核磁共振技術(shù)在手性識(shí)別方面的應(yīng)用

杜國穩(wěn)，陳連輝

（溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

核磁共振技術(shù)在手性識(shí)別方面的應(yīng)用

杜國穩(wěn)，陳連輝

（溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

近年來，NMR方法以其分析速度快﹑樣品用量少﹑費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為手性分析不可缺少的工具。本文綜述了NMR方法在研究立體化學(xué)中的動(dòng)力學(xué)及其反應(yīng)機(jī)理﹑測定手性物質(zhì)的對映體純度以及絕對構(gòu)型﹑研究手性識(shí)別的機(jī)理和構(gòu)象﹑鑒定不同構(gòu)型的有機(jī)分子的立體結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)等方面的研究進(jìn)展。

手性；對映體； NMR

近年來，許多分離技術(shù)已被開發(fā)應(yīng)用于手性分析，如高效液相色譜法(HPLC)[1]﹑電化學(xué)傳感器法[2]﹑質(zhì)譜法(MS)[3]﹑光譜法[4]等。在以上分析方法中，NMR方法以分析速度快﹑樣品用量少﹑費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為手性分析不可缺少的工具。利用NMR技術(shù)，不但能夠測量主-客體分子間的化學(xué)計(jì)量關(guān)系和平衡常數(shù)，而且能夠了解手性識(shí)別過程中作用點(diǎn)的信息。其主要應(yīng)用在研究立體化學(xué)中動(dòng)力學(xué)及其反應(yīng)機(jī)理﹑測定手性物質(zhì)的對映體純度以及絕對構(gòu)型﹑研究手性識(shí)別的機(jī)理和構(gòu)象﹑鑒定不同構(gòu)型的有機(jī)分子的立體結(jié)構(gòu)和和化學(xué)結(jié)構(gòu)等方面。

NMR技術(shù)測定對映體(ee值)的工作原理是直接或間接地使手性對映異構(gòu)體的化學(xué)環(huán)境不等價(jià)，根據(jù)異構(gòu)體在NMR譜圖上不同的化學(xué)位移以及峰面積，計(jì)算對映異構(gòu)體的ee值。目前，核磁共振技術(shù)研究手性識(shí)別有3種方法：一是手性衍生化試劑法(Chiral derivatizing agents法，簡稱CDA法)，即使對映異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為非對映異構(gòu)體，測定對映異構(gòu)體比率即能獲得較好的分析結(jié)果，但是操作比較復(fù)雜；二是手性位移試劑法(Chiral shift reagents法，簡稱CSR法)，該方法能獲得較大的化學(xué)位移差，由于線寬的影響，對分析結(jié)果有不利的影響；三是手性溶解劑法(Chiral solvating agents法，簡稱CSA法)，該方法利用手性溶解劑與底物快速形成締合物，使對映異構(gòu)體的性質(zhì)有所差異，然后在NMR譜圖上表現(xiàn)出來。常用的手性溶解試劑有鑭系元素或過渡金屬絡(luò)合物﹑布朗斯特酸/堿﹑超分子受體等。

1 手性衍生化試劑法(CDA)

手性衍生化試劑由Raban于1965年首次提出，可以不經(jīng)過化學(xué)拆分而直接通過NMR測定手性化合物的ee值，近幾年，手性衍生化試劑的合成發(fā)展十分迅速。該方法將對映異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為非對映異構(gòu)體，基于NMR中特征峰的化學(xué)位移進(jìn)行分析。衍生化試劑需要具備以下特征：一是功能基團(tuán)能提供與底物的共價(jià)結(jié)合位點(diǎn)；二是基團(tuán)可產(chǎn)生空間各向異性；三是極性或大的基團(tuán)能提供固定結(jié)構(gòu)。該方法主要應(yīng)用于手性胺﹑醇﹑羧酸﹑多羥基化合物的構(gòu)型等。

目前，最為常用的手性化試劑是Morsher[5]或MTPA試劑，即α-甲氧基-α-三氟甲基-α-苯基乙酸，以及其酰氯對映體(R-構(gòu)型或S-構(gòu)型)，目前已經(jīng)商業(yè)化。手性純的對映異構(gòu)體與Morsh’s acid或者其酰氯偶合生成一對非對映異構(gòu)體S-MTPA酯或R-MTPA酯。由于所生成酯的構(gòu)象不同，通過1H NMR和19FNMR分別測定α-甲氧基和α-三氟甲基的化學(xué)位移差異，可測定出對映體的絕對構(gòu)型。

Figure1 MTPA and MTPA ester

James D. T.等[6]報(bào)道了通過三組分的反應(yīng)來測定手性伯胺以及手性胺醇的ee值的手性衍生化試劑CDA(Scheme 1)。2-甲?；脚鹚岷虰INOL與消旋體的胺以及胺醇反應(yīng)，用1H NMR直接進(jìn)行分析，可以得到80%～90%的ee值。

Scheme 1 Chiral Derivatization Protocol for Determining the Enantiopurity of Chiral Amine with 2-formylphenyl boronic acid and (s)-BINOL

2 手性位移試劑法(CSR)

Scheme 2 chiral imidazolium salts (a) potassium salt of Mosher acid(b) Potassium salt of Mosher acid after the addition of 3 equiv

手性位移試劑法是一種可非常方便地測定對映異構(gòu)體ee值的方法，該方法不需要衍生化試劑。手性位移試劑主要以鑭系金屬離子(Eu3+﹑Pr3+﹑Yb3+等)為中心原子，有機(jī)β-二酮為配體形成配位化合物，這種絡(luò)合物是一種Lewis酸，可以和Lewis堿(如胺﹑醛﹑酮﹑羧酸﹑醇及其衍生物等)形成加合物。手性鑭試劑于20世紀(jì)70年代首次報(bào)道。其結(jié)果是未受配合的質(zhì)子通常受到去屏蔽作用，這些質(zhì)子的化學(xué)位移發(fā)生改變，因此，不同的質(zhì)子有不同程度的位移，使原來重疊的峰分開。不同的鑭系離子導(dǎo)致不同的化學(xué)位移，銪﹑鉺﹑銩﹑鐿等加合物質(zhì)子的化學(xué)位移移向低場，鈰﹑鐠﹑釹等加合物質(zhì)子的化學(xué)位移移向高場。同時(shí)冠醚[15]﹑環(huán)糊精[7]﹑卟啉[8]﹑大環(huán)空腔化合物也是常用的位移試劑。

Luis等[9]報(bào)道了以手性咪唑鎓鹽為手性位移試劑，對Mosher’s 酸及其衍生物進(jìn)行手性分析，當(dāng)加入3個(gè)當(dāng)量的手性咪唑鎓鹽時(shí)，以CD3CN作溶劑，用NMR進(jìn)行檢測，可以清楚地看到鏈接α-C的甲氧基進(jìn)行了裂分。

Tanaka等[10-11]報(bào)道了其他兩種大環(huán)空穴化合物對羧酸及其衍生物的構(gòu)型分析，以及其對映體純度的測定。Casanova[12]測定了鑭系配合物手性Yb(hfc)3對醇的對映體純度以及歸隊(duì)構(gòu)型。Coxon[13]報(bào)道了首次用鑭系化合物D-Yb(hfc)3以及L-和D-Eu(hfc)3，對氨基酸酯的α，β-質(zhì)子進(jìn)行NMR檢測，發(fā)現(xiàn)其化學(xué)位移向低場移動(dòng)。

Figure 2 different of Chiral Solvating Agent

此外，由于鑭系配合物是順磁手性位移試劑，用核磁共振一次測定時(shí)，鑭系離子會(huì)造成譜峰變寬。順磁離子會(huì)縮短弛豫時(shí)間，因此導(dǎo)致NMR譜線變寬，同時(shí)，磁場強(qiáng)度越強(qiáng)，NMR譜線變寬越嚴(yán)重，增加了分析的難度。

目前，所用鑭及其他位移試劑分子量較大，熔點(diǎn)高，不易回收，重復(fù)利用率低，對環(huán)境不友好。而且大多數(shù)鑭系位移試劑合成比較困難，對合成條件要求較高，由于我國對鑭系等稀土元素的深加工技術(shù)薄弱，使得位移試劑的價(jià)格較高。

3 手性溶劑化試劑法(CSA)

手性溶劑化試劑按照締合作用的不同，可分為兩類，一是主-客體類型；二是供-受體類型。

3.1 主-客體類型

Carmer[14]首先于1953年報(bào)道了環(huán)糊精用于手性識(shí)別。環(huán)糊精的外緣(Rim)親水而內(nèi)腔(Cavity)疏水，因而它能夠像酶一樣提供一個(gè)疏水的結(jié)合位點(diǎn)作為主體，包絡(luò)各種類型的適當(dāng)?shù)目腕w如有機(jī)小分子。其內(nèi)腔疏水而外部親水的特性使得環(huán)糊精可根據(jù)范德華力﹑疏水相互作用﹑主客體分子間的配位等與有機(jī)小分子形成包合物。

3.2 供-受體類型

這種類型的手性溶劑化試劑與對映異構(gòu)體通過弱相互作用，如氫鍵﹑π-π相互作用等形成締合物。這些手性溶劑化試劑都有一個(gè)各向異性的芳香環(huán)以及酸性(OH)或堿性(NH)基團(tuán)作為位點(diǎn)，這類化合物大都有O﹑H﹑N等原子。近年來，其研究也越來越廣泛。

Lei等人[15]合成了(R,R)-BINOL胺的衍生物作為手性溶劑化試劑，用來測定扁桃酸的ee值，在298K下以CDCl3作為溶劑，進(jìn)行1H NMR檢測，可以看出消旋體扁桃酸的手性質(zhì)子出現(xiàn)了明顯的裂分，其手性質(zhì)子裂分Δ Δ δ為0.284×10-6。

Scheme 31H NMR spectra of free receptor, free mandelic acid, and the 1:1 mixture of receptor with (rac)-mandelic acid

Pericas等人[16]合成了雙氨基化合物作為手性溶劑化試劑，用來測定扁桃酸及其衍生物的ee值。在303K下，摩爾比為1∶1，以CDCl3作為溶劑，進(jìn)行1H NMR檢測，可以看出消旋體扁桃酸的手性質(zhì)子出現(xiàn)了明顯的裂分，其消旋扁桃酸的手性質(zhì)子的Δ Δ δ為0.25×10-6。

4 結(jié)論

本文對3種NMR技術(shù)測定對映異構(gòu)體ee值的方法進(jìn)行了綜述。NMR技術(shù)具有樣品用量少﹑分析速度快﹑費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在測定對映異構(gòu)體方面有著廣泛的應(yīng)用前景。以上方法中，手性衍生化試劑法測定對映異構(gòu)體比率，能獲得較好的分析結(jié)果，但是操作比較復(fù)雜且衍生化試劑比較昂貴。手性位移試劑法能獲得較大的化學(xué)位移差，由于線寬的影響，對分析結(jié)果有不利的影響，試劑價(jià)格高，不適合大規(guī)模的應(yīng)用。手性溶解劑法利用手性溶解劑與底物快速形成締合物，使對映異構(gòu)體的性質(zhì)有所差異，方法簡便，因此合成新的手性溶劑化試劑，是目前科研人員的研究方向。

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Application of NMR Technology in Chiral Recognition

DU Guowen, CHEN Lianhui
(College of Chemistry and Material Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325035)

In recent years, because of advantages of rapid analysis speed and low cost, NMR technology become an indispensable tool for chiral analysis. In this paper, the research progress of NMR technology, included study of kinetics and reaction mechanism in stereochemistry, determination of enantiomeric purity and absolute configuration of chiral materials, study of mechanism and conformation of chiral recognition, identifying of structure and chemical structure of organic molecules with different confgurations, were summarized.

chiral; single isomer; NMR

A

1671-9905(2017)04-0029-03

2017-02-20