利用含氟探针分子对复杂体系中痕量手性分析物进行实时区分与检测

Detection and discrimination of enantiomers in complex mixtures without separation and purification are very important in various fields. Although the existing techniques, including chiral high-performance liquid chromatography, circular dichroism, and X-ray single-crystal diffraction are able to distinguish enantiomers, purification and separation are usually required to obtain reliable results. In this project, we aim to address these limitations by combining the advantages of 19F NMR with reversible host-guest interactions. A series of fluorine-labeled probes with chiral binding pockets will be designed and synthesized. The recognition of enantiomers will lead to distinct distances between the chiral analyte and the fluorine atom on the host, thereby producing resolvable 19F NMR signals used for chirality differentiation. The introduction of large amounts of chemically equivalent fluorine atoms to the probe will significantly increase the detection sensitivity, which allows for the direct analysis of low-concentration chiral analytes in complex mixtures. In addition, by combining the 19F NMR signals, heteroatomic NOE experiments, and DFT calculations, we will develop a reliable method for the rapid determination of the absolute configuration of chiral analytes. As a result of the low background signal and high sensitivity of 19F NMR, the probes developed in this project are promising for application in nuclear magnetic imaging to enable the in-vivo visualization of multiple target chiral analytes.

在不进行分离的条件下对复杂体系中的手性化合物进行区分、检测对诸多领域都有重要意义。尽管目前已有手性高效液相色谱、圆二色谱、X-射线单晶衍射等手段可对手性化合物进行区分，这些技术通常都需要对样品进行纯化、分离。本项目拟基于核磁共振氟谱及主客体可逆相互作用，设计合成一系列具有不同手性空腔的含氟探针分子。手性空腔的存在会导致被识别的镜像异构体与探针上氟原子空间距离不同，从而产生化学位移存在差异的氟谱信号用于检测。通过在探针分子中引入大量等价的氟原子，可以极大提高检测的灵敏度，实现复杂体系中痕量的手性分析物的直接检测。同时，本项目将核磁氟谱信号、异核NOE实验与DFT量化计算相结合，发展一种快速可靠的分子绝对构型判定方法。由于核磁共振氟谱背景信号低且具有高灵敏度，本项目中发展的探针分子有望应用于核磁共振成像技术，实现活体内多种手性分子的原位检测。

快速区分检测复杂体系中的手性分析物对药物质量控制、不对称反应条件筛选及生物机制研究等诸多领域都具有重要意义。目前，手性高效液相色谱是进行手性区分检测最常用的手段，然而该方法基于色谱分离，需要对样品进行预先纯化且难以应用于快速高通量分析检测。本项目基于核磁共振氟谱及主客体可逆相互作用，设计合成了一系列具有手性识别空腔的含氟探针分子。这些探针分子具有空间受限的手性识别空腔，与手性分析物相互作用时可以产生类似色谱峰的特征氟谱信号用于进行手性区分检测。这种方法不仅可以快速区分醇、酰胺、环醚、亚砜等大量结构不同的手性化合物，也可以用于多个不同种类手性物质的同时检测。项目发展了基于路易斯酸-碱对手性检测体系，利用不同的有机碱调控体系手性区分检测效果，实现了多达16个结构相似的手性分析物的同时区分检测。通过在手性探针中引入大量等价的氟原子，显著提高了手性检测的灵敏度，准确测定了分析物含量少于1微克样品的手性组成。当使用具有自动进样功能的核磁共振波谱，该方法在一天内可以完成超过1000个样品的手性分析，满足高通量筛选的测试需求。此外，利用特征氟谱检测信号可以对手性分子的绝对构型进行快速判断，为液体及非晶样品的构型确定提供新的途径。本项目的研究为快速手性区分及立体构型判断提供了新的手段，进一步拓展了核磁共振技术在手性分析中的应用。项目发展的方法具有快速无创的特点及多组分分析能力，可以用于解决复杂体系中手性物质原位检测的难题。