立体有机化学（中国科大） Chapter-04 手性化合物绝对构型的测定.ppt

第四章 手性化合物绝对构型的测定 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。 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 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）; 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 Anomalous dispersion 2 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； 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。 X 射线晶体衍射法 引入重原子的方法 2. 应用与限制 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 2）限制与不足 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。 X 射线晶体衍射法 应用实例 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) 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。 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。 单位是度厘米210克-1 旋光物质的比旋光率 6 旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用 旋光谱：Optical Rotatory Dispersion (ORD) 比旋光度 at200-700nm（）随波长l的变化关系 。 对同一物质， 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) 旋光色散(Optical rotatorydispersion, ORD) 值通常较小，旋光色散常用摩尔比旋光率表示。 = M/100 M为旋光物质的分子量 。 7 圆偏振光(Circular polarized light) 旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用 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， 电场矢量方向按顺时针方向旋转的，称为右圆偏振 光； 电场矢量方向按逆时针方向旋转的，称为左圆偏振光。 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) 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。 叠加原理 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； 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) 9 旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用 10 圆二色性谱: Circular Dichroism (CD) e = e L eR 手性分子对左、右圆偏振光的吸收系数不同，称圆二色性。 e 200-700nm 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。 旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用 吸收(率)差 ： A = ALAR 椭圆度，摩尔椭圆度 = 2.303(ALAR)/4 = 3298(L-R) 3300 (L-R) 11 旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用 e = eL eR 0 正Cotton 效应 e = eL eR 0 负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eLeR ，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。 Cotton 效应 12 旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用 产生CD,ORD Cotton 效应的本质原因 可以根据谱线的Cotton效应 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 在测定手性分子的绝对构型 上最有用。 发色团能级跃迁受到 不对称环境的影响 j ORD lmax 有发色团特征吸收的UV 、 ORD、CD三者之间存在如下关系： (+)-Cotton (-)-Cotton q CD 0 13 二. CD激发态偶合方法确定手性分子绝对构型 旋光谱和圆二色性谱在构型测定中的应用 （一）方法简介： 手性分子含两个发色团 有强的 pp* 跃迁； 处于相互有关的手性环境 。 发色团电子跃迁偶极矩相互作用 激发态偶合 产生的CD在发色团UV在 lmax处分裂成符号相反的两个吸收峰 长波处的吸收第一Cotton效应 短波处的吸收第二Cotton效应 14 CD裂分Cotton效应 发色团的空间取向存在如下关系： 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。 CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用 15 （二）适用于激发态偶合的发色团 1. 必须有强的pp*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 。 偶极矩方向不确定偶极矩方向确定 常用的发色团 CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用 例： 16 (三）影响激发态偶合作用的因素 CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用 1. 两发色团之间距离大小的影响 振幅 A = e1- e2 2. 两发色团偶极矩之间夹角大小的影响 夹角为70 时，A 最大; 夹角为0, 180时，A=0. 1/r2 A 17 3、两发色团UV lmax 之差的影响 CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用 A 18 （四）应用实例 CD激发态偶合方法 在确定手性分子绝对构型上的应用 负Cotton 效应 19 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 正Cotton 效应 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 正 Cotton 效应 21 2. 用于含两个不同发色团的化合物 N * H HO N H 实例-1 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 O O Cl HO C-C键可旋转 优势构象 (大基团出于对位交叉) S R * * 22 用于含两个不同发色团的化合物 实例-2 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 23 3.其它情况下的应用 1）含三个以上发色团的化合物 整个分子的手征性 = 每一对发色团之间手征性之和 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 24 2）非环的二醇、二胺、胺基醇类化合物 以正确的构象分析为基础 最有利的构象 但=180 无激发态偶合 对激发态偶 合贡献最大 空间障碍太大 存在几率小 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 25 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。 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 26 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 内酯扇形区规律 a,b-不饱和酮八区律 共轭双烯和共轭不饱和酮的螺旋规律 Cotton效应与羰基化合物间的半经验规律 27 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 12 3 4 5 6 Cotton效应 + - - + 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 (+) S TMPEA COOHPh CF3 OCH3 MTPA CN OCH3 Ph CF3 CoCl2 NaBH4 dl ? 每一步反应都 不涉及手性中 心的化学键！ 29 BrMg(CH2)5MgBr S (+) S (+) S (-) R (+) 由已知构型确定特定化合物的绝对构型 化学相关法确定绝对构型 (+)-乳酸与(-)-苦杏仁酸的构型相关 苦杏仁酸 乳酸 ? 构型不变 30 已知S-(+) 待测S-(-) 中介化合物 由已知构型确定特定化合物的绝对构型 化学相关法确定绝对构型 甲基特丁基甲醇与甲基异丙基甲醇的构型相关 甲基异丙 烯基甲醇 31 二. 用涉及手性中心的化学反应 化学相关法确定绝对构型 反应过程的立体化学 反应物构型 产物构型 任知二者可推知第三者-可用于绝对构型测定 反应过程的立体化学必须是经证明是可靠的，如： SN 2 - 构型翻转 邻基参与的取代 - 构型保持 32 已证明可靠的构型保持的反应： 涉及手性中心的化学反应 化学相关法确定绝对构型 Hoffmann重排： NaOBr Curtius重排： -N 3HCl D Beckmann重排： NH2OHH2SO4 D 33 三、含手型面、手型轴化合物的绝对构型测定 化学相关法确定绝对构型 例1. Rh-Al2O3 H2 1)CH2N2 2) t-B