MicroED直接解析小分子绝对构型/手性

手性的基本概念

手性药物（Chiral Drug），是指药物分子结构中引入手性中心后，得到的一对互为实物与镜像的对映异构体。每一对化学纯的对映异构体的理化性质有所不同（不仅仅体现在旋光性上），根据不同的命名法则可以被命名为R-型或S-型、D-型或L-型、P-型或M-型、左旋或右旋。

目前，临床上所用的药物50%是手性药物，全球销量前十的药物中有9个是手性药物。手性药物占比如此之大的原因是构成药物靶标的基本单元——氨基酸、核苷酸等都是手性结构。

手性(Chirality)是分子构型的一个重要因素。有机化合物在立体化学中被区分为各种类型的异构体，如构象异构、几何异构、旋光异构（对映异构）等。旋光异构形成的关键就在于分子具有不对称性（手性）。手性分子是不能与自己的镜像分子重合的有机化合物。

手性分子主要有三类：

1含手性原子的手性分子；

2轴手性化合物（含手性轴的旋光异构体）；

3含手性面的旋光异构体。

手性分子常见的命名规则

R/S标记法：

R/S系统是表示对映体的重要命名系统。该方法基于原子序数的优先级规则，根据系统为每个手性中心R或S分配一个优先级，通过该系统为其每个取代基分配一个优先级。当中心的方向使四个取代基中优先级最低的远离观察者时，观察者将看到两种可能性：如果其余三个取代基的优先级沿顺时针方向降低，则标记为R（Rectus , 拉丁语，意为右旋); 如果逆时针方向降低，则为S（Sinister，拉丁语，意为左旋）。( R ) 或 ( S ) 以斜体和括号书写。如果有多个手性碳，例如 (1 R ,4 S )，则数字指定每个构型之前的碳位置。

R/S标记法的判断法则：

a. 按次序规则给手性碳相连的各基团排列大小；

b. 将最小的基团放在离眼睛最远的地方；

c. 其它三个基团按由大到小的方向旋转，旋转方向是顺时针的，手性碳为R构型，旋转方向是逆时针的，手性碳为S构型。

d. 当碰到多原子基团比较时，先从第一个原子比起，原子序数大的在前。若第一个原子相同，再比较与第一个原子相连的其它原子，先从最大的比起，若仍相同，再比较居中的，最小的，直至比较出谁先大。

图一 (S)-Lactic acid的绝对构型

如图一所示，按照R/S标记法的判断法则，手性中心与-H、-CH3、-OH和-COOH四个基团相连，相连的第一个原子分别是H、O、C、C，其中O原子序数最大，排第1，H原子序数最小，排第4，剩下两个都是碳，没法比较大小，所以要接着往下比，-CH3的碳往下连接的三个原子从大往小排分别为H、H、H，-COOH的碳往下连接的两个原子从大往小排分别为O、H，我们要先从最大的原子比起，那么也就是用-CH3的H与-COOH的O相比，O比H原子序数大，-COOH比-CH3次序高。所以-COOH和-CH3次序分别为2和3。

于是，将最小的基团放在离眼睛最远的地方，我们可以看出其它三个基团按由大到小的方向旋转，旋转方向是逆时针的，手性碳为S构型。

D/L标记法：

光学异构体可以根据其原子的空间构型命名。D/L系统（以拉丁文 dexter 和 laevus 命名，右和左）, 通过将分子与甘油醛相关联来实现。甘油醛本身是手性的，它的两个异构体标记为D和L。在这个系统中，化合物的命名类似于甘油醛，通常会产生明确的名称，D/L标记表示化合物相对于甘油醛的右旋或左旋对映体的立体结构。甘油醛的右旋异构体实际上是D-异构体。蛋白质中常见的十九种L-氨基酸中有九种是右旋的（波长为 589 nm），而D-果糖也被称为左旋糖，因为它是左旋的。确定氨基酸D/L异构形式的经验法则是“CORN”法则。

D/L标记法的判断法则：

a. -COOH、-R、-NH2和-H（其中 R 是侧链）排列在手性中心碳原子周围；

b. 氢原子远离观察者，若CO → R → N基团围绕碳原子为中心逆时针排列，则为L型。如果顺时针排列，就是D型。

图二 L-alanine的绝对构型

如图二所示，按照D/L标记法的判断法则，手性中心与-H、-COOH、-R和-NH2四个基团相连，将最小的基团（-H）放在离眼睛最远的地方，我们可以看出其它三个基团按CO → R → N基团围绕碳原子旋转，旋转方向是逆时针的，手性碳为L构型。

P/M标记法：

对于含有手性轴的化合物，缺乏使用RS标记法对应的手性中心。我们看到手性轴可以与螺旋相联系，这些分子可以被看作是螺旋状的，也可以看作是螺旋桨或螺旋形结构，通常使用P/M标记法来标记其构型。

P/M标记法的判断法则：

a. 从手性轴的任意端向内看，沿着手性轴把化合物分隔成近组和远组；

b. 确定最高优先级的近组和最高优先级的远组；

c. 如果从最高优先级的近组移动到相应的远组需要顺时针旋转，螺旋是一个右手螺旋，被描述为P(或正)。逆时针旋转意味着左手螺旋，并指定为M(或负)。

图三：3种手性轴化合物的P/M标记法

如图三所示，按照P/M标记法的判断法则，化合物A的近组最高优先级为C原子，远组最高优先级为Cl原子，按C → Cl的方向旋转，旋转方向是逆时针的，手性化合物为M构型；化合物B的近组最高优先级为N原子，远组最高优先级也为N原子，按N→ N的方向旋转，旋转方向是顺时针的，手性化合物为P构型；化合物C的近组最高优先级为C原子，远组最高优先级也为C原子，按C → C的方向旋转，旋转方向是顺时针的，手性化合物为P构型。

手性分子动力学精修原理与实例

单晶X射线衍射通过反常散射确定分子结构的绝对构型。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（π）。然而，不同原子对电子的束缚能力有所不同，导致核外电子的散射能力与自由电子的散射能力有所不同，散射相角也发生一定的漂移。这种现象与X射线的波长有关，称为反常散射（Anomalous Scattering）。

而微晶电子衍射(MicroED)是通过动力学精修的方式确定分子结构的绝对构型。相比X射线，电子波长短，与物质的相互作用比 X 射线强数万倍，可以用来研究 X 射线衍射无法达到的纳米级别的晶体材料。即使在极微小区域也可以获得较强的电子衍射，特别适合微区、纳米区域晶相的分析和鉴别。同时电子衍射的这个优势也带来一个问题，使得在TEM下收集到的衍射图案具有更强的动力学效应，动力学效应是结构解析的绊脚石，如图四所示。