真空下探测手性色谱体系：非对映异构CuII-脯氨酸-酪氨酸配合物的低温离子阱激光光谱研究

《Physical Chemistry Chemical Physics》：Probing chiral chromatography systems in vacuo: cryogenic ion trap laser spectroscopy of diastereomeric copper(ii)-proline-tyrosine complexesOpen Access

　　

Cu^II-脯氨酸-l-酪氨酸和Cu^II-脯氨酸-d-酪氨酸配合物离子（分别记为ll和ld）在手性配体交换色谱（chiral ligand-exchange chromatography, CLEC）中具有重要作用。这些单电荷配合物含一个中性氨基酸配体和一个阴离子氨基酸配体，已在低温离子阱（cryogenic ion trap）中分离，并通过3 μm区和指纹区（fingerprint region）的激光光谱表征。两种非对映异构体可由其振动光谱清晰区分。由红外-红外（IR–IR）空穴燃烧光谱推断，ll存在两种不同异构体，ld存在三种不同异构体。量子化学计算表明，ll和ld均存在两种平面正方形（square planar）结构：一种涉及Tyr去质子化，另一种涉及Pro去质子化。尽管性质相似，相应的ll与ld结构在Tyr芳环和Pro环的相对位置上不同：在ll中二者位于N/O?Cu?N/O平面同侧，在ld中位于异侧；二者还因脯氨酸环的褶皱状态（endo或exo）不同而不同。此外，ld配合物以含Pro两性离子（zwitterion）形式的动力学捕获结构为特征，具有非常特征的光谱信号。该发现证实两性离子结构在氨基酸铜簇化学中的作用。

研究背景：手性配体交换色谱（chiral ligand-exchange chromatography, CLEC）自Davankov于20世纪70年代发现以来，广泛用于对映体（如α-或β-氨基酸）分离。该技术依赖手性配体与过渡金属离子（如Cu^II、Zn^II、Ni^II）形成的配合物作为手性选择剂；常用铜(II)-氨基酸配合物，尤以l-Pro参与者常见。选择剂可固定于固定相或加入流动相；分离涉及吸附-脱附及与洗脱液的复杂耦合平衡，效率受配体交换动力学和热力学、pH及环境强烈影响。由于难以区分选择性相互作用与环境效应，气相实验有利于在分子层面理解混合配体配合物形成和天然氨基酸识别。电喷雾电离质谱（electrospray ionisation mass spectrometry, ESI-MS）动力学方法（Cooks等）通过三级配合物(A₂BCu^II-H)⁺裂解效率比较手性识别；Tao等以Pro为A、Phe或Tyr为B得到R值9.2和7.4，与色谱选择性一致。碰撞诱导解离（collision-induced dissociation, CID）结果提出二聚体为Cu^II与两个双齿氨基酸的平面正方形（square planar）配合物；三聚体主要经配体丢失解离，也可经CO₂丢失或Cu^II→Cu^I的对映选择性还原（涉及两性离子，zwitterion，即同一分子内同时带正、负电荷的形式）。离子迁移谱（ion mobility spectrometry, IMS）结果显示Pro₂TyrCu^II+、Pro₂PheCu^II+及ProPheCu^II+两对映体碰撞截面不同，但ProTyrCu^II+二聚体无差异，故二聚体结构在手性选择中的作用不清楚。为此，研究人员以[Cu^II(l-Pro l-Tyr)-H]⁺（ll）和[Cu^II(l-Pro d-Tyr)-H]⁺（ld）为对象，结合低温离子阱构象选择性激光光谱与量子化学计算开展研究，以期在无环境干扰条件下解析非对映异构配合物结构及手性识别机制。其意义在于从分子层面理解CLEC相关混合配体形成与氨基酸识别，并检验两性离子在氨基酸铜簇化学中的作用。

关键技术方法：样品经电喷雾电离（electrospray ionisation, ESI）进入气相，质量选择后导入4 K低温四极离子阱（quadrupole ion trap, QIT），在H₂/He缓冲气中碰撞冷却至约10 K并形成H₂标记离子；以可调红外激光诱导H₂丢失，记录红外光解离（infrared photodissociation, IRPD）光谱，并用泵浦-探测红外-红外（IR–IR）耗尽/双共振获得构象选择性光谱。理论计算用构象-旋转异构体采样工具（conformer–rotamer sampling tool, CREST）进行构象采样，在B3LYP-D3BJ/def2TZVP水平进行密度泛函理论（density functional theory, DFT）优化和频率计算，并以Gibbs能量辅助谱图归属。研究所用样品为实验室配制甲醇溶液，无样本队列来源。

研究结果：
3.1 实验光谱：通过比较ll与ld的IRPD光谱，3 μm和指纹区均显示差异；酰胺I/II（1600–1800 cm^?1）和羧基自由ν(OH)（约3510 cm^?1）对手性不敏感，而高于3600 cm^?1的酚羟基自由ν(OH)及3250–3400 cm^?1的ν(NH)差异明显；ld在约3080 cm^?1有ll没有的强带，酚羟基自由ν(OH)区ll与ld分别呈两峰和三峰。通过以特征峰为探针的IR–IR耗尽实验，明确ld存在三种异构体、ll存在两种异构体。
3.2 计算结构：计算表明双齿N?CO螯合的平面正方形结构最合理；去质子化可在Pro或Tyr；双羧酸根氧配位结构能量高逾60 kJ mol^?1且与实验不符；中性氨基酸经NH₂和CO配位更稳定。ld中ld-1为Tyr去质子化并匹配3281 cm^?1探针谱，ld-2为Pro去质子化、能量高7.2 kJ mol^?1并匹配3605 cm^?1；ld-Z含Pro两性离子、能量高87.9 kJ mol^?1但匹配3615 cm^?1，属动力学捕获并被溶剂化稳定。ll中ll-alt为Tyr去质子化、比ld-1高11.8 kJ mol^?1但谱匹配较差；ll-1为Pro去质子化（12.7 kJ mol^?1）匹配3595 cm^?1，ll-2为Tyr去质子化（15.0 kJ mol^?1）匹配3625 cm^?1。ll与ld均为紧凑结构，Tyr芳环与Cu相互作用；与[Cu(l-Tyr)₂(H₂O)]·H₂O固态结构相比，畸变可由阳离子-π（cation?π）相互作用及Pro环构象限制部分解释。
3.3 对映选择性：通过结构比较和能量分析，非两性离子配合物均呈方形平面N/CO配位并折叠紧凑；ld略更紧凑，Cu到芳环中心距离更短，非折叠结构高约20–40 kJ mol^?1且谱不符。Pro氮为S构型；非两性离子ld中Pro环为endo，ll中ll-1为exo、ll-2为endo。主要差异为ll中Pro五元环与Tyr芳环同侧、ld中异侧，ll的位阻使ld更稳定；折叠源于cation?π相互作用和Pro环构象限制，是手性识别的原因。与CLEC比较，l-Pro固定于硅胶、l/d-Tyr处于流动相，Cu^II为四面体并由硅胶氧和水补全；CLEC中ll保留更强（同手性），与气相计算的异手性偏好相反，可能因水补全溶剂壳。ld-Z虽能量高仍被观测，说明该结构在溶液中应有显著布居，并因两性离子溶剂化而被动力学捕获；连续甲醇溶剂模型未显著改变能量排序，显式甲醇可能更真实；该结果与[Cu(l-Tyr)₂(H₂O)]·H₂O中水参与配位相符。

讨论总结：该研究说明ll与ld的谱学差异来自去质子化位点、Pro环褶皱及Tyr芳环相对取向；cation?π相互作用与Pro环刚性导致折叠构象并控制手性识别。气相1:1配合物能学显示异手性偏好，与溶液CLEC保留顺序相反，提示硅胶固定相和水合壳在色谱选择性中不可忽略。ld中Pro两性离子结构虽高能但可动力学捕获，支持两性离子作为铜-氨基酸簇反应中间体的观点。

研究结论（译）：[Cu^II(l-Pro l-Tyr)-H]⁺与[Cu^II(l-Pro d-Tyr)-H]⁺配合物离子已通过构象选择性振动光谱和量子化学计算表征。两种非对映异构体配合物离子可由3 μm和指纹区的红外特征清晰区分。最丰富的配合物为平面正方形结构，其中Pro或Tyr去质子化。ld与ll平面正方形配合物之间的差异源于金属与Tyr芳环之间的cation?π相互作用以及脯氨酸的刚性。ld配合物以含去质子化Tyr和Pro两性离子的动力学捕获结构为特征。该配合物也是平面正方形结构，但其配位涉及四个氧原子，因而与上述结构完全不同。1:1配合物的能量学显示明显的异手性偏好，并不反映溶液中的保留时间；这突出了脯氨酸所接枝硅胶以及水闭合溶剂壳的作用。两性离子的存在与此前质谱研究提出的Cu^II还原机制一致。动力学捕获两性离子的观察证实此类结构在氨基酸铜簇化学中的作用。目前正在开展Cu^I配合物和更大簇的研究，以更好地理解这些体系。