手性催化与合成中的一些凝聚态化学问题

蒋茹; 刘晨旭; 杨平; 游书力

doi:10.7536/PC220221

化学进展 ›› 2022, Vol. 34 ›› Issue (7) :1537-1547 DOI: 10.7536/PC220221

综述

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手性催化与合成中的一些凝聚态化学问题

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Condensed Matter Chemistry in Asymmetric Catalysis and Synthesis

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摘要

凝聚态化学作为一门研究化学反应中凝聚态物质的科学,最近引起了化学界的广泛关注。从手性化学角度出发,本文列举了近年来手性催化与合成中的一些凝聚态化学现象,分类介绍了不对称催化反应中不同类型的凝聚态物质,并通过列举实例分析讨论了凝聚态物质的具体组成、层次结构等因素对反应的催化活性、对映及区域选择性控制影响,以望能引起业界对凝聚态科学的关注,启发更多学者从凝聚态化学角度思考有机化学反应本质并解决相关问题,完善凝聚态科学体系。

Abstract

Condensed matter chemistry, as a science of studying condensed matter in chemical reactions, has attracted extensive attention recently. In this review, condensed matter chemistry related to asymmetric catalysis and synthesis are briefly summarized, and different condensed matter phenomena in asymmetric catalytic reactions were classified. Besides, relative works were discussed in detail to illustrate the effects of the multi-level structures and composition of condensed matter on the catalytic activity, enantio- and regioselective control. It is hoped that the system of condensed matter science would be well developed by attracting more attention and bringing more thoughts to the essence of reaction from the perspective of condensed matter chemistry.

Contents

1 Introduction

2 Chirality and asymmetric catalysis

2.1 Importance of chirality

2.2 Asymmetric catalysis

3 Condensed matter chemistry in asymmetric catalysis and synthesis

3.1 Condensation of catalysts:nonlinear effect

3.2 Condensation of catalysts and solvents

3.3 Condensation of catalysts and additives

3.4 Condensation of catalysts and substrates:phase-transfer catalysis

3.5 Condensation of enantiomers:SDE

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

凝聚态 / 手性催化 / 对映选择性 / 非线性效应 / 溶剂效应 / 相转移催化 / 对映体自歧化

Key words

condensed state / asymmetric catalysis / enantioselectivity / nonlinear effect / solvent effect / phase-transfer catalysis / self-disproportionation of enantiomers

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蒋茹, 刘晨旭, 杨平, 游书力. 手性催化与合成中的一些凝聚态化学问题[J]. 化学进展, 2022, 34(7): 1537-1547 DOI:10.7536/PC220221

Ru Jiang, Chenxu Liu, Ping Yang, Shuli You. Condensed Matter Chemistry in Asymmetric Catalysis and Synthesis[J]. Progress in Chemistry, 2022, 34(7): 1537-1547 DOI:10.7536/PC220221

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1 引言

最近由吉林大学徐如人院士等^[1,2]提出的“凝聚态化学”概念引起了不同领域化学家们的广泛关注。传统化学中被视为反应主体的原子、离子以及分子,在实际反应中经常会形成具有不同结构层次的凝聚态物质,而这些物质的真正组成、结构、性质与功能才是影响反应的关键因素^[3]。对于传统有机化学,由于反应体系较为简单且基本在溶液中进行,因而一般情况下其被视为理想的分子间反应。近些年,随着有机化学领域的蓬勃发展,反应体系逐渐变得复杂与多样,越来越多的研究人员发现在很多反应中活性物种不再是一个简单的分子,而是一类更加复杂、具有多层次结构的凝聚态物质。因此,仅从分子层次来对这些复杂有机化学反应进行研究是不够的。但目前,针对有机反应中凝聚态化学的系统性研究还比较少。本文列举了手性催化与合成中一些因分子层次聚集产生的特殊的化学现象并从凝聚态化学角度进行了初步探讨。

2 手性与手性催化

2.1 手性的重要性

手性(Chirality)这个词源于希腊字“手”(Cheir),人的左手与右手互为镜像但无法完全重合。因此,对于一个物体若不能与其镜像重合,该物体就称为手性物体^[4]。手性是自然界的基本属性——从小分子到大分子再到宏观物质,如天然氨基酸、蛋白质、遗传物质DNA以及贝壳螺纹、星云等,手性物质构成了多姿多彩的世界。此外,我们将这种具有像“左手和右手”一样两种不同形态的物质称为对映异构体(对映体)^[4]。有趣的是,在自然界或者生命体中某些手性物质几乎以单一异构体存在,如氨基酸、核苷、糖等,抑或是两种异构体之间表现出完全不同的性质,如(S)-天冬酰胺有苦味,而其对映体具有甜味。然而早期人们对手性认识不够充分,忽略了对映异构体与其受体作用可能产生不同结果,也导致了一些悲剧的发生。例如,在手性药物应用方面,20世纪60年代欧洲的“反应停”事件。从此,单一镜像异构体(对映纯化合物)的制备成为了药物研发的关键之一。

2.2 手性催化

目前获得对映纯化合物的方法主要有手性拆分、底物诱导以及手性催化等方法^[4]。其中手性催化(不对称催化),包括酶催化与化学催化,可以高效、高选择性地将前手性或者非手性底物转化为手性目标产物,使反应具有极高的效率和效益。值得一提的是,由手性有机金属催化剂与有机小分子催化剂主导的化学催化在近几十年异军突起,取得了快速发展,极大地推动了不对称催化反应在学术研究和工业生产中的应用。为了表彰与肯定不对称催化对人类社会发展的推动作用,2001年的诺贝尔化学奖授予了在不对称氢化、不对称环氧化和双羟化反应领域做出卓越贡献的Knowles博士、Noyori教授和Sharpless教授,酶定向进化的先驱者Arnold教授共享了2018年的诺贝尔化学奖,以及2021年诺贝尔化学奖授予了有机小分子催化领域的List教授和MacMillan教授。

3 手性催化与合成中的凝聚态化学

在不对称催化反应中,手性控制(又称对映选择性控制)一直是合成有机化学家感兴趣和致力于突破的难点与挑战。理论上不对称催化反应的立体选择性控制主要由催化剂决定。但在实际反应中由催化剂、反应溶剂、添加剂甚至手性产物自身参与形成的一些凝聚态物质会很大程度地影响反应结果。因此,本文将这些凝聚态化学按照不同的聚集方式或聚集状态进行了简单分类与介绍,分别包括催化剂与催化剂的聚集、催化剂与底物的聚集、催化剂与添加剂的聚集、催化剂与溶剂的聚集以及对映体之间的聚集。

3.1 催化剂与催化剂的聚集:非线性效应

不对称合成中,在不受其他因素干扰的情况下,理论上产物的ee值(对映体过量值)与催化剂的ee值之间应该呈现线性相关(如图1中直线B所示)。然而在许多实际的反应中,由于反应机理中催化物种的复杂性或者彼此之间存在相互作用如聚集,导致产物的ee值与手性配体或手性催化剂的ee值之间呈现非线性关系(Nonlinear effects)(如图1中曲线A和C所示)^[5,6]。本质上这种非线性关系的产生是因为手性化合物的对映体之间存在两种不同的聚集方式,如同种构型化合物产生的自聚集,也称同手性聚集(Homochiral associates);相反构型化合物之间的聚集,也称异手性聚集(Heterochiral associates)。一般情况下,两种物种活性不同。若非线性关系如曲线A,此时称为正的非线性效应[(+)-NLE],表明反应中同手性聚集物种活性高于异手性。这意味着即便使用对映纯度不高的配体或者催化剂,反应也可以顺利生成高对映纯度的产品,因此这种效应也称为不对称放大效应。若非线性关系如曲线C,此时称为负的非线性效应[(-)-NLE],表明反应中异手性聚集物种活性高于同手性。此类反应需要高对映纯度的配体或者催化剂,否则反应的对映选择性控制会明显受到影响,因此这种效应也称为不对称缩减效应。总体而言,非线性效应研究不仅可以为反应催化剂的对映纯度选择提供指导,还可以提供部分反应机理的相关信息。接下来,本文将通过一些经典实例来介绍和分析非线性效应在不对称催化与合成中的应用。

3.1.1 有机锌试剂对醛的不对称加成反应

1986年,Noyori等^[7]报道了β-二烷基氨基醇催化的二烷基锌对醛的高对映选择性加成反应。他们发现β-二烷基氨基醇与锌试剂的比例不同时,反应中聚集形成的物种不同,从而明显影响反应的收率。例如,使用2 mol% (-)-DAIB催化反应时,一系列不同的烷基锌试剂可以对醛类化合物发生不对称加成反应,并生成相应的手性仲醇(图式1)。但使用1当量的(-)-DAIB时,烷基化反应无法发生。这是因为加入1当量的(-)-DAIB时,二烷基锌试剂首先会全部与(-)-DAIB按1/1形成的物种(-)-Ⅰ,而此物种只能活化苯甲醛的羰基,无法对其发生加成反应,只有加入过量的二烷基锌,(-)-Ⅰ才可以进一步转化为双核的二烷基锌物种(-)-Ⅱ,此物种为烷基化活性物种(图式2),从而进一步发生加成反应,并以优秀的收率以及对映选择性控制生成烷基化产物。

除了因β-二烷基氨基醇与锌试剂的比例不同引起反应活性变化以外,该反应随着β-二烷基氨基醇的对映纯度变化还存在明显的正的非线性效应[(+)-NLE]。例如,反应中使用8 mol%的对映纯度仅为15% ee的 (-)-DAIB为催化剂时,仍可以获得高达95% ee的产物,与标准反应的结果差异不大^[8](图式3)。Noyori等对机理研究后发现,对映纯的DAIB与1当量的二烷基锌试剂混合,可以生成单一的同手性二聚双核物种Ⅲ,但Ⅲ不稳定容易分解成相应的单体Ⅰ,参与催化反应。有趣的是,将两种对映体形成的同手性二聚物种(-)(-)-Ⅲ与(+)(+)-Ⅲ进行混合,原位分解生成的对映单体(S)与(R)-Ⅰ可以彼此之间发生异手性聚集,形成稳定的异手性二聚物种(-)(+)-Ⅲ,但(-)(+)-Ⅲ无法再次分解为单核物种参与催化反应。换而言之,低对映纯度的DAIB会与烷基锌试剂优先形成无催化活性的异手性二聚物种(-)(+)-Ⅲ,剩余的某单一过量对映体可以形成不稳定的同手性二聚物种(-)(-)-Ⅲ或(+)(+)-Ⅲ,并进一步分解参与催化反应。因此,即便反应中使用低对映纯度的催化剂,仅需增加催化剂用量,仍可以获得良好的反应结果。

3.1.2 氨基酸催化的不对称aldol反应

脯氨酸作为一种重要的小分子催化剂,其在不对称aldol反应、Mannich反应以及氨基酰化等反应中都发挥着重要作用。2004年,Blackmond课题组^[11]在重复脯氨酸催化的醛α-氨氧基化反应时发现反应中存在明显的不对称放大效应(图式4a),与List课题组^[12]之前报道的不对称adol反应中产物与催化剂的ee值之间存在严格线性相关不同,这引起了Blackmond课题组对氨基酸催化机理的研究兴趣。2006年,他们发现在脯氨酸催化的不对称aldol反应中(图式4b)^[13],脯氨酸的ee值与羟醛产物的ee值之间其实存在两种不同的关系。当脯氨酸的浓度较低时其可以在反应体系中完全溶解,反应产物ee值与催化剂ee值为线性关系(图2a,方块);相反,如果使用高浓度脯氨酸为催化剂,其不能完全溶解,处于固-液相平衡状态,此时反应产物ee值与催化剂ee值之间为非线性关系(图2a,圆点)。为了探究这种非线性关系产生的原因,他们测量了高浓度脯氨酸体系中,溶液相中脯氨酸(浓度基本维持在0.02~0.03 mol/L之间)的ee值与其总体的ee值关系,即当脯氨酸总体的ee值从几乎消旋到对映纯变化时,溶液相中脯氨酸的ee值基本保持不变(约50% ee) (图2b),这与反应的对映选择性控制结果是对应的。这是因为脯氨酸在DMSO/H₂O混合液中溶解度较低,高浓度低ee值时,异手性二聚占主体,脯氨酸以消旋晶体析出,从而导致溶液中脯氨酸的对映纯度高于总体;而高浓度高ee值时,同手性二聚占主体,主要析出对映纯晶体,因而溶液中脯氨酸的对映纯度低于总体。除了脯氨酸以外,以其他氨基酸为催化剂时,在非均相条件下反应也具有明显非线性效应。

该研究不仅揭示了氨基酸催化的反应中所存在的非线性效应本质,为如何实现氨基酸催化反应的手性放大提供了指导意义,也引发了人们对于自然界手性起源的进一步思考,即从痕量或者低ee值的手性引发剂开始,通过手性放大作用,使初始微小的对映体失衡得到扩增^[13⇓~15]。

3.1.3 金属铱催化的对映选择性烯丙基取代反应

在过渡金属催化的不对称反应中,若催化活性物种为单配体配位的金属配合物(ML),产物的ee值与配体的ee值之间一般为线性关系;若催化活性物种为多个手性配体配位的金属配合物(ML_n),产物的ee值与配体的ee值之间一般会呈现非线性关系,这种情况下非线性效应主要源于同手性配体参与形成的配合物与异手性配体参与形成的配合物在催化活性上的差异^[5]。例如M[(R)-L]₂或M[(S)-L]₂催化活性明显高于M[(R)-L][(S)-L]时,反应呈现正的非线性效应[(+)-NLE];相反,若M[(R)-L][(S)-L]催化活性高于M[(R)-L]₂或M[(S)-L]₂,反应呈现负的非线性效应[(-)-NLE]。基于此原理,非线性效应研究也是获取活性催化剂中配体组成信息的重要手段。

游书力课题组^[16,17]最近在金属铱催化的不对称烯丙基取代反应中,通过改变金属铱前体与手性磷-烯烃配体(Carreira配体)的投料比,原位制备了不同类型的铱催化剂,分别实现了支链烯丙基底物的动力学拆分和直链烯丙基底物的Z式保留反应(图式5和6)。在机理研究中,他们分别探究了不同催化体系下产物ee值与配体ee值之间的关系——当金属铱前体[Ir(cod)Cl]₂与Carreira配体(S)-L1的投料比为1/4时,反应呈现正的非线性效应,此时催化活性物种为双配体配位的铱配合物K1 (图式5)^[18];当金属铱前体与Carreira配体的投料比为1/2时,产物ee值与配体ee值之间呈现严格的线性关系,此时反应的催化活性物种K2中仅含有一个配体配位(图式6)。

值得一提的是,两种不同配位模式的铱配合物在催化活性与选择性方面也有明显差异。具体来说,以双配体配位的铱配合物K1为催化活性物种的反应一般使用末端支链的烯丙基前体为底物,且反应具有优良的支链选择性^[19,20]。Carreira课题组^[18]通过对配合物K1的单晶结构进行分析发现,铱中心与烯丙基片段上碳原子C3之间的键要明显长于与C1之间的键。他们推测这主要是因为磷原子较强的反位效应,导致Ir-C3键削弱,因此该位点更容易被亲核试剂进攻(图式7)。相比较而言,在单配体配位的铱配合物K2为催化活性物种的反应中,末端支链或者直链的烯丙基前体均可以很好地适用,且这些反应均具优良的直链选择性^[21⇓~23]。但K2催化反应的区域选择性来源,目前还没有被阐明。

在不对称催化反应中,特别对于均相催化体系,催化活性物种难以制备与表征,但产物和催化剂(或配体)的对映纯度信息是容易获得的,通过简单的非线性效应研究可以快速获取活性催化剂中配体组成的信息,从而为反应机理研究提供一些指导。

3.2 催化剂与溶剂的聚集:溶剂效应

溶剂是有机化学反应中重要的组成部分,它可以通过静电力或色散力等长程相互作用来改变反应分子的活化能,也可以通过与反应分子之间形成配位键、氢键等短程相互作用,来改变反应分子的性质,从而影响反应的平衡与速率,这些现象也被称为溶剂效应^[24]。

在催化不对称反应中,溶剂分子与催化剂之间发生聚集,也可以导致催化剂的结构层次改变。例如溶剂分子作为配体与金属中心配位,引起催化剂空间环境和金属中心电性的改变,从而影响催化剂的活性或者反应选择性。2004年,唐勇课题组^[25,26]在研究铜催化对映选择性吲哚与亚苄基丙二酸酯的Friedel-Crafts反应时发现,在铜源Cu(OTf)₂与C2对称的手性三齿配体TOX衍生的催化体系中,当溶剂由氯代或者芳香烃类溶剂换为含有氧原子的溶剂(如醇类、醚类、丙酮)时,反应的对映选择性控制发生了反转,即产物的构型由S变成了R (表1)。此外,他们还发现配位性较好的醇类溶剂可以极大地提高反应活性,且反应的对映选择性控制随醇分子的位阻增大而提高(表1,entries 3~6)。例如以异丙醇为溶剂时,反应仅需2 h完成。为了解释反应中的溶剂效应,他们结合实验结果与之前的相关研究^[27]提出了两种立体控制模型——当溶剂可与铜离子中心配位时,如异丙醇,反应的立体控制模型如图3A所示。在该模型中处于边臂的大位阻X唑啉取代基(OX)将亚苄基丙二酸酯底物的Si-面屏蔽,因而亲核试剂只能从Re-面进攻得到S构型产物;在非配位性溶剂的环境下,C2对称的TOX配体,通过转换边臂基团,从而将亚苄基丙二酸酯底物的Re-面屏蔽,如模型3B所示,进一步亲核试剂从Si-面进攻得到R构型产物。

3.3 催化剂与添加剂的聚集:添加剂效应

除了溶剂以外,添加剂有时也可以与催化活性物种之间因弱相互作用发生聚集,影响反应过渡态,从而导致反应的对映选择性控制发生反转。

Oh课题组^[28,29]通过加入分子筛或硅胶为添加剂,实现了对铜-马钱子碱衍生配合物的固定,原位形成了多功能异相手性催化剂。利用固定的异相催化剂与未固定的均相催化剂,他们顺利实现了正交对映选择性吲哚Friedel-Crafts烷基化反应(图式8),并提出了两种催化体系下的立体化学控制模型(图4)。二者的不同在于异相催化体系下催化剂、底物均与添加剂之间存在氢键相互作用,导致两种催化体系下形成的优势过渡态构型相反。

3.4 催化剂与底物的聚集:相转移催化

相转移催化作为一类重要的有机小分子催化方式,其催化剂用量相对较低,反应条件温和且易操作和规模化,目前已成为工业和实验室研究中重要的有机合成方法^[30,31]。在相转移催化反应中,催化剂(Q⁺R^-,图5)能加速或使分别处于互不相溶的两种溶剂(液-液两相体系或固-液两相体系)中的物质发生反应,对于手性阳离子相转移催化反应而言,其具体的反应机理如图6所示:首先无机碱(MOH)与底物在有机相与水相的分界面上发生脱质子过程生成M⁺R^-(Step I);由于不对称相转移催化剂往往含有很多高脂溶性的取代基,很难自由移动到水相中的,所以M⁺R^-与手性相转移催化剂Q^*+X^-会在两相分界面间发生离子交换,生成亲脂性的物种Q^*+R^-(Step II);该物种可以进入有机相并具有高的反应活性,即与亲电物种R'X发生不对称亲核取代反应,生成光学活性的目标产物R'-R,重生手性相转移催化剂Q^*+X^-,完成催化循环(Step III)^[32]。对于此类反应而言,成功的关键是手性相转移催化剂Q^*+X^-与M⁺R^-之间快速的离子交换,即催化剂的手性片段与底物的有效反应片段之间发生聚集形成活性物种Q^*+R^-,该物种不仅具有较高的反应活性,同时可以实现反应的手性诱导。

第一例相转移催化反应是由Starks课题组^[33]在1971年报道。他们通过使用(ⁿBu)₃P⁺C₁₆H₃₃Br^-为相转移催化剂,成功实现了烷基氯化物的氰基化反应(图式9)。反应过程中相转移催化剂中的溴离子与氰基负离子发生交换,生成活性亲脂性物种(ⁿBu)₃P⁺C₁₆H₃₃CN^-,从而协助氰基负离子从水相进入有机相,进一步发生氰基化反应(图7)。而首例不对称相转移催化反应是由Merck公司于1984年报道,Dolling等^[34]使用辛可宁衍生的季铵盐(PTC 1)作为手性相转移催化剂,使用氯仿作为甲基源,成功实现了羰基化合物的α位不对称甲基化反应(图式10)。通过系统性研究,他们推测在催化活性物种中阳离子与阴离子之间通过氢键和π-π堆积作用形成了紧密离子对中间体(Tight ion pair intermediate),从而可以有效诱导产物的手性(图式10)。

除了由手性阳离子衍生的相转移催化剂,Toste课题组^[35]于2011年报道了第一例手性阴离子相转移(Chiral anionic phase-transfer, CAPT)催化反应,顺利实现了对映选择性烯烃亲电氟化反应,成功构建了一系列螺环化合物(图式11)。其具体的反应过程如下(图8):由于氟化试剂Selectfluor几乎不溶于非极性溶剂(如氟苯),无法与溶解在有机溶剂中的底物直接发生反应,但其可以在两相(固-液相)界面处与可溶的手性磷酸盐发生离子交换,形成紧密手性离子对,从而将氟化试剂中具有氟化功能的阳离子带入有机相。该手性离子对进一步与有机相中的烯烃底物作用,生成目标化合物,并再生催化剂,实现了固相与有机相之间的不对称相转移催化。

3.5 对映体的聚集:对映体自歧化

从前面的介绍可知,催化剂对映体之间的聚集可以引起催化物种活性或者对映纯度的改变,从而影响其在不对称催化与合成中的化学行为。除了催化剂以外,化学反应中手性产物的对映体之间也可以发生聚集并在非手性环境中表现出明显的物理性质差异。基于此现象,利用一些常规的物理操作也可以提高非外消旋产物的对映纯度,如重结晶、柱层析、蒸馏、升华等物理手段。在学术上,这种在不引入手性因素的条件下,通过常规的重结晶、柱层析、升华或蒸馏等物理手段,使非外消旋体自发聚集为具有较高ee值的对映体混合物和较低ee值的对映体混合物,从而实现对映体的富集,获得具有较高光学纯度的手性化合物的现象,被称为对映体自歧化(Self-disproportionation of enantiomers,SDE)^[36⇓~38]。

首先介绍一下对映体自歧化实现非外消旋化合物中对映体富集的基本原理^[37]。对于外消旋化合物而言,同手性聚集产生的聚集体仍然是对映体,异手性聚集只能产生消旋的二聚体,因此外消旋化合物的对映体无法在无外加手性因素的情况下被分离(图9b);而对于非外消旋化合物而言,当对映体之间以同手性聚集时,会形成两种不同的聚集体,由于物理性质差异,二者可以通过物理手段被分离;当对映体之间以异手性聚集时,除了形成消旋的二聚体,还有过量的单一构型对映体,二者也属于不同的聚集体,可以通过物理性质差异被分离(图9c)。例如,在3.1.2节的氨基酸催化的Aldol反应中,溶液相与固相的氨基酸ee值不同,本质上也属于对映体自歧化。接下来本文还会通过一些实例来具体介绍不同物理作用下的对映体自歧化。

2006年,Soloshonok课题组^[36]发现β-胺基酯类化合物在柱层析过程中存在明显的对映体自歧化。实验中他们分别使用不同对映纯度的β-胺基酯作为起始原料或用不同配比的展开剂对β-胺基酯进行柱层析,然后用试管收集不同时段流出的洗脱液并对其中的β-胺基酯进行HPLC分析(表2)。有趣的是,他们发现不同试管中β-胺基酯的对映纯度不同,先洗脱下来的β-胺基酯的对映纯度较低,而后洗脱下来的对映纯度较高(图10),差异程度随原料种类、原料起始对映纯度以及展开剂配比的变化而变化,洗脱液中β-胺基酯的对映纯度最高可达光学纯(表2)。无独有偶,游书力课题组^[39]利用柱层析分离1,2-二氢异喹啉衍生物时也观察到了对映体自歧化现象。与Soloshonok等观察到的现象相反,他们发现最先洗脱的产物对映纯度非常高,而最后洗脱的产物几乎为消旋体(图10)。通过对1,2-二氢异喹啉衍生物的消旋体和单一对映体形成的单晶进行结构分析,他们发现由消旋体形成的晶体中R与S对映体之间存在明显的π-π堆积相互作用(图11),而由单一对映体形成的单晶中无此类相互作用。这表明1,2-二氢异喹啉衍生物的对映体之间通过异手性聚集形成的消旋体具有热力学更加稳定、溶解度较差的特点。

同理,在非手性液相制备色谱中一些手性化合物在色谱柱上也会发生对映体自歧化,从而在谱图上呈现出一组交叠的峰,并且不同保留时间的组分对映纯度不同^[40,41]。

由于结构和分子间作用力差异,消旋体与单一对映体形成的晶体除了在密度和溶解度方面具有差异,二者的沸点或者升华温度也会有所不同。利用这一点,通过蒸馏或者升华也可以实现一些非消旋化合物的对映体自歧化。例如,1989年,Koppenhoefer和Trettin^[42]在蒸馏对映纯度为91% ee的手性化合物三氟乙酰胺基酯时发现余留的母液和收集到的馏分中产物的对映选择性差异可以达到约10% ee (图12)。2007年,Soloshonok课题组^[43]纯化三氟甲基取代的α-羟基酸时发现,随着时间的延长,余留在底部待升华样品的对映纯度逐渐升高,56.5 h之后便可以达到光学纯(图13a)。通过对消旋和对映纯的α-羟基酸晶体进行对比研究,他们发现异手性聚集形成的消旋单晶中氢键数目较少且氟原子与氟原子之间存在明显的排斥作用,这可能是导致消旋晶体熔点低、不稳定、易升华的主要因素。受Soloshonok工作启发,Escolano课题组^[44]也通过升华实验实现了环状胺基酯类化合物的对映体自歧化。他们发现升华了的固体对映选择性仅有27.2% ee,而留在底部的待升华固体的对映选择性纯度>99.9% ee (图13b)。

4 结论与展望

本文以手性催化与合成为对象,尝试分析其中的凝聚态化学现象,主要包括各反应要素聚集形成的凝聚态物质的具体组成、层次结构等因素对反应的催化活性、对映及区域选择性控制影响。由于受限于手性合成中有关凝聚态化学的实例和相应讨论不多,系统性研究更加少,本文并不是一个完整的总结,而是基于作者的理解对于个别现象加以分析,尝试用凝聚态化学来进行解释。我们深信很多有机化学反应的产出结果应该都和凝聚态化学有密切的内在关系,但目前凝聚态化学在手性合成以及整个有机化学中的重要性还没有得到应有的重视。随着监测手段,特别是原位监测技术的提升,并结合理论计算能力的加强,系统性地深入研究有机反应中的凝聚态化学完全成为可能。对于凝聚态科学深入研究,对有机化学反应本质理解及反应活性和选择性调控有巨大的帮助。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	Xu R R. Natl. Sci. Rev., 2018, 5(1): 1.

[2]	Xu R R, Wang K, Chen G, Yan W. Natl. Sci. Rev., 2019, 6(2): 191.

[3]	Xu R R, Yu J H, Yan W F. Progress in Chemistry, 2020, 32(8): 1017.

[4]	(徐如人, 于吉红, 闫文付. 化学进展, 2020, 32(8): 1017.)

[5]	Lin G Q, Li Y M, Chen Y Q, Sun X W, Chen X Z. Chiral synthesis: asymmetric reaction and its application, 5^th Ed Beijing: Science Press,2013.

[6]	(林国强, 李月明, 陈耀全, 孙兴文, 陈新滋. 手性合成——不对称反应及其应用(第五版). 北京: 科学出版社, 2013.).

[7]	Girard C, Kagan H B. Angew. Chem. Int. Ed., 1998, 37(21): 2922.

[8]	Satyanarayana T, Abraham S, Kagan H B. Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48(3): 456.

[9]	Kitamura M, Suga S, Kawai K, Noyori R. J. Am. Chem. Soc., 1986, 108(19): 6071.

[10]	Kitamura M, Okada S, Suga S, Noyori R. J. Am. Chem. Soc., 1989, 111(11): 4028.

[11]	Kitamura M, Suga S, Oka H, Noyori R. J. Am. Chem. Soc., 1998, 120(38): 9800.

[12]	Noyori R, Kitamura M. Angew. Chem. Int. Ed., 1991, 30(1): 49.

[13]	Mathew S P, Iwamura H, Blackmond D G. Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43(25): 3317.

[14]	Hoang L, Bahmanyar S, Houk K N, List B. J. Am. Chem. Soc., 2003, 125(1): 16.

[15]	Klussmann M, Iwamura H, Mathew S P, Wells Jr D H, Pandya U, Armstrong A, Blackmond D G. Nature, 2006, 441: 621.

[16]	Shibata T, Yamamoto J, Matsumoto N, Yonekubo S, Osanai S, Soai K. J. Am. Chem. Soc., 1998, 120(46): 12157.

[17]	Kondepudi D K, Asakura K, Acc. Chem. Res., 2001, 34(12): 946.

[18]	Tu H F, Yang P, Lin Z H, Zheng C, You S L. Nat. Chem., 2020, 12: 838.

[19]	Jiang R, Ding L, Zheng C, You S L. Science, 2021, 371(6527): 380.

[20]	Rossler S L, Krautwald S, Carreira E M. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(10): 3603.

[21]	Rossler S L, Petrone D A, Carreira E M. Acc. Chem. Res., 2019, 52(9): 2657.

[22]	Cheng Q, Tu H F, Zheng C, Qu J P, Helmchen G, You S L. Chem. Rev., 2019, 119(3): 1855.

[23]	Zhang X, Han L, You S L. Chem. Sci., 2014, 5: 1059.

[24]	Tu H F, Zheng C, Xu R Q, Liu X J, You S L. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56(12): 3237.

[25]	Shen D, Chen Q, Yan P, Zeng X, Zhong G. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56(12): 3242.

[26]	George Wypych, Ed. Fan Y H, Wang G Y, Deng C S, Trans. Handbook of Solvents. Beijing: China Petrochemical Press, 2002.

[27]	(George Wypych主编. 范耀华. 王光埙. 邓春森. 溶剂手册. 北京: 中国石化出版社, 2002.).

[28]	Zhou J, Ye M C, Huang Z Z, Tang Y. J. Org. Chem., 2004, 69(4): 1309.

[29]	Zhou J, Tang Y. Chem. Commun., 2004: 432.

[30]	Evans D A, Rovis T, Kozlowski M C, Downey W C, Tedrow J S. J. Am. Chem. Soc., 2000, 122(38): 9134.

[31]	Kim H Y, Kim S, Oh K. Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49(26): 4476.

[32]	McMorn P, Hutchings G J. Chem. Soc. Rev., 2004, 33: 108.

[33]	Sasson Y, Neumann R, Handbook of Phase Transfer Catalysis, Springer Netherlands: Dordrecht, 1997.

[34]	Hashimoto T, Maruoka K. Chem. Rev., 2007, 107(12): 5656.

[35]	Ooi T, Maruoka K. Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46(23): 4222.

[36]	Starks C M. J. Am. Chem. Soc., 2002, 93(1): 195.

[37]	Dolling U H, Davis P, Grabowski E J J. J. Am. Chem. Soc., 1984, 106(2): 446.

[38]	Rauniyar V, Lackner A D, Hamilton G L, Toste F D. Science, 2011, 334(6063): 1681.

[39]	Soloshonok V A. Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45(5): 766.

[40]	Soloshonok V A, Roussel C, Kitagawa O, Sorochinsky A E. Chem. Soc. Rev., 2012, 41: 4180.

[41]	Han J, Kitagawa O, Wzorek A, Klika K D, Soloshonok V A. Chem. Sci., 2018, 9: 1718.

[42]	Zhang J W, Xu Z, Gu Q, Shi X X, Leng X B, You S L. Tetrahedron, 2012, 68(26): 5263.

[43]	Cundy K C, Crooks P A. J. Chromatogr., 1983, 281: 17.

[44]	Nakamura T, Tateishi K, Tsukagoshi S, Hashimoto S, Watanabe S, Soloshonok V A, Aceña J L, Kitagawa O. Tetrahedron, 2012, 68(21): 4013.

[45]	Koppenhoefer B, Trettin U. Fresenius’ Z. Anal. Chem., 1989, 333: 750.

[46]	Soloshonok V A, Ueki H, Yasumoto M, Mekala S, Hirschi J S, Singleton D A. J. Am. Chem. Soc., 2007, 129(40): 12112.

[47]	Abás S, ArrÓniz C, Molins E, Escolano C. Tetrahedron, 2018, 74(8): 867.

[1]	Xu R R. Natl. Sci. Rev., 2018, 5(1): 1.
[2]	Xu R R, Wang K, Chen G, Yan W. Natl. Sci. Rev., 2019, 6(2): 191.
[3]	Xu R R, Yu J H, Yan W F. Progress in Chemistry, 2020, 32(8): 1017.
[3]	(徐如人, 于吉红, 闫文付. 化学进展, 2020, 32(8): 1017.)
[4]	Lin G Q, Li Y M, Chen Y Q, Sun X W, Chen X Z. Chiral synthesis: asymmetric reaction and its application, 5^th Ed Beijing: Science Press,2013.
[4]	(林国强, 李月明, 陈耀全, 孙兴文, 陈新滋. 手性合成——不对称反应及其应用(第五版). 北京: 科学出版社, 2013.).
[5]	Girard C, Kagan H B. Angew. Chem. Int. Ed., 1998, 37(21): 2922.
[6]	Satyanarayana T, Abraham S, Kagan H B. Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48(3): 456.
[7]	Kitamura M, Suga S, Kawai K, Noyori R. J. Am. Chem. Soc., 1986, 108(19): 6071.
[8]	Kitamura M, Okada S, Suga S, Noyori R. J. Am. Chem. Soc., 1989, 111(11): 4028.
[9]	Kitamura M, Suga S, Oka H, Noyori R. J. Am. Chem. Soc., 1998, 120(38): 9800.
[10]	Noyori R, Kitamura M. Angew. Chem. Int. Ed., 1991, 30(1): 49.
[11]	Mathew S P, Iwamura H, Blackmond D G. Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43(25): 3317.
[12]	Hoang L, Bahmanyar S, Houk K N, List B. J. Am. Chem. Soc., 2003, 125(1): 16.
[13]	Klussmann M, Iwamura H, Mathew S P, Wells Jr D H, Pandya U, Armstrong A, Blackmond D G. Nature, 2006, 441: 621.
[14]	Shibata T, Yamamoto J, Matsumoto N, Yonekubo S, Osanai S, Soai K. J. Am. Chem. Soc., 1998, 120(46): 12157.
[15]	Kondepudi D K, Asakura K, Acc. Chem. Res., 2001, 34(12): 946.
[16]	Tu H F, Yang P, Lin Z H, Zheng C, You S L. Nat. Chem., 2020, 12: 838.
[17]	Jiang R, Ding L, Zheng C, You S L. Science, 2021, 371(6527): 380.
[18]	Rossler S L, Krautwald S, Carreira E M. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(10): 3603.
[19]	Rossler S L, Petrone D A, Carreira E M. Acc. Chem. Res., 2019, 52(9): 2657.
[20]	Cheng Q, Tu H F, Zheng C, Qu J P, Helmchen G, You S L. Chem. Rev., 2019, 119(3): 1855.
[21]	Zhang X, Han L, You S L. Chem. Sci., 2014, 5: 1059.
[22]	Tu H F, Zheng C, Xu R Q, Liu X J, You S L. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56(12): 3237.
[23]	Shen D, Chen Q, Yan P, Zeng X, Zhong G. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56(12): 3242.
[24]	George Wypych, Ed. Fan Y H, Wang G Y, Deng C S, Trans. Handbook of Solvents. Beijing: China Petrochemical Press, 2002.
[24]	(George Wypych主编. 范耀华. 王光埙. 邓春森. 溶剂手册. 北京: 中国石化出版社, 2002.).
[25]	Zhou J, Ye M C, Huang Z Z, Tang Y. J. Org. Chem., 2004, 69(4): 1309.
[26]	Zhou J, Tang Y. Chem. Commun., 2004: 432.
[27]	Evans D A, Rovis T, Kozlowski M C, Downey W C, Tedrow J S. J. Am. Chem. Soc., 2000, 122(38): 9134.
[28]	Kim H Y, Kim S, Oh K. Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49(26): 4476.
[29]	McMorn P, Hutchings G J. Chem. Soc. Rev., 2004, 33: 108.
[30]	Sasson Y, Neumann R, Handbook of Phase Transfer Catalysis, Springer Netherlands: Dordrecht, 1997.
[31]	Hashimoto T, Maruoka K. Chem. Rev., 2007, 107(12): 5656.
[32]	Ooi T, Maruoka K. Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46(23): 4222.
[33]	Starks C M. J. Am. Chem. Soc., 2002, 93(1): 195.
[34]	Dolling U H, Davis P, Grabowski E J J. J. Am. Chem. Soc., 1984, 106(2): 446.
[35]	Rauniyar V, Lackner A D, Hamilton G L, Toste F D. Science, 2011, 334(6063): 1681.
[36]	Soloshonok V A. Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45(5): 766.
[37]	Soloshonok V A, Roussel C, Kitagawa O, Sorochinsky A E. Chem. Soc. Rev., 2012, 41: 4180.
[38]	Han J, Kitagawa O, Wzorek A, Klika K D, Soloshonok V A. Chem. Sci., 2018, 9: 1718.
[39]	Zhang J W, Xu Z, Gu Q, Shi X X, Leng X B, You S L. Tetrahedron, 2012, 68(26): 5263.
[40]	Cundy K C, Crooks P A. J. Chromatogr., 1983, 281: 17.
[41]	Nakamura T, Tateishi K, Tsukagoshi S, Hashimoto S, Watanabe S, Soloshonok V A, Aceña J L, Kitagawa O. Tetrahedron, 2012, 68(21): 4013.
[42]	Koppenhoefer B, Trettin U. Fresenius’ Z. Anal. Chem., 1989, 333: 750.
[43]	Soloshonok V A, Ueki H, Yasumoto M, Mekala S, Hirschi J S, Singleton D A. J. Am. Chem. Soc., 2007, 129(40): 12112.
[44]	Abás S, ArrÓniz C, Molins E, Escolano C. Tetrahedron, 2018, 74(8): 867.