極其簡單的R和S構型確定方法

2021-01-19 有機合成路線
 將手性碳原子所連的四個基團(a, b, c, d)按次序規則排列,如:a>b>c>d,然後將次序最小的基團d放在觀察者最遠處。其他三個基團a、b、c 指向觀察者,若a→b→c(由大到小是順時針的方向,則構型為R;反之,為S。)

在有機化學中,我們常用fischer投影式書寫,怎樣從fishcher式直接判斷R 、S構型呢?還記得橫前豎後嗎?


●  當次序最小的基團處於豎線時,就可以直接從另三個基團的排列方向判斷R 、S構型。

● 次序最小的基團處於橫線上時,即在紙面前方。觀察者應從紙後面往前看,因此,從另三個基團判斷,如R應改為S,如S應改為R。

● 大多數化合物在 fishcher投影式中都屬於後一種情況,應特別注意。


 ● R 、S構型是指手性原子的構型與對映體的旋光方向無直接聯繫。旋光方向是由旋光儀測得。R構型可以是右旋,也可以左旋;外消旋體寫成 (±)-、(RS)-、dl-。


 ● 在反應過程中,一個手性分子從R轉化到另一分子的R型,並不一定表示構型未變。而一個分子從R型轉化到另一分子S型,也不能認為構型一定發生翻轉。


手性(chirality)是三維物體的基本屬性,三維結構的物體所具有的與其鏡像的平面形狀完全一致,但在三維空間中不能完全重疊的性質,正如人的左右手之間的關係。具有手性的化合物即稱為手性化合物,手性化合物除了通常所說的含手性中心的化合物外,還包括含有手性軸、手性平面、手性螺旋等因素的化合物。一般來說,如果分子既無對稱面也無對稱中心,分子就具有手性。

手性分子絕對構型的確定是一個極其重要且長期存在的問題。目前確定手性分子絕對構型的方法主要有四類:(1) 有機化學法;(2) 核磁共振法;(3) X射線衍射法;(4) 光譜法,如旋光光譜法、圓二色譜、振動圓二色譜等。


1. 有機化學法

有機合成是最早的確定分子手性的方法,主要為化學相關法。即將目標分子反合成分析,從初始已知手性的化合物開始,通過手性控制的有機化學反應,將其轉化為目標化合物的方法,然後從他們旋光符號或者相應的氣相色譜、液相色譜推導出其絕對構型。很多富有挑戰性的複雜手性化合物的合成如今已被有機化學家們所攻克,然而有機合成始終是一項繁瑣而辛苦的選擇。

2. 核磁共振法(NMR)

NMR 技術是獲的化合物結構的首選方法,其耦合常數和NOE譜圖是獲取化合物相對構型的重要手段,適用於剛性結構非對映體的構型確認。但是對於光學(對映)異構體而言,一般情況下其NMR譜的信號是相同的,即應用NMR 譜無法直接將其區分,也不能確定其絕對構型。近年來發展了一些間接方法,藉助NMR法,通過手性樣品的衍生物來測定對映異構體的絕對構型。

在應用NMR法測定手性化合物絕對構型的方法中,以Mosher 法最為常用。即通過將樣品衍生化為非對映異構體或類似於非對映體,測定樣品分子與手性試劑反應後產物的1H-NMR 或13C-NMR 位移數據,得到其化學位移的差值並與模型比較,最後推定底物分子手性中心的絕對構型。例如,Mosher法是將待測樣品的手性仲醇基(或仲胺基)與(R)或(S)-α-甲氧基-α-三氟甲基-α-苯基乙酸(亦稱Mosher 酸,縮寫MTPA,見圖1)反應生成相應的酯或醯胺,然後測定該酯或醯胺的核磁共振氫譜。根據MTPA芳香環的屏蔽效應,比較待測物與MTPA成酯(或醯胺)前後1H-NMR 或13C-NMR信號的化學位移差,由譜中化學位移的差值和模型圖來推測仲醇(或仲胺基)的絕對構型。


圖1:Mosher酸的立體構象

手性衍生物的NMR法的樣品用量少,衍生物合成簡單,測定迅速、準確,在手性醇、手性胺、手性羧酸的絕對構型確定中已經非常成熟。由於目前所開發的手性識別劑主要針對於手性中心中的某些基團(如羥基、氨基、羧酸),並且需要昂貴的手性試劑進行衍生化,其應用範圍有所局限。

3. X-射線衍射法(X-raydiffraction)

普通的X-射線法(鉬靶)僅能構築化合物的相對構型,不能區分對應異構體。如果分子中含有重原子(一般原子序數大於16)或在分子中引入一個重原子,就可用X-射線來測定該重原子的手性分子絕對構型。此外,通過引入另一個已知絕對構型的手性分子也可獲得結構的絕對構型。隨著技術的發展,採用CuKa作為入射光源的X-射線單晶CCD衍射儀,對於測定相對分子量在1000以下、含C、H、N、O原子有機分子的絕對構型已可實現了。

在單晶結構分析中,目前國際公認表徵絕對構型的參數稱為Flack 參數,當結構分析進入到最後的精修階段時,如果該參數等於或接近0,或其參數在± 0.3之內,那麼一般認為絕對構型就被確定了。

採用單晶X-衍射法樣品用量少、測定迅速、結果可靠直觀,可以作為最終的立體構型的確定方法。但是由於測試的儀器價格昂貴,對單晶有嚴格要求,也限制了X-射線衍射法的應用。

4.  光譜法

在光譜分析方法中,現有最有名和應用最廣泛的手性分子構型確定法為旋光光譜法(ORD) 和圓二色譜法 (CD),該法對樣品要求不高 (如純度、官能團、結晶等)、測量過程無損失,因而得到了廣泛應用。近幾年,振動圓二色譜法(VCD) 取得了巨大的發展,逐漸成為一項鑑定手性分子絕對構型的重要工具。

4.1  旋光光譜法(ORD)

早期的手性光學法是旋光譜法。當平面偏振光通過手性物質時, 能使其偏振面發生旋轉,這種現象稱之為旋光。 用儀器記錄通過手性化合物溶液的平面偏振光的振動面偏轉的角度,即為旋光度α,我們平常所測定的旋光即為波長在589.6 nm的Na燈的黃光下的比旋光度。旋光度隨波長的變化而變化就可獲得旋光光譜(ORD)。

在同系物中,相同的化學反應使旋光值按相同的方向改變,而不改變其旋光的方向,因此通過比較相關化合物的旋光性,可得到手性化合物的構型信息。在採用該方法測定藥物絕對構型時,應與絕對構型已知且與待測藥物結構相同或相似化合物,在相同的實驗條件下測定旋光光譜,以保證比較結果的可靠性。

相比圓二色譜法(CD)而言,CD譜形尖銳、簡單明了、易於分析,ORD現已被現代手性光學技術CD所取代。

4.2  圓二色譜法 (CD)

傳統的圓二色譜所用的平面偏振光的波長範圍一般在紫外區(200~400 nm)。手性化合物(溶液)在左旋和右旋圓偏振光的吸收係數(ε)之差隨入射偏振光波長的改變而改變, 得到的圖譜即是圓二色光譜(CD),又稱為電子圓二色譜(ECD)。

該方法主要是通過測定光學活性物質(待測物)在圓偏振光下的Cotton效應,根據Cotton效應的符號獲得藥物結構中發色團周圍環境的立體化學信息,並與一個絕對構型已知的與待測藥物結構相似化合物的Cotton效應相比較,或者藉助計算化學的方法,對比實驗測值和理論計算值,即可能推導出待測物的絕對構型。圖2為鋨雜苯手性化合物1A和1B的結構及其CD譜圖。


圖2 鋨雜苯手性化合物1A和1B及其CD譜,

(a)1A和1B的化學結構;(b)1A和1B的CD譜實測值;

長期以來,電子圓二色譜由於其幹擾少、容易測定而被廣泛應用。但該法使用的前提條件是待測化合物的手性中心含有合適的發色團(有紫外吸收),或者能夠引進合適的發色團。對於手性中心無發色團或無法引入發色團的化合物,則不適宜採用該方法。

4.3  振動圓二色譜法 (VCD)

傳統的圓二色譜要求手性分子必須有紫外吸收,這一點成為限制其應用的重大問題。在20世紀70年代,Holzwart,Nafie和Stephens等先後成功測定了紅外光區頻率下的圓二色譜,即振動圓二色譜(VCD)。當平面偏振光的波長範圍在紅外區(4000~750 cm−1)時,由於其吸收光譜是分子的振動轉動能級躍遷引起的,VCD譜即為紅外光中的左旋圓偏光和右旋圓偏光的吸收係數之差∆ε隨波長變化所給出的圖譜。

 由于振動光譜譜圖的複雜性, VCD很難象傳統圓二色譜 (electronic circular dichroism, ECD)那樣發展出合適的理論來進行結構-譜圖的對應解釋,主要依靠理論計算值和實測值對比來判斷手性分子的絕對構型。

與ECD相比,VCD的最大優勢就是不需要分子中含有生色團 (紫外吸收),幾乎所有手性分子都在紅外區有吸收,都會產生VCD譜圖。此外,VCD測試是在溶液狀態測定,不需要單晶,樣品中的非手性雜質也不影響測定結果。隨著越來越多的關注和研究,振動圓二色譜法將成為一項鑑定手性分子絕對構型的強有力的工具。


除上述的四大經典構型確定法外,紅外光譜、紫外光譜法也用於輔助測定化合物的構型。更多的方法還望同行們共同探討總結。

來源:漫遊藥化,版權歸原作者,謹致謝意


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