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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 22/07/2010 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 22/07/2010 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 22/07/2010 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 22/07/2010 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