global Conclusions:
Circular Dichroism is a spectrophotometric technique.
It has an enormous scope of application in chemistry,
biochemistry and medicinal chemistry.
To obtain information may either be simple or not
simple depending on the system under study and
simple,
requirements of the study.
Depending on the system and requirements of the study,
different wavelength ranges are analyzed.
6