第6章 · 6.6

6.6 对映体与绝对构型

Enantiomers and Absolute Configuration
本页范围与学习目标
普通非手性介质中的氢谱通常不能区分一对对映体,也不能由相对构型直接确定绝对构型。本节从这种限制出发,解释手性溶剂化与衍生化怎样形成可辨别的非对映关系,区分积分所得的对映体比例与绝对构型结论,并以固定命名、位移差定义和观察方向的 Mosher 分析说明候选检验及其模型条件。
先读图解和核心解释;需要细节时再展开。
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区分镜像候选需要已知手性信息

绝对构型判断要能追溯到确定的手性参照和具体分析条件。

区分镜像候选需要已知手性信息 步骤 1 普通非手性谱 对映体可能同谱 先保留镜像歧义 步骤 2 引入手性参照 手性介质或衍生物 明确参照构型与规则 步骤 3 检验对应关系 比较可靠位移与比例 把局部证据接回全结构 区分镜像候选需要已知手性信息 步骤 1 普通非手性谱 对映体可能同谱 先保留镜像歧义 步骤 2 引入手性参照 手性介质或衍生物 明确参照构型与规则 步骤 3 检验对应关系 比较可靠位移与比例 把局部证据接回全结构
图 6.6-1 本页概念关系图。箭头表示本页采用的检查顺序。

读图时保留这项条件:峰分开可以支持比例测量,但峰的先后顺序不能直接决定绝对构型。

6.6.1 非手性氢谱保留的镜像歧义

本节以第5章的逐峰指认和本章前面的相对构型分析为基础。 学习任务是判断一个实验能否区分镜像候选,并把“有多少”与“是哪一种构型”分开记录。

展开说明与推导

对映体(enantiomer)互为不能重合的镜像; 绝对构型(absolute configuration)描述手性分子或基团的空间排列, 可用合适的立体描述符表示。对于一个普通四面体手性碳,先按 CIP 规则比较四个取代基, 再用 R 或 S 记录排列。多中心分子须给出中心的位次,单写一个 R 无法描述整分子 (IUPAC, 1996)。

在普通各向同性、非手性溶液中,同一对映体对的对应氢具有相同的化学位移和标量耦合。 把整个分子取镜像也把它与周围非手性分子的关系取镜像,局部相互作用没有因此获得可区分的手性参照。 在温度、浓度、溶剂及聚集状态可比的条件下,普通氢谱给出的参数不能为两种镜像排列排序。 提高场强可以缓解重叠,却不引入手性参照;把相同参数测得更精确也不能完成这种区分。

例如,单独测量 R-丁烷-2-醇、S-丁烷-2-醇和它们的等量混合物, 在上述条件下会得到对应相同的一套普通氢谱。 等量混合物中两种分子的信号相加,积分报告总氢数,不能从一个甲基信号拆出各自的含量。 分子中的一个 CH₂ 仍可能有两个非对映异位氢;这种分子内部的环境差别并不等于两种对映体已被分开。 两套信号也不能单凭套数认作一对对映体:杂质、非对映异构体或较慢的构象交换都须排查。

定义

相对构型说明若干立体中心之间的关系,整体取镜像后关系保留。 绝对构型需要选定其中一种空间排列。 因此,确定“同面”“异面”或一个相对构型网络后,仍可能剩下互为镜像的两个候选。

展开说明与推导

前几节使用的耦合与 NOE 也受到这种限制:镜像候选的二面角关系、核间距离和对应的构象能量分布相同。 普通介质中的 NOE 网络可以排除某些非对映异构体,但通常保留整个镜像对。 旋光符号也没有普遍的 R 为正、S 为负的对应规则。 若样品浓度变化伴随谱图变化,应先检查聚集和分子间相互作用,不能把任意位移变化直接转写为绝对构型。

习题 6.6-1

一个具有两个手性中心的未知物,普通氢谱、耦合和 NOE 已排除所有非对映候选,只剩下 (2R,3S) 与 (2S,3R)。样品只有一套信号,能否选择前者? 若再测得正旋光,结论怎样改变?

参考解答

不能选择。两候选互为镜像,在非手性介质中可以给出相同的位移、耦合和 NOE; 一套信号也不能区分单一对映体与这对对映体的混合物。 正旋光提示样品具有净旋光响应,但没有给出正旋光与本分子的 CIP 描述符的对应。 仍需已知构型标准、经过适用性检验的手性衍生化模型,或其他能提供绝对构型依据的实验。

6.6.2 用已知手性环境建立可辨别关系

手性辨别(chiral discrimination)利用手性环境使两个对映体产生不同响应。 固定一种已知构型的手性试剂 C,R 与 C、S 与 C 形成的组合通常具有非对映关系, 其结合方式或局部屏蔽可以不同。 位移差来自“分析物与参照物”的组合;原分析物的镜像关系仍然存在。 可选方式包括手性溶剂、非共价手性溶剂化以及共价衍生化 (Wenzel and Wilcox, 2003)。

展开说明与推导

手性溶剂化试剂(chiral solvating agent, CSA)可通过氢键、离子配对或配位等相互作用辨别分析物。 在结合与解离较快时,每种对映体的信号可能是游离态和结合态的平均响应; 两种对映体的平均值仍可不同。试剂浓度、温度、水含量和酸碱状态都会改变这种响应。 手性镧系位移试剂还可能带来顺磁位移与展宽,不能只追求更大的分离而忽略可积分性。 完全以手性溶剂测量同样需要验证溶解性和具体的辨别效果。

相同的两个对映体在非手性介质中信号重合,与同一种手性参照组合后可以形成两个可分辨响应 非手性介质:对应参数相同 同一种手性参照 C:可形成非对映关系 R S R + C S + C 普通氢谱中重合 响应 P 响应 Q 总面积不能拆成两种含量 P、Q 标签尚未等同于 R、S 指认
图 6.6-2 手性参照建立辨别关系的教学示意。曲线表示假设的单个报告信号,峰位和高度未对应实测数据;只有分离且通过归属检验的响应才能用于含量计算。
方法

先采集不加试剂的谱,再逐步改变手性试剂用量,跟踪同一报告氢的变化。 以外消旋样品检查两种响应是否均可见,以已知构型的单一对映体加标确定归属。 更换为试剂的另一对映体可作辅助检验,但峰位移动或顺序反转本身不提供通用的构型命名规则。

展开说明与推导

手性衍生化试剂(chiral derivatizing agent, CDA)则把分析物转成共价衍生物。 若含量任务使用一种纯手性试剂,原来的两种对映体可变为两个非对映衍生物。 必须检查反应是否完全、有无消旋和选择性损失;两个对映体反应速率不同而反应未完成时, 产物比例可能偏离起始样品比例。 对于多个反应位点,还要先确认衍生化位置和产物数目,不能把每一套新增信号都计作一个原对映体。

6.6.3 从分离积分得到比例与 ee

对映体比例(enantiomeric ratio, er)记录两种对映体的相对含量。 对映体过量(enantiomeric excess, ee)是两者摩尔分数之差的绝对值。 若只知道 P、Q 两种响应,先报告 P:Q 和 ee;将其写成 R:S 需要额外的峰归属依据 (IUPAC, 1996)。

展开说明与推导
\[ x_P=\frac{I_P/n_P}{I_P/n_P+I_Q/n_Q},\qquad x_Q=1-x_P,\qquad \mathrm{ee}/\%=100\lvert x_P-x_Q\rvert \]
(6.6-1)

这里的 \(I_P,I_Q\) 是两个完整信号的积分,\(n_P,n_Q\) 是各积分区域代表的氢数, \(x_P,x_Q\) 为无量纲摩尔分数。 公式要求两信号的单位氢响应可比,且这两个响应已确认来自同一对映体对。 ee 的绝对值不带构型名称;“40% ee,P 为主”仍保留 P 的身份待定这一事实。

表 6.6-1 分离报告信号的积分算例(教学设定)
报告信号代表氢数完整积分积分除以氢数
P 的甲基34.201.40
Q 的对应甲基31.800.60
展开说明与推导

表中的两甲基信号各代表三个氢。先除以氢数,再归一化,得到 P 的摩尔分数为 \(1.40/(1.40+0.60)=0.70\),Q 为 \(0.30\),所以 er 为 \(7:3\),ee 为 40%。 把 70% 当成 ee 会把主组分含量与两组分含量之差混为一谈。 若用经独立确认的 R 标准加标,并追踪到 P 的对应信号增加,才可将原样品结果写作 R:S 为 7:3,40% ee,R 为主。

比例测量须使用面积,单取最高谱线的高度会受线宽和裂分影响。 积分区域应包含整个多重峰,检查基线、重叠、卫星与试剂杂峰, 并使采集条件下的弛豫和激发响应满足所需准确度。 本例为给定条件的计算练习,正式定量条件将在 7.1 节展开。 多个独立报告信号所得比例应相符;若甲基给 7:3 而另一个对应信号给 1:1, 先查归属和积分条件,不能选择更符合合成预期的数值。

主峰旁没有可见的次峰,只能给出与噪声、重叠及方法灵敏度有关的界限,不能直接证明 ee 为 100%。 同时,绝对构型已确定的主组分仍可以含有少量另一对映体。 “主组分为 R”和“样品具有多少 ee”应分别列在报告中,并说明测量方法。

习题 6.6-2

手性辨别后,P 的一个三氢信号完整积分为 3.60,Q 的一个一氢信号积分为 0.80。 已确认二者响应可比且各自只属于一个对映体。计算 er、两者摩尔分数和 ee。 如果没有标准加标,能否称样品为 20% ee 的 R 主体?

参考解答

先校正氢数:P 为 \(3.60/3=1.20\),Q 为 \(0.80/1=0.80\)。 故 P:Q 为 \(1.20:0.80=3:2\),摩尔分数分别为 0.60、0.40,ee 为 20%。 不校正氢数会错误地得到 4.5:1。 没有构型归属证据时,只能说 20% ee,P 为主;本题数据没有把 P 对应到 R。 还应检查另一组报告信号能否得到同样比例。

6.6.4 Mosher 分析:先固定命名与投影

Mosher 方法常用 α-甲氧基-α-三氟甲基苯乙酸(MTPA)衍生化醇。 用于绝对构型分析时,取同一种待测仲醇,分别制备 MTPA 部分构型为 S 和 R 的两个酯。 二者是非对映异构体,可比较待测醇部分对应氢的位移。 这一任务与“用一种 MTPA 对映体衍生化一个对映体混合物,再积分测比例”不同, 记录样品时须注明原料与试剂各自的身份 (Dale et al., 1969)。

展开说明与推导

本节的“S-MTPA 酯”专指酯中 MTPA 部分手性中心的描述符为 S, 不表示待测醇的中心为 S。 以不改变 MTPA 中心空间排列的酰化过程计,S-MTPA 酸生成 S-MTPA 酯, 但 R-MTPA 酸氯生成 S-MTPA 酯;相反,S-MTPA 酸氯生成 R-MTPA 酯。 酸氯与酯的描述符对换来自 CIP 优先级改变:甲氧基保持最高, 酸氯中的羰基碳按连接原子比较优先于三氟甲基碳,酯中的次序则相反。 这不表示手性中心发生了空间反转 (Hoye et al., 2007)。

\[ \Delta\delta^{SR}(\mathrm{H}_i) =\delta_{S\text{-MTPA ester}}(\mathrm{H}_i) -\delta_{R\text{-MTPA ester}}(\mathrm{H}_i) \]
(6.6-2)

式中 \(\mathrm{H}_i\) 是原醇部分同一个已指认的氢,\(\delta\) 沿用无量纲定义, 表内以 \(\delta/\mathrm{ppm}\) 和 \(\Delta\delta^{SR}/\mathrm{ppm}\) 报数。 两列须按生成酯的 MTPA 描述符命名;若从酸氯开始,第一列来自 R-MTPA 酸氯。 整张表交换两列会使所有位移差变号,足以导致相反的构型判定。

改进 Mosher 方法(modified Mosher method)比较两侧多个对应氢的位移差分布, 而非依据一个氢的正负号。 Ohtani 等把这种多点分析用于已知构型的醇及海洋萜类,为构型关联提供检验依据 (Ohtani et al., 1991)。 解释采用文献检验过的有效构象模型:酯部分取所用模型的 s-trans 排列,原醇的次甲基氢与 MTPA 的三氟甲基 分别与羰基共面、同向。溶液仍可包含多个构象,模型不宣称每个分子都固定成图中的形状 (Hoye et al., 2007)。

H 位于上方,氧位于左下方且与 H 和原醇中心在纸面中;A 虚楔朝后,B 实楔朝前。位移差固定为 S 酯减 R 酯 固定侧视投影(有效模型示意) 与表 6.6-3 一起核对候选 H Cα O 连接 MTPA 酰基 A 向后 B 向前 A:S 酯减 R 酯为正 在 R 酯中相对更受苯环屏蔽 B:S 酯减 R 酯为负 在 S 酯中相对更受苯环屏蔽 H、Cα、O 在纸面;实楔朝观察者,虚楔背向观察者。 图中 A、B 是空间位置标签,不是按 CIP 排序的名称。
图 6.6-3 本节固定的侧视投影及符号映射。原醇部分的氧在左下、氢在上,A 背向观察者,B 朝向观察者;采用 S-MTPA 酯减 R-MTPA 酯。改变观察方向须连同楔线一起变换,不能保留原来的左右称呼。
展开说明与推导

苯环的各向异性屏蔽使某些邻近氢向高场移动。 在图示有效模型中,后方 A 的氢在 R 酯中相对更受屏蔽,所以 S 减 R 为正; 前方 B 的氢在 S 酯中相对更受屏蔽,所以 S 减 R 为负。 这里的符号首先确定 A、B 对应哪个分子片段。 随后才把片段放回原醇,按 CIP 次序命名原醇中心;“正值”本身没有 R 或 S 的含义。

表 6.6-2 丁烷-2-醇的 Mosher 位移差计算(教学设定,非实测)
原醇部分的氢S-MTPA 酯:\(\delta/\mathrm{ppm}\)R-MTPA 酯:\(\delta/\mathrm{ppm}\)\(\Delta\delta^{SR}/\mathrm{ppm}\)
直接连于 C2 的甲基氢1.201.28−0.08
乙基中的 H3a1.721.66+0.06
乙基中的 H3b1.601.56+0.04
乙基末端甲基氢0.960.93+0.03
展开说明与推导

两种酯应在可比的溶剂、温度、浓度与位移参照条件下测量,避免整谱的定标偏差被计入位移差。 先确认两谱中的 H3a、H3b 对应同一个原子标签,不能把较高场的一条任意配给另一谱较高场的一条。 表中 \(1.20-1.28=-0.08\) ppm,把直接相连的甲基归于前方 B; 乙基的三个报告位置均给正值,把乙基归于后方 A。 下面把两个原醇候选分别按图中的 H、O 方向摆放,逐项核对预期符号。

表 6.6-3 固定图 6.6-3 投影后的候选映射
原醇候选后方 A:预期正值前方 B:预期负值与表 6.6-2 相符?
R-丁烷-2-醇直接相连的甲基乙基否,两片段符号相反
S-丁烷-2-醇乙基直接相连的甲基是,甲基负、乙基正
展开说明与推导

CIP 顺序为氧、乙基、甲基、氢;乙基与甲基的首个原子同为碳, 比较下一层的连接原子即可区分次序。 把表中相符投影整体转到最低优先级氢背向观察者,氧到乙基再到甲基呈逆时针,得到 S。 这一结论依赖表中指认正确、两种酯身份正确且有效模型适用。 若原醇已有其他手性中心,本次酯化只直接检验该羟基所在中心;其他中心仍需相对关系才能关联。

警示

严重位阻、多个羟基同时衍生化、分子自身的芳环屏蔽或构象重排可能破坏简单分区。 位移差接近测量不确定度时不强行赋号;同一片段正负混杂时先查指认、条件及构象。 不能删除不符的数据后宣布构型确定 (Seco et al., 2004)。

习题 6.6-3

按图 6.6-3 与表 6.6-3 的投影研究丁烷-2-醇。 用 R-MTPA 酸氯制得的酯,甲基和乙基报告氢的位移分别为 1.30、1.55 ppm; 用 S-MTPA 酸氯制得的酯,相应值为 1.22、1.61 ppm。 假定两侧其他氢同样支持各自符号,求两种酯的正确名称、\(\Delta\delta^{SR}\) 与原醇构型。 若甲基差值只有 0.001 ppm,而重复测量的不确定度与之相当,应怎样报告?

参考解答

R 酸氯所得为 S-MTPA 酯,S 酸氯所得为 R-MTPA 酯。 故甲基位移差为 \(1.30-1.22=+0.08\) ppm,乙基为 \(1.55-1.61=-0.06\) ppm。 后方 A 应为甲基、前方 B 为乙基,表 6.6-3 对应 R-丁烷-2-醇。 这一步使用的是生成酯的构型标签,而非酸氯标签。 差值与不确定度相当时,甲基不能可靠赋号;若缺少其他可靠的该侧报告氢,应报告证据不足, 补做重复测量、完善指认或选择其他方法,保留两个候选。

6.6.5 将局部构型证据接回完整结构

绝对构型结论需要说明参照从何而来。 已知构型标准的同条件比较、与已知物的可靠化学关联、经过检验的手性衍生化模型, 均可提供参照。化学关联要记录连接步骤及立体中心是否保持或反转, 不能仅用“来自某天然原料”代替反应过程检查。 手性色谱若没有标准或其他赋值依据,分离后的先后洗脱次序也只能先记作两个峰的标签。

展开说明与推导

单晶衍射可补充空间排列信息,但一幅精细的晶体结构图不自动消除镜像歧义。 绝对构型依据可以来自已知手性参照,也可以来自有足够区分能力的异常散射数据; 相应的绝对结构参数必须结合不确定度解释。 只报告一个接近零的参数而不报告其精度,不能充分支持绝对构型 (Flack and Bernardinelli, 1999)。 电子或振动圆二色性也可参与判断,但其谱图比较须考虑测量条件及构象,普通氢谱可协助检验构象模型。

对于两个中心的教学未知物,若耦合和 NOE 支持同一个相对关系,只剩 (2R,3S) 与 (2S,3R), 而适用的 Mosher 分析确定羟基所在 C2 为 S,两条证据相接便选择后一个候选。 这里 C3 的赋值来自已建立的相对关系,并未由 Mosher 实验单独测得。 如果 C2 与 C3 之间的相对关系尚不确定,即使 C2 已定,也仍须保留 C3 的候选。

实际报告可分别写出:连接结构的谱学依据、相对构型网络、局部绝对构型的参照和模型、 样品的 er 或 ee。附上两种酯的原料记录、对应峰表、位移差、投影及未能可靠赋号的位置。 遇到两套信号,应继续辨认它们属于组分还是动态过程; 6.7 节将讨论交换速率与 NMR 时间尺度之间的关系。

关键术语

对映体 (enantiomer)
互为不能重合的镜像的分子实体。
绝对构型 (absolute configuration)
手性分子或基团的空间排列及其立体化学描述。
手性辨别 (chiral discrimination)
利用手性环境使一对对映体产生可区分响应。
手性溶剂化试剂 (chiral solvating agent, CSA)
通过非共价相互作用建立手性辨别的试剂。
手性衍生化试剂 (chiral derivatizing agent, CDA)
与分析物形成共价衍生物、将镜像关系转为可分析非对映关系的试剂。
对映体比例 (enantiomeric ratio, er)
一对对映体的相对含量,须注明两项的归属或标签。
对映体过量 (enantiomeric excess, ee)
两种对映体摩尔分数之差的绝对值,通常以百分数表示。
改进 Mosher 方法 (modified Mosher method)
固定酯命名与位移差定义后,以两侧多个氢的符号分布检验局部绝对构型的方法。

参考文献与延伸阅读

  1. IUPAC. 1996. Basic terminology of stereochemistry (IUPAC Recommendations 1996). Pure and Applied Chemistry, 68: 2193–2222. DOI:术语与构型描述。
  2. Wenzel TJ, Wilcox JD. 2003. Chiral reagents for the determination of enantiomeric excess and absolute configuration using NMR spectroscopy. Chirality, 15: 256–270. DOI:手性辨别试剂。
  3. Dale JA, Dull DL, Mosher HS. 1969. α-Methoxy-α-trifluoromethylphenylacetic acid, a versatile reagent for the determination of enantiomeric composition of alcohols and amines. The Journal of Organic Chemistry, 34: 2543–2549. DOI:MTPA 与组成分析。
  4. Ohtani I, Kusumi T, Kashman Y, Kakisawa H. 1991. High-field FT NMR application of Mosher's method. The absolute configurations of marine terpenoids. Journal of the American Chemical Society, 113: 4092–4096. DOI:多点位移差分析。
  5. Hoye TR, Jeffrey CS, Shao F. 2007. Mosher ester analysis for the determination of absolute configuration of stereogenic (chiral) carbinol carbons. Nature Protocols, 2: 2451–2458. DOI:命名、模型与分析流程。
  6. Seco JM, Quiñoá E, Riguera R. 2004. The Assignment of Absolute Configuration by NMR. Chemical Reviews, 104: 17–118. DOI:适用条件与局限。
  7. Flack HD, Bernardinelli G. 1999. Absolute structure and absolute configuration. Acta Crystallographica Section A, 55: 908–915. DOI:衍射证据的解释。