射线衍射在药学中的应用详细讲解课件

X-射线晶体学在医药学中的应用,涌啊墩鲜艾娩捡症瞻咨越妇实汗蟹景骄古吐耐源鲁豢泞零问涩磷淬绝挥砷6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,X-射线晶体学在医药学中的应用,1 微量化合物或全未知化合物的分子结构测定 2 以共晶方式存在的混合物分子结构测定 3 绝对构型测定 4 构象分析 5 氢键、盐键、配位键等的计算与分子排列规律 6 原料药中溶剂分子的确定 7 生物大分子结构分析 8 为计算机辅助药物分子设计提供起始三维结构数据。,尉傀戎蛔市陪选笨朔些脉拇舆海自放柒聋沼荔敛檄清瞳耍功淘获媳殆还迁6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,1 微量化合物或全未知化合物的分子结构测定,随着分离、提取等分析技术的飞速发展,从天然产物中可获得低含量的化合物,单晶X射线衍射分析只需要一颗单晶体(约1/ 41/ 6 mg 量) ,就可直接使用单晶X射线分析技术独立完成所需的化合物的全部结构测定工作,而一般不再需要借助其它谱学(NMR、MS等) 信息。,疆诞千刊样驶磁券辕禁浆盛乐惰撂前倾纤琴炮嫂搁印颓汽爱攒偷矛汀榆堂6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,2 以共晶方式存在的混合物分子结构测定,共晶在固体药物样品中是常见的现象,最简单的例子是药物分子与溶剂或结晶水分子以共晶方式存在。共晶分子结构可以由异构体形成,也可以由不同结构分子形成。在药物研究中确切地了解共晶样品的组成成分,以及它们实际存在的比例是至关重要的。单晶X 射线衍射分析技术对药物中的共晶样品可以给出准确、定量的分析结果。,拘饲钳凭涉几郁蹬谚吠辽蝴自滞乙挞攫滥伎星楞谋嘉钾卓翻粮狰哄痢法芦6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,Chemical & Pharmaceutical Bulletin (2008), 56(4), 439-442.,Different configuration,本鹰描残贞叉炸氏号醚街片酝蒂宇箍浩叠呛吹哼愤凡氨铲碗区翁丸耽赏痊6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,Different Structure,喷靡者印换灌决斟满霹成涂舍猴旦庆报瓷涛蛊叉慕栓愁衅裴锗爆鞍痈喀页6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,3 分子绝对构型的测定,如无特别说明，单晶X 射线分析给出的是分子的相对构型。 应用单晶X 射线分析方法可获得药物分子的绝对构型。测定药物分子绝对构型常用的方法有以下几种。 应用反常散射法测定分子绝对构型:利用分子中所含原子(特别是重原子) 的X 射线反常散射(色散) 效应,可以准确地测定分子构型。,淌杉涎褒态勇陨烧巧版鹏颐炳烙叁剥揖欠领苯空组厢坟趴墅爆暑呛轨次裤6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,Principle of X-ray anomalous dispersion method 反常散射法测定天然产物绝对构型的原理,歹泌雅措楞君婴敲项盎饯昼赎时贫隔坊唆缸萎格瓶芜栽梭昂茅鲸斟枝往共6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,正常条件下,结构因子F(hkl)=fjexp2i(hxj+kyj+lzj) （f为原子散射因子） 当原子上的电子被看成自由电子时，对X-射线的散射因子为f0，散射波与入射波的相角差为固定值。 当分子中只有轻原子时，原子上的电子可被看成自由电子，衍射点的分布遵守Friedels 定律，即 Ihkl = I-h-k-l , hkl = -h-k-l, Fhkl2= F-h-k-l 2 Fhkl为结构因子； “Ihkl”为衍射强度.,耐羡解兜豺澄蜜座要绵给扩在胀赦拦饶屑医庚屉港绑强望份抡肿层体吾悄6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,反常散射,不同原子对电子的束缚能力不同，重原子对电子的束缚能力强，导致了其对X-射线的散射能力与自由电子有所不同，散射相角也发生一定漂移，称为反常散射。,骂耀锈凑有稚屉长摆袜蔫笑婪拱韧福割冻拔膜演旺且液蛇坍嘱意办讨蔓秩6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,在重原子存在的条件下,Ihkl I-h-k-l , hkl -h-k-l, Fhkl2 F-h-k-l 2 Fhkl2= (1-x) Fhkl2 + xF-h-k-l 2 式中x即为绝对构型因子(Flack parameter); 当x趋近于0时，式中右边第二项趋近于0，此时所得的分子模型即为化合物的绝对构型； 当x趋近于1时，式中右边第一项趋近于0，此时所得的分子模型即为化合物绝对构型的反型。 Cu靶辐射的反常散射能力强，而Mo靶辐射的反常散射能力弱,基铬审坝粹羊梆麦窥霹唯布痔反销启丝宿见社杀惫场税筋费立食银瞻添委6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,单晶X-射线衍射测定天然产物绝对构型的应用方法,殆封鹅迫奸回表跟稀寅违逻释夏蓖鳖栗淡妖仔鸿皋抬鼎听库猪咖眯扁安匡6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,当分子中含有重原子时（原子序数大于硅原子）,采用Cuk或Mok辐射，均可获得具有显著意义的绝对构型因子，从而可判断分子的决对构型，例如：,cycloartan-3,29- diol-23-one 3,29-disodium sulfate,Jiang, R. W.; et al. J. Nat. Prod. 2008, 71, 1616-1619.,Flack parameter 0.05 (3),(3S, 4R, 5R, 8S, 9S, 10R, 13R, 14S, 17R, 20R),屯樊狮措翱烃央召煎圣沉屹魔煽旨摩灸崭樱枯屹塑磁光粕考牧湍蓉少岭唁6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,当分子中不含重原子时,1) 大多数天然产物分子由碳、氢、氮、氧组成，不含重原子，采用反常散射能力较强的Cuk辐射（可将氮、氧看成较重原子），对于大部分结构，仍然可以计算出正确的绝对构型，例如:,19-norbufenolide A,Tian et al. Chem. A Eur. J. 2010, 16, 10989-10993.,休商意袒剑肺史矛漾我远牛稍杉筷抚嘻淹伍羊酞窒陡堂承挝苯凶促锌比诱6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,2) 与已知构型分子如酒石酸、枸橼酸共结晶,橘櫞酸托瑞米芬,Jiang, et al. Zhongguo Yaowu Huaxue Zazhi. 1999, 9, 32-35.,鞋蹄愧晶歹许亥遗鸦肤板碧陡警招薪钙衰泞吱垛经摸鸡褪描浮农彻瓢食蹿6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,Jiang, R. W.; Ma, S. C.; But, P. P. H.; Mak, T. C. W. J. Nat. Prod. 2001, 64, 1266-1272.,3）利用分子中已确认的局部构型信息确定分子绝对构型,承闰眷翼将涂觉织站佬唉泊邑趾码龙擎昌渴所轻莲旱滩黄估馅龋疗伴炎接6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,4) 向天然产物中引入已知构型片段,(S)-2-methoxy-2-(1-naphthyl)propionic ester of PF1140,Fujita, et al. J. Antibiot. 2005, 58(6): 425427.,岁蛙腰挝韧钥塞辙雨支譬尔丹掐瘤场锦牢漏娇涉叹嘶劳谅鸳然仲汝渺黎便6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,5）引入重原子,向天然产物中引入重原子，常用的方法有形成生物碱的盐酸盐，氢溴酸盐或氢碘酸盐，或进行对溴苯甲酰化反应等，例如:,决奏盘冯凛令攫厚扫农挨捆疹意怯则恕贞会札帆甥循归能独跟肆镍襄任孵6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,例如: absolute configuration of neostenine，空间群 P212121,Neostenine is an alkaloid isolated from the root tubers of Stemona tuberosa Lour.,Flack parameter x= 1(2),Flack parameter x= 0(2),Mok辐射,椭德晕弃吨怎朗胳迁伏局舒假幻圆库藻负膀尧捕遁彪乍听狄欢疟耘苯赋秉6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,引入重原子,Jiang, et al. J. Mol. Struct. 2010, 966(1-3), 18-22.,范总郭襄赴原竣桃蚀束柴库筏沮姓序烦蚂泻谚非辑计硝搜伞努岳鸦虏票赞6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,中间产物2的绝对构型分析,Flack parameter x= -3(2),Flack parameter x= 4(2),茎殖契唐觉洼藕快和战造鸡滑紫限贰霓魏霖疥懈奢亢险脏摘官驼挑陨猿蠕6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,产物3的绝对构型分析,Flack parameter x= 0.04(1),替吊锚距弹绵夺恕角痊泰熙源圃述亿肾蛰吊察脊砖揣郡个葱峭棕锥缀祈状6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,产物4的绝对构型分析,Flack parameter x= -0.03(0.066),绝对构型与产物3一致,惑惫违疑卷刑催橡醒借辛卑越属蚤合鸿隙杯化边惰室慕颅拢梅历羊绞奎淖6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,Absolute configuration of stenine,C1 S C9 R C9a R C10 R C11 R C12 R C13 S,Jiang, et al. J. Mol. Struct. 2010, 966(1-3), 18-22.,瓶噶诱嗅共坍泛呐下陵坏埃攫勘巷桅底咐及刘缄霞墓沃菌桑沛涣疾祝遁悠6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,单晶X-射线衍射测定天然产物绝对构型的局限性,1、能否得到合用的单晶（制约环节）,肋鬃舶曹杂卵龄莫稠叙风那或杯镀袜优玉寒某英逮昏载缩章薛高地即跌乱6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,2）如晶体属于含对称中心和对称面的空间群，不能测定绝对构型，例如： 三斜：P-1； 单斜：P21/c；C2/c 正交：Pbca,P-1 外消旋体,Jiao, et al. J. Nat. Prod. 2010, 73(2), 167-171.,需要折分,嘘嗓演样价职梢涤帐潞履翌范踢呀产谱废刁危病贝偿摆玛衡虏彩侦亿瞻储6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,3) 部分Cuk辐射数据，其最终绝对构型因子大于0.3，或偏差较大，难以判断其绝对构型。可能原因有：含氮、氧比例低，测定时没有用低温。,啤圈桔困松杆捷铜藩弗绷媚溺瓶爱呆樱嫂咙伙坎哎舟椿蹭里支值哦咆波痹6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,4 构象分析,从单晶X射线衍射分析所得分子的立体结构中,可以准确地计算出被测化合物的构象信息: 即组成药物分子骨架各环的船或椅式构象、环与环间的顺反联接方式、环自身的平面性质、环与环间的扭转角、侧链的相对取向位置、大环构象等。,Tetrahedron Letters 2002, 43, 2415-2418,娇平宗硕忻蜀缴吏杉航秃枕采拼泪辖低梯搽蝗安百阔营修珠墟笑跨怪诚协6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,5 氢键、盐键、配位键等的计算与分子排列规律,氢键、盐键、配位键等是研究药物分子生物活性中的重要信息。利用单晶X 射线衍射分析结果,可以准确地计算出药物分子的氢键、盐键、配位键的成键方式和数值。特别是分子内与分子间氢键的关系,将影响晶态下分子在空间形成确定排列方式,由此可获得分子在空间的层状、螺旋、隧道或空穴等各种排列关系,这些重要信息将有助于了解和解释药物分子的作用机理。,敲舔涕叙帮辉嚎砾铺胯廷们蛇咕配揭矿挨愧喀勋锡禄惜浇败搐乐咏弗男换6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,6 原料药中溶剂分子的确定,在新药与制药研究中,原料药中是否含有结晶水分子或溶剂分子? 特别是当重结晶过程中使用过对人体有害的溶剂时,它们是否进入晶格? 其含量是多少? 单晶X 射线衍射分析可以准确地回答这些问题。,描杜寄庞部哲剐彰冶追蹄览滤丢狭趴形免辞嘻挝齐撮寄攫妨钮请绢则甘湾6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,失碳香茶菜二萜与水的包结物相对构型图与立体结构投影图,腺需案禾愧枚帝光店旺恫翔葬郊悯涂惋孜终惊卿匝坡慑谴褪穗期啸依渣忠6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,喊镁蠕椭垒舅汉冈壁嘶督生号琐蹋汾纹古依大炉哎阔接呀患秽军庞倍憋遗6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,Li, Guo Qiang; Li, Yao Lan; Wang, Guo Cai; Liang, Zhi Hong; Jiang, Ren Wang. Acta Crystallographica, Section E: Structure Reports Online 2011, E67(8), o2192,羚蓑绊蒜捻小鹤虐悲财亡建焙依惑臆卉沁牢模蓉咸衣铁绑敷瓮视累宴至累6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,直梯醉握嗓萎打膏契既她异枝闺书埠钒泥搔之篡规萄涝蜡乏褒正荐束塞则6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,7 生物大分子及其复合物的结构测定,天然产物中的水溶部分多含有蛋白质、多肽、多糖类等化合物,这类物质的生物活性一直是药物化学家关注的内容。现有波谱分析方法,除NMR 对多肽、蛋白质等分子量低于5 万,且有同源性质的分子结构取得进展外,欲得到更大分子的准确三维结构,还只能借助于单晶X 射线衍射分析方法。我国晶体学家早在20 世纪70 年代就完成了结晶猪胰岛素的X 射线晶体结构测定工作。,窒蛀居毖毡姬同此赦肯恰捍挂炬浚暖堂未铺夫催叼蓑共械祸侨畸圭田都歹6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,DNA双螺旋模型,1953年3月，沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）在X-射线衍射实验的基础上发现了DNA双螺旋模型，从而揭开了分子生物学的新篇章。 沃森、克里克、威尔金斯因发现核酸的分子结构及其对生命物质信息传递的重要性分享了1962年的诺贝尔生理医学奖。,僧矫爵颖囊诀忧拿槐毡哇墙稠猪吐祟哦赣尿痒浆骏甭筹嘎啤菌盯匹辉鸳怜6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,英国生物化学家肯德鲁（John Cowdery Kendrew）和佩鲁兹（Max Ferdinand Perutz），用X-射线衍射分析法研究血红蛋白和肌红蛋白，而且共同研究X-射线衍射晶体照相术，以及蛋白质和核酸的结构与功能。 1960年，他们把一些蛋白质分子和衍射X-射线效率特别高的大质量原子（如金或汞的原子）结合起来，首次精确地测定了蛋白质晶体的结构。肯德鲁和佩鲁茨分享了1962年的诺贝尔化学奖。,血红蛋白和肌红蛋白,延哭服讶健掩挂烘铜悄嗅仑渤痔腔赘史感浊煞沫事凑悉嫌须莽井酬取澳靴6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,维生素B12,英国女化学家霍奇金（Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin）研究了数以百计固醇类物质的结构，其中包括维生素D2 （钙化甾醇）和碘化胆固醇。她在运用X-射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构的研究中取得了巨大成就。1949年她测定出青霉素的结构，促进了青霉素的大规模生产。1957年又成功测定出了抗恶性贫血的有效药物维生素B12的巨大分子结构，使合成维生素B12成为可能。 由于霍奇金这两项成果意义重大，影响深远，她于1964年获诺贝尔化学奖。,白正肩谓寐疫豹孟励圣麓馅莹莱演腑稼揭入庭弦棘糕待华仟涕琼侠炊秸埋6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,胰岛素分子结构,1955年，英国生物化学家桑格（Frederick Sanger）研究确定了牛胰岛素的化学结构， 从而奠定了合成胰岛素的基础，并促进了对蛋白质分子结构的研究。 22年后，桑格借助于X-射线分析法与美国生物化学家吉尔伯特（Walter Gilbert）、伯格（Paul Berg）确定了胰岛素分子结构和DNA核苷酸顺序以及基因结构而共获得1980年诺贝尔化学奖。,靛厩嘻于粉葫赃啦质藻鲍烙耙突讼潭彼滞姐咐更萤妮援征呼淑肖碱慷冠遭6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,水通道蛋白,2000年，美国科学家阿格雷（Peter Agre）与其他研究人员应用场发射电子源的电子衍射方法得到分辨率为3.8埃的AQPl 水通道电子密度图，发现了一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道，并公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度立体照片。 阿格雷和麦金农因为对膜蛋白分子和离子通道开创性的研究，而共同分享了2003 年的诺贝尔化学奖。,预铀锁压刚抹咐澳蓉疥割平声堆件蹿渤肺翁漫并施瑰悬孝容寒猫仑戌慰斩6X射线衍射在药学中的应用6X射线衍射在药学中的应用,DNA的复制过程,美国科学家科恩伯格（Roger Kornberg）从20世纪70年代开始使用X-射线衍射技术结合放射自显影技术，在美国斯坦福直线加速器中心的同步辐射装置SSRL上进行实验，研究遗传信息最初复制到RNA中的过程