立体有机化学中国科大-04手性化合物绝对构型的测定

2 “Asymmetric Synthesis Vol.4”.
1
第一节 X— 射线晶体衍射法
1951 Bijvoet 首次用重原子法测定酒石酸铷钠的绝对构型；
1966 已有54个手性化合物用X-ray方法确定绝对构型； 1979 上千个化合物的绝对构型被测定确定。
1、原理：重原子法
I
I'
AI - BI = BI' - AI'
(斜抛物线）
夹角为0°, 180°时，A=0.
0 ~70o90 180
17
CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用
3、两发色团UV lmax 之差的影响
O O OO
R
R
UVλ max Aa
H
230-230 30.9
OCH3 230-257 24.9 N(CH3)2 230-310 14.9
2. 应用与限制
1）优点与特点： A. 不依赖其它方法的权威仲裁； B. 确定新类型化合物构型的唯一可靠方法； C. 含多个手性碳的复杂化合物，可同时确定 所有C*的绝对构型；
D. 用量少（四圆衍射仪——几毫克一个单晶）。 3
X— 射线晶体衍射法
应用实例
H
CH3
Si
Ph
α-Naph
2）限制与不足
H Ph O
6
旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用
旋光色散(Optical rotatorydispersion, ORD) 对同一物质， [α]值的大小与透过光的波长l有关， 比旋光率与波长的关系称为旋光色散(ORD) [α]值通常较小，旋光色散常用摩尔比旋光率[Φ]表示。
[Φ] = [α]M/100 M为旋光物质的分子量。
3.其它情况下的应用
1）含三个以上发色团的化合物
OR
4 RO
32 RO
O OCH3
RO RO
OR OCH3
RO RO
RO
O OCH3
2—3 3—4 2—4
2—3
2—3
3—4
3—4
0
2—4
2—4 0
整个分子的手征性 = 每一对发色团之间手征性之和
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CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用实例
Ph3Si O Br
A. 仪器不普及，费时、价高； B. 许多有机物实际上不能以晶体形式存在，或难以
获得符合要求的单晶；(含有适当原子的合适晶体) C. 不能区分H与D（只有用中子衍射）； D. 结果也可能有错。
4
第二节 旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用 一. 概述
平面偏振光(Plane polarized light)
∆e = eL –eR > 0 正Cotton 效应 ∆e = eL –eR < 0 负Cotton效应
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旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用
有发色团特征吸收的UV 、 ORD、CD三者之间存在如下关系： B
[[Φj]
产生CD,ORD Cotton
0
(+)-Cotton
效应的本质原因
(-)-Cotton
2）非环的二醇、二胺、胺基醇类化合物
H3C BZNH
H
H BZNH
H H
H 以正确的构象分析为基础
H
OBZ
S
R
H
CH3
H3C
H
H
H
NHBZ
OBZ
H
OBZ
H
OBZ
NHBZ
CH3
最有利的构象 但θ=180°
对激发态偶 空间障碍太大 合贡献最大 存在几率小
无激发态偶合
S
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CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用实例
在I(I')处的干涉图相同
不能区分对映体 A
BB
A
将A换成重原子，并用波长接近重原子吸收边缘的 Anomalous X-光照射, 则A的衍射会产生一个位相滞后，此时： dispersion
AI - BI
增大 干涉图不再相同
可区分对映体
BI' - AI' 减小
2
X— 射线晶体衍射法
引入重原子的方法
有机酸 重金属盐 有机碱 碘化物或溴化物 较轻的原子也有“反常衍射”，但很小，不足以区别； 引入高性能计算机，可在短时间内进行大量数据处理， 从而实现对含 O、N、S、P 等原子的化合物结构测定。
当两发色团距离增大，这种对应关系的性质不变， 但振幅降低。
BZHN HOOC
H
NHBZ
a = 4.4
BZHN HOOC
H
NHBZ
a = 2.3
BZHN HOOC
H
NHBZ a = 0.4
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旋光谱和圆二色性谱在饱和环酮类化合物上的应用
Cotton效应与羰基化合物间的半经验规律
饱和环酮八区律 a,b-不饱和酮八区律 内酯扇形区规律 共轭双烯和共轭不饱和酮的螺旋规律
O* N H
H
N
S
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CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用实例
用于含两个不同发色团的化合物
实例例②-2 环状烯丙醇
OB2 H
OB2 H
转环作用 不影响手 征性符号
差别大，振幅小
λmax
OBz
195nm 230nm
主要看230nm处的
第一Cotton效应 23
CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用实例
由已知构型确定特定化合物的绝对构型
CH3
?
(+)-乳酸与(-)-苦杏仁酸的构型相关 H OH
COOH
乳酸
OH
Ph C COOH
H
苦杏仁酸
CH3 H OH
COOH
S – (+)
CH3 BrMg(CH2)5MgBr
H OCH3 COOH
CH3
H OCH3 OH
构型不变
COOH H OH
CH3 H OH
CH3 H OCH3
已知S-(+)
甲基异丙 烯基甲醇
摩尔椭圆度：[q] = 3300 ∆e
∆e或[q]随入射偏振光的入射变化而变化，以∆e或[q]为
纵坐标，入射光波长l为横坐标，便得到圆二色性谱—
—CD谱。
∆e ∝ λ200-700nm
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旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用
Cotton 效应
左、右圆偏振光通过不对称介质（手性物质）时， 介质对左、右圆偏振光的吸收不同，即消光系数值 不同eL≠eR ，两者之差可为正值，也可为负值；但 其正值或负值是其结构特征上的不同的反映 —— 称之为Cotton 效应。
在确定手性分子绝对构型上的应用
(三）影响激发态偶合作用的因素
1. 两发色团之间距离大小的影响 振幅 A = ∆e1- ∆e2 1/r2
R①
O R= O C
N(CH3)2
R
③
R R②
第二个R ① ② ③ aA 94.9 57.8 6.0
2. 两发色团偶极矩之间夹角大小的影响
a
夹角为70 °时，A 最大;
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CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用
（四）应用实例
例 ① HO
HO rishitin
天然抗微 菌产物
BZO BZO
20
BZO OBZ
10
0
-10
负Cotton 效应
-20
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CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用实例
例②
OH
H
* COOH O
(+)-Cis-abscisic acid
旋光谱：Optical Rotatory Dispersion (ORD) 比旋光度— [a]t200-700nm（[Φ]）随波长l的变化关系。
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旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用 圆偏振光(Circular polarized light)
振幅保持不变，而方向周期变化， 电场矢量绕传播方向螺旋前进. 向着光源方向观察，
第一负 第二正
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CD激发态偶合方法
在确定手性分子绝对构型上的应用
（二）适用于激发态偶合的发色团
1. 必须有强的p—p*跃迁吸收带； 2. 跃迁的偶极矩在分子的几何形状上有确定的方向。
例： X
O CO
偶极矩方向确定
偶极矩方向不确定
常用的发色团
O
XFra Baidu bibliotek
CO X
O H
CN
C CH
O O
CN
O O
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CD激发态偶合方法
向着光源方向观察，偏振面按顺时针方向旋转，称为右旋， 用“+”号表示；偏振面按逆时针方向旋转的，称为左旋，用 “-”号表示。
旋光物质的比旋光率[α]
[α]λ t =
αλ t C×L
(C=g / ml)
或
[α]λ
t
=
αλ t×100 C×L
(C=g /100ml)
[α]单位是度•厘米2•10克-1
Ryback 用激发态CD测
OH
*S O
O 正Cotton 效应
重要的植物生长调节剂
但对C*的构型长期意见不一 O
OH *S
H COOH
20
CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用实例
例③
H3C CH3O
H3C HO O
OH OH O
很强的 CD激发态
OH CH3
OCH3
CH3 OH OH
第四章 手性化合物绝对构型的测定
需要 对映体构效关系研究 新获得的光学纯化合物必备的理化数据
测定 手性识别机理
方法 X— 射线晶体衍射法；旋光光谱法； 与已知构型的手性化合物关联法。
可利用的资料： 1“ Atlas of stereochemistry” 1500个“key”化合物
为结点将7000个手性化合物组成363张构型联系图 （1976年前发表的绝大部分手性化合物）;
平面偏振光可以分解成两束相位相等而旋转方向相反的圆 偏振光的加和；
两束相互垂直而相位相差1/4波长的平面偏振光可以加和成 一束圆偏振光；
当振幅相等，并同步的左、右圆偏振光相加，则产生平面 偏振光；如果这两束圆偏振光的振幅不等则产生椭圆偏振光
(elliptically polarized light)
Ph
CH2NH2 NaBH4 Ph
CN
CoCl2
CF3
TMPEA
CF3 dl
CF3
(S)-(-)- Ph
COOH
OCH3
CF3 O
Ph
C Cl
OCH3
CF3 O
Ph
C NH2
OCH3
每一步反应都 不涉及手性中 心的化学键！
CF3
Ph
CH2NH2
OCH3
(+) S
CF3
Ph
CN
OCH3
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化学相关法确定绝对构型
电场矢量方向按顺时针方向旋转的，称为右圆偏振 光；
8
旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用
圆二色性(Circular Dichroism, CD)
叠加原理
光学活性分子对左、右圆偏振光的吸收也不同， 使左、右圆偏振光透过后变成椭圆偏振光，这种 现象称为圆二色性。
一束自然光可以分解或看作两束相互垂直而没有相位关系 的平面偏振光的加和；
OORRDD
[q]
发色团能级跃迁受到
(+)-Cotton 不对称环境的影响
0
(-)-Cotton
CD 可以根据谱线的Cotton效应
ε
性质，推知分子的立体构型。
其中建立在严格理论计算基
础上的CD激发态偶合方法
lmax
UV 在测定手性分子的绝对构型
上最有用。
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CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用
更一般的用于
正
Cotton 效应
Singueanol
从东非药用植物中 分离出的抗菌剂
R R
21
CD激发态偶合方法
在确定手性分子绝对构型上的应用实例
2. 用于含两个不同发色团的化合物
实例-1
Cl
H
HO *
H
N
C-C键可旋转
H
O H
HN O
*
N
R
N
HO
O O
Cl
优势构象 (大基团出于对位交叉)
Cl
O H
9
旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用
10
旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用
圆二色性谱: Circular Dichroism (CD) 手性分子对左、右圆偏振光的吸收系数不同，称圆二色性。
吸收(率)差： ΔA = AL–AR
椭圆度θ，摩尔椭圆度[θ]
∆e = e L –eR
θ = 2.303(AL–AR)/4 [θ] = 3298(εL-εR) 3300 (εL-εR)
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旋光谱和圆二色性谱在饱和环酮类化合物上的应用
饱和环酮八区律
Cotton效应
R R
O
R R
O
5
4
6
O
3
1
2
5
43
6 12
+-+
后四区
-+ +-
前四区
28
第三节 用化学相关法确定绝对构型
一.用不涉及手性中心的化学反应
由已知构型确定特定化合物的绝对构型
CF3
Ph
COOH
OCH3
MTPA
?
OCH3
OCH3
平面偏振光特点： 振动方向保持不变, 振幅发生周期性变化.
5
旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用
平面偏振光(Plane polarized light)
一束平面偏振光通过光学活性分子后，由于左、右圆偏振光 的折射率不同，偏振面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光 (Optical rotation)，偏振面旋转的角度称为旋光度。
CH3 H OCH3
(+)
(+)
SS
(-)
R
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化学相关法确定绝对构型
由已知构型确定特定化合物的绝对构型
甲基特丁基甲醇与甲基异丙基甲醇的构型相关
CH3 H OH
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
H OH
H OH
CH2
H3C
CH3
中介化合物
CH3 H OH H CH3
CH3
CH3 H OH
H
CH3
CH3
CD裂分Cotton效应
发色团的空间取向存在如下关系：
定性定义
定量定义
Cotton效应
正的手征性
顺时针
Rij·(μioa ×μjoa)·Vij>0
第一正 第二负
负的手征性
Rij·(μioa ×μjoa)·Vij<0
逆时针
Rij — 发色团间的矢矩； mioa — 发色团的电子跃迁偶极矩； Vij — 发色团间的相互作用能。