Способ определения энантиомерного избытка хиральных соединений (варианты)

Способ определения энантиомерного избытка хиральных соединений (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к новым способам определения энантиомерного избытка хиральных соединений по их люминесцентным характеристикам с возможность использования широко набора методик, включая люминесцентное зондирование. В частности, данное техническое решение относится к спектральным способам определения энантиомерного избытка хиральных соединений без использования каких-либо внешних асимметрических вспомогательных агентов, растворителей, носителей и без определения изменения поляризации излучения.

Получение хиральных веществ в энантиомерночистом виде и исследование биологической активности всех оптических изомеров потенциальных лекарственных средств является одним из важнейших требований современной фармакологической промышленности, а также становится все более востребованным и для агрохимического сектора (Collins et al., Chirality in Industry II, Wiley-VCH 1997; Reddy&Mehvar, Chirality in Drug Design and Development, Marcel Dekker, Inc. 2004; , Signposts to Chiral Drugs, Springer 2011). Для справки можно упомянуть, что на данный момент уже около 70-80% новых лекарственных препаратов, составляют именно хиральные энантиомерночистые субстанции (отчет компании DIACEL за 2015 г.), а их годовой объем продаж в последние годы исчисляется сотнями миллиардов долларов ( et al., Drug Stereochemistry: Analytical Methods and Pharmacology, 3^rd ed. CRC Press 2006; Shafaati Iran. J. Pharm. Res. 2007, 6, 73). В первую очередь это связано с тем, что энантиомеры хиральных соединений, как правило, имеют различную биологическую активность. Подавляющее большинство биохимических процессов протекающих в живых существах, является асимметрическими и, как следствие, один из зеркальных изомеров может обладать полезными фармакологическими (или агрохимическими) свойствами, а другой, либо не проявлять биологической активности заслуживающей внимания, либо напротив - быть токсичным. Эффективное лечение медицинскими субстанциями (или же применение агрохимических) требует их использования в энантиомерночистом виде.

Среди подходов для получения энантиомерночистых веществ, ключевую роль играют:

(1) каталитические асимметрические реакции с применением:

(i) комплексов металлов с хиральными лигандами,

(ii) хиральных органокатализаторов (см. напр.: Lin et al., Principles and Applications of Asymmetric Synthesis, Wiley-VCH 2001; Berkessel & Groger, Asymmetric Organocatalysis - From Biomimetic Concepts to Applications in Asymmetric Synthesis, Wiley-VCH 2005; Wolf, Dynamic Stereochemistry of Chiral Compounds, RSC 2008; Ojima, Catalytic Asymmetric Synthesis, 3^rd ed. Wiley-VCH 2010; Gruttadauria & Giacalone, Catalytic Methods in Asymmetric Synthesis. Advanced Materials, Techniques, and Applications, Wiley-VCH 2011);

(2) методы разделения смесей энантиомеров, такие как хроматография на хиральных носителях, разделение путем перевода в диастереомеры, энзиматические методы, кинетическое разделение, кристаллизация конгломератобразующих энантиомеров и др. (Jacques et al., Enantiomers, Racemates and Resolutions, Krieger 1994; Eliel et al., Stereochemistry of Organic Compounds, Wiley-VCH 1994; Subramanian, Chiral Separation Techniques, Wiley-VCH 2001; Chiral Separations - Methods and Protocols, Humana Press Inc. 2004; Bhushan&Martens, Amino Acids - Chromatographic Separation and Enantioresolution, HNB Publishing 2010; Berthod, Chiral Recognition in Separation Methods, Springer-Verlag 2010).

Хиральный анализ продуктов является принципиальной стадией, как при разработке асимметрических методов синтеза, так и на производстве. В последнее время все более пристальное внимание уделяется хиральному анализу природных объектов (см. напр. сборник докладов The 2^nd International Conference of D-Amino Acid Research 2014). Для изучения фармакокинетики и продуктов метаболизма лекарственных препаратов, проводят хиральный анализ биологических жидкостей и тканей (АН et al., J. Chromat. Sci. 2013, 51, 645). В ряде недавних работ была показана прямая связь между изменением энантиомерного баланса в различных тканях организма и многими дегенеративными заболеваниями, старением (см. напр. Truscott et al., FEBS Journal 2013, 280, 1980; Belleroche et al. Neurobiology of Aging 2014, 35, 876; Amino Acids 2013, 43, 1823; Billard, Amino Acids 2012, 43, 1851; Fukui et al., Bio Industry 2014, 31, 11; Usiello et al., Progr. Neuro-Psychopharmacol. & Biol. Psychiatry 2015, 62, 35). Исследования в данном направлении также требуют проведения тонкого хирального анализа биологически важных молекул.

Классические физико-химические методы хирального анализа энантиомеров включают в себя: (i) оптические и спектральные измерения с помощью поляризованного излучения; (ii) проведения анализа в асимметричной среде или (iii) применение внешних хиральных вспомогательных реагентов (см. вышеупомянутые источники и напр. Busch&Busch, Chrial Analysis, Elsevier 2006). Так, в случае с оптическими и спектральными методами, анализируется изменение поляризации излучения хирального анализируемого соединения в зависимости от энантиомерного избытка (вращение плоскости поляризации света, дисперсия оптического вращения, циркулярный дихроизм); а в хроматографии используются хиральные носители; в ЯМР - оптически активные растворители или хиральные сдвигающие реагенты. Перевод энантиомеров в диастереомерные пары позволяет анализировать их ахиральными физическими методами (хроматография, ЯМР и т.д.).

Несмотря на одинаковое поведение лево- L (levo-) и правовращающего D (dextro-) энантиомера по отношению к симметричному внешнему воздействию, в подавляющем большинстве случаев взаимодействие энантиомеров друг с другом различно: их гомо- (L-L или D-D) и гетерохиральное (L-D) взаимодействие неэквивалентно. По различным оценкам, около 90-95% всех рацематов кристаллизуются в форме истинных DL рацемических соединений (доминирование гетерохирального D-L взаимодействия), которые обладают физическими свойствами отличающимися от чистых энантиомеров; приблизительно 5-10% энантиомеров образуют конгломераты (гомохиральное взаимодействие более сильное), и в редких случаях энантиомеры кристаллизуются в виде твердых растворов (Jacques et al., Enantiomers, Racemates and Resolutions, Krieger 1994). Среди физических методов, которые позволяют проводить качественное отличие между энантиомерами и истинными рацематами (DL форма) в твердой фазе, можно упомянуть порошковую дифракцию рентгеновских лучей, ЯМР, инфракрасную (Jacques et al. ibid.), Рамановскую (Lima et al. J. Raman Spectr. 2010, 41, 808) и терагерцовую спектроскопию THz-TDS (Yamaguchi et al. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 053903), дифференциальную сканирующую калориметрию (DSC), термогравиметрию и др. В ряде случаев различие в гомо- и гетерохиральных взаимодействиях между энантиомерами настолько сильны, что это может быть обнаружено не только в твердой, но и в газовой фазе - масс-спектрометрически (Yang et al. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 17074), в растворах - ахиральной хроматографией, что даже было использовано в препаративных целях (Soloshonok et al. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 4180). Также следует упомянуть серию работ связанную с изучением данного феномена в растворах с применением метода ¹Н ЯМР спектроскопии (см. напр. Nieminen et al. Org. Biomol. Chem. 2009, 7, 537; Hui et al. Pharm. Biochem. Behav. 1991, 40, 491). Феномен различного проявления гомо- и гетерохиральных агрегатов энантиомеров в спектрах ЯМР получил, в следствие своей малой известности, довольно разнообразные определения в литературе, такие как «solute-solute» взаимодействия между энантиомерами (Williams et al. J. Am. Chem. Soc. 1969, 91, 1871), самоиндуцированная анизохрония (Giordano et al. J. Org. Chem. 1991, 56, 2270), статистически контролируемый ассоциативный диастереомеризм (Fedin&Davankov Chirality 1995, 7, 2326; Kabachnik et al. Tetrahedron 1976, 32, 1719), самоиндуцированный диастереомерный анизохронизм (Ouryupin et al. Tetrahedron: Asymmetry 1995, 6, 1813), самоиндуцированная неэквивалентность (Dobashi J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 307), самораспознование (Luchinat&Roelens J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 4873) или самоассоциация энантиомеров (Bergman&Kol Inorg. Chem. 2005, 44, 1647). Следует отметить, что данные отличия в спектрах ЯМР проявляются лишь в исключительных случаях и, как правило, разница в химических сдвигах не превышает десятых или сотых миллионных долей. При явной ошибочности в интерпретации результатов, в 1989 году был запатентован способ определения энантиомерной чистоты эфедрина при низких температурах, когда различия между гомо- и гетерохиральными ассоциатами в спектрах ¹Н ЯМР становятся различимы (SU 1696981, G01N 24/08, 07.12.1991).

Такие образом, детальный анализ литературы показывает, что эффективные и универсальные способы хирального анализа, основанные на различных физических свойствах энантиомерночистых (гомохиральных) и рацемических (гетерохиральных) образований, до сегодняшнего для отсутствуют.

Люминесцентная спектроскопия - один из самых чувствительных физических методов. Возможности использования ее для хирального анализа до сих пор были ограничены использованием циркулярной-поляризованной люминесценции (CPL), как, например, это продемонстрировано в недавних отдельных работах, (Okutani et al. Inorg. Chem. 2014, 53, 5527; Iwamura et al. Inorg. Chem. 2012, 51, 4094). Энантиомерный избыток в данном случае может быть напрямую связан эллиптичностью излучения, что принципиально не отличает данный подход от циркулярного дихроизма. В более ранней литературе можно встретить упоминания о различиях в спектрах фотолюминесценции монокристаллов гомо- и гетерохиральных комплексов аминокислот при гелиевой температуре (Legendziewicz et al. Polyhedron 1996, 15, 2939).

В качестве аналогов, имеющих отношение к предлагаемому техническому решению, можно рассмотреть патенты US №№8189188, 7468788, 7670847, 5736411. Данные изобретения могут служить примерами подходов для определения энантиомерной чистоты с использованием широкого набора различных физико-химических методов.

Так, в изобретении US 8189188 предлагается метод количественного определения энантиомерного избытка с варьированием концентрации раствора хирального анализируемого соединения (ср. методы (3), Таблица 1). Подход основан на образовании супрамолекулярных диастереомерных пар типа «гость-хозяин», где в качестве «хозяина» используются хиральные комплексоны различных классов (хиральные циклодекстрины, краун-эфиры, полипептиды, полисахариды, криптанды, поданды, каликсарены и др.).

Патент US 7468788 предлагает решения для осуществления поляриметрических измерений. Энантиомерный избыток в данном случае может быть определен исходя из изменения поляризации электромагнитного излучения после контакта с хиральным аналитом (ср. методы (1), таблица 1).

Изобретение US 7670847 описывает хиральный метод количественного анализа, основанный на равновесном энантиоселективном вытеснении флуоресцентных и калориметрических индикаторов из хирального образования «хозяин-индикатор». В качестве «хозяина» было предложено использование бороновых кислот с хиральностью аксиального типа. Энантиомерный избыток хирального аналита может быть определен визуально или спектрофотометрически (ср. методы (3), Таблица 1), как функция от интенсивности поглощения или флуоресценции хирального индикатора.

Использование производных сахаридов, как хиральных сдвигающих реагентов для ЯМР анализа, было предложено в изобретении US 5736411 (ср. методы (3), Таблица 1.

Из многочисленных методов, предложенных для разделения энантиомеров на хиральных фазах (методы (2), Таблица 1), для примера можно рассмотреть недавние технические решения US №№7683167 и 8092677 японской компании Daicel Chemical Industries, Ltd., являющейся одним из мировых лидеров в области хирального ВЭЖХ анализа. В патентах предложен синтез и описаны свойства новых полисахаридных хиральных фаз, которые могут быть использованы для разделения и анализа энантиомеров (ср. методы (2), Таблица 1).

Во всех рассмотренных выше методах анализа смесей энантиомеров, ключевыми моментами являются (I) изучение поляризации излучения, которое изменяется взаимодействуя с асимметричной средой и (II) использование других хиральных соединений (см. Таблица 1). Методов хирального анализа энантиомерного избытка, предлагающих иную концепцию, позволяющую избежать использования других хиральных соединений, фаз, или не прибегать к определению поляризации, на сегодняшний день не известно. Отказ от применения хиральных дериватизирующих реагентов, хиральных ЯМР сдвигающих реагентов, хроматографических колонок с хиральными фазами позволил бы значительно упростить и удешевить процедуру осуществления хирального анализа. Однако данная задача, до сих пор представлялась принципиально неразрешимой.

Изобретение решает задачу определения энантиомерного избытка хиральных соединений основываясь на их собственных люминесцентных характеристиках и/или характеристиках люминесцентных зондов.

Технический результат - принципиально новые возможности для осуществления хирального анализа без использования каких-либо внешних асимметрических вспомогательных агентов, растворителей, носителей и без определения изменения поляризации излучения.

Задача может решаться способом (первый вариант) определения энантиомерного избытка хиральных соединений, не обладающих и/или обладающих собственной люминесценцией при комнатной и/или криогенной температуре, который включает: допирование анализируемых образцов люминесцентными зондами в низких концентрациях, измерение спектров люминесценции анализируемых образцов хирального соединения после допирования, допирование образцов хирального соединения с заведомым энантиомерным составом теми же люминесцентными зондами в той же концентрации, измерение их спектров люминесценции, сравнение между собой полученных спектров испускания фотолюминесценции, построение зависимости интенсивности люминесценции от энантиомерного избытка, для определения энантиомерного состава хиральных соединений используются люминесцентные характеристики внутренних гомо- и гетерохиральных образований испытуемых хиральных соединений, типа D_xL_y≠L_xL_y=D_xD_y или A(D)_x(L)_y≠A(D)_x+y=A(L)_x+y, где: А - ахиральная составляющая, x и y - коэффициенты, избегая применения внешних хиральных агентов, аналогичные сравнения проводят для спектров возбуждения фотолюминесценции, аналогичные сравнения проводят для времен жизни возбужденных состояний.

Критерием энантиомерного избытка может служить интенсивность спектров люминесценции и/или интенсивность спектров возбуждения люминесценции.

Критерием энантиомерного избытка может служить интенсивность спектров фотолюминесценции, в частности, флуоресценции и/или фосфоресценции.

Критерием энантиомерного избытка может служить интенсивность спектров возбуждения фотолюминесценции, в частности, флуоресценции и/или фосфоресценции.

Критерием энантиомерного избытка может служить кинетика затухания и/или времена жизни фотолюминесценции, в частности флуоресценции и/или фосфоресценции.

В качестве зондов могут выступать ионы переходных металлов.

Зондами могут являться ионы элементов, например, ион европия (III) или ионгадолиния (III), или ион тербия (III).

Зондами могут являться ионы элемента, например, ион уранила UO₂²⁺.

Зондами могут являться ионы 3d, 4d, 5d элементов и другие ионы металлов, способствующие люминесцентным переходы.

Зондами могут являться ионы и/или соединения, способные к снятию запретов на люминесцентные переходы анализируемого хирального соединения и/или изменению люминесцентных характеристик в зависимости от энантиомерного избытка анализируемого хирального соединения.

Хиральными соединениями могут являться соединения с центральной и/или аксиальной, и/или планарной, и/или спиральной, и/или топологической хиральностью, соединения с любым из указанных типов хиральности в любой комбинации.

Хиральными соединениями, например, могут являться аминокислоты, например, аланин и фенилаланин.

Хиральными соединениями, например, могут являться органические и элементорганические соединения, содержащие связи между различными элементами различной кратности: C-C, C=C, C≡С, С-Н, C-N, C=N, C≡N, С-О, С=O, C-S, C=S, С-Р, Р-О, Р=O, С-Hal, где: Hal - фтор, бром, хлор, йод, С-Х, где: X - любой элемент, способный образовывать одинарную ковалентную связь с углеродом), С=Х, где: X - любой элемент, способный образовывать двойную связь с углеродом, С≡Х, где: X - любой элемент, способный образовывать тройную связь с углеродом.

Хиральными соединениями, например, могут являться органические соединения, содержащие одну или более групп и/или фрагментов, проявляющие свойства основания Льюиса и способные к координации и/или комплексообразованию, и/или ассоциации с ионами переходных металлов, таковыми группами или фрагментами являются гидроксигруппа, аминогруппа, карбоксильная группа, карбоксилатная группа, карбонильная группа, сложноэфирная группа, амидный фрагмент, электрон-избыточные π-системы, двойная СС связь, тройная СС, ароматический фрагмент, ароматическая гетероциклическая система, неароматическая гетероциклическая система.

Задача может решаться способом (второй вариант) определения энантиомерного избытка хиральных соединений, обладающих собственной люминесценцией при комнатной и/или криогенной температуре, включающий: измерение спектров люминесценции анализируемых образцов хирального соединения, измерение спектров люминесценции образцов хирального соединения с заведомым энантиомерным составом, сравнение между собой полученных спектров испускания фотолюминесценции, построение зависимости интенсивности люминесценции от энантиомерного избытка, для определения энантиомерного состава хиральных органических соединений используют люминесцентные характеристики внутренних гомо- и гетерохиральных образований испытуемых хиральных соединений, типа D_xL_y≠L_xL_y=D_xD_y, где: x и y - коэффициенты, избегая применения внешних хиральных агентов, аналогичные сравнения проводят для спектров возбуждения люминесценции фотолюминесценции, аналогичные сравнения проводят для времен жизни возбужденных состояний.

Критерием энантиомерного избытка может служить интенсивность спектров люминесценции.

Критерием энантиомерного избытка может служить интенсивность спектров фотолюминесценции, в частности, флуоресценции и/или фосфоресценции.

Критерием энантиомерного избытка может служить интенсивность спектров возбуждения люминесценции.

Критерием энантиомерного избытка может служить интенсивность спектров возбуждения фотолюминесценции, в частности, флуоресценции и/или фосфоресценции.

Критерием энантиомерного избытка может служить кинетика затухания и/или времена жизни фотолюминесценции, в частности флуоресценции и/или фосфоресценции.

Хиральным соединением обладающим собственной люминесценцией, например, может являться фенилаланин.

Хиральными соединениями, например, могут являться органические и элементорганические соединения, содержащие связи между различными элементами различной кратности: С-С, C=C, C≡С, С-Н, C-N, C=N, C≡N, С-О, С=O, C-S, C=S, С-Р, Р-О, P=O, С-Hal, где: Hal - фтор, бром, хлор, йод, С-Х, где: X - любой элемент, способный образовывать одинарную ковалентную связь с углеродом), С=Х, где: X - любой элемент, способный образовывать двойную связь с углеродом, C≡Х, где: X - любой элемент, способный образовывать тройную связь с углеродом.

Хиральными соединениями, например, могут являться органические соединения, содержащие одну или более групп и/или фрагментов, проявляющие свойства основания Льюиса и способные к координации и/или комплексообразованию, и/или ассоциации с ионами переходных металлов, таковыми группами или фрагментами являются гидроксигруппа, аминогруппа, карбоксильная группа, карбоксилатная группа, карбонильная группа, сложноэфирная группа, амидный фрагмент, электрон-избыточные π-системы, двойная СС связь, тройная СС, ароматический фрагмент, ароматическая гетероциклическая система, неароматическая гетероциклическая система.

Краткое описание изобретение

Данное техническое решение относится к новому способу качественного и количественного хирального анализа для определения энантиомерного избытка хиральных соединений и их смесей по их люминесцентным характеристикам с возможностью использования широкого набора люминесцентных методик, в том числе, включающих люминесцентное зондирование. Данный способ относится к ахиральным методам анализа энантиомерной чистоты хиральных соединений. В основе предлагаемого технического решения лежат фундаментальные физико-химические различиях в поведении гомо- и гетерохиральных агрегатов, ассоциатов, комплексов, кристаллов, супрамолекулярных или иных образований энантиомеров, в т.ч. с ковалентной связью. Сопоставление этих различающихся свойств и характеристик смесей энантиомеров с применением люминесцентных методик позволяет не только качественно различать эти образования, но и количественно определять состав смеси с одновременным значительным повышением предела обнаружения и точности определения энантиомерного избытка или степени хиральной чистоты, по сравнению с известными способами.

Как известно из предшествующего уровня техники, во всех известных примерах, распознавание индивидуальных энантиомеров и анализ их энантиомерного соотношения возможны только с применением внешних хиральных вспомогательных веществ, хиральных фаз, либо с помощью поляриметрических или других оптических и спектральных методов определения энантиомерной чистоты, основанных на определении изменения поляризации. Это относится ко всем известным методам количественного хирального анализа.

Способ хирального анализа, описываемый в данной заявке, позволяет, в отличие от классических методов хирального анализа, преодолеть необходимость применения хиральных фаз, хиральной дериватизации, применения хиральных комплексонов и растворителей, необходимость перевода энантиомеры в диастереомеры. В отличие от поляриметрических методов, метода циркулярного дихроизма и других, рассмотренных в предшествующем уровне техники, предлагаемое техническое решение позволяет проводить анализ энантиомерного избытка, избегая необходимости анализа изменения поляризации излучения. Предлагаемый способ качественного и количественного хирального анализа основана на том, что (1) в подавляющем большинстве случаев (>99%) гомо- и гетерохиральные взаимодействия между энантиомерами имеют различную энергию (напр.: D-L≠L-L или D-D); (2) образование из нерацемических смесей гомо- и гетерохиральных диастереомерных агрегатов, ассоциатов, комплексов, кристаллов, супрамолекулярных или иных образований энантиомеров, в т.ч. с ковалентной связью (A(D)_x(L)_y≠A(D)_x+y или A(L)_x+y, где А - ахиральная составляющая, которая может присутствовать или отсутствовать, x и y - коэффициенты) позволяет анализировать их ахиральными физическими методами. Для визуализации и наблюдения этих различий предлагается простой и, вместе с тем, один из наиболее высокочувствительных физических методов исследований - люминесценция.

Предлагаемые способы анализа могут быть применимы как к хиральным соединениям, которые обладают собственной люминесценцией, так и к хиральным соединениям, которые ею не обладают. Люминесценция может быть вызвана различными факторами, например, под воздействием электромагнитного излучения в широком диапазоне частот, под воздействием звука, в процессе химических реакций, фазовых переходов, вызвана механическим воздействием и др. В данной заявке суть предлагаемого решения раскрывается на примере фотолюминесценции.

В случае отсутствия люминесценции у анализируемого хирального соединения, предлагается использование ахиральных люминесцентных зондов, способных к ассоциации, комплексообразованию, супрамолекулярной самоорганизации, и вводимых к анализируемому хиральному соединению, в т.ч. в состав молекулярной структуры и/или в кристаллическую решетку. В частности, при использовании ионов металлов, введение может осуществляться за счет комплексообразования с той или иной функциональной группой хиральной молекулы.

В данном техническом решении даны примеры использования классических люминесцентных зондов - ионов лантаноидов и других. Показано, что ионы металлов, могут снимать запрет на некоторые электронные люминесцентные переходы, например, Т→S₀; при этом, сами ионы могут не обладать люминесценцией.

Суть предлагаемого способа хирального анализа раскрывается на примерах сравнения характеристик фотолюминесценции. Сильные различия между чистыми энантиомерами, рацемическими и нерацемическими смесями различного состава проявляются а) в интенсивности спектров фотолюминесценции; б) в интенсивности спектров возбуждения фотолюминесценции б) в кинетике затухания спектров фотолюминесценции. Анализ также может осуществляться путем сравнения интенсивностей и положения частот внутримолекулярных колебаний, по интенсивности и положению электронных переходов и их мультиплетов, по положению и поведению резонансных уровней.

В одном из вариантов данного технического решения, показана возможность применения в качестве люминесцентных зондов ионов металлов гадолиния, европия, тербия, лантана, иона уранила. Суть предлагаемого способа анализа раскрывается на модельных хиральных соединениях, содержащих сразу несколько функциональных групп - α-аминокислотах, аланине и фенилаланине. В модельных примерах показана простота возможности визуализации кардинальных отличий для гомо- и гетерохиральных смесей энантиомеров. В одном из вариантом данного способа, для количественного анализа энантиомерного избытка может быть использована зависимость интенсивности фотолюминесценции от энантиомерного избытка.

Некоторые способы анализа, предлагаемые в данном техническом решении, могут быть более простыми, более селективными, более чувствительными и более экономически выгодными, чем существующие классические подходы, например такие, как хиральная газовая и жидкостная хроматография, ЯМР диастереомерных производных или образований, поляриметрия, круговой дихроизм и др. Более того, отличительной особенностью и преимуществом предлагаемых способов хирального анализа является отсутствие необходимости предварительной хиральной дериватизации, использования хиральных фаз, хиральных растворителей, хиральных сдвигающих реагентов, проведения анализа изменения поляризации излучения. В добавок ко всему, некоторые из предлагаемых способов могут служить рутинными экспресс-методами с очень высоким пределом обнаружительной способности хирального анализируемого соединения (не менее 10^-12 моль/л и вплоть до 10^-18 моль/л). Очень высокая чувствительность предлагаемых люминесцентных методов обуславливает, в свою очередь, высокую точность определения энантиомерного избытка по сравнению с известными методами хирального анализа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фиг. 1. Зависимость интенсивности фотолюминесценции от энантиомерного избытка образцов аланина допированного ионами Gd³⁺ (0.1% мол.).

Фиг. 2. Спектры возбуждения фотолюминесценции различных образцов аланина различного энантиомерного избытка допированного ионами Gd³⁺ (0.1% мол.).

Фиг. 3. Спектры фотолюминесценции (а) и возбуждения фотолюминесценции (б) L и DL аланина, допированных ионами Eu³⁺ (0.1% мол.).

Фиг. 4. Спектры фотолюминесценции (а) и возбуждения фотолюминесценции (б) L и DL аланина, допированных ионами Tb³⁺ (0.1% мол.).

Фиг. 5. Спектры фотолюминесценции (а) и возбуждения фотолюминесценции (б) L и DL аланина, допированных ионами уранила UO₂²⁺ (0.1% мол.).

Фиг. 6. Спектры фотолюминесценции (а) и возбуждения фотолюминесценции (б) L и DL фенилаланина, допированного ионами Gd³⁺ (0.1% мол.).

Фиг. 7. Спектры фотолюминесценции L и DL фенилаланина.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

Данное техническое решение относится к принципиально новым методам определения энантиомерного избытка и энантиомерной чистоты хиральных соединений, основанных на различных гомо- и гетерохиральных взаимодействиях между энантиомерами анализируемого хирального соединения в свободном виде и в составе гомо- и гетерохиральных агрегатов, ассоциатов, комплексов, кристаллов, супрамолекулярных или иных образований энантиомеров, в т.ч. с ковалентной связью, которое может быть обнаружено с применением люминесцентных методик.

Под люминесценцией подразумевается следующие свойства:

(1) Первый случай, связан с собственной люминесценцией анализируемых хиральных соединений, когда вещество не содержит каких-либо посторонних люминесцирующих примесей, добавок, зондов, легирующих присадок, но при облучении проявляет люминесценцию (флуоресценцию). Эта собственная люминесценция может быть обусловлена присущей данной хиральной молекуле электронной структуры и может проявляться как флуоресцения и фосфоресценция при комнатной температуре, если нет, то может проявиться при охлаждении до низких температур (вплоть до гелиевых). В случае отсутствия люминесценции при комнатной температуре, у испытуемого хирального соединения, она может быть визуализирована простым приемом: образец испытуемого вещества охлаждается и облучается УФ-светом. Если соединение обладает фосфоресценцией, то, после выключения света, в затемненном помещении наблюдается сине-голубое свечение, которое даже при извлечении образца и его естественном отогреве, остается заметным около 10 с. Если соединение не проявляет фосфоресценция, это может означать, что оно является в исходном виде очень чистым и полностью подчиняется квантово-механическим правилам отбора, которые накладывают запрет на фосфоресцентный переход из триплетного состояния молекулы в основное синглетное. Этот переход, как известно по правилам квантовой механики, является запрещенным. В одном из вариантов данного технического решения под собственными люминесцентными свойствами понимается наличие у исследуемого хирального соединения молекулярной фотолюминесценции, в частности флуоресценции, фосфоресценции.

В одном из вариантов данного технического решения под люминесценцией следует понимать надтемпературное свечение длительностью более чем 10^-12 секунд вызванное различными факторами.

В одном из вариантов данного технического решения в зависимости от воздействия, которое вызывает люминесценцию, различают: фотолюминесценцию, сонолюминесценцию, катодолюминесценцию, электролюминесценцию, электрофосфоресценцию, радиолюминесценцию, рентгенолюминесценцию, кандолюминесценцию, термолюминесценцию, криолюминесценцию, триболюминесценцию, механолюминесценцию, кристаллолюминесценцию, фрактолюминесценцию, пьезолюминесценцию, лиолюминесценцию, хемилюминесценцию, электрохемилюминесценцию.

(2) С другой стороны, присутствие тяжелого атома может нарушать этот запрет перехода из триплетного состояния молекулы в основное синглетное, что известно в литературе под названием эффекта тяжелого катиона или тяжелого атома. Под этим эффектом обычно понимается спин-орбитальное взаимодействие этого тяжелого атома с триплетным состоянием, что снимает вырождение триплетного уровня, приводит к его расщеплению и к парамагнитной ориентации (т.е. однонаправленному положению спинов электронов). Таким образом, переход из триплетного состояния в синглетное становится разрешенным. Ему обычно сопутствует долгоживущая люминесценция - фосфоресценция (время жизни 10^-5 с-10⁴ с); переход может наблюдаться наряду с другой люминесцентной составляющей, которая называется флуоресценцией.

Флуоресценция - это переход из синглетного возбужденного состояния на основное и имеет короткое время жизни (<10^-6 с).

Строгое подчинение молекулы квантово-механическим правилам отбора и отсутствие фосфоресценции как при комнатной температуре, так и при охлаждении, может быть критерием ее высокой чистоты. Введение тяжелых атомов и снятие запрета на триплет-синглетные переходы может позволить изучать электронно-колебательные состояния молекул или их агрегатов, не обладающих собственной люминесценцией. Введение люминесцирующих примесей или компонентов к хиральному анализируемому соединению также может позволить осуществлять хиральный анализ с применением предлагаемого технического решения.

Рассматривая люминесцентные методы, следует отметить, что на сегодняшний день хорошо известно (С.А. Parker et al., Photoluminescence of solutions, Elsevier 1968), что порог чувствительности различных спектроскопических методов отличается. Например, обнаружительная способность спектрофотомерии ограничена концентрациями приблизительно до 10^-8 моль/л. Так, что в диполь-дипольном приближении интенсивность I в спектрах поглощения пропорциональна частоте света и квадрату матричного элемента. А в случае со спектром люминесценции, интенсивность пропорциональна не только квадрату матричного элемента, но и частоте света в 4-ой степени. Если разделить одно соотношение на другое, то очевидно, что при использовании люминесцентного метода анализа, предел обнаруживаемой концентрации понижается на 3-4 порядка и, измеряемая концентрация может иметь значение порядка 10^-12 моль/л. При этом, предел обнаружения может быть значительно понижен вплоть до концентраций <10^-18 моль/л (W. Schmidt Optical Spectroscopy in Chemistry and Life Sciences, Wiley 2005) за счет охлаждения образца и/или при использовании во время измерений режима накопления сигнала, и/или применением лазерных источников света возбуждения, и/или охлаждением приемников излучения. Именно по этим причинам люминесцентные методы исследования являются одними из самых чувствительных. Однако, люминесценцией обладают не все вещества, способные поглощать излучение. Так, например многие органические соединения, не обладают люминесценцией при комнатной температуре. Отсутствие ее обусловлено процессами диссипации поглощаемого света.

Как это уже было рассмотрено в предшествующем уровне техники, в подавляющем большинстве случаев гомо- (L-L или D-D) и гетерохиральное (L-D) взаимодействие энантиомеров друг с другом различно. В частности речь идет как о химическом образовании связей, об образовании диастереомерных форм, так и о физическом взаимодействии (ассоциации, агрегации, кристаллизации, самоорганизации, супрамолекулярной организации и т.п.). Данное техническое решение основано на этих фундаментальных различиях, что может быть использовано для хирального анализа, определения энантиомерного избытка и энантиомерной чистоты люминесцентными методами без привлечения внешних хиральных реагентов, хиральных неподвижных фаз, анализа изменения поляризации излучения и т.д. В зависимости от вышерассмотренных возможных электронно-колебательных переходов конкретного хирального соединения, люминесцентные исследования могут выявить различия между энантиомерночистыми формами и соответствующим рацематом и, следовательно, позволяют проводить анализ энантиомерного избытка.

В одном из вариантов осуществления данного технического решения, критерием энантиомерного избытка может служить интенсивность люминесценции, в частности а) флуоресценции и б) фосфоресценции, где площадь и высота кривой фосфоресценции и флуоресценции зависят от энантиомерного избытка хирального анализируемого соединения. В данном случае исследуемое хиральное соединение может обладать или не обладать собственной люминесценцией. В последнем случае подразумевается применение люминесцентных зондов.

В одном из вариантов данного технического решения, критерием энантиомерного избытка может служить интенсивность спектров возбуждения а) флуоресценции и б) фосфоресценции.

В одном из вариантов осуществления данного технического решения, критериями энантиомерного избытка могут служить кинетика затухания и времена жизни а) флуоресценции и б) фосфоресценции. Изменение времен жизни и кинетики затухания фотолюминесценции может служить критерием энантиомерного избытка и энантиомерной чистоты анализируемого хирального соединения. В одном из вариантов, хиральный анализ может осуществляться интегрированием и анализом положения чисто электронных 0-0 переходов, что может быть использовано и в случае смесей нескольких хиральных соединений с применением синхронного - асинхронного сканирования спектров флуоресценции и фосфоресценции. Кроме этого, анализ энантиомерного избытка также может осуществляться, основываясь на сравнении квантовых выходов, как флюоресценции, так и фосфоресценций чистых энантиомеров, рацематов и нерацемических смесей. Дополнительно имеется возможность применения других методик, например - охлажд