El dicroísmo circular vibratorio ( VCD ) es una técnica espectroscópica que detecta diferencias en la atenuación de la luz polarizada circularmente izquierda y derecha que pasa a través de una muestra. Es la extensión de la espectroscopia de dicroísmo circular en los rangos infrarrojo e infrarrojo cercano. [1]
Debido a que VCD es sensible a la orientación mutua de distintos grupos en una molécula, proporciona información estructural tridimensional. Por lo tanto, es una técnica poderosa ya que los espectros VCD de enantiómeros se pueden simular utilizando cálculos ab initio , lo que permite la identificación de configuraciones absolutas de moléculas pequeñas en solución a partir de espectros VCD. Entre tales cálculos cuánticos de espectros VCD resultantes de las propiedades quirales de pequeñas moléculas orgánicas se encuentran los basados en la teoría funcional de la densidad (DFT) y los orbitales atómicos que incluyen calibre (GIAO). Como ejemplo simple de los resultados experimentales que se obtuvieron por VCD están los datos espectrales obtenidos dentro de la región de estiramiento carbono-hidrógeno (CH) de 21 aminoácidos.en soluciones de agua pesada . Las mediciones de la actividad óptica vibracional (VOA) tienen, por tanto, numerosas aplicaciones, no solo para moléculas pequeñas, sino también para biopolímeros grandes y complejos como proteínas musculares ( miosina , por ejemplo) y ADN .
Modos vibratorios
Teoría
Mientras que la cantidad fundamental asociada con la absorción infrarroja es la fuerza del dipolo, la absorción diferencial también es proporcional a la fuerza rotacional, una cantidad que depende de los momentos de transición del dipolo eléctrico y magnético. La sensibilidad de la mano de una molécula hacia la luz polarizada circularmente resulta de la forma de la fuerza rotacional. Un desarrollo teórico riguroso de VCD fue desarrollado simultáneamente por el difunto profesor PJ Stephens, FRS, en la Universidad del Sur de California , [2] [3] y el grupo del Profesor AD Buckingham, FRS, en la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, [4 ] y se implementó por primera vez analíticamente en el Cambridge Analytical Derivative Package (CADPAC) por RD Amos. [5] Desarrollos anteriores de DP Craig y T. Thirmachandiman en la Universidad Nacional de Australia [6] y Larry A. Nafie y Teresa B. Freedman en la Universidad de Syracuse [7], aunque teóricamente correctos, no pudieron implementarse directamente, lo que impidió su uso. Solo con el desarrollo del formalismo de Stephens implementado en CADPAC se hizo factible un cálculo teórico rápido, eficiente y teóricamente riguroso de los espectros VCD de moléculas quirales. Esto también estimuló la comercialización de instrumentos VCD por Biotools, Bruker, Jasco y Thermo-Nicolet (ahora Thermo-Fisher).
Péptidos y proteínas
Se han informado extensos estudios de VCD tanto para polipéptidos como para varias proteínas en solución; [8] [9] [10] también se compilaron varias revisiones recientes. [11] [12] [13] [14] En la sección "Referencias" también se proporciona una lista extensa pero no completa de publicaciones de VCD. Los informes publicados durante los últimos 22 años han establecido a la VCD como una técnica poderosa con resultados mejorados sobre los obtenidos previamente mediante dicroísmo circular visible / UV (CD) o dispersión rotatoria óptica (ORD) para proteínas y ácidos nucleicos.
Los efectos debidos al solvente en la estabilización de las estructuras (confórmeros y especies zwiteriónicas) de aminoácidos y péptidos y los efectos correspondientes observados en el dicroísmo circular vibracional (VCD) y los espectros de actividad óptica Raman (ROA) han sido documentados recientemente por una combinación teórica y trabajo experimental sobre L-alanina y N-acetil L-alanina N'-metilamida. [15] [16] También se han observado efectos similares en los espectros de resonancia magnética nuclear (RMN) de los grupos de RMN de Weise y Weisshaar de la Universidad de Wisconsin-Madison . [17]
Ácidos nucleicos
Se han informado y asignado espectros VCD de nucleótidos, polinucleótidos sintéticos y varios ácidos nucleicos, incluido el ADN, en términos del tipo y número de hélices presentes en el ADN A, B y Z.
Instrumentación
El VCD puede considerarse una técnica relativamente reciente. Aunque la actividad óptica vibratoria y, en particular, el dicroísmo circular vibratorio, se conocen desde hace mucho tiempo, el primer instrumento VCD se desarrolló en 1973 [18] y los instrumentos comerciales solo estaban disponibles desde 1997. [19]
Para biopolímeros como proteínas y ácidos nucleicos, la diferencia de absorbancia entre las configuraciones levo y dextro es cinco órdenes de magnitud menor que la absorbancia correspondiente (no polarizada). Por lo tanto, VCD de biopolímeros requiere el uso de instrumentación muy sensible, especialmente construida, así como promediar el tiempo en intervalos de tiempo relativamente largos, incluso con espectrómetros VCD tan sensibles. La mayoría de los instrumentos de CD producen luz polarizada circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha, que luego se modula en forma de onda sinusoidal o cuadrada, con la posterior detección sensible a la fase y amplificación de bloqueo de la señal detectada. En el caso de FT-VCD, se emplea un modulador fotoelástico (PEM) junto con una configuración de interferómetro FTIR. Un ejemplo es el de un interferómetro FTIR modelo MB-100 de Bomem equipado con ópticas / accesorios de polarización adicionales necesarios para registrar espectros VCD. Un haz paralelo emerge a través de un puerto lateral del interferómetro que pasa primero a través de un polarizador lineal de rejilla de alambre y luego a través de un PEM de cristal de ZnSe de forma octogonal que modula el haz polarizado a una frecuencia fija más baja, como 37,5 kHz. Un cristal sometido a esfuerzos mecánicos como el ZnSe exhibe birrefringencia cuando es sometido a esfuerzos por un transductor piezoeléctrico adyacente. El polarizador lineal se coloca cerca y a 45 grados con respecto al eje del cristal de ZnSe. La radiación polarizada enfocada en el detector está doblemente modulada, tanto por el PEM como por la configuración del interferómetro. También se selecciona un detector de muy bajo ruido, como MCT (HgCdTe), para la detección sensible a la fase de la señal VCD. El primer espectrómetro VCD dedicado que se lanzó al mercado fue el ChiralIR de Bomem / BioTools, Inc. en 1997. En la actualidad, Thermo-Electron, Bruker, Jasco y BioTools ofrecen accesorios VCD o instrumentación independiente. [20] Para evitar la saturación del detector, se coloca un filtro de paso de onda larga apropiado antes del detector MCT de muy bajo ruido, que permite que sólo la radiación por debajo de 1750 cm −1 llegue al detector MCT; sin embargo, este último mide la radiación solo hasta 750 cm -1 . A continuación, se lleva a cabo la acumulación de espectros FT-VCD de la solución de muestra seleccionada, se digitaliza y se almacena en una computadora en línea. También se encuentran disponibles revisiones publicadas que comparan varios métodos de VCD. [21] [22]
Modelado de espectros VCD
En 1994, investigadores de la Universidad del Sur de California (USC) , el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (USARL) y Lorentzian Inc., informaron sobre una clasificación de precisión de las técnicas analíticas de mecánica cuántica para determinar teóricamente las frecuencias vibratorias, la fuerza de los dipolos y la fuerza de rotación de un molécula orgánica. Esta clasificación reclamó la teoría funcional de la densidad (DFT) en el nivel de teoría B3LYP / 6-31G * fue el cálculo más preciso y efectivo utilizado para modelar y espectros de dicroísmo circular vibratorio (VCD). [23] Los cálculos de la estructura electrónica, al resolver la ecuación de Schrödinger o la ecuación de Kohn-Sham , se pueden utilizar para obtener información sobre la energía del estado fundamental, la frecuencia de vibración del enlace y la densidad de electrones (Ψ 2 ), y otras características. [24]
Los cálculos teóricos de la energía vibracional a menudo involucran la ecuación de Schrödinger con el operador hamiltoniano . Las computadoras que procesan estos cálculos masivos pueden incorporar la energía cinética de la molécula, así como la gran cantidad de repulsiones y atracciones de Coulombic entre partículas subatómicas. Se dice que los cálculos son muy costosos, ya que son difíciles y llevan mucho tiempo realizarlos. Esto se debe en parte a que la integración de las interacciones electrón-electrón en la ecuación implica determinar las interacciones de intercambio de electrones . [25] Métodos como DFT y el método Hartree-Fock analizan un grupo de orbitales atómicos al que se hace referencia como un conjunto de bases para estimar la función de onda molecular. La función de onda se puede usar para calcular propiedades quiropticas de interés, como frecuencia, longitud de onda, energía, etc. [26] Hartree-Fock opera con un bucle de retroalimentación llamado campo autoconsistente que refina continuamente las estimaciones de la función de onda hasta que el valor cae dentro de un cambio satisfactorio en el umbral de energía que el cálculo converge a una solución de función de onda aproximada. [27] [28]
El estudio realizado por USC, USARL y Lorentzian Inc. analizó los espectros infrarrojos ( FTIR ) y VCD de la molécula quiral 4-metil-2-oxetanona. Las bandas de Lorentz se ajustaron a los espectros FTIR y VCD para obtener su intensidad máxima, ancho de línea y frecuencia, que se pueden usar para inferir propiedades tales como resistencias dipolares y resistencias rotacionales. [24] Estos valores experimentales se compararon luego con los resultados teóricos. Los científicos informaron que los cálculos de DFT se evaluaron con los espectros FTIR y VCD mejor modelados funcionales de B3LYP. Para lograr una mejor relación costo-beneficio, los investigadores recomendaron combinar este método con el conjunto básico 6-31G * . El segundo mejor método informado fue la teoría de perturbaciones de Møller-Plesset de segundo orden (MP2). El tercer y cuarto mejores métodos de cálculo fueron DFT con las funciones BLYP y LSDA respectivamente. Los investigadores afirmaron que los cálculos Ab initio Hartree-Fock Self-Consistent Field (HF-SCF) modelaron espectros FTIR y VCD con la menor precisión en comparación con otras metodologías investigadas. [24]
La importancia de la supuesta mejora en la precisión de los cálculos DFT sobre las técnicas ab initio fue que se informó que los cálculos DFT aceleran la velocidad computacional. Al evaluar un potencial efectivo utilizando la densidad de electrones, que se puede especificar en tres grados de libertad, DFT elude la evaluación de los potenciales culómbicos entre cada electrón, que se especifica sobre 3N grados de libertad (donde N es el número de electrones). El conjunto de bases B3LYP es un híbrido entre términos de intercambio directos Hartree-Fock, así como correcciones locales y de gradiente para interacciones de intercambio y correlación . Por lo tanto, se afirma que el funcional B3LYP modela eficientemente FTIR y VCD de algunas moléculas a través de DFT a una fracción del costo. [24]
VCD magnético
También se han informado espectros VCD en presencia de un campo magnético externo aplicado. [29] Este método puede mejorar la resolución espectral de VCD para moléculas pequeñas. [30] [31] [32] [33] [34]
Actividad óptica Raman (ROA)
ROA es una técnica complementaria de VCD especialmente útil en la región espectral 50-1600 cm -1 ; se considera la técnica de elección para determinar la actividad óptica para energías fotónicas inferiores a 600 cm -1 .
Ver también
- Aminoácidos
- Birrefringencia
- Dicroísmo circular
- Teoría funcional de la densidad
- ADN
- Estructura del ADN
- Espectroscopia de infrarrojos
- Dicroísmo circular magnético
- Modelos moleculares de ADN
- Ácido nucleico
- Dispersión rotatoria óptica
- Modulador fotoelástico
- Polarización
- Proteína
- Estructura proteica
- Química cuántica
- Actividad óptica Raman (ROA)
- Actividad óptica de dispersión de Hyper Rayleigh
Referencias
- ^ Principios de espectroscopia IR y NIR
- ^ Stephens Philip J (1985). "Teoría del dicroísmo circular vibracional". La Revista de Química Física . 89 (5): 748–752. doi : 10.1021 / j100251a006 .
- ^ Stephens PJ (1987). "Dependencia del calibre de momentos de transición dipolares magnéticos vibracionales y fuerzas rotacionales". La Revista de Química Física . 91 (7): 1712-1715. doi : 10.1021 / j100291a009 .
- ^ Buckingham AD, Fowler PW, Galwas PA (1987). "Superficies de propiedad dependientes de la velocidad y la teoría del dicroísmo circular vibracional". Física química . 112 (1): 1–14. Código Bibliográfico : 1987CP .... 112 .... 1B . doi : 10.1016 / 0301-0104 (87) 85017-6 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Amos RD, Handy NC, Jalkanen KJ, Stephens PJ (1987). "Cálculo eficiente de momentos de transición dipolares magnéticos vibracionales y fuerzas rotacionales". Letras de física química . 133 (1): 21-26. Código Bibliográfico : 1987CPL ... 133 ... 21A . doi : 10.1016 / 0009-2614 (87) 80046-5 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Craig DP, Thirunamachandran T. (1978). "Una teoría del dicroísmo circular vibracional en términos de interacciones vibrónicas". Física molecular . 35 (3): 825–840. Código bibliográfico : 1978MolPh..35..825C . doi : 10.1080 / 00268977800100611 .
- ^ Nafie Laurence A., Freedman Teresa B. (1983). "Teoría del acoplamiento vibrónico de transiciones vibratorias infrarrojas". La Revista de Física Química . 78 (12): 7108–7116. Código Bibliográfico : 1983JChPh..78.7108N . doi : 10.1063 / 1.444741 .
- ^ P. Malon; R. Kobrinskaya; TA Keiderling (1988). "Dicroísmo circular vibratorio de polipéptidos XII. Reevaluación del dicroísmo circular vibratorio por transformada de Fourier de poligamma-bencil-L-glutamato". Biopolímeros . 27 (5): 733–746. doi : 10.1002 / bip.360270503 . PMID 2454680 . S2CID 44963475 .
- ^ TA Keiderling; SC Yasui; U. Narayanan; A. Annamalai; P. Malon; R. Kobrinskaya; et al. (1988). "Dicroísmo circular vibratorio de biopolímeros". En ED Schmid; FW Schneider; F. Siebert (eds.). Espectroscopía de moléculas biológicas Nuevos avances . Wiley. págs. 73–76. ISBN 978-0-471-91934-6.
- ^ SC Yasui; TA Keiderling (1988). "Dicroísmo circular vibratorio de polipéptidos y proteínas". Microchimica Acta . II (1–6): 325–327. Código bibliográfico : 1988AcMik ... 2..325Y . doi : 10.1007 / BF01349780 . S2CID 97091565 .
- ^ TA Keiderling (1993). "Capítulo 8. Dicroísmo circular vibratorio de proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos". En IC Baianu; H. Pessen; T. Kumosinski (eds.). Química física de los procesos alimentarios . 2 Técnicas, estructuras y aplicaciones avanzadas. Nueva York: Van Norstrand-Reinhold. págs. 307–337.
- ^ TA Keiderling y Qi Xu (2002). "Caracterización espectroscópica de péptidos desplegados y proteínas estudiadas con espectros de absorción infrarroja y dicroísmo circular vibracional". En George Rose (ed.). Avances en la química de proteínas . 62 . Nueva York: Academic Press. págs. 111-161.
- ^ Keiderling, Timothy A (2002). "Estructura secundaria de proteínas y péptidos y determinación conformacional con dicroísmo circular vibratorio". Opinión actual en biología química . 6 (5): 682–8. doi : 10.1016 / S1367-5931 (02) 00369-1 . PMID 12413554 .
- ^ Timothy A. Keiderling y RAGD Silva (2002). "Revisión: estudios conformacionales de péptidos con técnicas infrarrojas". En M. Goodman; G. Herrman y Houben-Weyl (eds.). Síntesis de péptidos y peptidomiméticos . 22Eb . Nueva York: Georg Thiem Verlag. págs.715-738 (escrito en 2000.
- ^ Jalkanen KJ, Degtyarenko IM, Nieminen RM, Cao X., Nafie LA, Zhu F., Barron LD (2007). "Papel de la hidratación en la determinación de la estructura y espectros vibracionales de L-alanina y N-acetil L-alanina N′-metilamida en solución acuosa: un enfoque combinado teórico y experimental". Cuentas de Química Teórica . 119 (1-3): 191-210. doi : 10.1007 / s00214-007-0361-z . S2CID 53533989 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Han Wen-Ge, Jalkanen KJ, Elstner Marcus, Suhai Sándor (1998). "Estudio teórico de N-acetil-l-alaninaN'-metilamida acuosa: estructuras y espectros Raman, VCD y ROA". El Journal of Physical Chemistry B . 102 (14): 2587–2602. doi : 10.1021 / jp972299m .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Poon Chi-Duen, Samulski Edward T., Weise Christoph F., Weisshaar James C. (2000). "¿Las moléculas de agua puente dictan la estructura de un dipéptido modelo en solución acuosa?". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 122 : 5642–5643. doi : 10.1021 / ja993953 + .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ LA Nafie, TA Keiderling, PJ Stephens, JACS 1973, 98, 2715
- ^ Catálogo de BioTools, página 4 Archivado el 24 de diciembre de 2014 en Wayback Machine
- ^ Laurence A. Nafie (2008). "Dicroísmo circular vibratorio: una nueva herramienta para la determinación del estado de solución de la estructura y configuración absoluta de moléculas de productos naturales quirales". Comunicaciones de productos naturales . 3 (3): 451–466.
- ^ Jovencio Hilario; David Drapcho; Raul Curbelo; Timothy A. Keiderling (2001). "Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier de modulación de polarización con procesamiento de señal digital: comparación de métodos de dicroísmo circular vibratorio". Espectroscopia aplicada . 55 (11): 1435-1447. Código bibliográfico : 2001ApSpe..55.1435H . doi : 10.1366 / 0003702011953810 . S2CID 93330435 .
- ^ Timothy A. Keiderling; Jan Kubelka; Jovencio Hilario (2006). "Dicroísmo circular vibratorio de biopolímeros. Resumen de métodos y aplicaciones". En Mark Braiman; Vasilis Gregoriou (eds.). Espectroscopía vibratoria de polímeros y sistemas biológicos . Boca Raton, FL: CRC Press. págs. 253–324. (escrito en 2000, actualizado en 2003)
- ^ Stephens, PJ; Devlin, FJ; Chabalowski, CF; Frisch, MJ (1994). "Cálculo ab initio de absorción vibratoria y espectros de dicroísmo circular utilizando campos de fuerza funcional de densidad". Revista de Química Física . 98 (45): 11623-11627. doi : 10.1021 / j100096a001 .
- ^ a b c d Más allá de la frontera molecular: desafíos para la química y la ingeniería química . Comité de Desafíos para las Ciencias Químicas en el Siglo XXI, Consejo Nacional de Investigaciones. 2003. ISBN 978-0-309-50512-3.
- ^ "1.2 Cálculos de estructura electrónica" . web.ornl.gov . Consultado el 15 de agosto de 2018 .
- ^ Cresser, JD (2009). Notas de física cuántica (PDF) . págs. 14-26.
- ^ Sherril, David C. (2000). Introducción al orbital molecular Hartree-Fock (PDF) . págs. 1–8.
- ^ "- Convergencia en cálculos de Hartree-Fock" . www.cup.uni-muenchen.de . Consultado el 15 de agosto de 2018 .
- ^ TA Keiderling (1981). "Observación del dicroísmo circular vibratorio magnético". Revista de Física Química . 75 (7): 3639–41. Código bibliográfico : 1981JChPh..75.3639K . doi : 10.1063 / 1.442437 .
- ^ TR Devine y TA Keiderling (1987). "Asignación espectral vibratoria y resolución mejorada mediante dicroísmo circular vibratorio magnético". Spectrochimica Acta . 43A (5): 627–629. Código Bibliográfico : 1987AcSpA..43..627D . doi : 10.1016 / 0584-8539 (87) 80144-7 .
- ^ PV Croato; RK Yoo; TA Keiderling (1989). Cameron, David G (ed.). "Dicroísmo circular vibratorio magnético con un FTIR". Procedimientos de SPIE . Séptima Conf. Intl sobre Espectroscopia de Transformada de Fourier. 1145 : 152-153. Código Bibliográfico : 1989SPIE.1145..152C . doi : 10.1117 / 12.969401 . S2CID 95692003 .
- ^ CN Tam y TA Keiderling (1995). "Medición directa del valor g rotacional en el estado fundamental del acetileno por dicroísmo circular vibratorio magnético". Letras de física química . 243 (1–2): 55–58. Código Bibliográfico : 1995CPL ... 243 ... 55J . doi : 10.1016 / 0009-2614 (95) 00843-S .
- ^ P. Bour; CN Tam; TA Keiderling (1995). "Cálculo ab initio del momento dipolar magnético vibratorio". Revista de Química Física . 99 (51): 17810-17813. doi : 10.1021 / j100051a002 .
- ^ P. Bour; CN Tam; B. Wang; TA Keiderling (1996). "Dicroísmo circular vibratorio magnético resuelto rotacionalmente. Espectros experimentales y simulación teórica de moléculas diamagnéticas". Física molecular . 87 (2): 299–318. Código Bibliográfico : 1996MolPh..87..299B . doi : 10.1080 / 00268979600100201 .