包结法拆分1,1′-联-2-萘酚:包结物的晶体结构及CD 光谱
赵
珺郑明贤林以玑陈渊川阮源萍章
慧*
(固体表面物理化学国家重点实验室,厦门大学化学化工学院化学系,福建厦门
361005)
摘要：
以D/L -缬氨醇为原料,通过二步反应得到价廉易得的拆分剂碘化(R )/(S )-N ,N ,N -三甲基-1-羟基-3-甲基-2-
丁铵,采用包结拆分法,成功实现了对1,1′-联-2-萘酚(BINOL)的拆分.对具有(R )-构型的季铵盐与(R )-BINOL 在甲醇中所形成包结物的晶体结构分析结果表明:I -离子桥联主体(拆分剂)的醇羟基和客体(BINOL)的酚羟基形成
O —H …I -氢键,以及相邻层的主客体分子之间的C —H …O 氢键相互作用是在包结物中实现手性识别的关键.同
时对两个包结物的溶液和固体圆二色(CD)光谱进行了研究.关键词：
圆二色光谱;1,1′-联-2-萘酚;包结拆分;碘化(R )/(S )-N ,N ,N -三甲基-1-羟基-3-甲基-2-丁铵;
晶体结构
中图分类号：
O641.6
Inclusion Resolution of 1,1′-Bi -2-naphthol:Crystal Structure and
CD Spectroscopy of the Inclusion Complexes
ZHAO Jun
ZHENG Ming -Xian LIN Yi -Ji CHEN Yuan -Chuan RUAN Yuan -Ping
ZHANG Hui *
(State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces,Department of Chemistry,College of Chemistry and
Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,Fujian Province,P.R.China )Abstract ：A highly efficient and environmentally friendly method for the resolution of racemic 1,1′-bi -2-naphthol (BINOL)was developed by inclusion complexation with the cheap and readily accessible (R )/(S )-N ,N ,N -trimethyl -1-hydroxyl -3-methyl -2-butanaminium iodide resolving agents,which were prepared by a simple two -step reaction starting with D/L -valinol.The X -ray structural analysis was carried out for the inclusion complex of the (R )-quaternary ammonium salt with (R )-BINOL in CH 3OH.This showed that the O —H …I -hydrogen bonds among the bridged iodide anions with the alcoholic hydroxyl of the host (resolving agent)and the phenolic hydroxyls of the guests (BINOL)together with the C —H …O hydrogen -bond interactions between the host and guest molecules from the adjacent layers are responsible for the chiral recognition in the inclusion complex formation.In addition,the solution and solid -state circular dichiroism(CD)spectra of a pair of inclusion complexes were also carefully investigated.Key Words ：
Circular dichiroism spectroscopy;1,1′-Bi -2-naphthol;Inclusion resolution;(R )/(S )-N ,N ,N -
Trimethyl -1-hydroxyl -3-methyl -2-butanaminium iodide;Crystal structure
[Article]
https://www.doczj.com/doc/1812065130.html,
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )
Acta Phys.-Chim.Sin .,2010,26(7)：1832-18361,1′-联-2-萘酚(BINOL)是不含手性中心,但具
有C 2-对称轴的阻转异构化合物[1](图1中化合物1),因其结构刚性、易修饰性以及手性BINOL 在溶液中的构型稳定性,BINOL 及其衍生物作为手性配体和
手性辅助剂被广泛应用于不对称合成[2].通过温和、价廉和环保的方法获得对映纯BINOL 向来受到极大关注,在已报道的化学[3-8]、生物酶[9-12]、色谱[13-15]等拆分方法中,以化学拆分法应用最广.例如,早期实
July
Received:February 2,2010;Revised:March 25,2010;Published on Web:May 6,2010.
*
Corresponding author.Email:huizhang@https://www.doczj.com/doc/1812065130.html,;Tel:+86-592-2183910.
The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (20773098,20973136)and Foundation of Guangxi Research Institute of Chemical Industry,China.
国家自然科学基金(20773098,20973136)和广西化工研究院资助项目
鬁Editorial office of Acta Physico -Chimica Sinica
1832
No.7赵珺等：包结法拆分1,1′-联-2-萘酚:包结物的晶体结构及CD光谱
行的磷酸脂法是先将外消旋BINOL与POCl3成酯,
再与手性试剂,如辛可宁[16]、R-(-)-2-氨基丁醇[17]、S-
(-)-或R-(+)-α-甲基苄胺[18]等反应,根据所形成非对
映异构体的性质差异进行拆分.但此类方法生成的
中间体还需用LiAlH4还原,拆分周期长、生产成本
高.近年来，价廉易得的(S)-脯氨酸[19]、L-谷氨酸衍
生的(S)-2-吡咯烷酮-5-羧酰苯胺[20]等被用于拆分
BINOL,但后续处理仍需使用甲苯等溶剂.Toda[21]
发现同时具有R3N+X-和—OH基团的手性季铵盐对
BINOL及其衍生物有良好的拆分效果.Toda、Ding
和Shan等分别以氯化苄基辛可尼定[22]、氯化苄基辛
可宁[23]、天然氨基酸衍生的季铵盐[21,24-26]和氯霉素生产中的手性副产物衍生的季铵盐[27]为拆分剂,先后成功实现了对BINOL的高效拆分,但是他们所用拆分剂的某些合成原料(溴甲烷、氯化苄)和溶剂(苯、甲苯或乙腈)是环境不友好的,而且前两例均需用稀盐酸来解离包结物.此外还有以非手性季铵盐为添加剂的播晶法[26]和手性二胺类[28-30]进行BINOL拆分的报道.本文在Toda等的研究基础上,选用D/L-缬氨醇衍生的季铵盐为拆分剂(图1中化合物2),对BINOL进行了成本低廉、步骤简单且环境友好的拆分,并对包结物的晶体结构及固液CD光谱进行了研究.
1实验部分
1.1仪器与试剂
日本JASCO公司MODEL J-810型圆二色分光偏振仪,德国Bruck公司Smart Apex CCD衍射仪,德国Elementar公司Vario EL III型元素分析仪,上海精密仪器有限公司WRS-1B型数字熔点仪,美国科学仪器公司SSI23201型高效液相色谱(HPLC)仪,美国Phenomenex公司Lux5μRmylose-2(250 mm×4.6mm)手性色谱柱.CD光谱测试条件:检测波长200-400nm,扫描速率500nm·min-1,狭缝宽度2nm(溶液)/4nm(固体).样品浓度:1.6×10-5mol·L-1(乙醇),1mg样品/1600mg KCl(固体压片).
外消旋BINOL由广西化工研究院提供,经甲醇重结晶后使用.甲酸(含量≥88%)购于中国上海试剂总厂;甲醛(含量37%-46%)、乙醚、无水乙醇、甲醇、二氯甲烷为国药集团化学试剂有限公司产品;D/L-缬氨醇购于上海瀚鸿化工科技有限公司;碘甲烷购于厦门绿茵化玻有限公司.以上试剂均为分析纯,使用前未做纯化.高效液相色谱流动相溶剂为色谱纯正己烷、无水乙醇,购于美国TEDIA天地试剂有限公司,使用前经超声处理.
1.2拆分剂的合成
拆分剂的合成路线如图2所示.以拆分剂2a 的合成为例,将3a、HCOOH、HCHO按物质的量比1∶2∶1混合,90℃回流12h后冷却至室温.加入NaOH溶液,调节pH至10.用CH2Cl2萃取产物,浓缩得4a.混合等物质的量的4a与CH3I,混合液在乙醚中密封室温下搅拌24h后,过滤并用少量乙醚洗涤,得淡黄色粉末状固体,即为目标产物,m.p. 224.1-224.5℃;C8H20NOI的元素分析计算值(%):C 35.17,H7.32,N5.13;实测值(%):C35.09,H7.17,N 5.13.
1.3外消旋BINOL的拆分
在烧杯中加入1a(1.19g,4.16mmol)、2a(1.136 g,4.16mmol)及6mL无水乙醇,室温下搅拌48h 图1BINOL(1)和拆分剂(2)结构示意图Fig.1Structures of BINOL(1)and the resolving
agents(2)
图2拆分剂的合成路线
Fig.2Synthesis route of the resolving agents
1833
Acta Phys.-Chim.Sin.,2010
Vol.26
后,将所得白色粉末和淡黄色滤液分离.经单晶X 射线衍射、固体CD 光谱和手性HPLC 分析,白色粉末为1c 与2a 的包结物,对映体过量(ee)百分率
84.0%,产率85.3%.若使用2b ,则所得产物为1b 与2b 的包结物(79.6%ee,产率91.8%)(图3).
包结物溶解在乙醚和水(体积比为1∶1)的混合
溶剂中,静置过夜.从乙醚层中获得1c 和1b ,从水相可以回收拆分剂2a 和2b .回收的拆分剂重复使用3次,仍可获得与初次使用相当的拆分效果.将包结物溶于甲醇中,用乙醚扩散,6天后长出适合X 射
线衍射分析的无色块状晶体(1b ·2b ),m.p.190.7-
193.0℃;C 28H 34NO 3I 的元素分析计算值(%):C 60.11,H 6.13,N 2.50;实测值(%):C 60.19,H 5.92,N 2.40.1.4
包结络合物的晶体结构表征
在Bruck Smart Apex CCD 衍射仪上利用Mo
K α射线(λ＝0.071073nm),在25℃下收集晶体衍射
数据.包结络合物1b ·2b 属于正交晶系,空间群
P 212121,晶胞参数:a =0.9955(2)nm,b =1.4462(3)nm,c =1.8337(4)nm,β=90.00°,V =2.6400(10)nm 3,Z =4,可观测点精修最终残差因子:R =0.0372,w R =0.1161,Flack 参数F =-0.02(4),可以确定绝对构型.晶体结构
数据可免费从剑桥晶体数据库下载:CCDC 757800.
2
结果与讨论
2.1
包结物晶体结构分析
根据文献报道[22-23,25],两个氯化苄基生物碱季铵
盐分别与消旋BINOL 发生手性识别作用形成包结络合物时,既有氯离子桥接主客体羟基的多重氢键,还有芳环间的π-π堆积,使得包结物晶体中的非共价相互作用较强,故其需用稀盐酸解离.而本文所得包结物在乙醚-水混合溶剂中即可解离.为进一步考
图4包结络合物1b ·2b 的晶体结构
Fig.4X -ray crystal structure of the 1b ·2b inclusion complex
(A,B)stereoview of a single chain of 1b ·2b along the b axis (dotted lines indicate H -bonding);(C)structure of the resolving agent 2b ;
(D)hydrogen bonds in the crystal shown as yellow lines;(E)packing diagram of the complex 1b ·2b
图3
BINOL 的拆分
Fig.3
Resolution of BINOL
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No.7赵珺等：包结法拆分1,1′-联-2-萘酚:包结物的晶体结构及CD光谱
察手性识别机理,我们对包结物1b·2b的晶体结构进行了表征.如图4所示,1b羟基上的O1与I1(距离0.3428nm)、O2与I1(距离0.3438nm)通过氢键连接,沿b轴方向形成螺旋链(图4A);拆分剂2b(图4C)除了利用O3与I1(距离0.3544nm)形成氢键外,与N原子相连的C26也通过C—H…O作用与另一条链上的客体分子1b的羟基连接(距离0.3071nm),将相邻螺旋链固定(图4D),从而形成三维网络结构(图4E).与氯化苄基生物碱季铵盐与BINOL形成包结物中主客体交织在层状结构中的紧密相互作用相比[22-23],包结物1b·2b的主客体位于不同的层状结构中,层间仅靠O—H…I和C—H…O氢键作用维系,因此本文可采用较温和的方式来解离包结物.通过Flack参数的表征和与已知拆分剂2b的绝对构型关联,可以确定该包结物中手性BINOL的绝对构型为R,此结果也被在2.2节中包结物的溶液CD光谱表征所证实,后者与文献中的报道[31]完全一致.
2.2包结物的圆二色光谱分析
迄今,除了Toda等用石蜡油糊法得到BINOL 及其衍生物以及与拆分剂所形成包结物的固体CD 谱图之外[26,32],尚未见相关固体CD光谱测试的报道.为了探讨包结物的CD光谱性质,本文对包结物1b·2b和1c·2a进行了溶液和固体CD(KCl压片法)光谱表征,其固液CD光谱如图5所示.与手性BINOL标样的溶液CD谱比较,包结物的溶液CD 谱与之完全相同,说明在乙醇溶液中包结物中的CD活性物种主要以自由BINOL的形式存在.所得1b·2b的固体CD谱与溶液CD谱却呈现较明显差异,尤其是溶液CD谱在229nm处的典型激子裂分峰在固体CD谱中不但红移至234nm,而且信号的相对强度变小并呈现不对称样式,且固体CD谱在275-375nm波段的Cotton效应较溶液CD谱有所增强.在作者近年来的研究中,这类固液CD谱的差异经常被观察到[33-34].Mason[35]、Hanazaki[36]和Berova[37]等指出,BINOL及其类似物和衍生物的激子裂分方式(强度和符号)会随两个萘环之间二面角的变化而变化,但1b·2b晶体中两个萘环之间的二面角(81.053°)与自由状态下1b的二面角(78.335°)[38]相比,差别较小.因此认为,此现象可能与1b·2b的固态螺旋状超分子结构中存在的长程螺旋结构和远程激子耦合有关(溶液样品中不存在长程螺旋结构,故溶液CD谱的激子带是正常的),使其在固态中的激子裂分效应减弱.研究中还发现,不同对映纯度对包结物固体CD信号的影响,在UV短波段(200-275 nm)比长波段(275-350nm)更为敏感.关于包结物固体CD谱的解释,还有待于通过结合晶体结构分析的CD光谱计算来加以说明.
3结论
本文采用D/L-缬氨醇衍生的手性季胺盐拆分剂,在乙醇溶剂中成功实现了对BINOL的拆分,一步反应可得包结物1c·2a(84.0%ee,产率85.3%)或1b·2b(79.6%ee,产率91.8%).本方法具有成本低廉、步骤简单、拆分剂可回收且环境友好的优点,在精细化工生产上将有潜在应用.1b·2b的晶体结构分析结果显示:I-桥接拆分剂的醇羟基和BINOL 的酚羟基形成的氢键以及相邻层主客体之间的C—H…O氢键作用均较弱,使包结物易于解离.而1b·2b晶体中的长程螺旋状超分子结构影响了固体状态下包结物的圆二色活性.目前,进一步改进反应条件提高被拆分BINOL的对映纯度以及对拆分
图5包结络合物1b·2b(—)和1c·2a(--)的溶液(A)和固体(B)CD光谱
Fig.5Solution(A)and solid-state(B)CD spectra of the inclusion complexes1b·2b(—)and1c·2a (--)
1835
Acta Phys.-Chim.Sin.,2010Vol.26
机理和包结物固体CD光谱的深入研究仍在进行中.
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