第二章 不對稱反應(yīng)的基礎(chǔ)知識

1、1第二章第二章 不對稱反應(yīng)的基礎(chǔ)知識不對稱反應(yīng)的基礎(chǔ)知識 2.1 2.1 不對稱性不對稱性 2.2 2.2 對映體組成的測定對映體組成的測定 2.3 2.3 絕對構(gòu)型的測定絕對構(gòu)型的測定22.1 2.1 不對稱性不對稱性（1 1）手性和手性分子）手性和手性分子 手性即指左手和右手互為鏡像而不能重合的性質(zhì)。 手性分子指那些和它們的鏡像而不能完全重合的分子。2-丁醇丁醇CH3CHCH2CH3OH3具有鏡像與實物關(guān)系的一對旋光異構(gòu)體。具有鏡像與實物關(guān)系的一對旋光異構(gòu)體。CCOOHCH3HOHCCOOHCH3HOH (S)-(+)-乳酸乳酸 (R)-(-)-乳酸乳酸 ( )-乳酸乳酸 mp 53oC

2、mp 53oC mp 18oC D=+3.82 D=-3.82 D=0 pKa=3.79(25oC) pKa=3.83(25oC) pKa=3.86(25oC)151515對映體對映體（2 2）對映體和非對映體）對映體和非對映體 4CHOCH2OHOHOHHHRRCHOCH2OHHHHOHOSSCHOCH2OHHHOOHHSRCHOCH2OHOHHHHOSR(i)(ii)(iii)(iv)(2R,3R)-(-)-赤蘚糖赤蘚糖 (2S,3S)-(+)-赤蘚糖赤蘚糖 (2S,3R)-(+)-蘇阿糖蘇阿糖 (2R,3S)-(-)-蘇阿糖蘇阿糖HOCH2-CH(OH)-CH(OH)-CHO(i)(ii

3、)對映體，對映體，(iii)(iv)對映體。對映體。(i)(iii),(i)(v),(ii)(iii),(ii)(v)為非對映體。為非對映體。含兩個不相同手性碳原子的化合物含兩個不相同手性碳原子的化合物5（3 3）FischerFischer投影式投影式2-丁醇的球棒模型丁醇的球棒模型四面體式四面體式CH3HOC2H5HCH3HC2H5OH 用平面形式表示具有手性碳原子分子的立用平面形式表示具有手性碳原子分子的立體模型的式子為體模型的式子為FischerFischer投影式。投影式。6FischerFischer投影式投影式OHHCH3C2H5HOHCH3C2H5規(guī)定規(guī)定: :手性碳放在平面上

4、，用橫豎線交點表示。手性碳放在平面上，用橫豎線交點表示。橫的表示伸向前方橫的表示伸向前方. .豎的表示伸向后方豎的表示伸向后方. .習(xí)慣上習(xí)慣上: :把含碳原子的基團（主碳鏈把含碳原子的基團（主碳鏈) )放在豎鍵的方向放在豎鍵的方向. .編號較小的放在上端編號較小的放在上端. .7立體結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)鍥形式鍥形式投影式投影式Fischer投影式投影式Fischer投影式投影式HOOCH3CHOHCHOHCOOHCH3COHHCOOHCH3OHHCOOHCH38命名法則：命名法則： D,L D,L標記法標記法確定對映體的相對構(gòu)型確定對映體的相對構(gòu)型. .選（選（+)-+)-甘油醛為標準，甘油醛為標準

5、，指定其構(gòu)型為型：指定其構(gòu)型為型：指定（指定（-)-)-甘油醛甘油醛的構(gòu)型為型：的構(gòu)型為型：D-(+)D-(+)甘油醛甘油醛L-(-)L-(-)甘油醛甘油醛注意！注意！構(gòu)型構(gòu)型DLDL和旋光方向和旋光方向(+)(-)(+)(-)是兩套不相干的符號；是兩套不相干的符號；DLDL表示分子中原子在空間的排列方式；表示分子中原子在空間的排列方式；(+)(-)(+)(-)使表示平面偏振光扭轉(zhuǎn)的方向使表示平面偏振光扭轉(zhuǎn)的方向. .HOCH2OHCHOHOHCH2OHCHOH9(4) Cahn-Ingold-Prelog (CIP)命名法則命名法則中心手性分子中心手性分子軸手性軸手性 (axial chir

6、ality)平面手性平面手性 (planar chirality)螺旋手性螺旋手性 (helical chirality)10（B B）然后把排列次序最小的放在距觀察者最遠）然后把排列次序最小的放在距觀察者最遠的地方，再看其它三個基的排列位置，的地方，再看其它三個基的排列位置，如果由如果由大到小是順時針排列的，是大到小是順時針排列的，是R R型，反時針方向是型，反時針方向是S S型。型。CIP命名法則命名法則-R,SR,S標記法標記法步驟：步驟：（A A）首先把與手性碳原子相連的四個原子或）首先把與手性碳原子相連的四個原子或基按基按次序規(guī)則排列次序次序規(guī)則排列次序( (按原子序數(shù)大小按原子序數(shù)

7、大小) )。11觀察者觀察者2-2-丁醇丁醇舉例：舉例：( (R)-)-12OHCHOHOCH2HHCH3C2H5OHCHOHOHCH2OHCOOHHOHCH3甘油醛甘油醛1 12 23 31 12 23 32-2-丁醇丁醇(R) -( (S)-)-乳酸乳酸甘油醛甘油醛( (S)-)-(R) -1 12 23 31 12 23 3 中心手性分子中心手性分子13軸手性軸手性 (axial chirality)OHOHOOCabcdabdc(R)-(S)-ab, cd(R)ab, cd(S)14手性螺環(huán)類化合物的命名手性螺環(huán)類化合物的命名OO新的命名法則，(S)-構(gòu)型OO12341234舊的命名法

8、則，(R)-構(gòu)型15平面手性平面手性 (planar chirality)OBrCH2123導(dǎo)向原子Sp-構(gòu)構(gòu)型型CH2BrH2CCH2H2C123導(dǎo)向原子Sp-構(gòu)構(gòu)型型16螺旋手性螺旋手性 (helical chirality)M- -構(gòu)構(gòu)型型順時針方向定為順時針方向定為P構(gòu)型構(gòu)型逆時針方向定為逆時針方向定為M構(gòu)型構(gòu)型17 對于不對稱化合物，制備單一的對映體是非常重要的，因?qū)τ诓粚ΨQ化合物，制備單一的對映體是非常重要的，因為對映體的生理作用往往有很大差別為對映體的生理作用往往有很大差別。例如：。例如：（+）-抗壞血酸抗壞血酸具有抗壞血病的功能，而（具有抗壞血病的功能，而（）-抗壞血酸則無此活

9、性；抗壞血酸則無此活性；L-四咪四咪唑是驅(qū)蟲劑，唑是驅(qū)蟲劑，D-四咪唑有毒且不能驅(qū)蟲等。四咪唑有毒且不能驅(qū)蟲等。 在不對稱合成反應(yīng)出現(xiàn)之前，人們合成不對稱化合物要通在不對稱合成反應(yīng)出現(xiàn)之前，人們合成不對稱化合物要通過繁雜的方法將所得到的外消旋體進行拆分，這無形中相當于過繁雜的方法將所得到的外消旋體進行拆分，這無形中相當于把反應(yīng)中所得的一半產(chǎn)物在大多數(shù)情況下白白廢棄掉。對含多把反應(yīng)中所得的一半產(chǎn)物在大多數(shù)情況下白白廢棄掉。對含多個手性中心的分子的合成，經(jīng)過多步反應(yīng)后，產(chǎn)率會很低。個手性中心的分子的合成，經(jīng)過多步反應(yīng)后，產(chǎn)率會很低。 因而，因而，不對稱合成反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是藥物合成和有機合成進入不對稱合

10、成反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是藥物合成和有機合成進入一個嶄新的階段一個嶄新的階段。這類反應(yīng)還廣泛應(yīng)用于有機化合物分子構(gòu)型。這類反應(yīng)還廣泛應(yīng)用于有機化合物分子構(gòu)型的測定和闡明有機化學(xué)反應(yīng)的機理，以及研究酶催化活性等領(lǐng)的測定和闡明有機化學(xué)反應(yīng)的機理，以及研究酶催化活性等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。域，具有廣泛的應(yīng)用前景。2.2 對映體組成的測定對映體組成的測定18（1 1） 不對稱合成中的立體選擇性和立體專一性不對稱合成中的立體選擇性和立體專一性 立體選擇性反應(yīng)立體選擇性反應(yīng)一般是指一般是指反應(yīng)能生成兩種或兩種以上立體反應(yīng)能生成兩種或兩種以上立體異構(gòu)體產(chǎn)物（有時反應(yīng)只生成一個立體異構(gòu)體），但其中僅一異構(gòu)體產(chǎn)物（有時

11、反應(yīng)只生成一個立體異構(gòu)體），但其中僅一種異構(gòu)體占優(yōu)勢的反應(yīng)種異構(gòu)體占優(yōu)勢的反應(yīng)。如：。如：烯烴加成反應(yīng) HCOOHHOCHO羰基還原反應(yīng)Me3COMe3CMe3CLiAlH4HOHOHH+90%10%19 立體專一性反應(yīng)立體專一性反應(yīng)是指是指由不同的立體異構(gòu)體得到立體構(gòu)型由不同的立體異構(gòu)體得到立體構(gòu)型不同的產(chǎn)物的反應(yīng)不同的產(chǎn)物的反應(yīng)。它反映了反應(yīng)底物的構(gòu)型與反應(yīng)產(chǎn)物的。它反映了反應(yīng)底物的構(gòu)型與反應(yīng)產(chǎn)物的構(gòu)型在反應(yīng)機理上立體化學(xué)相對應(yīng)的情況。如溴對構(gòu)型在反應(yīng)機理上立體化學(xué)相對應(yīng)的情況。如溴對2-2-丁烯的丁烯的加成反應(yīng)：加成反應(yīng)：CH3HHH3C+Br2CH3HHH3CBrBrBrBrCH3H3

12、CHHHHCH3H3C+Br2HHCH3H3CBrBrBrBrHH3CCH3H 反式異構(gòu)體給出meso-2,3-二溴丁烷 順式異構(gòu)體生成dl(+)-2,3-二溴丁烷20（2 2）不對稱合成的反應(yīng)效率）不對稱合成的反應(yīng)效率 不對稱合成反應(yīng)實際上是一種立體選擇反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物可以是對映體，也可以是非對映體，只是兩種異構(gòu)體的兩不同而已。不對稱合成的效率，正是由兩者的數(shù)量差別來表示的。 若產(chǎn)物彼此為對映體，則其中某一對映體的過量百分數(shù)（percent enantiomeric excess,%e.e）可作為衡量該不對稱合成反應(yīng)效率高低的標準，表示如下：%e.e =RSSR_+ 式中 和 分別為主要對映

13、體產(chǎn)物的量和次要產(chǎn)物的量SR100%21 通常情況下，可假定比旋光度與對映體組成具有線性關(guān)系，因而在實驗測量誤差忽略不記時，%e.e即等于下述光學(xué)純度百分數(shù)（percent optical purity，%O.P）,表達式如下：%O.P = 實測不對稱合成產(chǎn)物o純凈的立體產(chǎn)物 若產(chǎn)物為非對映異構(gòu)體時，不對稱合成反應(yīng)效率用非對映過量百分數(shù)（percent diastereomeric excess，%d.e）來表示，表示方法如下：%d.e = ABBA_+ 式中 和 分別為主要非對映產(chǎn)物的量和次要非對映產(chǎn)物的量。AB100%100%22（3）比旋光度的測量）比旋光度的測量旋光儀示意圖旋光儀示意圖

14、 在盛液管中放入旋光性物質(zhì)后，偏振光將發(fā)生在盛液管中放入旋光性物質(zhì)后，偏振光將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。能使偏振光向右旋轉(zhuǎn)的，稱為偏轉(zhuǎn)。能使偏振光向右旋轉(zhuǎn)的，稱為右旋化合物右旋化合物，用用(+)(+) 表示；能使偏振光向左旋轉(zhuǎn)的，稱為表示；能使偏振光向左旋轉(zhuǎn)的，稱為左旋化左旋化合物合物，用，用(-)(-) 表示。表示。旋光儀旋光儀23 旋光性物質(zhì)使偏振光旋轉(zhuǎn)的角度稱為旋光旋光性物質(zhì)使偏振光旋轉(zhuǎn)的角度稱為旋光度度, ,用用表示表示. . 物質(zhì)旋光度物質(zhì)旋光度的大小與盛液管的長度、溶的大小與盛液管的長度、溶液的濃度、光源的波長、測定時的溫度、所液的濃度、光源的波長、測定時的溫度、所用的溶劑的有關(guān)用的溶劑的有關(guān).

15、.旋光度旋光度旋光度旋光度24 lBt比旋光度公式如下：比旋光度公式如下：: 測得的旋光度；測得的旋光度；B B : : 質(zhì)量濃度，質(zhì)量濃度，g/mlg/ml； l:l: 盛液管的長度，盛液管的長度，dm;dm; t:t: 測定時的溫度測定時的溫度; ; : 光源的波長光源的波長.D:589nm.D:589nm 通常用比旋光度通常用比旋光度來表示物質(zhì)的旋光屬性。來表示物質(zhì)的旋光屬性。比旋光度比旋光度 在一定條件下在一定條件下, ,某物質(zhì)的旋光性為一常數(shù)某物質(zhì)的旋光性為一常數(shù), ,稱為比旋光度稱為比旋光度. .比旋光度比旋光度光學(xué)純度（光學(xué)純度（% %）= = 觀察值觀察值/最大值最大值 100

16、 % 100 %25例如：例如：Tetrahedron Lett., 1983, 24, 4539OHOOH反巴豆酸雙羥基化后經(jīng)奎寧拆分HOOCOHOHROOOHOHTsO-16.3o-17.9oe.e.% = 91 % (16.3/17.9)26(4) 核磁共振法核磁共振法在手性溶劑或手性溶劑化試劑中測定在手性溶劑或手性溶劑化試劑中測定NMR用手性位移試劑測定用手性位移試劑測定NMR用于用于NMR分析的手性衍生物試劑分析的手性衍生物試劑27(5) 使用手性柱的色譜法使用手性柱的色譜法氣相色譜法氣相色譜法液相色譜法液相色譜法(6) 帶有對映選擇性電解質(zhì)的毛細管電泳帶有對映選擇性電解質(zhì)的毛細管電泳 （CE)(7) HPLC-CD/UV用于對映體組成的測定用于對映體組成的測定282.3 絕對構(gòu)型的測定絕對構(gòu)型的測定2.3.1 X射線衍射法射線衍射法2.3.2 手性光學(xué)手性光學(xué)(chiroptical)法法2.3.3 化學(xué)相關(guān)法化學(xué)相關(guān)法2.3.4 Prelog法法2.3.5 Hor