手性催化的重要科学基础
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金属有机化学国家重点实验室学科带头人现状与需求2OO9年重大记事一.实验室开放课题和自主课题按照国家科技部最新要求和规定,2009年实验室面向所外单位设立的开放基金项目有4项,资助总额90万。
实验室设立自由探索课题10项,资助总额151万;团队重点课题5项,资助总额670万。
二.新一届领导班子及学术委员会的换届2009年,实验室顺利完成了领导班子及学术委员会的换届及工作交接,唐勇研究员任金属有机国家重点实验室新一届主任,施敏研究员和游书力研究员任副主任,麻生明院士任新一届学术委员会主任,侯雪龙研究员、谢作伟教授和金国新教授任副主任。
三. “基于组合方法与组装策略的新型手性催化剂研究”项目获得国家自然科学二等奖。
现代合成化学、药物化学和材料科学的发展使人们越来越认识到手性的重要性,不对称催化是获得光学纯手性物质最有效的方法之一,其核心问题在于设计和选择合适的催化剂。
丁奎岭研究员及其领导的团队围绕手性催化剂这一核心问题,(1)系统地将不对称活化和毒化、手性传递和放大等概念与组合化学方法结合进行手性催化剂库的设计与评价,发展了多个系列新型、高效、高选择性手性催化剂,发现并阐明了催化体系中的不对称放大效应、添加物的活化作用及其机理等;(2)突破传统思路,基于分子组装原理,首次提出了手性催化剂自负载的概念,实现了包括羰基-烯、氧化和氢化等在内的多个非均相催化反应的高选择性、高活性,为手性催化剂的负载化开辟了新思路;(3)发展了一系列结构可调的新型手性配体,实现了多个不对称反应的高活性和高对映选择性以及底物的普适性,为多种手性氨基酸等药物关键中间体的合成提供了有效的方法。
该成果共发表论文61篇(其中SCI53篇,SCI-E5篇),其中影响因子>5的有18篇,包括J.A M.C HEM.S OC.5篇、A NGEW.C HEM.3篇、C HEM.E UR.J.8篇;被他引1183次,最高单篇他引111次,篇均他引19次;多篇论文被选为H OT P APER或被国际刊物专题评论、被H IGHLIGHTS栏目摘录;在4本国内专著中撰写4个章节;获得授权专利11项;所发展的概念、方法、配体或催化剂被国内外同行应用于研究工作50多次;在包括IUPAC在内的重要系列国际和国际双边会议做大会和邀请报告36次;培养13名博士、3位博士后,其中1人获全国百篇优秀博士论文、1人获中科院院长优秀奖。
手性多功能材料的合成与应用研究手性多功能材料是当今材料科学领域的研究热点之一。
它们具有非常特殊的结构和性质,对于光电器件、催化剂、生物医学等领域有着重要的应用价值。
本文将探讨手性多功能材料的合成方法、性质以及各领域中的应用。
手性多功能材料的合成是一个复杂而关键的过程。
目前,合成手性多功能材料的方法主要包括手性诱导合成、手性催化合成和手性选择性结晶等。
手性诱导合成是通过添加具有手性结构的化合物作为模板或催化剂,在反应过程中使目标化合物特异性地形成手性结构。
手性催化合成是通过使用手性配体与金属离子形成手性催化剂,促使反应选择性地生成手性产物。
手性选择性结晶则是通过调控反应条件,控制晶体生长的方向和速率,使晶体特异性地形成手性结构。
这些方法各有特点,适用于不同的材料体系和合成需求。
手性多功能材料具有独特的结构和性质。
由于手性结构的存在,它们的光学活性、电子结构和化学活性等都表现出非对称性。
光学活性主要体现在手性多功能材料对偏振光的选择性吸收和散射,这为制备光学器件提供了良好的基础。
电子结构的非对称性使得手性多功能材料具有流体力学和电磁学中的手性光学性质,这对于设计新型液晶和超材料具有重要意义。
此外,手性多功能材料还具有很好的催化活性,能够促使化学反应发生特异性的手性选择性。
在光电器件领域,手性多功能材料被广泛应用于光学器件的制备。
例如,手性多功能材料可以用来制备光相控阵列,用于光通信和显示技术。
此外,它们还可以应用于光记忆器件和光驱动的微型机械系统。
由于手性多功能材料的光学活性,这些器件可以实现快速、高灵敏度的光学信号传输和处理。
在催化剂方面,手性多功能材料的催化活性得到了广泛研究和应用。
手性催化剂是目前合成具有手性结构的有机化合物的重要工具。
手性催化剂能够促使反应产物形成所需的手性结构,提高合成产物的选择性。
这对于药物合成和农药合成等领域具有重要的意义。
同时,手性催化剂在不对称合成反应中也发挥着重要的作用,可以有效地控制化学反应的立体选择性。
手性物质的合成与应用手性物质是指分子不对称,具有左右手性的分子,它们在化学、医学和材料科学等领域有着广泛的应用。
手性物质的合成与应用已成为当今化学领域中备受关注的研究方向。
一、什么是手性物质手性物质是指分子不对称,具有左右手性的分子。
其中,左右手性的分子镜像互补,但是却不是重合的,就像右手与左手一样。
手性物质的典型代表有脯氨酸、乙酰氨基酸等。
手性物质在天然界和人工合成中广泛存在,比如DNA、蛋白质等就是具有手性的生物分子。
二、手性物质的合成手性物质的合成是一门极富挑战性的学科,因为合成手性分子需要选择性合成左右手取向的化合物。
常用的手性合成方法有催化不对称合成、手性缔合物合成、手性诱导合成等。
催化不对称合成是指用铂、钯、银、钨等贵金属的化合物或酸碱催化剂,引入手性辅助基对化学反应进行调控,最终完成手性物质的合成。
手性缔合物合成是指通过在手性环境中引入化学反应,实现对手性物质的合成。
手性诱导合成则是利用手性化合物来引导化学反应,实现对手性物质的合成。
三、手性物质的应用手性物质在各个领域都有着广泛的应用,具有重要的工业、医药和制造等方面的价值。
其中,医药领域是目前使用最广泛的领域,手性药物在药代动力学、药效学等方面表现出了与非手性药物不同的特性。
手性物质在材料科学方面的应用也日渐成熟。
比如,手性液晶是在手性化合物的作用下实现液晶分子的偏析,在材料制造和显示技术方面具有很大的应用前景。
四、手性物质的发展前景手性物质的发展前景可以从存在多年的研究基础上予以预测。
随着科研技术的不断发展,越来越多的手性物质将被合成出来,可是我们依然无法确定它们带来的效果。
因此,手性物质的发展前景仍待于更多的研究和实践的检验。
总之,手性物质的合成与应用是化学研究的重要领域之一。
随着技术的不断进步,人们对手性物质的认识和应用也将不断提高。
我们相信,在未来的研究和实践中,手性物质将会有着更为广泛和深远的应用。
手性催化剂在合成中的应用在有机化学领域中,手性分子的合成一直是一个重要的研究领域。
由于手性分子具有不对称性质,因此它们在医药、农药和材料科学等领域中具有广泛的应用前景。
而手性催化剂作为一种重要的工具,在手性分子的合成中扮演着重要的角色。
本文将介绍手性催化剂在有机合成中的应用,并探讨其对化学反应的影响。
手性催化剂是指具有手性结构的催化剂,它可以在化学反应中诱导出手性产物。
在有机合成中,手性催化剂广泛应用于不对称催化反应中,这些反应可以高效地合成出手性化合物。
手性催化剂分为两类:对映选择性催化剂和手性环境催化剂。
对映选择性催化剂是一类可以选择性地催化一个手性产物形成的催化剂,比如酶和金属配位化合物。
它们可以通过催化剂和底物之间的相互作用来控制产物的对映选择性。
对映选择性催化剂的研究对于合成手性化合物具有重要意义,因为手性化合物的对映异构体往往具有不同的生物活性。
通过对映选择性催化剂的应用,人们可以合成出具有特定对映异构体的手性药物和农药,并通过调节对映异构体的比例来控制它们的药效。
手性环境催化剂是一种通过调节反应条件中的手性环境来诱导手性产物形成的催化剂。
手性环境可以通过选用手性配体、溶剂和温度等因素来控制。
手性环境催化剂的研究不仅对合成手性化合物具有重要意义,还对理解手性识别和手性传递等过程具有深远的影响。
通过调节手性环境,人们可以合成出具有高对映选择性的手性化合物,并进一步研究它们在不同化学反应中的动力学和热力学特性。
手性催化剂在有机合成中的应用涉及到多种反应类型,如不对称氢化反应、不对称氧化反应和不对称加成反应等。
这些反应相对于传统的对称合成方法具有更高的立体选择性和反应活性。
手性催化剂可以诱导非对称反应的进行,使得只有一种手性产物形成,从而大大提高了合成化学的效率。
在不对称合成中,不对称氢化反应是一种重要的反应类型。
手性催化剂可以在氢化反应中选择性地催化一个手性产物形成。
这种反应在制药工业中具有广泛的应用。
手性化学及其在药物合成中的应用手性化学是研究物质光学活性的科学,也是一门重要的有机化学分支。
在手性化学中,有着非对称的化合物,即左旋异构体和右旋异构体,它们之间的化学性质截然不同。
手性化学在实际应用中,有着广泛的应用领域,其中在药物合成中的应用不可忽视。
手性化学的基础手性是指一种分子存在两种非重合的互为镜像的构型,两种构型可以互相转化,但是不能通过旋转或平移使它们重合。
手性有着非常重要的意义,因为它可以影响分子间的相互反应,从而影响到化合物的性质和用途。
举个例子,肝素和海马唑啉在化学结构上非常相似,但分别为左旋异构体和右旋异构体。
然而,肝素是抗凝血剂,而海马唑啉是一种抗癫痫药。
手性化学应用在药物合成中药物合成是目前手性化学的主要应用领域之一,由于左右异构体化合物的性质不同,使得在生物体内的作用也存在差异。
因此,在药物合成中,制备单一手性化合物是非常重要的,以保持药物的良好疗效和安全性。
如果合成出来的是一个手性的混合物,这就意味着LSI可能具有两种异构体的作用或者使用剩余的异构体导致药品副作用和毒性。
因此,手性化学在药物合成中发挥着至关重要的作用。
控制手性的方式在于利用对旋化学品和非对称参考化合物进行合成。
在对旋化学品中,最常见的是丙氨酸对旋,它具有两种立体异构体,即D-丙氨酸和L-丙氨酸。
因此,使用丙氨酸作为非对称参考化合物,可以制备单一手性化合物。
通过设计反应条件,控制催化剂、溶剂和温度,可以选择性地促进或禁止其中一种手性异构体的形成。
因此,利用对这些条件的完美控制,可以使各个反应路径的供体和受体反应发生在一定的弯曲的交点上,从而选择性地合成单一手性化合物,从而在合成过程中保持手性纯度。
手性化学在药物合成中的应用案例1.对己二酸对己二酸是一种常见的光学活性化合物,它有两个对映异构体,L-(+)-对己二酸和D-(-)-对己二酸。
这两种异构体分别对应着两种不同的物理化学性质。
例如,L-(+)-对己二酸是一种很好的血液中药,可以加速红细胞的沉降,D-(-)-对己二酸则可用于对氨基糖的抑制治疗。
分子的手性教学资源开发和教学设计作者:***来源:《化学教学》2022年第04期摘要:分析研究分子的手性的教学价值和教学现状,整理总结常见的具有实用价值的手性教学资源。
在课堂上通过绘制俄罗斯方块、搭建手性分子模型、握手和十指相扣等体验性活动,展示多张生活中的手性物体图片,播放最前沿手性催化剂研究的报道,激发学生的科学探究热情,培养学生的化学学科核心素养,为分子的手性的教学提供参考。
关键词:手性; 分子; 教学资源; 教学设计文章编号: 10056629(2022)04004406中图分类号: G633.8文献标识码: B1 分子的手性教学价值和意义手性是自然界的基本属性,从化学到生物学,从医学到物理学,从天文学到地球科学,手性无处不在。
分子的手性是中学化学和大学化学重要的教学内容,是有机化学中立体化学的核心内容之一,是有机合成和药物研发中的重要概念和关键因素。
在教学中,分子的手性可以发展学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知和科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
同时,由于手性的普遍性、趣味性和易懂性,使得手性在学科教学外还具有特殊的教学价值和意义:能够引导学生感受自然科学之美,激发学生的求知欲,培养学生的学习兴趣。
2 分子的手性教学资源开发和教学设计背景2.1 课程标准和教材中分子的手性相关内容分析2003年版课标仅一次提到手性内容:“了解‘手性分子’在生命科学等方面的应用”[1]。
2017年版课标(以下称“新课标”)则多次提到手性内容[2],手性的教学贯穿《物质结构与性质》和《有机化学基础》两个模块,明显提高了对分子的手性的教学要求。
人民教育出版社2020年出版的教材[3,4](以下称“新教材”)中介绍分子手性的内容与2004年版教材[5,6]大体上一致,在《物质结构与性质》第三章第二节正文中新增了石英螺旋链和石英晶体的手性[7]。
值得注意的是2004年版《物质结构与性质》封面图片是两只手掌握着两个手性分子。
有机化学基础知识点整理立体化学中的手性识别立体化学中的手性识别手性是有机化学中一个非常重要的概念,广泛应用于药物合成、材料科学等领域。
手性识别作为手性合成的前提和基础,是有机化学中的基础知识点之一。
本文将对手性的概念、手性分子的产生原因以及手性识别的方法进行整理和介绍。
一、手性的概念手性是指分子不具备轴对称性或面对称性,不能与其镜像重合的性质。
手性分子由手性中心或手性轴引起,具有两种不同的立体异构体,称为对映异构体或对映体。
对映体之间的相互转化需要打破化学键,因此具有非常高的化学和生物活性差异,尤其在药物研发中具有重要的作用。
二、手性分子的产生原因手性分子的产生主要有两种原因:空间异构和动力学异构。
1. 空间异构空间异构是由于手性分子的分子结构产生的,包括手性中心、手性轴和手性面。
手性中心是指一个分子中有一个碳原子与四种不同的基团连接,或者是一个原子具有两个或两个以上的非环顺式键。
手性中心对称关系下的两个异构体通过对称中心对立,互为镜像。
手性轴是指没有手性中心的分子,但其结构存在旋转轴。
手性轴的旋转将分子转化为其镜像分子。
手性面是指没有手性中心和手性轴的分子,但其结构存在镜面反射形成的平面。
2. 动力学异构动力学异构是指分子在一定条件下,通过化学反应或物理作用发生构象变化而产生的异构体。
这种异构体的转化一般不需要打破化学键,可以通过温度、溶剂等因素来控制。
三、手性识别的方法手性识别的方法主要包括实验方法和理论方法两种。
1. 实验方法实验方法是通过物理性质或化学性质的差异来进行手性的识别。
常用的实验方法包括:(1)旋光法:利用手性分子旋光光线的性质来确定其手性。
(2)质谱法:利用手性分子在质谱仪上的质谱图特征来判断其手性。
(3)核磁共振法:利用手性分子在核磁共振谱仪上的信号差异来区分其手性异构体。
2. 理论方法理论方法是通过计算机模拟和量子化学方法来预测和解释手性分子的性质和行为。
常用的理论方法包括:(1)密度泛函理论:利用电子结构计算方法和密度泛函理论来预测手性分子的光学旋光性质。
2005年第25卷有机化学V ol. 25, 2005第11期, 1319~1333 Chinese Journal of Organic Chemistry No. 11, 1319~1333*E-mail:czhang@Received August 31, 2004; revised February 11, 2005; accepted March 24, 2005.国家自然科学基金(No. 20172008)资助项目.Chart 1此外, 近几年来, 在手性二胺化合物研究领域里又有一些新型的手性二胺及其衍生物被合成出来,有代表性的二胺见Chart 2.这不仅是因为这类化合物能够被广泛地应用于多种催化不对称反应并取得很好的反应结果, 而且还因以它们为母体能够衍生出许许多多具有良好催化活1320有机化学V ol. 25, 2005Chart 2的合成有了较快的发展. 这类化合物及其衍生物的合成和应用, 已经成为许多化学研究小组和化学研究者们十分感兴趣的研究领域之一.1 手性二胺的合成及其在催化不对称反应中的应用1.1 1,2-二苯基-1,2-二氨基乙烷及衍生物的合成及在催化不对称反应中的应用Corey等[9]合成了(±)-1,2-二氨基-1,2-二苯基乙烷化合物及其衍生物. 他们用二苯基乙二酮(7)和环己酮(8)在醋酸铵和醋酸存在的条件下, 在120 ℃时加热反应1 h, 以97%的产率得到环二亚胺类化合物9, 再将其在-78 ℃下, 用四氢呋喃-氨基锂(液氨和金属锂)进行还原, 以95%的产率得到咪唑烷基类化合物10, 再将10的二氯甲烷溶液分别用2 mol•L-1的盐酸和碱液处理后, 经纯化便可得(±)-1,2-二氨基-1,2-苯基乙烷. 最后用酒石酸进行拆分, 得到了光学纯的(R,R)-和(S,S)-1,2-二氨基-1,2-苯基乙烷(1). 进一步将1生成其衍生物11, 12和13, 将化合物11再进一步转化可以生成其衍生物14和15, 化合物12和13分别与BBr3作用可以得到其衍生物16和17 (Scheme 1).Corey等首次将化合物(S,S)-15用于Diels-Alder反应, 并得到了很好的反应结果, 产率为88%~94%, ee值达到了91%~95% (Eq. 1).Corey等将化合物(R,R)-16用于催化Aldol反应, 也得到了很好的反应结果, 产率为85%~95%, ee值最高达到了98%以上(Eq. 2).Corey等[16]又用类似的合成方法, 以二苯基乙二酮的衍生物24为底物, 合成了一系列具有C2对称轴的二胺类化合物(Scheme 2).Alexakis等[17]用金属锌和氯甲基硅烷进行亚胺的还原性偶联, 合成了具有C2对称轴的手性邻二胺类化合物(Eq. 3).实验证明, 这是一种行之有效的合成二胺类化合物的方法, 适合较大量地合成, 而且成本低廉. Scheme 1No. 11艾林等:手性二胺的合成及其在催化不对称反应中的应用1321Scheme 2Lemaire 等[18]用下面的方法合成了具有C 2对称轴的手性二胺配体(Scheme 3).Scheme 3Lemaire 等用合成出来的手性二胺配体45和[Ir(COD)2]BF 4作催化剂, 分别对苯甲酰甲酸甲酯和苯乙酮进行还原, 分别得到了产率为73%~100%, ee 值为15%~80%和产率为44%~100%, ee 值为24%~61%的反应结果(Scheme 4).Scheme 4Raimondi 等[19]在室温下, 用SmI 2将亚胺通过还原性偶联, 以syn 高于或等于anti 的比例得到了相对应的二胺(Eq. 4), 并且在这个反应中, 过量金属镁的使用,能够进一步催化反应的发生. 另外, 如果由对映体纯的胺所生成的亚胺进行偶联反应时, 能够得到立体化学控制的产物.1322有 机 化 学 V ol. 25, 2005从以上的反应中,可以初步得出这样的结论, 亚胺进行还原性偶联是合成1,2-二胺类化合物最便捷的方法之一[2,20,21].Raimondi 研究小组[22]对上述这种合成方法又进行了进一步的研究. 当以不同的醛和苄胺反应生成亚胺后, 再进行还原性偶联反应, 得到了以syn 占优势的产物(Eq. 5).当用苯甲醛和不同的胺反应生成亚胺后, 再进行还原性偶联反应, 同样也得到了以syn 占优势的产物(Eq. 6).以上实验是通过变换反应底物醛和胺, 分别进行的分子间偶联反应, 并且得到了以syn 占优势的产物.下面的反应是发生在亚胺分子内的还原性偶联反应, 用两种不同的亚胺分别进行了反应(Eqs. 7, 8).以上实验结果表明, 把亚胺的还原性偶联进一步深化, 使其反应不仅能够在分子间发生, 而且还能够使其反应在分子内发生, 得到了具有C 2对称轴的手性二胺.中国科学院成都有机化学研究所的邓金根等[23]合成了新的1,2-二苯基-1,2-二氨基乙烷衍生物, 并用于酮的催化不对称还原反应的研究, ee 值最高能够达到95%, 取得了很好的反应结果(Scheme 5).Scheme 5Kobayashi 等[24]报道了将1,2-二苯基-1,2-二氨基乙烷衍生物62用于催化Mannich 类型反应, 得到了具有高对应选择性的反应结果, ee 值均在90%以上(Eq. 9, Table 1).No. 11艾林等:手性二胺的合成及其在催化不对称反应中的应用1323表1 催化不对称Mannich 型反应的改进Table 1 Improvement of asymmetric Mannich-type reaction Entry Diamine Time/h Yield/% ee /% 1 62a 72 9392 2 62a 72 55 95 362b 20 86 93 4 62c 20 95 96 562c20 91 95这是2004年的研究成果,它充分表明了1,2-二苯基-1,2-二氨基乙烷及其衍生物在催化不对称应用方面的发展前景. 目前, 1,2-二苯基-1,2-二氨基乙烷及其衍生物的合成及应用也正处在不断发展之中.1.2 1,2-二氨基环己烷及衍生物的手性合成及在催化不对称反应中的应用反-1,2-二氨基环己烷及衍生物在催化不对称反应中是一类有效的手性试剂和手性配体[25]. 1926年, Wieland 及其合作者们[26]首次报道了用环己烷邻二甲酸和酰肼通过Curtius 反应合成出了trans -1,2-二氨基环己烷. 从那以后, 一些关于1,2-二氨基环己烷的合成方法也有过报道[27]. 现在, 这种具有C 2对称轴的二胺能够以相对低的价格就可以获得, 因为它是Nylon 66 (尼龙66)生产中所用1,6-己二胺纯化过程中的副产品[28,29]. 在水溶液中, 用D -或L -酒石酸拆分就能够得到对映体(R ,R )-1,2-二氨基环己烷和(S ,S )-1,2-二氨基环己烷[30](Eq. 10).尽管1,2-二氨基环己烷很容易获得, 但是, 多年来,在有机不对称合成方面, 它的应用仍然处于一种待开发和利用阶段. 直到20世纪80年代, Fujita 及其合作者[31]在α-酰基氨基丙烯酸不对称氢化反应和Hanessian 及合作者[32]在形成C —C 键的反应中进行研究报道后, 这种手性配体在许多催化不对称反应中的应用才开始逐渐发展起来[25].Lemaire 等[33]利用(1R ,2R )-1,2-二氨基-环己烷和(1R ,2R )-(+)-N ,N'-二甲基-1,2-二苯基-1,2-二氨基乙烷及其衍生出来的新二胺配体, 将其和Ir 和Rh 的金属化合物做催化剂, 催化还原含有羰基的化合物(Scheme 6).Lemaire 等用手性二胺2, 45b , 64和65分别与[Ir(COD)Cl]2, [Ir(COD)2]BF 4和[Rh(COD)Cl]2, [Rh- (NBD)2]BF 4作催化剂, 催化苯甲酰甲酸甲酯得到如Eq. 11的反应结果.Scheme 6Lemaire 等[34]对这一反应又进行了进一步的研究,合成了一系列的类似物, 并将其和[Ir(COD)Cl]2等作用, 对苯乙酮及衍生物进行了催化不对称还原反应(Eq. 12).Mohar 等[35]将合成的N -(N ,N -二烷基氨基)氨磺酰- 1,2-二胺类型的配体分别和Ru(II), Ru(III)的化合物作用, 对含有酮羰基的化合物41, 43, 70和71进行了催化还原反应(Chart 3), 得到了很好的对映选择性结果(ee 值除了一个33%外, 其余均在65%~99%之间).Chart 31324有 机 化 学 V ol. 25, 2005中国科学院上海有机化学研究所的施敏等[36]通过合成二胺及其新的衍生物配体, 并与RuCl 2(PPh 3)3作用, 对酮羰基进行不对称氢化还原反应, 也得到了很好的反应结果, ee 值达到了44%~93% (Eq. 13).Alexakis 等[37]利用(1R ,2R )-二氨基环己烷合成了一系列的具有C 2对称轴N ,N'-二取代的手性二胺配体84~98 (Scheme 7). 这一系列二胺类化合物的合成, 为其今后在催化不对称反应的研究提供了大量可供选择的新配体. 同时, 也为合成新的二胺类配体衍生物提供了合成方法方面的借鉴和参考.实际上, (1R ,2R )-(-)-1,2-二氨基环己烷, (1R ,2R )- (+)-1,2-二苯基-1,2-二氨基乙烷和(R )-(+)-1,1'-二萘基- 2,2'-二胺在催化不对称方面都是有着很重要作用的典型配体. 施敏等[38]利用上述三种典型的配体合成了一些新的二胺衍生物97, 98和99 (Scheme 8), 并将其用于二乙基锌对醛的催化不对称加成反应, 取得了较好的反应结果, ee 值最高达到了73%.事实上, 这三种典型配体及其衍生物的合成与应用正处于不断研究和发展之中, 新的合成方法和应用领域也在不断出现. 特别是从近些年来的文献报道中, 可以看到这一领域的研究工作正在引起人们更多的关注. 1.3 1,1'-二萘基-2,2'-二胺及衍生物的合成及在催化不对称反应中的应用从以上对1,2-二苯基-1,2-二氨基乙烷和1,2-二氨基环己烷这两种重要的二胺及衍生物的研究中可以看出, 1,1'-二萘基-2,2'-二胺及衍生物, 与上述两种配体及衍生Scheme 7Scheme 8No. 11艾林等:手性二胺的合成及其在催化不对称反应中的应用1325物的合成以及对催化不对称反应的应用, 经常是相互渗透和交织在一起的.Van't Hoff 在轴手性[39]方面的预言[39,40]为立体化学奠定了基础[41]. 众所周知, 最具代表性的轴手性分子BINOL 在1873年以外消旋酒石酸盐的形式首次被制备出来[42], 但作为具有光学活性的化合物[43,44], 其绝对构型在1971年才被确定[41]. 直到上世纪八十年代后期,二萘基衍生物如BINAM 才开始被合成出来, 并作为手性配体在一些金属催化的反应中进行研究[45,46].BINAM 能够直接地用温和的氧化剂[例如Cu(II)]将β-氨基萘进行偶联即可生成(Eq. 14)[47,48].BINAM 与酮进行还原胺化反应后, 就能够得到单取代和双取代的BINAM 的衍生物, 而且随着被引入基团体积的增大, 单取代产物的产率不断增多, 双取代产物的产率则随之下降(Eq. 15)[49,50].BINAM 和戊二醛等在NaBH 3CN 作用下进行还原胺化反应, 能够得到单一的在一个氨基上进行二元取代的二胺新配体(Eq. 16)[51].但是, 如果在戊二醛过量的情况下, 就能够以98%的产率得到相应两个氨基上二元取代的二胺新配体(Eq. 17)[49].如果BINAM 的氨基上, 各有一个氢被甲基取代后的衍生物107与环氧乙烷在醋酸作用下, 在不同温度时分别得到了单取代和双取代二胺新配体108, 109(Scheme 9)[52].Scheme 9如果用Pd/C 作催化剂还原(R )-1,1'-二萘基-2,2'-二胺(3), 就能够使其以97%的产率转化生成其衍生物110 (Eq. 18)[53].施敏等[38]在这方面做了许多工作. 他们在合成配体99后, 又报道了用1,1'-二萘基-2,2'-二胺合成的一些新二胺配体(Eq. 19), 并进行了烯丙基三丁基锡对苯甲醛的加成反应的研究 [54].随后, 施敏等[52,55]又连续合成了一系列1,1'-二萘 基-2,2'-二胺衍生物(Schemes 10, 11).他们将所合成的113, 117和119新配体用于二乙基锌对亚胺的催化不对称加成反应的研究, 取得了产率最高为96%, ee 值为16%~90%的反应结果(Eq. 20).1326有 机 化 学 V ol. 25, 2005Scheme 10Scheme 111,1'-二萘基-2,2'-二胺及其衍生物的合成和应用, 在前面第二部分也有一些表述. 通过以上所述, 可以看出, 虽然这一方面的研究工作起步较晚, 但发展却比较快. 1.4 以α-苯乙胺为起始原料合成的二胺及在催化不对称反应中的应用目前, 以α-苯乙胺为底物合成的手性二胺虽然有一些报道[56], 但其种类、数量及其合成方法都很有限, 另外, 在催化不对称方面的应用也不是很多.Simpkins 等[56]利用手性亚胺与Grignard 试剂反应,得到了有C 2对称轴的手性邻二胺, 他们以乙醚为溶剂, 用PhMgCl 或MeMgBr 与邻二亚胺进行Grignard 反应, 分别以47%和35%的产率得到了邻二胺(Eq. 21).但是, 对于下面的反应却要使用THF 为溶剂方可获得较好的反应结果. 由此看来, 溶剂对这一反应的结果有着比较重要的影响(Eq. 22).No. 11艾林等:手性二胺的合成及其在催化不对称反应中的应用1327Savoia 等[57]用不同的醛和(S )-α-苯乙胺反应生成的亚胺, 再与Grignard 试剂或金属锂试剂反应, 最后得到了(S ,S )-和(S ,R )-两种非对映异构体的仲胺(Eq. 23).Parrodi 等[58]利用环己烯的环氧化产物和(S )-α-苯乙胺进行氨解, 得到非对映体129和130后, 与甲磺酰氯作用, 进一步得到了(S )-α-苯乙胺氮丙啶环己烷衍生物131,过开环, 就能够最终得到(1R ,2R ,1'S ,1''S )-N ,N'-二(α-苯基乙基)-1,2-环己基二胺(132)和(1S ,2S ,1'S , 1''S )-N ,N'-二(α-苯基乙基)-1,2-环己基二胺(133) (Scheme 12).中国科学院上海有机化学研究所马大为等[59]利用(R )-α-苯乙胺和1,2-二溴乙烷反应得到了具有C 2对称轴的手性邻二胺(Eq. 24).Savoia 等[60]用金属锂试剂和手性邻二亚胺反应成功地得到了具有C 2对称轴的邻二胺, 主要产物是(R ,R )- 137, 而(R ,S )-138, (S ,S )-139产率很低(Eq. 25).Juaristi 等[61]利用α-苯乙胺所合成的配体在二乙基锌对醛的加成反应进行了研究, 得到了较好的反应结果, ee 值最高达到66% (Eq. 26, 表2).Scheme 121328有 机 化 学 V ol. 25, 2005表2 在手性配体144~150存在的条件下二乙基锌对苯甲醛对映选择性加成Table 2 Enantioselecitive addition of Et 2Zn to benzaldehyde in the presence of chiral ligand 144~150Entry L* (5 mol%) Yield/% ee /% Config. of major enantiomer 1 (S ,S )-144 72 29 (R ) 2 (S ,S )-145 88 42 (S ) 3 (S ,S )-14673 65(R ) 4 (S )-147 79 27 (S ) 5 (S )-148 72 58 (R ) 6 (S ,S )-149 84 45 (S ) 7(S ,S )-15081 66(R )用α-苯乙胺合成新的手性配体, 这是利用已有的手性源合成新的手性化合物最便捷的合成方法之一. 但是, 其合成方法及合成出来的手性二胺配体在催化不对称反应中的应用还有待于进一步的发展.1.5 其它重要二胺配体及衍生物的合成及在催化不对称反应中的应用尽管上述二胺类化合物的合成和在催化不对称反应中的应用取得了令人注目的成就, 形成了比较完整的体系. 但是, 对其它二胺类配体的研究工作也从未停止过, 并且随着研究工作的不断深入, 已经合成了具有很好催化活性和对映选择性的新型二胺类配体.20世纪90年代初期, Tomioka 等[62]利用苄胺和(3R ,4R )-二甲磺酸酯(151)进行环化反应得到吡咯烷类化合物152, 用Pd/C 进行还原后, 用甲酸进行处理, 得到(3R ,4R )-二苯基-四氢吡咯烷(153), 再将其和草酰氯反应, 就得到了邻二酰胺类化合物154, 最后用LiAlH 4进行还原, 得到了目标化合物trans -3,4-二取代吡咯烷类配体155(Scheme 13).Scheme 13Tomioka 等[63,64]随后用手性二胺和四氧化锇作为催化剂, 利用烯烃合成了具有高效对映选择性的二羟基类化合物, 得到了ee 值最高为99%的反应结果(Eq. 27).O'Hagan 等[65]报道了以L -脯氨酸(159)为初始反应物以95%的产率得到160. 但对于大量合成而言, 粗产物可以直接和Grignard 试剂反应生成161, 用乙酸乙酯重结晶可以得到固体161, 然后用Pd/C 做催化剂还原161就可得到162. 化合物162既可以与草酰氯在一定条件下反应后直接用LiAlH 4进行还原, 得到具有C 2对称轴的二胺类化合物163; 也可以与1,3-二碘丙烷在一定条件下反应得到具有C 2对称轴的二胺类化合物164(Scheme 14).Scheme 14在20世纪90年代初期, Mukaiyama 等[66~68]用手性二胺168和Sn(OTf)2形成的Lewis 酸作为催化剂, 得到了具有很好对映选择性的催化不对成羟醛缩合产物, ee 值最高达到了98%以上(Eq. 28).Kobayashi 等[68,69]报道了使用化学量的二胺配体172~174和Sn(OTf)2形成的Lewis 酸作为催化剂, 得到了具有较高对映选择性的Mukaiyama 羟醛缩合产物, 产物的ee 值达到了91%~98% (Eq. 29).No. 11艾林等:手性二胺的合成及其在催化不对称反应中的应用1329Oriyama 等[70]将手性二胺172和SnX 2用于催化外消旋仲醇的对映选择性酰化反应, 得到了176和177, 其ee 值最高分别达到了97%和84% (Eq. 30).Oriyama 等[71]在手性二胺172存在的条件下, 将内消旋的二醇和氯苄进行不对称酰化反应, 得到了化合物179和180, 这里得到了一种主要产物, 而且ee 值最高达到了96% (Eq. 31).Asami 等[72]利用手性二胺181和182和硼烷对酮进行还原反应, 取得了产率为84%~90%和ee 值最高为87%的反应结果(Eq. 32).Alexakis 等[73]通过手性二胺183对硝基烯烃进行了不对称Michael 加成反应, 产物ee 值高达98.6% (Eq. 33).用新颖的合成方法来合成新的手性二胺配体的研究工作仍在不断探索和发展之中. Singh 等[74]就是以(S )-扁桃酸为原料, 经过几步反应得到了一系列手性二胺191和192, 并将其用于二乙基锌对芳香醛的催化不对称加成反应(Scheme 15).Scheme 15以下是Singh 等合成出来的不同取代基取代的二胺配体191a ~191m (Chart 4).Singh 等首先在相同的反应条件下, 用同一种二胺配体191a 催化二乙基锌和不同的芳醛193进行加成反应, 得到了如 Eq. 34, Table 3所示结果.同时, Singh 等又在相同的反应条件下, 使用不同的催化剂, 使二乙基锌对同一种底物195进行加成反应,1330有 机 化 学 V ol. 25, 2005Chart 4表3 由(R )-191a 催化二乙基锌对醛的对映选择性加成反应 Table 3 Enantioselective addition of Et 2Zn to aldehydes by (R )-191a EntrySubstrate Yield/% ee /%1 Benzaldehyde84 47 2 2,4,6-Trimethylbenzaldehyde 67 46 3 4-Methoxybenzaldehyde 92 37 4 4-Methylzaldehyde 76 38 5 4-Chlorobenzaldehyde 88 53 6 4-Flurobenzaldehyde 77 54 7 Ferrocenealdehyde65 71得到了如下的反应结果(Eq. 35, Table 4).表4 由(R )-或(S )-191催化二乙基锌对氯苯甲醛的对映选择性加成反应Table 4 Enantioselective addition of Et 2Zn to 4-chloroalde- hydes by (R )- or (S )-191Entry Damine Yield/% ee /%1 (R )-191a 88 53 (S )2 (R )-191b 92 66 (S )3 (R )-191c 81 65 (S )4 (S )-191e 82 6 (R )5 (S )-191f 94 50 (R )6 (S )-191g 74 2 (S )7 (S )-191h 87 68 (S ) 8 (S )-191j 95 58 (S )9 (S )-191l 80 4 (S ) 10 (S )-191m 83 44 (R )同时, Singh 等将手性二胺在二乙基锌和醛的催化不对称加成反应中对产物构型的影响进行了分析和研究. 二乙基锌的不对称诱导加成反应可以通过图1中的优势过渡态进行解释. 如果二胺结构中的R 基团是甲基时, R 基团相对于手性中心来讲与苯基同位于一侧, 这样便有利于二乙基锌在与苯基相反的方向和氮原子进行配位, 结果, 醛以Si 面和金属锌接近, 从而得到了与配体的立体化学相反的立体构型产物. 但当R 基团大于甲基时, 相对于手性中心碳原子来讲, R 基团主要朝向利于进行加成反应, 于是, 就得到了和配体构型相同的和苯基方向相反的一侧, 在这种情况下, 醛的Re 面更有加成产物.图1 二乙基锌对醛的对映选择性加成反应中优势过度态模型 Figure 1 Favourable transition state models in enantioselective addition of Et 2Zn to aldehydesSingh 等[75]把所合成的二胺配体与丁基锂作用形成氨基锂, 在对环己烯的环氧化物进行对映选择性去质子化反应的研究中, 也得到了比较好的反应结果(Eq. 36).No. 11艾林等:手性二胺的合成及其在催化不对称反应中的应用1331Asami 等[76]将手性氨基锂用于催化内消旋环氧化物的对映选择性去对称化反应的研究, 也得到了较好的反应结果(Eq. 37).Andersson 等[77]在应用氨基锂对外消旋化合物进行动力学拆分和去质子化反应的研究中, 取得了很好的研究结果(Eq. 38).这些实验结果表明, 新的手性二胺配体的合成以及它们在催化不对称反应中的应用, 是对手性二胺化学研究进行的重要补充. 总之, 它们所具有的良好催化活性和对映选择性, 也必将进一步促进新型手性二胺配体及其衍生物的合成及其在多种催化不对称反应中的广泛应用.2 结束语手性二胺配体1,2-二氨基环己烷及其衍生物, 1,2-二氨基-1,2-二苯基乙烷及其衍生物和1,1'-二萘基-2,2'-二胺及其衍生物, 对他们进行研究的重点除了在合成新的衍生物以外, 更重要的可能会在寻找新的应用领域方面会有所作为. 而利用α-苯乙胺进行手性二胺的合成以及其它新型手性二胺的合成, 则将成为人们今后更主要的研究目标, 其应用也会处于不断探索和拓展之中. 总之, 手性二胺类化合物的合成和应用, 在催化不对称合成化学里是一个十分重要的研究领域. 新颖, 便捷的合成方法会不断涌现. 同时, 具有高效催化活性和对映选择性的手性二胺配体, 在诸多方面, 特别是在不对称合成化学研究领域里的应用必将更加广泛和深入. 手性二胺化学的发展必定会对不对称合成化学的发展做出其应有的贡献.References1 (a) Michalson, E. 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H.)CHINESE JOURNAL OF ORGANIC CHEMISTRYV olume 25, Number 11 (YOUJI HUAXUE )November 2005CONTENTSSynthesis of Chiral Diamines with C 2 Symmetry and Their Applications to Catalytic Asymmetric ReactionsAI, Lin; XIAO, Ji-Chuan; SHEN, Xiu-Min; ZHANG, Cong *Chin. J. Org. Chem. 2005, 25(11), 1319Optically active diamines have been extensively used as chiral ligands in a variety of asymmetric transformations. This review describes recent advances in design and syn-thesis of chiral diamines and their application to asymmetric synthesis.Olefin Cross-Metathesis Reactions and Their Applications to Organic SynthesisGUO, Ying-Cen; XIAO, Wen-Jing * Chin. J. Org. Chem. 2005, 25(11), 1334The olefin cross-metathesis reaction is one of the most efficient methods for the con-struction of C =C bonds. In this paper, the recent progress of olefin cross-metathesis reaction and their applications to organic synthesis is reviewed.Recent Advances on Application of Low Valent Titanium to Organic SynthesisYANG, Zhong-Shun; LI, Ying *Chin. J. Org. Chem. 2005, 25(11), 1342McMurry reaction has displayed much significance in organic synthesis since it was discovered in 1970’s. Recent developments on application of low valent titanium toorganic synthesis including those of (non)natural products and their analogs, novel sub-strates as well as the extended/improved McMurry reaction are reviewed.Progress in the Chemical Reactions of Chlorophyll-a Derivatives and Synthesis of Polysubstituted Chlorin or PorphyrinWANG , Jin-JunChin. J. Org. Chem. 2005, 25(11), 1353The activity of chemical reaction and application of chlorophyll-a derivatives depend on their special physicochemical properties and asymmetrical skeleton structure bearing many active substituted groups. This review deals with the recent progress in the syn-thesis of polysubstituted chlorin or porphyrin based on the chemical reaction and struc-tural modification of chlorophyll-a derivatives.。
有机合成反应中的手性识别机制手性是有机化学中一个非常重要的概念。
简单来说,手性是指化合物或分子的镜像异构体无法通过旋转或平移使其重合的性质。
手性分子的存在对于生命的起源、药物的研发以及环境保护等方面都具有重要意义。
在有机合成反应中,手性识别机制是实现手性合成的关键。
手性识别机制的研究已经成为有机合成领域的热点之一。
在有机合成反应中,手性识别机制主要包括两个方面:手性识别原理和手性识别方法。
首先,手性识别原理是指手性分子之间相互作用的规律。
手性分子之间的相互作用主要包括范德华力、氢键、离子键等。
这些相互作用的强弱和方向性可以决定手性识别的结果。
例如,范德华力是一种非常常见的相互作用力,它可以使得手性分子在空间中形成特定的立体构型。
另外,氢键的方向性也可以促使手性分子之间的特定相互作用。
这些相互作用的研究为手性识别机制的理解提供了重要的基础。
其次,手性识别方法是指实验中用来区分手性分子的技术手段。
目前常用的手性识别方法主要包括手性色谱法、手性核磁共振法、手性质谱法等。
手性色谱法是通过手性固定相与手性分子之间的相互作用来实现手性分离的。
手性核磁共振法则是通过核磁共振技术来研究手性分子的立体结构。
手性质谱法则是通过质谱技术来分析手性分子的结构和性质。
这些手性识别方法的发展为手性合成提供了重要的实验手段。
手性识别机制的研究不仅对于有机合成反应具有重要意义,也对于生命科学和药物化学有着重要的应用价值。
在生命科学中,手性分子在生物体内的识别和作用是生命活动的基础。
例如,酶是一类具有高度手性选择性的生物催化剂,它们可以实现对手性底物的选择性催化。
了解手性识别机制可以帮助我们更好地理解生命活动的本质。
在药物化学中,手性合成是一项非常重要的技术。
许多药物的活性和副作用与其手性密切相关。
通过研究手性识别机制,可以设计和合成更具活性和选择性的手性药物。
总之,手性识别机制是有机合成反应中的关键问题。
手性识别机制的研究不仅可以帮助我们理解手性分子的性质和行为,也为手性合成提供了重要的理论和实验基础。
手性药物质量控制研究技术指导原则一、概述三维结构的物体所具有的与其镜像的平面形状完全一致,但在三维空间中不能完全重叠的性质,正如人的左右手之间的关系,称之为手性。
具有手性的化合物即称为手性化合物。
手性是自然界的一种基本属性,组成生物体的很多基本结构单元都具有手性,如组成蛋白质的手性氨基酸除少数例外,大都是L-氨基酸;组成多糖和核酸的天然单糖也大都是D构型。
作为调节人类的相关生命活动而起到治疗作用的药物,如果在参与体内生理过程时涉及到手性分子或手性环境,则不同的立体异构体所产生的生物活性就可能不同。
手性化合物除了通常所说的含手性中心的化合物外,还包括含有手性轴、手性平面、手性螺旋等因素的化合物。
在本指导原则中所指的手性药物主要是指含手性中心的药物,其它类型的手性药物也可参考本指导原则的基本要求。
手性药物是指分子结构中含有手性中心(也叫不对称中心)的药物,它包括单一的立体异构体、两个以上(含两个)立体异构体的不等量的混合物以及外消旋体。
不同构型的立体异构体的生物活性也可能不同,大致可分为以下几种情况【1】:1)药物的生物活性完全或主要由其中的一个对映体产生。
如S-萘普生在体外试验的镇痛作用比其R 异构体强35倍。
2)两个对映体具有完全相反的生物活性。
如新型苯哌啶类镇痛药-哌西那朵的右旋异构体为阿片受体的激动剂,而其左旋体则为阿片受体的拮抗剂。
3)一个对映体有严重的毒副作用。
如驱虫药四咪唑的呕吐副作用是由其右旋体产生的。
4)两个对映体的生物活性不同,但合并用药有利。
如降压药-萘必洛尔的右旋体为β-受体阻滞剂,而左旋体能降低外周血管的阻力,并对心脏有保护作用;抗高血压药物茚达立酮【2】的R异构体具有利尿作用,但有增加血中尿酸的副作用,而S异构体却有促进尿酸排泄的作用,可有效降低R异构体的副作用,两者合用有利。
进一步的研究表明,S与R异构体的比例为1:4或1:8时治疗效果最好。
5)两个对映体具有完全相同的生物活性【3】。
有机化学中的手性立体异构体在有机化学中,手性立体异构体是一个重要的概念。
所谓手性立体异构体,指的是分子在空间中的镜像对称性破缺,无法通过旋转或平移使其与其镜像重合。
手性分子由于其不对称性质,具有一系列独特的化学和生理性质,因此在药物合成、生命科学和材料科学等领域中具有广泛而重要的应用。
1. 手性的定义和分类手性是指分子在空间中无法与其镜像重合的性质。
手性分子可以分为两种类型:手性中心和手性轴。
手性中心是指分子中的一个碳原子,它连接着四个不同的基团。
手性轴是指分子中存在一个对称轴,使得分子在旋转180度后不能与其镜像重合。
2. 手性立体异构体的产生手性立体异构体的产生主要有两种途径:空间异构和构象异构。
空间异构是指分子由于手性中心或手性轴的存在,导致其与其镜像不相同。
构象异构是指分子由于键旋转或环的构象变化而存在不同的立体异构体。
3. 手性立体异构体的性质和应用手性立体异构体在化学和生物学中具有许多重要的性质和应用。
首先,手性药物的效果通常由其手性立体异构体决定。
由于生物体内具有手性选择性,所以对手性药物的不同立体异构体的生理活性也会有明显的差别。
因此,将合成的手性药物分离出目标异构体对于提高治疗效果和减少副作用十分重要。
其次,手性催化剂在有机合成中广泛应用。
手性催化剂可有效地催化不对称合成反应,合成手性药物和手性化合物,为有机合成提供了一种高效、环境友好的方法。
此外,手性立体异构体也在光电材料、液晶显示器、香料等领域中有重要应用。
4. 分离和鉴定手性立体异构体的方法分离和鉴定手性立体异构体是有机化学中的一个重要课题。
常用的分离方法包括手性层析、手性色谱、手性电泳等。
鉴定方法主要利用核磁共振、红外光谱、质谱和X射线晶体学等技术。
这些方法能够准确地确定手性立体异构体的结构和组成。
5. 未来的发展趋势随着科学技术的不断发展,手性化学在有机合成、药物设计和生命科学等领域的应用也在不断扩展。
未来,我们可以预见手性立体异构体的研究将会更加深入,定制化合成手性异构体的方法会更加灵活和高效。
有机化学研究前沿——手性合成技术宇宙是非对称的,如果把构成太阳系的全部物体置于一面跟随着它们的各种运动而移动的镜子面前,镜子中的影像不能和实体重合。
……生命由非对称作用所主宰,我能预见,所有生物物种在其结构上、在其外部形态上,究其本源都是宇宙非对称性的产物。
——Louis PasteurPasteur在一百多年前所言极是,自然界的基本现象和定律由手性产生。
就此而言,两个对映的具有生物活性的化合物在手性环境中常常有不同的行为。
由于这个原因,也是为了“手性经济”,许多研究者致力于不对称合成的研究。
具体而言,以分子内不对称诱导为基础的立体选择性合成已在有机化学合成中起着重要的作用并得到充分的理解。
相比之下,虽然已做出一些成就,我们对不对称的分子间传递的理解目前仍处在开始阶段。
一、手性的发展历史立体化学的发展可追溯到19世纪。
在1801年,法国矿物学家Hauy就注意到,水晶晶体显示半面现象。
这意味着可以认为,晶体的某些小平面排列为不可重合的物体,那些物体和实体与镜像的关系是相似的。
1809年,法国物理学家Malus 观察到了由水晶晶体引起的偏光效应。
1812年,另一位法国物理学家Biot发现,沿着与晶体轴垂直的方向切下的水晶片能使偏振光平面旋转某一角度,角度的大小和晶体片的厚度成正比。
右型和左型的水晶晶体以不同的方向使偏振光旋转。
1815年,Biot将这些观察延伸到纯的有机物的液体或其溶液。
他指出,由水晶晶体引起的旋光和由他研究的有机化合物溶液引起的旋光之间有些不同:由水晶引起的旋光是整个晶体的性质,而由有机物质引起的旋光则是单个分子的性质所致。
1846年Pasteur察到,右旋的酒石酸晶体有相同取向的半面。
他假定,酒石酸盐的半面结构必定和它的旋光能力有关系。
1848年,Pasteur从外消旋混合物中分离了(+)/(-)—酒石酸的钠铵盐的晶体。
通过缓慢蒸发外消旋酒石酸的水溶液,形成了大颗粒的晶体,并表现出和水晶相似的显著的半面现象,。
手性药物及手性技术当前,手性药物(Chiral Drugs)的研究与开发已成为世界新药发展的方向和热点领域。
作者曾发表文章,介绍了手性药物市场的增长和当前国内外手性药物发展的动向和趋势,阐述了加速手性技术开发,迎接世界制药工业挑战的必要和紧迫。
本文将结合手性药物市场最新发展和手性技术的最新成就,探讨药品和精细化学品工业面临的挑战和机会。
一世界手性药物工业发展迅速(1)手性药物市场首次超过1000亿美元: 自1992年以来,手性药物市场一直保持快速增长的态势。
1995年,其销售额为557亿美元,比1994年增长23%,占世界药品市场总额2585亿美元的22%。
1999年,手性药物市场第一次超过1000亿美元,单一异构体药物销售额达到1150亿美元,比1998年的994亿美元增长16%,占世界药品市场3600亿美元的32%。
从1995~1999年,5年内单一异构体药物销售额翻了一番,占世界药品市场份额从1/5到1/3,这是一个重要的里程碑。
预计今后几年仍将以年8%的速度增长,到2003年将达到1460亿美元。
(2)科学发现和药政规定推动手性药物的发展: 手性工业不断增长的首要原因在于基础生物化学的研究进展。
药物化学家们试图影响的生物信使分子和细胞表面受体,即药物作用的靶分子都是手性的,因此药物分子与这些靶分子的不对称性必须相匹配。
另外,分子药理学研究发现,含有手性因素的化学药物对映体,在人体内的药理活性、代谢过程和毒性存在着显著差异。
在通常情况下,只有一个对映体具有药理作用,而另一个对映体不仅无药理作用,还会产生一定副作用。
手性药物市场不断增长的第二个原因是美国FDA的规定。
1992年FDA发布手性药物指导原则,要求所有在美国上市的消旋体新药,生产者均需提供详细报告,说明药物中所含对映体各自的药理作用、毒性和效果。
因此,制药公司对于内在的手性药物分子,必须作出适当的选择,是以其单一异构体形式开发,还是以其消旋体形式开发。
手性催化研究的新进展与展望手性是自然界的基本属性之一,与生命休戚相关。
近年来,人们对单一手性化合物(如手性医药和农药等)及手性功能材料的需求推动了手性科学的蓬勃发展。
手性物质的获得,除了来自天然以外,人工合成是主要的途径。
外消旋体拆分、底物诱导的手性合成和手性催化合成是获得手性物质的三种方法,其中,手性催化是最有效的方法,因为他能够实现手性增殖。
一个高效的手性催化剂分子可以诱导产生成千上万乃至上百万个手性产物分子,达到甚至超过了酶催化的水平。
2001年,诺贝尔化学奖授予了三位从事手性催化研究的科学家Knowles、Noyori 和Sharpless,以表彰他们在手性催化氢化和氧化方面做出的开拓性贡献,同时也彰显了这个领域的重要性以及对相关领域如药物、新材料等产生的深远影响。
我国对于手性催化合成的研究始于上世纪80年代,从90年代逐渐引起重视。
1995年戴立信、陆熙炎和朱光美先生曾撰文呼吁我国应对手性技术特别是手性催化技术的研究给予重视[1]。
国家自然科学基金委员会九五和十五期间分别组织了“手性药物的化学与生物学研究”(戴立信院士和黄量院士主持)[2]、“手性与手性药物研究中的若干科学问题研究”(林国强院士主持)[3]重大研究项目,同时中国科学院和教育部等也对手性科学与技术的研究给予了重点支持,极大地推动了我国手性科学和技术领域特别是在手性催化领域的发展,取得了一批在国际上有较大影响的研究成果,并培养了一支优秀的研究队伍,在手性催化研究领域开始在国际上占有一席之地。
本文结合国际上手性催化研究的最新进展,主要回顾了我国科学家近年来在新型手性配体、金属配合物手性催化、生物手性催化、有机小分子手性催化、负载手性催化剂、以及新概念与新方法等方面取得的重要研究进展[4],并展望了手性催化的未来发展趋势。
一、新型手性配体的设计合成手性配体和手性催化剂是手性催化合成领域的核心,事实上手性催化合成的每一次突破性进展总是与新型手性配体及其催化剂的出现密切相关。
2023年河北省高考化学有机合成与推断题说明 (2023年河北,18).2,5二羟基对苯二甲酸()DHTA 是一种重要的化工原料,广泛用于合成高性能有机颜料及光敏聚合物;作为钠离子电池的正、负电极材料也表现出优异的性能。
利用生物质资源合成DHTA 的路线如下: 已知:222)H /H O1)NaNH +→ 回答下列问题:(1)A B →的反应类型为 。
(2)C 的结构简式为 。
(3)D 的化学名称为 。
(4)G H →的化学方程式为 。
(5)写出一种能同时满足下列条件的G 的同分异构体的结构简式 。
(a)核磁共振氢谱有两组峰,且峰面积比为3:2;(b)红外光谱中存在C=O 吸收峰,但没有O H -吸收峰;(c)可与NaOH 水溶液反应,反应液酸化后可与3FeCl 溶液发生显色反应。
(6)阿伏苯宗是防晒霜的添加剂之一。
试以碘甲烷()3CH I 、对羟基苯乙酮()和对叔丁基甲苯[]为原料,设计阿伏苯宗的合成路线 。
(无机试剂和三个碳以下的有机试剂任选) 考查目标有机合成是最具创造性的学科领域之一,其魅力在于不断合成新分子,创造新物质,为生命及材料科学的创新发展奠定物质基础,是有机化学的核心。
本题以2,5二羟基对苯二甲酸(DHTA)及阿伏苯宗的合成为情境,考查考生对有机化合物命名、结构确定、官能团性质、基本有机反应等基础知识的掌握和运用,同时考查获取信息、分析问题、解决问题的能力,测试考生证据推理与模型认知、科学探究与创新意识的化学学科核心素养的发展水平。
试题分析2,5二羟基对苯二甲酸(DHTA )的合成路线:(1)本问考查考生对有机反应类型的掌握。
根据反应物A 及产物B 的结构及反应条件等信息,在催化剂存在下,反应物A 中的碳碳双键与H 2发生加成反应,形成碳碳单键,生成产物B 。
因此A→B 为碳碳双键的催化加氢反应,属于加成反应。
另一方面,根据有机化学对氧化还原反应的理解,加氢或失氧的反应为还原反应,失氢或加氧的反应为氧化反应,则该反应属于还原反应。
项目名称:手性催化的重要科学基础首席科学家:丁奎岭中国科学院上海有机化学研究所起止年限:2010年1月-2014年8月依托部门:上海市科委一、研究内容本项目结合国家经济建设和社会发展重大战略需求,特别是针对我国手性药物、农药、精细化学品以及材料等相关领域的可持续发展问题,从合成化学中的手性催化这一具有重大挑战性基础科学问题和前沿研究方向入手,突出源头创新,围绕手性催化的效率和选择性等核心问题,设计和发展新型手性催化体系,提出发展手性催化剂的新概念和新方法,利用化学、物理和理论计算等方法揭示反应历程,探索催化过程中手性传递、诱导与放大的科学规律,从化学角度为认识自然界手性均一性成因提供科学依据,为光学活性手性物质的制备提供先进方法学,为我国手性医药、农药和手性功能材料等方面的发展提供科学基础和技术支撑。
根据项目的上述总体设想,围绕手性催化过程中手性诱导、传递和放大的规律性探索,拟重点解决以下重要科学问题,并提出相应的解决策略:(1)手性催化的立体选择性问题:通过探索催化剂对底物分子作用的模式,认识配体和催化剂的电子和立体效应的影响规律;(2)手性催化的效率问题:通过深入认识催化剂的活化、毒化的内在机制和外部环境因素;(3)催化剂结构的创新性问题:通过探索和总结配体的骨架、配位原子、中心金属以及底物等的立体、电子效应对手性诱导影响的规律;(4)受限环境中手性诱导的规律性问题:通过探索环境的尺寸、形状效应以及催化剂的孔道限阈作用、催化剂—底物之间的氢键、电荷转移、π-π堆积等弱相互作用对手性诱导影响的规律;(5)手性诱导过程中多因素控制的复杂性问题:通过综合上述科学规律的认识,探索综合运用多中心活化、多手征因素控制和微环境效应,提出新概念、发展新方法,指导手性催化剂的设计。
为解决上述科学问题和实现本项目提出的科学目标,在研究过程中,我们将重视课题组人员和科学研究内容之间的相互交叉,紧紧围绕手性催化的选择性和效率问题,以发展新型手性配体、新型催化剂和催化新反应为切入点,加强均相手性催化与多相手性催化研究的交叉与合作,同时在研究内容中将特别重视催化过程中手性传递、诱导与放大的科学规律探索和总结,在研究方法上注重实验与理论结合,并尝试以新的思路和策略,注重新概念、新方法的提升以及在研究工作中对催化剂设计的指导作用,以期实现在原理、概念和方法层次上的创新,同时运用项目发展的新型手性催化剂、催化新反应、新概念和新方法等进行重要生理活性手性化合物和手性药物关键中间体的合成。
因此本项目的研究内容将从发展新型手性催化剂、手性催化新反应→手性催化中手性诱导、传递和放大的科学规律认识→手性催化中的新概念、新方法的提出→新型催化剂、催化新反应、新方法、新概念的应用等四个层次展开,重点开展以下研究工作:新型手性配体和手性催化剂是手性催化研究中永恒的主题,手性催化合成领域的每一次突破性进展总是与新型手性配体及其催化剂的发现密切相关,尽管已经开发了成百上千的优秀配体和催化剂,但没有任何一种配体或催化剂是通用的,并且其中一些优秀的、有应用前景的催化剂都已经被专利保护,它们的工业应用因此受到了很大限制,所以化学家需要不断地探索设计和发现性能更优异的新型配体和催化剂。
实现“手性配体—金属—底物”之间立体、电子效应的完美匹配是实现一个催化反应高选择性和高效率的关键。
作为本项目的主要研究内容之一,将围绕开拓新型手性配体和新型手性催化剂(包括有机小分子手性催化剂)体系这一主题,开展具有全新骨架的新型手性配体和催化剂(包括有机小分子手性催化剂)的设计与合成、催化活性与选择性评价、配体和催化剂的刚性、电性和立体效应、活化官能团等对催化反应影响的规律性探索研究,发展新型、高效手性催化剂,实现催化剂电子、立体效应对反应化学、区域和立体选择性的调控,以解决运用现有配体和催化剂所不能实现的一些催化反应或者所不能达到高选择性和高效率问题,争取发展若干具有自主知识产权、在国际上有较大影响力的新一代手性配体和催化剂(包括有机小分子手性催化剂)体系。
在上述新型手性催化剂设计、合成的基础上,发展与新型手性催化剂相匹配的手性催化反应新体系是本项目研究的另一重要内容。
首先,手性过渡金属络合物特别是手性Lewis酸催化的不对称反应的效率,一直是制约其应用的瓶颈问题;另一方面,与手性催化氢化和氧化反应的巨大成功相比,对于催化不对称碳-碳键和碳-杂原子键形成反应的研究还有很多挑战性的问题没有解决,一方面由于涉及反应类型和机理的多样性,同时催化反应的低效率同样也是瓶颈问题;对于有机小分子手性催化,催化效率较低、反应类型有限等问题也是制约领域发展的瓶颈问题。
因此发展新型、高效的不对称催化新反应仍是一项十分具有挑战性的工作。
这方面的研究内容包括:重点围绕手性金属络合物催化的不对称碳-碳和碳-杂原子键形成反应,基于手性活化、分子识别与组装原理,采用组合方法,发展手性双功能金属络合物以及多组分配体金属络合物催化剂体系,实现过渡金属络合物催化剂结构多样性和可调性,实现包括不对称腈化、Henry、烯丙基加成与取代、杂-Diels-Alder、Michael加成和环氧开环等反应在内的若干重要催化反应的高效率和选择性;运用多官能团活化、Lewis酸—碱活化、氢键活化等策略,结合有机金属催化和有机小分子催化,发展手性催化新反应体系;结合C-H 键活化,研究手性铱、钯络合物催化的不对称丙基取代及串联反应,以含有碳、氮、磷等原子的化合物作为新型亲核试剂,发展手性过渡金属催化的环氧和氮杂环丙烷开环、烯丙基取代、共轭加成等新反应,丰富和发展光学活性含碳、氮、膦等手性化合物的高效制备方法;进一步完善和拓展有机小分子手性催化的不对称反应新类型,根据活化模式和反应机理设计新型的串联反应、环加成反应以及不对称多组分反应等。
在新型手性配体、新型手性催化剂以及手性催化新反应研究的基础上,进行相关催化反应体系机理的研究,探索和认识手性催化中手性诱导、传递和放大的科学规律是本项目研究中重要的内容之一:本项目将运用物理化学手段和现代波谱分析方法如NMR、MS、X-单晶衍射分析等现代分析手段以及动力学方法,深入研究催化反应过程,揭示手性催化过程中手性传递、诱导和放大的本质;结合量子化学理论计算研究反应的中间体和过渡态结构,提出金属络合物催化体系络合模式和活化机制,特别是手性活化、配体加速、活化中心之间的协同作用以及手性放大等过程的机制,揭示催化剂活化底物以及被毒化失活的内在机制和外部环境因素,总结影响反应活性和控制立体选择性的一些共性规律,提供手性金属络合物催化和有机小分子催化的反应选择性控制和底物活化的新手段。
如果不能很好地解决手性催化的效率问题,我们还必须考虑手性催化剂的负载化,以利于回收和再利用。
多相手性催化具有产品分离简单、催化剂易于回收和再利用以及容易实现连续化工业过程等优点,但存在的挑战性问题是负载后的催化剂往往活性和选择性明显下降。
本项目将围绕手性催化剂负载化中存在的这些挑战性问题,突出源头创新,开展微、纳米尺度下的多相手性催化研究:设计、合成含不同手性中心的孔道限阈纳米手性催化剂,通过孔口封装、共价键联等多种方式将手性催化剂(包括酶催化剂)组装到纳米孔道中,开发新型固体手性催化材料,开展手性纳米反应器中的手性催化合成;进行纳米孔道中多种类型手性催化研究,通过精确调控催化剂纳米粒子或孔道尺寸、固载方式、微环境等因素制备高活性和高选择性的多相手性催化剂;以分子聚集体和多孔固体所提供的孔腔或界面为微反应器,通过修饰、组装等方法引入手性诱导体,研究这些微反应器中分子在激发态下的手性诱导行为;通过研究纳米孔手性催化过程中的手性组装、立体放大、协同催化、配体加速和构型反转等现象,理解纳米尺度效应和孔道限阈作用;运用原位谱学表征手段和理论计算方法,研究纳米孔道中多相手性催化的反应机理和手性诱导本质,特别是纳米尺度效应和孔道限阈效应对手性催化反应的影响规律。
虽然手性催化领域取得了很大进展,但目前对于手性催化剂的研究,多数情况下还是随机性和经验性的,缺乏系统的理性指导以及规律性可循。
因此,作为手性催化的重要基础科学问题之一,在深入认识催化过程中手性传递、诱导和放大的规律基础上,进一步从原理、概念和方法层次上进行创新,以指导手性催化剂的设计,为从根本上解决手性催化反应的选择性和效率问题提供新的思路:本项目将突破传统思路,运用分子识别与组装以及模拟酶催化的原理,综合考虑催化过程中的多中心活化、多手征因素控制以及微环境效应,进行手性催化剂设计;在对催化反应机理深入理解和认识的基础上,提出和发展手性催化的一些新概念和新方法如“超分子催化”、手性催化剂的“自负载”、基于“协同”和“孤立”效应的手性催化剂设计新策略;在过渡金属与有机小分子催化研究的基础上,通过多种催化剂体系的组合应用,探索在手性催化过程中的协同效应,以期解决单一催化剂体系不能实现的高效手性催化反应;突破传统手性催化剂的设计理念,从非手性分子出发,通过弱相互作用形成二维的手性超分子薄膜,探索进行手性诱导的可能性,在不借助任何外界手性因素的条件下,实现从非手性分子到手性分子的合成,为从化学角度揭示自然界手性起源提供新的实验依据。
基础研究的目的在于应用,作为本项目最后一个层次的研究内容,将上述发展的新型手性催化剂、手性催化新反应、手性催化新方法、新概念,应用于重要生物活性分子、天然产物和手性药物关键中间体的合成中,为手性技术的工业化应用提供新的技术和思路:基于本项目发展的原创性手性配体、催化剂以及不对称催化新方法,探索其在重要手性化学品包括手性药物及其关键中间体、重要生理活性天然产物等合成中的应用;以有机小分子催化的不对称反应为关键合成步骤,围绕第二代非核苷类HIV逆转录酶抑制剂DPC083和DPC091、非肽类小分子MDM2抑制剂和心血管药物的母核结构,建立多样性分子库,为新药系统筛选提供样品;运用新概念创新的手性微、纳催化新体系,为非均相手性催化的工业化应用提供科学基础。
二、预期目标1. 总体目标:通过该项目的实施,将发展一批在国际上有重要影响、具有我国自主知识产权的新型手性配体和高效、高选择性催化剂,提出发展手性催化剂的一些新概念和新方法;揭示手性催化过程中手性传递、诱导与放大的科学规律,为手性催化领域的发展提供理论指导,推动我国手性催化领域相关学科的发展,为从化学角度为认识自然界手性均一性成因提供科学基础和实验依据;进一步提升我国手性催化领域在国际上的影响和地位,在手性催化中的新型催化剂设计、手性催化新反应以及手性催化研究的新概念、新方法等重要方面达到国际领先水平,为我国手性科学和技术的发展,特别是对关系到人民健康和经济、社会发展的手性医药、农药和手性功能材料的可持续发展做出贡献。