（无机化学专业论文）co（Ⅲ）配合物的手性对称性破缺、合成及拆分机理研究.pdf

c o ( m ) 配台物的手性对称性破缺、合成及拆分机理研究 摘要 摘要 在化学中分子的手性特征虽常见但却令人迷眩。许多复杂的生命现象可通过 分子的手性识别去理解。由于手性在化学、生物化学、医药以及材料科学等领域 发挥着越来越重要的作用，研究手性的起源、对称性破缺、传递与放大、手性分 子问的相互识别作用以及手性化合物的制各方法等已引起科学家们极大关注。 本文主要进行手性金属钻配合物的绝对一i 对称合成、手性拆分以及立体选择 性合成n i ( i i ) 年 1c o ( i i i ) 的环己二胺配合物等方面的研究工作，探讨了绝对小对称合 成以及相关的拆分和手性识别机理。主要研究结果如下： 1 研究了手性c s 一 c o b r ( n h 3 ) ( e n ) 2 b r 2 的绝对不对称合成及其外消旋体的改 进拆分，并对反应产物进行了t g 。t d a 、u v - v i s 、固体和溶液c d 光谱、元素分析 以及核磁共振波谱等表征。通过c d 光谱法获得了绝对1 i 对称合成c o ( i i i ) 配合物 的产物e e 值分布图；从配位化学的角度提出了手性c s 一 c o b r ( n h 3 ) ( e n ) 2 b r 2 的绝对 不对称合成反应机理：“通过c o ( i i ) c o ( i i i ) 电子转移催化1 或a c o ( i i i ) 配合物的外 消旋反应，同时结合手性晶体结晶诱导合成单一对映体”的“催化一结晶诱导”机理。 2 合成了外消旋n h 4 ( d - b c s ) ( b c s 一= 溴代樟脑吼磺酸根) ：采用改进的拆 分方法，分别以手性配合物c s 一 c o b r ( n h 3 ) ( e n ) 2 b r 2 和c s 一 c o ( n 0 2 ) 2 ( e n ) 2 b r 对外消 旋n h 4 ( a 1 b c s ) 进行了“逆向拆分”研究，并探讨了拆分机理。结合文献报道和本课 题组已积累的拆分经验，提出了离子型化合物交互拆分的经验规则：当拆分剂阴f 阳) 离子与被拆分阳( 阴) 离子所带电荷比为l ：l 时，则“交互拆分”过程一般是可逆的； 当拆分剂阴( 阳) 离子与被拆分阳( 阴) 离子所带电荷比为2 ：1 或3 ：1 时，则“交互拆分” 过程可能是不可逆的。此外，得到了非对映异构体难溶盐 1 一( + ) 一c 括一 c o ( n 0 2 ) 2 ( e n ) 2 】 ( d - b c s ) 的单晶并进行了晶体结构测定和分析。 3 制备了n i ( i i ) 和c o ( i i i ) 两类环己二胺配合物；用硫酸或盐酸解离n i ( i i ) 的两 种环己二胺配合物分别得到相应的顺式和反式的环己二胺盐，探讨了所用酸的种 类、浓度与产率的关系；还进一步培养出【c o ( o x ) ( r r c h x n ) ( s s - c h x n ) 2 c 2 0 4 5 h 2 0 和 c o ( o x ) ( r r - c h x n ) ( s s - c h x n ) c 1 0 4 0 5 h 2 c 2 0 4 2 h 2 0 的单晶并首次测定其晶体结构， 对其结构做出了探讨。 关键词：手性对称性破缺；c d 光谱：光学拆分 s t u d yo nc h i r a ls y m m e t r yb r e a k i n g , s y n t h e s i sa n dr e s o l u t i o nm e c h a n i s m so f c o ( 1 1 1 ) c o m p l e x e s a b s t r a c t a b s t r a c t c h i r a l i t yo rh a n d e d n e s si nc h e m i s t r yi sac o m m o nb u tf a s c i n a t i n ga t t r i b u t eo fam o l e c u l e m a n y c o m p l e xp h e n o m e n ai nl i f et u ee a s i l yu n d e r s t o o dt h r o u g ht h er e c o g n i t i o no fm o l e c u l a rc h i r a l i t y s t u d i e so nc h i r a l i t ys u c ha sc h i r a lo r i g i n ，c h i r a ls y m m e t r yb r e a k i n g ，p r o p a g a t i o na n da m p l i f i c a t i o n o fc h i r a l i t y , c h i r a ld i s c r i m i n a t i o na m o n gc h i r a lm o l e c u l e s ，p r e p a r a t i o no fc h i r a lc o m p o u n d s ，h a v e e x t e n s i v e l ya t t r a c t e di n t e r e s t so f s c i e n t i s t sb e c a u s ee h i r a l i t yp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n aw i d er a n g eo fs c i e n t i f i cd i s c i p l i n e s ，i n c l u d i n gc h e m i s t r y , b i o c h e m i s t r y , m e d i c i n ea n dm a t e r i a l s c i e n c e s ，t om e n t i o nb u taf e w t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e do nt h ea b s o l u t ea s y m m e t r i cs y n t h e s i s ，o p t i c a lr e s o l u t i o no f c o ( i 1 1 ) c o m p l e x e s a n dt h es t e r e o s e l e c t i v e s y n t h e s i s o fn i ( i i ) a n dc o ( 1 1 1 ) c o m p l e x e sw i t h c y c l o h e x a n e - 1 ，2 - d i a m i n e ( c h x n ) t h em e c h a n i s m so ft h ea b s o l u t ea s y m m e t r i cs y n t h e s i s ，c h i r a l r e s o l u t i o na n dr e c o g n i t i o nw e r ed i s c u s s e d t h em a i nr e s u l t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 t h ea b s o l u t ea s y m m e t r i cs y n t h e s i so f t h ec h i r a lc s - c o b r ( n h 3 ) ( e n ) z b r 2f e n21 , 2 一e t h y l e n e - d i a m i n e ) a sw e l la st h ei m p r o v e do p t i c a lr e s o l u t i o no f c i s - c o b “n h 3 ) ( e n ) 2 】b r 2 2 h 2 0 a r ed e s c r i b e d i nd e t a i l t h ep r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e db ym e a n so f e l e m e n t a la n a l y s i s ，t o - d t a ，o p t i c a lr o t a t i o n ， u v _ v i s ，c da n dn m rs p e c t r a t h ed i s t r i b u t i o no fe n a n t i o m e r i ce x c e s s ( 嘲o fc i s 一 c o b r ( n h s ) ( e n ) 2 b r 2i nt h ea b s o l u t ea s y m m e t r i cs y n t h e s i sw a so b t a i n e db yt h em e a s u r e m e n t so ft h e i rc d s p e c t r a a c c o r d i n gt ot h er a t i o n a l eo fc o o r d i n a t i o nc h e m i s t r y , ad i f f e r e n to p i n i o na b o u tt h e m e c h a n i s mo fa b s o l u t ea s y m m e t r i cs y n t h e s i so fc h i r a lc s 一 c o b “n h 3 ) ( e n ) 2 b r 2i sp u tf o r w a r d ：t h e r a c e m i z a t i o no f 4o ra - c o ( 1 1 1 ) c o m p l e x e sc a t a l y z e db ye l e c t r o nt r a n s f e rb e t w e e nc o ( i i ) a n dc “1 1 1 ) s p e c i e si nc o m b i n a t i o nw i t hp r e p a r a t i o no ft h es i n g l ee n a n t i o m e ri n d u c e db yc h i r a lc r y s t a l s ，i e c a t a l y s i s - - c r y s t a li n d u c t i o n ”m e c h a n i s m 2 r a c e m i cn h 4 ( d l - b c s ) ( b c s - = - b r o m o c a m p h o r _ 兀- s u l f o n a t e ) w a sp r e p a r e d c h i r a l c o m p l e x e s ，c i s 一 c o b r ( n h a ) ( e n ) 2 b r 2a n dc i s - c o ( n 0 2 ) 2 ( e n ) 2 b r , w e r eu s e dr e s p e c t i v e l yt or e s o l v e n h 4 ( d l - b c s ) b yt h ei m p r o v e dr e s o l u t i o nm e t h o d si nt h e “r e v e r s er e s o l u t i o n ”t h em e c h a n i s m so f t h er e s o l u t i o nw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ep u b l i s h e dl i t e r a t u r e sa n dt h ee x p e r i e n c e a c c u m u l a t e db yo u rg r o u p ，a ne m p i r i c a lr u l eo fr e s o l u t i o nf u ri o n i cc o m p o u n d si sp u tf o r w a r db o l d l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ar e c i p r o c a lr e s o l u t i o nw i l lb es u c c e s s f u ii ft h ec h a r g er a t i oo fr e s o l v i n gc a t i o n ( 0 ra n i o n ) t ot h er e s o l v e da n i o n ( o rc a t i o n ) i sl ：1 ：t h er e c i p r o c a lr e s o l u t i o nw i l ln o tb er e v e r s ew h e n t h ec h a r g er a t i o so fr e s o l v i n gc a t i o n ( o ra n i o n ) t ot h er e s o l v e da n i o n ( o rc a t i o n 、a r e2 ：1a n d3 ：1 b e s i d e s ，as i n g l ec r y s t a lo fh a r ds o l u b l ed i a s t e r e o i s o m e r 以( + ) 由一 c o ( n 0 2 h ( e n ) 2 ( d - b c s ) w a s o b t a i n e da n di t sc r y s t a ls t r u c t u r ew a sd e t e r m i n e da n da n a l y z e db yx - r a ys i n g l ec r y s t a ld i f f r a c t i o n 3 t w ot y p e so fn i ( 1 1 ) a n dc o ( 1 l i ) c o m p l e x e sw i t hc h x nw e r ep r e p a r e d t h en i ( i ) c o m p l e x e s w e r ed e c o m p o s e db ya d d i n gs u l f t 而ca c i do rh y d r o c h l o r i ca c i dt or e l e a s et h ec o r r e s p o n d i n gc i sa n d t r a n sc h x ns a l t s t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h ep r o d u c t i v er a t e s ，t h ec o n c e n t r a t i o no f t h ea c i d sa sw e l l a st h ek i n do f a c i dw a si n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n ，t h es i n g l ec r y s t a l so f c o ( o x ) ( r r - c h x n ) ( s s - c h x n ) 2 c 2 0 4 5 h 2 0a n d c o ( o x ) ( r r - c h x n ) ( s s - c h x n ) c 1 0 4 0 5 h 2 c 2 0 4 2 h 2 0w e r eo b t a i n e da n dt h e i rc r y s t a l s t r u c t u r e sw e r ef i r s td e t e r m i n e db yx - r a ys i n g l ec r y s t a ld i f f r a c t i o na n dd i s c u s s e d k e y w o r d s ：c h i r a ls y m m e t r yb r e a k i n g ；c ds p e c t r a ；o p t i c a lr e s o l u t i o n c 州1 1 1 ) 配合物的手性对称性破缺、合成及拆分机理研究论文中有关化合物的缩写或简称 论文中有关化合物的缩写或简称 缩写或简称英文名称( 或分子式)结构式 e n e t h a n e 一1 ，2 一d i a m i n e b c s c t - b r o m o c a m p h o r - n s u l f o n a t e 1 , 2 一c h x n c y c l o h e x a n e 一1 ，2 一d i a n a i n e c o m p l e x1 a 一( + ) d c i s - c o b r ( n h s ) ( e n ) 2 b r 2 c o m p l e x2a - ( - ) o - c s - c o b r ( n h 3 ) ( e n ) 2 b r 2 c o m p l e x6小( + ) 一c s 一 c o ( n 0 2 ) 2 ( e n ) 2 b r c o m p l e x7a 一( _ ) - c s 一 c o ( n 0 2 ) 2 ( e n ) 2 b r 厂、 h 2 nn h 2 h 2 n n h 2 橡： 钆 l z jj r 、w 心 ih 2 ”，i 、n 0 2i h 卜慨i 卧 lb 洲2j 窿：1 b r 卜 n t j j 旷l m 兰： 一 第一章绪论 第一章绪论 l 。l 手性特征的生物普遍性和手性药物的作用 在立体化学中，手性( c h i r a l i t y ) 是对分子与其对映体具有如同左右手的关系， 互为镜像但不能完全重合的形象描述【l 3 】。手性还是自然界的本质属性之一，它早 就超越了仅局限于对分子立体结构的描述范畴构成地球上一切生物大分子的 基元材料，都具有特定的手性。例如，己知天然蛋白质几乎都是由三构型的g 【氨 基酸所构成的，其二级结构主要为右手0 【螺旋；核酸的糖类单元则为d 一核糖；d n a 呈右手双螺旋构象。这些现象均说明自然界对某一种手性有所偏爱。 生命现象如此依赖于手性，分子的手性识别在生命活动中所起的重要作用是 毋庸置疑的。在药理上，当手性药物的消旋体进入本身具有手性的生物体内与酶 或细胞表面的受体部位相互作用时，由于手性识别和精确匹配的严格要求，两个 对映体以不同的途径被吸收、活化或降解，即外消旋药物对映体的生物活性、毒 性、代谢途径存在差异，造成了4 i 同对映体在生物体内的生理活性的显著差别。 外消旋药物的两个对映体，有可能一种为良药，另一种为毒药，例女h - - - 十世纪6 0 年代初医药史上发生的一场悲剧：当时作为缓解早期妊娠反应的镇静药“反应停” 以消旋药( 两个对映体的等量混合物) 的形式进入市场，虽然该消旋药中的) 异构 体是一种镇静剂，但其( 异构体却导致了当时西方国家一批畸胎“海豹”婴儿出生。 之后的陆续研究表明，外消旋体药物( 或农药) 的另一个对映体还有可能是完全无效 的、甚至药效相反的。为了避免类似的悲剧重演或可能造成的危害，美 f d a ( f o o d a n dd r u ga d m i n i s t r a t i o n ) 于1 9 9 2 年颁布的法规要求，在申报药物时，将消旋体视为 混合物，必须将其所有异构体在相同条件下同时对照，进行生物学评价试验，在 此基础上再确定是以外消旋体还是以单一对映体作为上市新药【4 】。从1 9 9 4 至1 9 9 6 年三年内，国际上批准的新药中，半数以上是单一对映体。目前正在开发的1 2 0 0 种新药中，三分之二是手性药物。预计截至2 0 0 5 年，全世界上市化学合成新药中 约有6 0 为单一对映体药物。因此，近十儿年来世界各大制药公司纷纷将注意力转 向单一对映体药物，兴起了手性技术的研究热潮。 1 2 立体化学中手性研究的简要回顾及其意义 手性分子的重要性不仅表现在与生物相关的领域，而且在功能材料领域，如 c o ( 1 1 1 ) 配合物的手性对称性破缺、台成及拆分机理研究 液晶、非线性光学材料、波导材料、导电高分子等方面也显示出诱人前景。因此， 从三维空间上，特别在更精细的手性层次上了解分子的结构和性能，己成为化学、 材料和生命科学深入研究的课题。可以说，当今在上述各领域的任何重要发现和 突破，离开了对立体化学的理解、阐述和指导都是难以想像的 5 1 。 一部化学发展史实际上就是一部立体化学发展史，而立体化学的发展又与手 性化合物的研究密切相关。1 8 0 9 年法国物理学家m a l u s 发现了偏振光现象，法国科 学院院士b i o t 继1 8 1 2 年发现石英晶体的旋光现象之后，于1 9 1 5 年观察到一些有机化 合物溶液也可以使偏振光平面发生旋转。1 8 4 8 年，p a s t e u r 以他“有准备的头脑”发现 了酒石酸铵钠盐的自发拆分现象，首次用人工拆分的方法获得一对对映体。随后， p a s t e u r 开始从三维空间考虑旋光现象与分子结构的关系，采用“螺旋”、“镜像”和“不 规则四面体”等术语来阐述其观点，这一思想在1 8 7 4 年由年轻的v a n th o f f 和l eb e l 进一步具体化，提出了碳的四面体假说，从而奠定了有机立体化学的基础l 。1 8 9 5 年法国物理学家a i m ec o t t o n 在研究c u ( i i ) 暑l l c r ( i i i ) 的酒石酸配合物水溶液的吸收光 谱时，发现它们在可见光区的吸收带区域内存存反常旋光色散( o r d ) _ 手n 圆二色( c d ) 现象【7 j ，这就是后来被称为c o r o n 效应的一对现象。配位化学的创始人w e m e r 为了 证明配位理论中的八面体假说，曾花了近1 4 年时间苦苦摸索拆分八面体配合物的 各种方法，终于在1 9 1 1 年首次成功拆分出, c i s 一 c o c i ( n h 3 ) ( e n ) 2 l c h 的对映体，从实验 上证明了六配位金属配合物主要具有八面体几何结构特征，为配位化学理论的确 立提供了决定性的证据，奠定了配位立体化学理论的基础【8 j 。特别是1 9 1 4 年拆分出 不含碳原子的纯无机螯合配合物 c o ( o h ) 2 c o ( n h 3 ) 4 ，3 b r 6 的光学对映体，一举填平 了当时横跨在有机和无机立体化学之间的似乎不可逾越的鸿沟，堪称立体化学发 展史上的一个重要里程碑1 9 。 近年来与手性技术有关的科学研究也得到了蓬勃发展，例如各种对映体结构 测定、分离分析方法的不断发展和完善，不对称催化技术的飞跃发展等。特别值 得一提的是，2 0 0 1 年诺贝尔化学奖_ ：三位得主在催化1 ：对称氢化和不对称氧化方面 做出了开创性的工作，在高选择性地引入和构建手性中心，以及控制产物的立体 化学方面，获得了具有里程碑意义的成果【1 0 a l 。2 0 0 5 年诺贝尔化学奖再次颁给从事 金属有机化学研究的科学家，表彰他们为发展烯烃复分解反应所作出的突出贡献， 其中就包括了对有关反应的立体化学机理和复分解反应催化剂结构的阐明【m 】。 第一章绪沦 在手性技术研究中，如何制备高效、低毒、低副作用的各种药物、农药等是 对合成化学家的智力挑战。只含单一对映体的各类合成物质势必大大减少其对环 境的污染作用，这也是环保方面所提出的重要课题。而从经济角度看，提高产品 的对映纯度具有极高的经济附加值。因此广阔的应用前景和巨大的市场需求推动 了探索新的更有效的获得单7 对映体手性化合物方法的研究。 1 3 获取对映纯手性化合物的方法i l l - b i 获得手性化合物的方法主要有三种( 图1 1 ) ：( 1 ) 外消旋体拆分法；( 2 ) 手性源 ( 池) 方法；( 3 ) 不对称合成。 躺旋体吲 化学法 酶法 直接结晶分离伯发拆分) 非对映体结晶 手c h 性i r a 源lp ( o 池o ；化学修饰 r 化学讣量型 l 潜手性底物不对称合成1r 牛物催化 p r o c h l r a l s u b 对m t e l 催化型j 酶催化 l 手性金属配合物催化 、不对称自催化 图1 1 获得对映纯手性化合物的途径 外消旋体拆分是目前使用最广泛的手性分离方法。自1 8 4 8 年p a s t e u r 首次成功 拆分酒石酸铵钠盐对映体1 4 1 至今，已经发展了多种类型的拆分方法，包括结晶法 拆分、动力学拆分以及手性色谱拆分等( 洋见第三章中的讨论) 。 对于手性源合成方法，需要先在自然界中找到合适的天然手性化合物，再利 用化学方法对其进行修饰和改造得到目标产物。其优点是天然的手性源价格低廉， 来源方便。但并非每一种目标产物都能找到合适的手性源，另外在对手性源化合 物进行多步改造和修饰时，如果反应条件控制不当容易造成对映纯手性化合物的 手性损失，以上这两种情况限制了这种方法的广泛应用。 c o ( 1 1 1 ) 配合物的手性对称性破缺、合成驶拆分机理研究 1 i 对称合成是目前手性合成的研究热点。其中，催化型的不对称合成是目前 乃至将来最具有优势的方法，这种方法的优点是：仅用少量手性催化剂就可生成 大量手性化合物；在找到了合适的催化体系后，底物的利用率高、光学收率高、 对环境污染小、易于实现方法的工业化，具体的操作方法也较化学拆分和手性源 合成简单，有很好的原子经济性 1 ”。理论上讲，通过这种方法可以获得人们所需 要的任何手性物质。因此，性能优良的手性金属配合物催化剂所诱导的4 i 对称合 成反应以其高效率和高对映选择性而倍受青睐，并且有少数已经成功地在工业上 得到应用i l ”】。该方法的主要缺点是：所需中心金属和手性配体的价格一般都比 较昂贵，某些催化体系对氧气和水汽4 i 稳定、副反应多、催化剂活性寿命短及产 物和催化剂不易分离等；而且因目前不对称催化仍然是合理设计和经验性探索并 存的领域，对于某些特定反应，合适的手性催化剂的寻找和合成相当困难，普适 的手性催化剂基本卅i 存存，各种催化体系的催化条件摸索需要大量的人力和时间。 此外，近年来手性化合物的绝对不对称合成引起了越来越多的关注 1 8 - 2 0 1 。所 谓绝对不对称合成( a b s o l u t i o na s y m m e t r i cs y n t h e s i s ) 是指存没有任何外界手性诱导 试剂作用或在圆偏振光影响下的卅i 对称合成 2 1 2 2 1 。通过绝对1 i 对称合成制各手性 化合物，无疑更符合原子经济和绿色化学原则，具有潜在的应用价值。同时，开 展绝对刁i 对称合成的研究对于探求生命体系中的手性起源具有重要的理论意义。 1 4 手性对称性破缺 1 4 1 手性对称性破缺的定义 地球上生物体普遍存存和必需存在的生物手性均一( b i o h o m o c h i r a l i t y ) 自 然界中的手性对称性破缺( c h i r a ls y m m e t r yb r e a k i n g ，简称c s b ) ，是为了最有效地 发挥其生物学功能，例如进行自我复制、蛋白质合成、调控和最终基因表达等【2 3 。2 4 1 。 显然，对生物分子手性均一性起源的种种研究将极大地推动生命科学、手性科学 及其相关学科的发展f 2 5 2 7 。 所谓手性对称性破缺，是指在一个热力学非平衡体系( 可能是一种远离平衡态 的耗散结构) 中非零e e 值的状态可以自发地从非手性或消旋态中产生的现象 2 8 1 。除 了自然界的手性均一外，通常在大多数手性体系中客观存在的某种线性关系，在 一些特定情况下并未被严格遵守，即出现了所谓的非线性效应【2 9 1 。因而认为正非 线性效应【简称( + ) - n l e 也是一种c s b 。因此，可用c s b 来描述某体系的手性从“无 4 第一章绪论 中生有”或手性放大p 0 等手性4 i 对等交换的现象。本论文将手性自催化( c h i r a l a u a t a l y s i s ) 【2 8 】、手性催化中的( + ) - n l e 及其它手性放大现象 3 1 。3 2 】、绝对不对称合 成( a b s o l u t ea s y m m e t r i cs y m h e s i s ) 1 3 1 、外消旋体不对称转化d 3 1 及自发拆分 i r s p o n t a n e o u sr e s o l u t i o n ) t 3 4 】等都视为c s b 现象。 1 4 2 有机化合物合成中的c s b 现象 l 4 2 1 有机化合物结晶过程中的c s b 现象 已知在外消旋晶体的三种存在形式 3 1 - 3 3 【f 外消旋化合物、外消旋混合物 ( c o n g l o m e r a t e ，简称c o n g ) 和外消旋固体溶液】中，能发生自发拆分或进行优先结 晶法拆分( p r e f e r e n t i a lc r y s t a l l i z a t i o ni nt h ep r e s e n c eo fc h i r a ls e e dc r y s t a l s ) 的只有 c o 耐- - 种形式( 参阅3 1 ) ，虽然在自发拆分过程中所得c o g 产物的净e e 值为零， 但是其中所形成的一颗手性单晶一般仅以一种对映体形式存在，相比起外消旋体 的其它两种形式，可认为c o n g t 的产生是发生了“局部”的c s b 。由此认为，p a s t e u r 发现的外消旋酒石酸铵钠盐存低于2 6 时通过自发拆分形成半面晶外观1 i 同的 对映体，是最早被发现的c s b 现象。类似地，一些有机化合物存结晶过程中也会 发生手性对称性破缺现象。 1 9 7 1 年，p i n c o c k 等报道在1 ，1 。- b i n a p h m y l 的结晶过程中发生了c s b 现象 3 5 】。近 年来，a s a k u r a ! 等也对l ，l - b i n a p h t h y l 结晶过程中的c s b 现象进行了洋细的研凳”】。 液态的1 ，1 b i n a p h t h y 【易于发生外消旋化，在其熔点处结晶，析出的为外消旋混合 物或者单一手性的1 ，l - b i n a p h t h y l 。固态1 ，1 一b i n a p h t h y l 的手性构型被视为“冻结”， 室温下不易发生钋消旋化，因而可以认为l ，l - b i n a p h t h y l 在熔点处的结晶过程是产 生t c s b 现象。1 9 9 9 年，k a g e c h i k a 等报道非手性有机化合物1 1 , 2 b i s ( n - b e n z o y l n - - m e t h y l a m i n o ) b e n z e n e 在某些溶剂( 如乙酸乙酯) 中结晶会产生c o n g l ，并对两种半 面晶观不同的对映体进行了晶体结构及固体和溶液c d 光谱表征( 图1 2 妒”。 钆。 斜m c h 。 弋久n o h 3 - o 化台物 w a w k m g t h 恤m ) 回：固 t t + p ”删g l , c o d , a l 图1 2 化合物1 的分子结构及其成镜像对称关系的固体c d 光谱i 虱( k b r 压片，0 1 ) c o ( 1 1 1 ) 配合物的手性对称性破缺、合成及拆分机理研究 2 0 0 4 年，k o i c h i 等报道化合物2 ( 图1 3 ) 具有很强的包结能力，可以包结许多 客体分子( 例如溶剂醇、醚、酯、砜等) 1 3 8 1 。研究中发现，与非手性客体分子形成的 包结配合物有一些可以成为c o n 9 1 ，例如，当化合物2 与丙酮形成1 ：1 的包结配合 物，与四氖吡喃形成l ：l 的包结配合物，其晶体都是淡黄色的c o n 9 1 ；但有些客体 分子并不能与之形成包结物，例如，乙醇和四氢呋喃。而在无溶剂的情况下，2 的 消旋体晶体呈红色。因此可认为在某些包结配合物的形成过程发生了c s b 。 r 口e 2p 2 图1 3 化合物的分子结构示意图 h 0 0 c h o o c 乒2 1 4 2 2 不对称催化体系中的手性放大效应 1 9 8 6 年，法国化学家k a g a n 等在定量研究手性助剂光学纯度与反应立体选择 性的关系时发现了e e 。r o d ( 产物的光学纯度) 和e e a 。( 所用手性源的光学纯度) 之间严 重偏离线性关系的三个例子，尤其是在手性配体r ，r - ( + ) 一酒石酸二乙酯 r ，r 一( + ) - d e t 催化下，香叶醇的环氧化反应具有明显的正非线性效应f 图1 4 ) 1 3 9 1 。 ，7 、。h 。 尺尺) 一( + 卜d e t 塑旦堕! ，堡塑 t - b u 0 0 h c h 2 c i2 | - 2 0 c o h o ( r 尺) ( + 卜d e t ：e t 0 2 c 广一c 0 2 e t o h 图1 4 香叶醇的环氧化反应 之后，许多课题组陆续报道了其他( + ) 一n l e 现象，揭示了许多反应体系中存在 着手性放大的非线性效应1 4 0 m 】。迄今，手性放大引起较多关注的原因是：通常不 对称催化反应中所需催化剂的对映纯度均较高，因其不易制备提纯，成本比较高； 第章绪论 并且在催化反应过程中，催化剂对映纯度的丧失将导致催化活性降低；而对于存 在( + ) n l e 的反应，可以使用对映纯度较低( e e 值较低) 的催化剂去催化反应，得到 较高e e 值的手性产物。因此，研究和阐明手性放大机理，有可能实现用较低对映 纯度的催化剂去获得较高对映纯度的化合物，这无疑具有诱人的应用前景；另一 方面，对于了解手性起源以及生物体系的手性均一也具有重要的理论意义 4 3 4 5 1 。 1 4 2 3 不对称自催化 所谓不对称自催化是指某个手性化合物的自我复制( a u t o m u l t i p l i c a t i o n ) 过程， 其中手性产物就是促使它自身从非手性反应物中产生的手性催化剂( 图1 5 ) 【4 “。不 对称自催化与常规1 i 对称催化相比较有如下优点：1 ) 催化效率高；2 ) 在反应进程 中，新手性催化剂的量不断增加( 因而不存在催化剂失活的问题) ：3 ) 由于手性产 物和催化剂的结构是相同的，反应结束后小需从产物中分离出催化剂。由此产生 的“新一代”不对称催化合成反应既方便又经济【4 ”。 非手性反应物手性产物 非于性反应物 图1 5 不对称自催化与不对称催化的比较 泌、 i 三。结构不同、 手性催化剂 一p + 于性产物 虽然早在1 9 5 3 年，f r a n k 就提出了不对称自催化的理论模型 4 8 1 ，但是直到2 0 世 纪8 0 年代后期才陆续有不对称自催化现象的报道。1 9 9 0 年，s o a i 等在3 吡啶甲醛 和二烷基锌的反应中首次发现了对映选择性的不对称自催化现象【4 9 】( 图1 6 ) 。围绕 烷基锌与吡啶醛的加成反应，s o a i 等开展了一系列的不对称自催化研究工作 5 0 - 5 3 】。 c h o + r z n 害 l 图1 6 吡啶醛和烷基锌的加成反应 o h 1 4 3 无机化合物和配位化合物中的c s b 现象 在配位化学创立初期，w e m e r 及其助手陆续合成和拆分出多种含非手性双齿 配体的、具有手性金属中心的光学活性m ( i i i ) 络合物( m = c o 、c r ) 5 ”。但是w e m e r c o ( 1 1 1 ) 配合物的手性对称性破缺、合成及拆分机理研究 似乎错过了立体化学史上的一个重要发现的机会他所合成的一些经典络合物 在某些特定条件下可以通过形成外消旋混合物( c o n 9 1 ) 而实现自发拆分( 表1 1 ) 。 表1 1 可发生自发拆分的w e r n e r 型经典配位化合物 尽管在纯无机化合物l 5 5 ( 例如石英、n a c l 0 3 、n a b r 0 3 、n a l 0 3 、a 1 p 0 4 、仪一h g s 等) 、w e m e r 型经典配合物( 5 4 , 5 6 、包结配合物口7 1 和近年来发展迅猛的配位聚合物( 我 国无机化学家在这方面的研究取得了令人瞩目的成绩) 【5 7 粕1 中都发现了许多c o n 9 1 的实例，但是它们中能以半面晶外观识别的仍为数甚少。 与p a s t e u r 当年的工作非常类似，2 0 0 1 年n a g a s a t o 等报道了利用半面晶外观的 4 i 同( 图1 7 ) ，手工分离出一对以c o n 9 1 形式结晶的消旋c o ( i i ) 配合物的对映体，在 结构关联的研究中将同一颗c o ( i i ) 配合物单晶( 空间群p 2 1 2 1 2 1 ) 既用于晶体结构分 析也用】：固体( k b r 压片) c d 光谱测定，即进行晶体形状、绝对构型c 或a ( c 或a 分别表示顺时针或反时针螺旋) 和c d 光谱关联 抖6 5 】。其它同构的m n ( i i ) 、f e ( i i ) 、 n i ( i i ) 帝lz n ( i i ) 配合物的绝对构型可与之以约3 2 0n i n 处的c o t t o n 效应符号进行关 联。位于该处的c d 谱带被作者归属为配体中亚胺基的舻舻跃迁【6 4 1 ，其手性可能 起因于手性金属中心或分子骨架对非手性生色团亚胺基的“手性微扰”作用；结合在 约2 7 0n m 处相反符号的c d 谱带( 裂分) ，则手性亦有可能起因于数个亚胺基团之 间的激子偶合作用郾3 1 。 同样于2 0 0 1 年，k o s t y a n o v s k y 等报道了在合成 c o ( n 0 2 ) 2 ( e n ) 2 x ( x = c 1 、b r ) 和m c o ( e d t a ) ( m = k + 、n h 4 + ) 的过程中也产生了自发拆分m 】。 第一章绪论 构墅单晶b 特憎k 脚曲压m 图1 7 半面晶外观不同的一对消旋c o ( i i ) 配合物的对映体( a ) 和( b ) 及其固体c d 光谱( k b r 压片) 和绝对构型关联 据统计，在所有的外消旋体晶体中，以c o r g i 形式析出的只占约5 1 0 i 引。3 3 1 ， 其它大部分仍以另两种形式结晶( 主要为外消旋化合物) ；这表明在外消旋体结晶过 程中，同手性相互作用通常弱于异手性相互作用。尽管已报道的c o n 9 1 多半是靠“幸 运的偶然发现”( 包括p a s t e u r 的敏锐观察) ，k o s t y a n o v s k y 等认为对于同一系列化台 物，还是有一定规律可循的1 6 7 。6 8 】。我们则注意到在已报道的c o n g t 晶体中，大多 数( 有机化合物或配合物) 存在特殊的弱相互作用，特别是形成能够稳定手性构型的 氢键1 2 9 ，3 卜3 2 ，6 0 ，6 4 。6 5 俐。目前判断是否生成c o n 9 1 的方法主要为x r a y 单晶衍射和固 体c d 光谱【。 厂、v h 2 h 2 0h 2 n 7 、 ：! 揸群苗 些! ! 2 h 2 0 r r z o b n 。h 2 2 ( s 0 4 2 - ) 2 + n h b b r 图1 8 手性c s - l c o b r ( n h 3 ) ( e n ) z l b r z 的合成 2 + 1 9 9 0 年，a s a k u r a 等偶然发现t c i s 一 c o b r ( n h 3 ) ( e n ) 2 b r 2 i 拘i $ 1 备过程中存在着手 性对称性破缺现象( 图1 8 ) 1 7 0 - 7 1 。直到1 9 9 5 年他们才正式报道了从非手性的硫酸钴 和溴化铵等原料出发，在没有任何手性因素存在和手性环境影响的情况下，获得 手性配合物c s 一 c o b r ( n h 3 ) ( e n ) 2 b r 2 。该反应与通常的自发拆分形成c 0 蟛的产物净 0讷蛩毒手毒v曲u 筮曝雌誉叁写心 呲 卧 p k 呲 r z o 也 c o ( 1 1 1 ) 配台物的手性对称性破缺、合成发拆分机理研究 g g 值为零不同，可称之为绝对不对称合成。 1 9 9 9 年a o y a m a 等发现，c d ( n 0 3 ) 2 - 4 h 2 0 与非手性配体l ( 图1 9 ) 所形成的手 性配位聚合物 c d ( n 0 3 ) 2 ( h z o ) ( l ) ( e t o h ) 的净e e 值1 i 为零i ，即该反应按1 ：l 的统 计规律只生成一种手性产物，或m ( p 或m 分别表示