对映体识别_不对称合成中的新概念

+ LiAl H4 / TiCl3
O
THF
5 dl
+
6
7
dl
dl
C2
C2
图5
+
8 meso σ
+
9 meso
i
表 1 各构型产物含量
5
6 ( 1R ,1′R + 1S ,1′S) 7 ( 1R ,1′R + 1S ,1′S)
8 ( 1R ,1′S)
9 ( 1R ,1′S)
1R 1R ,1S
34. 8 24. 3
P( C6 H5 ) 3 CD2 PF6
( S)214
图7
Re
( C6 D5 ) 3 P
NO
CH2 CH2 PF6
( R)215
形成如上的结果可能与反应过程中 , 对映体之间相互作用形成的二倍体中间物的稳定性以及
反应的活化能间存在差别有关 。
4. 手性放大和对映体识别
近年来 ,不对称合成中发现了手性放大现象 。从分子水平上的机理研究表明 ,反应呈现手
则表现为一种正的非线性效应 。例如 : 日本的 Oguni[14 ] 、Noyori[15 ]等研究小组在 Et2 Zn 参与苯甲
醛的加成反应中 , 先后发现了手性放大现象 , 并对其机理作了详细的研究 , 以 Noyori 的工作为
例 (图 8) :
PhCHO + Et2 Zn
16
17
2 % ( - )2DAIB Toluene ,0 ℃
的二倍体 。
Claudio Luchinat[10 ]等在无手性助剂的条件下 ,通过 NMR 实验决定 1022二醇的对映体光学 纯度 。他们将手性 1022二醇作成二丁基氧化锡的衍生物 (图 4) :
OH H
3
图3
RO R
Sn
O O
Sn R
OR 4a
mesodimer 含 i
R = n2C4 H9 图4
对映体识别的现象在固体中是广泛存在的 , 它是晶格形成时的一条基本原则 。由于自体
19
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D
A
D
A
D
A
同手性二倍体 (homochiral dimer)
自体识别
A D
图2
D
A
A
D
异手性二倍体 (heterochiral dimer)
异体识别
识别和异体识别的竞争 ,外消旋溶液在结晶时可形成纯对映体或外消旋体 ,如前述的外消旋的 酒石酸钠铵在低于 27 ℃下得到两种纯对映体的晶体 , 表现出自体识别优于异体识别 。对映体 识别在升华过程中也很显著 , Kwart 和 Hoster[2 ]发现 , 将部分拆分的α2乙基苄基苯基硫醚置于 真空干燥器中 ,然后减压 ,过量的那种对映体首先升华 ,而剩下外消旋物质 。
对映体识别和作用的现象在运用偏振仪 、核磁仪 、量热计等进行的测量实验中均能观测
到 。它能够引起一些非光学性质的变化 ,如介电常数[6 ] 、沸点[3 ] 、红外[7 ] 、核磁谱[8 ]等和纯对映体 间往往有细微差别 。这种差别在对映体的拆分 、对映体纯度的测定和一些化学反应中均起着
重要作用 。
1. 对映体的拆分 利用结晶 、升华 、沸腾等过程中由于对映体识别而产生的溶解度 、升华点 、沸点等性质的差
自然界中无不存在着手性物质 ,组成生物基本物质的氨基酸和糖类都具有手性 。因此 ,生
物体内的所有底物和受体的相互作用 ,生物体内的分子识别都和手性有关 。在日常生产 、生活
中 , 大量的医药 、农药 、香料也都和手性密切相关 。不对称合成已成为有机合成中最为活跃的
领域 。本文拟就其发展过程中出现的一个新概念对映体识别进行阐述 。
异 ,可进行对映体的拆分 。这在前面已有介绍 。再以升华为例 : Paquette[9 ]等通过升华使外消旋 的手性醇 3 (图 3) 自动拆分 。在 20 ℃、217 ×103 Pa 下减压几天 ,得到的升华物质经 X 射线衍射 分析为纯对映体 ,而剩余的是外消旋物质 。
2. 对映体纯度的测定 T. Williams[8 ]等发现在非手性溶剂中 , 外消旋的二氢奎宁和光学纯度的二氢奎宁的1 HNMR 谱是不等价的 。当 R2构型 ∶S2构型不是 1 ∶1 的关系时 ,一些质子可观察到两套峰 ,并且峰面 积与每种对映体的浓度相应成比例 。这种结果被解释为对映体之间倾向于形成同构或者异构
图8
H
OH
Et
97 % yield 18 98 % ee
( - )2DAIB =
NMe2 OH 19
助剂 ( - ) 2DAIB ( ( - ) 232exo ( dimethylamino) borneol) 是必需的 ,当用 ( - ) 2DAIB 本身只有 15 % ee
值时 ,反应得到的 ( S) 2醇的 ee 值可达 98 % ,即配体的 ee 值和产物的 ee 值不呈线性关系 。
一 、 对映体概念的产生
早在 1848 年 , 巴斯德在研究酒石酸钠铵的晶体结构时发现 ; 外消旋酒石酸钠铵盐在低于
27 ℃时结晶 ,得到两种晶体 ,它们的构型相当于实物与镜象的关系 ,外形相似 ,但不能重叠 。巴
斯德由晶体的外形联想到酒石酸钠铵的内部结构 , 认为晶体有旋光性是由于其分子内部的结
构具有不对称性的缘故 。 1874 年 , Van′t Hoff 和 Lebel 提出了碳的正四面体学说 ,从而阐明了对映体 的概念 —两种构型互为镜象关系而不能重合的两 个分子 , 称为对映体 。以只存在一个手性中心的乳 酸为例 , 连有四个不同基团的碳原子在空间有两种 排列方式 (图 1) , 它们的关系就如实物与镜象的关 系一样 , 1a 和 1b 即为一对对映体 。
Et2 Zn :
( - )2DAIB
( S) 212苯基丙醇
产率/ %
ee/ %
源自文库
醛形成的络合物 ,自锌原子向
1
1
0
0
-
醛的羰基碳原子迁移 。通过对
1
1
1
1
0
反应中间络合物进行
1
2
2
0
-
1
2
1
88
98
1 HNMR、X 射线单晶分析 、分
2
2
1
49
96
子量测定 、动力学测量等方法
100
50
1
48
98
研究 , Noyori 提出反应机制 ,
体间发生作用时 , 以形成二倍体为例 , 同种分子中的 D 和 A 的结合是和对映体之间的 D 和 A
的结合不同的 ,这就构成了自体识别和异体识别 (图 2) 的差异 ,它们分别对应着形成同手性二
倍体和异手性二倍体 (图 2) 。我们称对映体之间的自体和异体识别作用为对映体识别[1 ] ,它是
手性识别的一种 。
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性放大与催化剂的对映体识别有关 。所谓手性放大 ,是指在不对称合成中 ,使用低光学纯度的
好相反 , 偶合时它们各自表现出自体识别的绝对优势 , 形成 ( S) 2全氘代乙烯的和 ( R) 2 乙烯的 π2络合物 14 和 15(图 7) :
1
1
+
2
+
2
Re
ON
P( C6 H5 ) 3
CD2 PF6
( S)212
( C6 D5 ) 3 P
Re NO
CH2 PF6
( R)213
Re
ON CD2
RO R
Sn
O O
Sn R
OR 4b
chiraldimer 含 C2
20
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其中 4a 比 4b 要稳定 , 它们的13C NMR 谱表现出差异 , 并且信号分裂后的相对强度反映了混和 物中 R、S 的相对量 ,呈良好的线性关系 。这种测定对映体光学纯度的方法是简单而精确的 。计 算表明 , 不能形成异构二倍体的体系不能表达出这种信号分裂 。在异构二倍体优先形成的条 件下 ,体系将表现出最大的自我识别能力 ,其纯度测定范围也变得更为宽泛 。
物质作为手性助剂得到高光学纯度产物的现象[14 ] 。而一般地 , 部分拆分的手性助剂参与的不
对称合成中存在着线性关系 : eemax = ee产物/ ee手性助剂 ( eemax是理论光学产率 , 即 100 %的光学纯手
性助剂所对应的光学产率 , 它对于一定的不对称合成反应体系为一常数 , eemax ≤1) 。手性放大
在上述反应中 , 乙基锌必须相对于 DAIB 是过量的 , 反应才可以发生 (表 2) 。实验结果表
明 ,一般有两个锌原子同时对 一分子醛的乙基化起作用 ,烷 基迁移通过由一分子 ( - ) 2DAIB 和两原子锌及一 分 子
表2 苯甲醛 、乙基锌 、( - )2DAIB的摩尔比对反应结果的影响
PhCHO :
COOH
C* HO
CH3 H D2( - )2乳酸
1a
HOOC
图1
*C OH
H CH3
L2( + )2乳酸 1b
二 、 对映体相互作用及识别
对映体的两种构型之间存在着选择性的分子间相互作用 。基态分子间的相互作用或反应
过渡态的稳定化 ,有很多是与电子给体 (donor ,D) 和电子受体 (acceptor ,A) 的亲和力有关 。对映
溶液中对映体间的相互作用一般较固相为弱 ,而且存在着动态平衡 ,但这种作用对于其物 理和化学行为的影响是不能低估的 。 C. J . Mac Ginn[3 ]研究了部分拆分的对映体混和物形成的 溶液 , 发现由于形成了不同的二倍体 (或多倍体) , 它们之间的沸点存在差异 , 因而形成非对映 体共沸物 ,利用这种性质可以使过量的那种对映体优先被蒸出 ,达到纯化的目的 。
50
50
1
97
98
认为参与反应过程中的 ( - ) 2DAIB 与 R2 Zn 形 成 了 如 图 9
反应条件 :无水脱气甲苯 ,氩气 ,0 ℃。
中 (2S ,2′S) 220 的双核结构 。对于部分拆分的 ( - ) 2DAIB 与 R2 Zn 反应 ,存在如下平衡关系 :
( CH3 ) 2
N
R
1
第 12 卷 第 1 期
1997 年 2 月
对映体识别
———不对称合成中的新概念
李越兰 关烨第
(北京大学化学与分子工程学院 100871)
摘要 对映体识别指的是同种构成的对映体之间的相互作用 。这种现象广泛存在于固相 、液 相中 。本文讨论了对映体识别对于溶液的物理 、化学性质的影响 ,以及它在对映体拆分 、纯度测定等 方面的应用 ,并介绍了由它引起的手性放大这一不对称合成中的新发现 。
自体识别和异体识别哪种作用占优势 ?一般认为与空间的和电性的因素有关 。 L. Salem[4 ] 等计算了当手性分子的对映体之间形成二倍体时的相互作用能 , 发现同手性二倍体和异手性 二倍体的作用能是有差别的 , 此能量差可以用来衡量对映体识别的大小程序 。 David Andel2 man[5 ]等还从分子力场的角度进行了计算 ,得出判断丙氨酸模型中何种识别为优先的标准 。
65. 2 40. 6
-
-
8. 9
26. 2
在 Fe (CO) 5 作用下 ,降冰片 252烯 222酮生成环戊酮衍生物 (图 6) :
O
O
O
O
10
11
图6
反应中 R2识别 R2构型 ,S2识别 S2构型 ,单一地形成同种构型的衍生物 ,专一性很好[12 ] 。
另外 , 在铼卡宾络合物间的偶合反应里[13 ] , 同手性的偶合亦占优势 。 12 和 13 的构型正
2
Zn
O
O
Zn
R
N
( CH3 ) 2 ( 2S ,2′S)220
含 C2
( CH3 ) 2
N
R
1 2
Zn
O
O
Zn
( CH3 ) 2 N
Zn R
2O ( 2S)230
+
←
O2
R Zn N ( CH3 ) 2
( CH3 ) 2
N
R
Zn
O
O
Zn
R
N
( CH3 ) 2
( 2S ,2′R)220
meso 含 i
R
N
( CH3 ) 2 ( 2R ,2′R)220
含 C2
( 2R)230 图9
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3. 对映体识别和化学反应 1976 年 , B. Feringa[11 ]等研究了对映体识别及其相互作用对化学反应的影响 。他们以天然 ( + ) 2樟脑和外消旋樟脑 (22莰酮) 分别作为反应物 ,进行还原偶合反应 ,得到如下结果 (图 5) : 得到产物 RR ∶RS 的比例为 65 ∶35 ,表现出了同种构型的还原偶合占优势 。