基于太赫兹光谱与密度泛函理论的手性2-苯基丙酸对映体识别及振动模式分析

《Journal of Molecular Structure》：Terahertz absorption spectra of (S)-(+)-2-phenylpropanoic acid, (R)-(-)-2-phenylpropanoic acid and their racemic mixtures

本研究针对手性药物对映体在药理活性、毒性及代谢行为上的显著差异，而传统太赫兹(THz)光谱难以区分镜像对映体的难题，开展了(S)/(R)-2-苯基丙酸(2-PPA)及其外消旋体的THz时域光谱(THz-TDS)实验结合密度泛函理论(DFT)计算的研究。结果表明：溶液状态下对映体与外消旋混合物吸收峰位高度相似但强度存在显著差异；固态与溶液状态的DFT模拟谱高度一致，揭示特征吸收峰源于分子骨架集体振动及氢键主导的分子间相互作用。该工作为手性化合物的精准鉴别提供了新思路。

　　

在药物研发、食品添加剂和生物体系等领域，手性分子无处不在。尤其令人关注的是，手性药物的不同对映体（即互为镜像关系的分子）往往展现出截然不同的药理活性、毒性和代谢行为。一个典型的例子是，其中一种对映体可能具有卓越的治疗效果，而它的“镜像分子”却可能无效甚至产生毒副作用。因此，对手性物质进行精确区分，特别是实现单一对映体的高纯度制备与鉴定，在化学、生物医学及制药工业中具有至关重要的意义。外消旋体是等量左旋和右旋对映体的混合物，其晶体结构主要分为两类：外消旋混合物和外消旋化合物。传统上，利用太赫兹（THz）光谱技术区分外消旋化合物与其对映体已取得一定进展，但针对外消旋混合物的光谱特性研究，以及对映体本身手性特征的直接光谱识别，仍是当前研究的难点和前沿挑战。

2-苯基丙酸（2-Phenylpropanoic acid, 2-PPA）作为最简单的芳基丙酸衍生物，是一种有效的非甾体抗炎药，具有解热、镇痛和抗炎作用。其(S)-对映体((S)-2-PPA)的药理活性显著高于(R)-对映体((R)-2-PPA)。使用高纯度的(S)-2-PPA能有效降低代谢负担，减少毒副作用。然而，在此之前，尚未有研究系统探讨2-PPA及其对映体在太赫兹波段的吸收特征和振动模式。

为了填补这一研究空白，张玉松等研究人员在《Journal of Molecular Structure》上发表了他们的最新成果。他们综合运用太赫兹时域光谱（Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz-TDS）实验技术和密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算方法，对(S)-2-PPA、(R)-2-PPA以及它们的外消旋体（2-PPA）进行了系统的研究。该研究旨在阐明这些化合物在太赫兹波段（0.2-2.2 THz）的吸收特性，深入解析其分子振动模式，并探索区分对映体与外消旋混合物的有效光谱指标。

本研究主要采用了太赫兹时域光谱（THz-TDS）实验技术和密度泛函理论（DFT）计算相结合的方法。实验上，利用钛宝石飞秒激光器激发光导天线产生太赫兹波，通过测量样品和参考物的时域信号，经傅里叶变换和Beer-Lambert定律计算得到吸收光谱。理论上，分别基于单分子模型和晶胞模型，对固态和溶液状态下的对映体进行了振动光谱模拟，以指认特征吸收峰的振动模式归属，并分析分子间相互作用（特别是氢键）的影响。

Experimental system

研究人员搭建了透射式THz-TDS系统。系统核心包括一台中心波长为800纳米、脉冲宽度为80飞秒、重复频率为80兆赫兹的钛宝石飞秒激光器。激光被分束器分为泵浦光和探测光。泵浦光聚焦于叉指型光导天线（IPCA）上产生太赫兹脉冲，探测光则用于对太赫兹信号进行相干探测。样品置于氮气环境中以消除水汽对太赫兹波的强烈吸收。通过改变泵浦光与探测光之间的光程差（时间延迟），可以记录下包含样品信息的太赫兹时域电场波形。

Results and Discussion

实验结果表明，在溶液状态下，(S)-2-PPA、(R)-2-PPA和外消旋体2-PPA在0.2-2.2 THz范围内的吸收峰位置表现出高度的相似性。然而，对映体与外消旋体在吸收强度上存在显著差异。这一发现提示，对于2-PPA这类形成外消旋混合物的体系，尽管对映体与其外消旋混合物的特征吸收峰位可能重叠，但吸收强度可以作为区分它们的一个潜在光谱指标。

进一步结合DFT理论计算，研究人员分别对固态和溶液状态下的对映体进行了振动光谱模拟。计算结果显示，(S)-2-PPA和(R)-2-PPA的模拟光谱呈现出高度一致的特征峰分布，这从理论层面印证了实验观察到的对映体光谱相似性。分析表明，所观测到的太赫兹吸收峰主要来源于分子骨架的集体振动行为以及以氢键为主导的分子间相互作用。特别值得注意的是，当样品从固态转变为溶液状态时，氢键网络的改变会显著影响分子的振动特性及其相互作用模式，从而导致光谱的变化。

Conclusion

本论文基于THz-TDS技术结合DFT计算，研究了(S)-2-PPA、(R)-2-PPA和2-PPA的太赫兹吸收光谱。结果表明：（1）2-PPA属于外消旋混合物，其在溶液状态下的太赫兹吸收峰位置与(S)-2-PPA和(R)-2-PPA高度相似。（2）(S)-2-PPA和(R)-2-PPA在固态和溶液状态下的吸收峰主要源于分子振动和分子间相互作用，其模拟光谱显示出完全一致的分布特征。

研究意义与展望

该研究系统地报道了2-苯基丙酸对映体及其外消旋混合物的太赫兹光谱特性，并通过DFT计算深入揭示了其振动模式的微观机理。研究不仅证实了吸收强度差异可作为区分对映体与外消旋混合物的潜在手段，而且强调了氢键等分子间相互作用在调控太赫兹光谱中的关键作用。这项工作为理解手性分子在太赫兹波段的物理化学行为提供了新的见解，发展了基于太赫兹光谱的手性物质识别方法，对于药物纯化、质量控制以及相关生物医学应用具有重要的科学意义和应用价值。未来研究可进一步拓展至更多类型的手性分子体系，并探索太赫兹技术在复杂生物环境中手性识别应用的潜力。