MicroED解析小分子絕對構型（手性）

1。 手性的基本概念

手性藥物（Chiral Drug），是指藥物分子結構中引入手性中心後，得到的一對互為實物與映象的對映異構體。每一對化學純的對映異構體的理化性質有所不同（不僅僅體現在旋光性上），根據不同的命名法則可以被命名為R-型或S-型、D-型或L-型、P-型或M-型、左旋或右旋。

目前，臨床上所用的藥物50%是手性藥物，全球銷量前十的藥物中有9個是手性藥物。手性藥物佔比如此之大的原因是構成藥物靶標的基本單元——氨基酸、核苷酸等都是手性結構。

手性（Chirality）是分子構型的一個重要因素。有機化合物在立體化學中被區分為各種型別的異構體，如構象異構、幾何異構、旋光異構（對映異構）等。旋光異構形成的關鍵就在於分子具有不對稱性（手性）。手性分子是不能與自己的映象分子重合的有機化合物。

手性分子主要有三類：

1含手性原子的手性分子；

2軸手性化合物（含手性軸的旋光異構體）；

3含手性面的旋光異構體。

2。 手性分子常見的命名規則

R/S標記法：

R/S系統是表示對映體的重要命名系統。該方法基於原子序數的優先順序規則，根據系統為每個手性中心R或S分配一個優先順序，透過該系統為其每個取代基分配一個優先順序。當中心的方向使四個取代基中優先順序最低的遠離觀察者時，觀察者將看到兩種可能性：如果其餘三個取代基的優先順序沿順時針方向降低，則標記為R（Rectus ， 拉丁語，意為右旋）； 如果逆時針方向降低，則為S（Sinister，拉丁語，意為左旋）。（ R ） 或 （ S ） 以斜體和括號書寫。如果有多個手性碳，例如 （1 R ，4 S ），則數字指定每個構型之前的碳位置。

R/S標記法的判斷法則：

按次序規則給手性碳相連的各基團排列大小；

將最小的基團放在離眼睛最遠的地方；

其它三個基團按由大到小的方向旋轉，旋轉方向是順時針的，手性碳為R構型，旋轉方向是逆時針的，手性碳為S構型。

當碰到多原子基團比較時，先從第一個原子比起，原子序數大的在前。若第一個原子相同，再比較與第一個原子相連的其它原子，先從最大的比起，若仍相同，再比較居中的，最小的，直至比較出誰先大。

圖一：（S）-Lactic acid的絕對構型

如圖一所示，按照R/S標記法的判斷法則，手性中心與-H、-CH3、-OH和-COOH四個基團相連，相連的第一個原子分別是H、O、C、C，其中O原子序數最大，排第1，H原子序數最小，排第4，剩下兩個都是碳，沒法比較大小，所以要接著往下比，-CH3的碳往下連線的三個原子從大往小排分別為H、H、H，-COOH的碳往下連線的兩個原子從大往小排分別為O、H，我們要先從最大的原子比起，那麼也就是用-CH3的H與-COOH的O相比，O比H原子序數大，-COOH比-CH3次序高。所以-COOH和-CH3次序分別為2和3。

於是，將最小的基團放在離眼睛最遠的地方，我們可以看出其它三個基團按由大到小的方向旋轉，旋轉方向是逆時針的，手性碳為S構型。

D/L標記法：

光學異構體可以根據其原子的空間構型命名。D/L系統（以拉丁文 dexter 和 laevus 命名，右和左）， 透過將分子與甘油醛相關聯來實現。甘油醛本身是手性的，它的兩個異構體標記為D和L。在這個系統中，化合物的命名類似於甘油醛，通常會產生明確的名稱，D/L標記表示化合物相對於甘油醛的右旋或左旋對映體的立體結構。甘油醛的右旋異構體實際上是D-異構體。蛋白質中常見的十九種L-氨基酸中有九種是右旋的（波長為 589 nm），而D-果糖也被稱為左旋糖，因為它是左旋的。確定氨基酸D/L異構形式的經驗法則是“CORN”法則。

D/L標記法的判斷法則：

-COOH、-R、-NH2和-H（其中 R 是側鏈）排列在手性中心碳原子周圍；

氫原子遠離觀察者，若CO → R → N基團圍繞碳原子為中心逆時針排列，則為L型。如果順時針排列，就是D型。

圖二：L-alanine的絕對構型

如圖二所示，按照D/L標記法的判斷法則，手性中心與-H、-COOH、-R和-NH2四個基團相連，將最小的基團（-H）放在離眼睛最遠的地方，我們可以看出其它三個基團按CO → R → N基團圍繞碳原子旋轉，旋轉方向是逆時針的，手性碳為L構型。

P/M標記法：

對於含有手性軸的化合物，缺乏使用RS標記法對應的手性中心。我們看到手性軸可以與螺旋相聯絡，這些分子可以被看作是螺旋狀的，也可以看作是螺旋槳或螺旋形結構，通常使用P/M標記法來標記其構型。

P/M標記法的判斷法則：

從手性軸的任意端向內看，沿著手性軸把化合物分隔成近組和遠組；

確定最高優先順序的近組和最高優先順序的遠組；

如果從最高優先順序的近組移動到相應的遠組需要順時針旋轉，螺旋是一個右手螺旋，被描述為P（或正）。逆時針旋轉意味著左手螺旋，並指定為M（或負）。

圖三：3種手性軸化合物的P/M標記法

如圖三所示，按照P/M標記法的判斷法則，化合物A的近組最高優先順序為C原子，遠組最高優先順序為Cl原子，按C → Cl的方向旋轉，旋轉方向是逆時針的，手性化合物為M構型；化合物B的近組最高優先順序為N原子，遠組最高優先順序也為N原子，按N→ N的方向旋轉，旋轉方向是順時針的，手性化合物為P構型；化合物C的近組最高優先順序為C原子，遠組最高優先順序也為C原子，按C → C的方向旋轉，旋轉方向是順時針的，手性化合物為P構型。

3。 手性分子動力學精修原理與例項

單晶X射線衍射透過反常散射確定分子結構的絕對構型。當原子上的電子被看成自由電子時，對X射線的散射因子為f0，散射波與入射波的相角差為固定值（π）。然而，不同原子對電子的束縛能力有所不同，導致核外電子的散射能力與自由電子的散射能力有所不同，散射相角也發生一定的漂移。這種現象與X射線的波長有關，稱為反常散射（Anomalous Scattering）。

而微晶電子衍射（MicroED）是透過動力學精修的方式確定分子結構的絕對構型。相比X射線，電子波長短，與物質的相互作用比 X 射線強數萬倍，可以用來研究 X 射線衍射無法達到的奈米級別的晶體材料。即使在極微小區域也可以獲得較強的電子衍射，特別適合微區、奈米區域晶相的分析和鑑別。同時電子衍射的這個優勢也使得在TEM下收集到的衍射圖案具有更強的動力學效應，成為阻礙結構解析的絆腳石，如圖四所示。

圖四 不同厚度的樣品帶來顯著的動力學

對於手性結構，相同化合物在相反手性下產生的動力學效應存在顯著差異。在解析出手性化合物相對構型的情況下，可以反過來利用兩者在動力學效應的差異，透過動力學精修確認手性化合物的絕對構型。

1。 首先，我們在收集資料時會加入旋進（PED，Precession Electron Diffraction），PED可以平均化動力學效應對於衍射圖案的影響，如圖五所示；

圖五：PED工作原理圖示

2。 接下來，由於晶體的thickness， mosaicity， bending， defects等是影響動力學效應十分重要的因素，在資料處理時需要透過衍射點強度積分的雙駝峰圖選定用於動力學精修的衍射資料；

3。 最後，使用選定的衍射資料分別精修不同手性的化合物，從二者的差異很容易確定未知手性化合物的絕對構型，圖六展示了已成功透過動力學精修方式確定絕對構型的75個案例。

圖六：絕對構型實修案例