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手性合成:基础研究与进展 试读

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  《手性合成:基础研究与进展》系统、全面地介绍和讨论了当今有机化学的前沿课题——手性合成,即不对称合成方法的基础研究与进展。首先论述不对称合成的基本概念和方法学上的诸多亮点,其特色是与新研究成果保持同步;接着从羰基化合物的不对称α-烷基化取代及共轭加成反应开始,相继介绍羰基化合物的对映选择性亲核加成反应、羟醛缩合及烯丙基化等相关反应、不对称成环反应、烯烃的不对称氧化及官能团化反应、不对称催化氢化及其他还原反应、不对称反应方法学在天然产物合成中的应用,以及对生物催化手性合成反应进行概述。此外,简述其他类型的不对称反应、命名反应和不对称反应催化剂的回收与重复使用。《手性合成:基础研究与进展》列举了近年来金属-配体和有机小分子及离子对催化的不对称反应中新突出进展,对各种不对称合成途径的优点、值得关注的发展空间及不同反应方法等进行探讨,除对所述反应列出新亮点外,还罗列代表性综述,便于读者查阅。

目录

目录
序言
第1章 绪章 1
1.1 手性的意义 2
1.2 不对称性 5
1.2.1 Fischer命名法则 7
1.2.2 Cahn-Ingold-Prelog命名法则 8
1.3 对映体组成的测定 15
1.3.1 比旋光的测量 15
1.3.2 核磁共振法 17
1.3.3 NMR技术中的一些新试剂 19
1.3.4 手性二醇或取代环酮的对映体组成测定 20
1.3.5 使用手性柱的色谱法 21
1.3.6 带有对映选择性电解质的毛细管电泳 23
1.4 绝对构型的测定 24
1.4.1 X射线衍射法 24
1.4.2 化学相关法 26
1.4.3 Prelog法 28
1.4.4 Horeau法 29
1.4.5 NMR法 30
1.5 不对称合成的定义和表述 34
1.6 立体化学控制的总策略 35
1.6.1 “手性子(chiron)”途径 35
1.6.2 开链体系的非对映选择性途径 37
1.6.3 有机分子催化的不对称反应 41
1.6.4 催化碳-氢官能团化反应 53
1.6.5 协同催化作用 56
1.6.6 催化不对称去对称性及动态动力学拆分 60
1.6.7 不对称抗衡负离子导向催化反应 65
1.7 一些复杂天然化合物实例 66
参考文献 71
第2章 羰基化合物的α-烷/芳基化取代及1,4-共轭加成反应 81
2.1 引言 81
2.2 金属配位型手性辅基传递 85
2.2.1 脯氨醇类底物 86
2.2.2 酰亚胺体系 87
2.2.3 手性烯胺体系 88
2.2.4 手性腙体系 88
2.2.5 手性唑啉体系 90
2.2.6 酰基磺内酰胺体系 92
2.3 手性源生成季碳中心 94
2.4 金属催化的α-芳基化、烯基化反应 97
2.5 有机催化的α-取代反应 105
2.5.1 α-氨基酸衍生物的α-烷基化反应 106
2.5.2 羰基的α-烷/芳基化反应 108
2.5.3 催化不对称烯丙基取代反应 112
2.5.4 烯烃对醛酯的α-烷基化反应——制备α-高碳烯化合物 118
2.5.5 离子对催化的酰化反应 120
2.5.6 氮杂Piancatelli重排 122
2.6 有机催化的羰基α-卤代反应 123
2.6.1 氟代反应 123
2.6.2 氯代、溴代和碘代反应 124
2.7 α,β-不饱和羰基化合物的不对称共轭加成反应 126
2.7.1 金属催化的α,β-不饱和羰基底物的不对称共轭加成 127
2.7.2 有机催化的Michael及氧杂Michael加成反应 133
2.8 羰基化合物的α-氨基化反应 149
2.9 小结 150
参考文献 150
第3章 羰基/亚胺化合物的对映选择性加成反应 160
3.1 手性辅基的羰基加成及不对称缩醛/酮合成反应 160
3.1.1 手性辅基的羰基加成反应 160
3.1.2 不对称缩醛/酮合成 162
3.2 有机锌试剂对醛的对映选择性加成反应 164
3.3 锌试剂与醛不对称反应中的非线性对映化学效应 173
3.3.1 非线性对映化学效应 173
3.3.2 手性放大和手性自催化 175
3.3.3 关于自然界手性起源问题的探讨 175
3.4 不对称碳碳成键反应中催化剂的流动相体系 177
3.4.1 高分子固载的手性配体用于二乙基锌对醛的对映选择性加成反应 177
3.4.2 不对称连续流动相反应体系 178
3.5 醛的炔基化反应 179
3.5.1 氨基醇及胺类配体催化末端炔对醛的对映选择性加成反应 180
3.5.2 Ti-BINOL和Ti-H8BINOL催化醛的对映选择性加成反应 181
3.5.3 自组装钛催化剂催化醛的对映选择性炔基化反应 183
3.5.4 酚类添加剂活化BINOL/Ti(OiPr)4对芳香醛的对映选择性炔基化反应 183
3.5.5 手性联烯基醇的制备 183
3.6 酮/亚胺的不对称烷(芳)基化和炔基化反应 187
3.6.1 有机锌对酮的对映选择性加成反应 187
3.6.2 酮的不对称炔基化反应 189
3.6.3 烷基锌试剂对酮酯的不对称加成 191
3.6.4 亚胺的炔基化反应 193
3.6.5 烯丙醇的炔基化反应 196
3.6.6 亚胺的烷基化和芳基化反应 197
3.7 乙烯硅烷进行的醛烯基化反应 203
3.8 不对称羟氰化反应和Strecker反应 205
3.8.1 不对称羟氰化反应 205
3.8.2 不对称Strecker反应 208
3.9 不对称α-羟基(氨基)膦酸酯的制备 211
3.10 不对称Reformatsky反应 217
3.11 不对称Darzens反应 219
3.12 Stetter反应 221
3.13 Pictet-Spengler反应 225
3.14 偕双硼酸酯的应用及手性碳碳硼键的构建 225
3.15 小结 226
参考文献 227
第4章 羟醛缩合及烯丙基化等相关反应 238
4.1 引言 238
4.2 底物控制的羟醛缩合反应 240
4.2.1 羟醛缩合反应的立体化学 240
4.2.2 唑烷酮作为手性辅剂的羟醛缩合反应 241
4.2.3 吡咯烷化合物作为手性辅剂 244
4.2.4 Mukaiyama辅剂方法 244
4.2.5 酰基磺内酰胺体系作为手性辅剂 246
4.3 试剂控制的羟醛缩合反应 246
4.3.1 由手性硼化合物诱导的羟醛缩合 246
4.3.2 Corey试剂控制的反应 247
4.4 手性催化剂控制的不对称羟醛反应 249
4.4.1 Mukaiyama体系 249
4.4.2 手性二茂铁基膦-金(Ⅰ)络合物催化的不对称羟醛缩合反应 252
4.4.3 手性Lewis酸催化的不对称羟醛缩合反应 253
4.4.4 有机Lewis碱催化的烯醇体羟醛缩合反应 255
4.4.5 直接不对称羟醛缩合反应 256
4.5 双不对称羟醛缩合反应 264
4.6 不对称烯丙基化反应 265
4.6.1 Roush反应 266
4.6.2 Corey试剂用于不对称烯丙基化反应 273
4.6.3 烯丙基化试剂选例 274
4.6.4 催化的不对称烯丙基化反应 275
4.7 亚胺的不对称烯丙基化、烷基化及Mannich反应 282
4.8 水相的不对称羟醛缩合反应 292
4.9 还原性羟醛反应和醛/酮及亚胺的烯基化反应 294
4.10 插乙烯aldol反应和烯基氨化反应 299
4.11 不对称Henry反应 304
4.12 不对称Morita-Baylis-Hillman和Rauhut-Currier反应 309
4.13 小结 315
参考文献 315
第5章 不对称成环反应 325
5.1 传统的不对称Diels-Alder反应 326
5.1.1 丙烯酸酯类亲双烯体(Ⅰ型试剂) 326
5.1.2 α,β-不饱和酮类亲双烯体(Ⅱ型试剂) 328
5.1.3 手性α,β-不饱和N-酰基唑烷酮 329
5.1.4 手性烷氧基亚铵盐 330
5.1.5 手性双烯体参与的不对称Diels-Alder反应 332
5.2 手性Lewis/Br?nsted酸催化剂用于不对称D-A反应 333
5.2.1 Narasaka催化剂 334
5.2.2 手性镧系金属催化剂 335
5.2.3 双磺酰胺(Corey催化剂) 336
5.2.4 手性酰氧基硼烷催化剂 336
5.2.5 Br?nsted酸辅助的手性Lewis酸催化剂 337
5.2.6 双唑啉类催化剂 340
5.2.7 有机催化的不对称Diels-Alder反应 341
5.2.8 含季碳手性中心化合物的制备 343
5.3 杂Diels-Alder反应 346
5.3.1 氧杂D-A反应 347
5.3.2 氮杂D-A反应 353
5.4 分子内Diels-Alder反应 361
5.5 逆Diels-Alder反应 362
5.6 不对称[3+2]反应 364
5.6.1 底物控制及含金属催化剂催化的1,3-偶极体加成反应 364
5.6.2 有机催化的硝酮和缺电子烯烃反应 367
5.6.3 氮杂次甲基叶立德的1,3-偶极成环反应 369
5.6.4 金属与手性膦或双烯诱导的成环反应 372
5.6.5 醛醇缩合——不对称Prins环化反应 376
5.7 不对称环丙烷化反应 378
5.7.1 过渡金属络合物催化的不对称环丙烷化反应 380
5.7.2 不对称Simmons-Smith反应 384
5.7.3 有机分子催化的不对称环丙烷化反应 387
5.7.4 钯(Pd)、金(Au)等催化的环丙烷化反应 389
5.8 [2+2]环加成反应和Nazarov反应 392
5.9 不对称烯反应 398
5.10 不对称Pauson-Khand反应 404
5.11 分子间[4+3]环加成反应 405
5.12 小结 406
参考文献 407
第6章 烯烃的不对称氧化及官能团化反应 418
6.1 Sharpless不对称环氧化反应 418
6.1.1 Sharpless环氧化反应的特点 419
6.1.2 反应机理 420
6.1.3 Sharpless环氧化反应的改良 421
6.2 非官能化烯烃的环氧化反应 424
6.2.1 卟啉络合物催化下非官能化烯烃的不对称环氧化反应 425
6.2.2 salen络合物催化下非官能化烯烃的不对称环氧化反应 426
6.2.3 手性酮催化的非官能化烯烃的不对称环氧化反应 430
6.2.4 α,β-不饱和羰基化合物的不对称环氧化反应和过氧化反应 434
6.3 2,3-环氧醇和环氧化物的选择性开环 436
6.3.1 2,3-环氧醇的亲核试剂开环 436
6.3.2 内消旋环氧化合物的不对称去对称化作用 442
6.4 对称的二乙烯基甲醇的不对称环氧化反应 448
6.5 由醛生成手性环氧化物的反应 451
6.6 烯烃的对映选择性双羟基化反应 453
6.6.1 烯烃的不对称双羟基化反应 453
6.6.2 铱(Ir)催化的烯丙醇醚化反应不对称合成顺/反邻二醇 460
6.6.3 固载化的不对称双羟基化反应 461
6.7 不对称氨基羟基化反应 465
6.8 不对称硼胺化反应 470
6.9 不对称氢胺化反应 471
6.10 不对称双胺化反应 473
6.11 不对称双卤代反应及卤代内酯化反应 476
6.11.1 双卤代反应 476
6.11.2 卤代内酯化反应 479
6.11.3 烯烃的氮、氧杂成环反应 484
6.11.4 分子内烯烃的胺化

精彩书摘

  《手性合成:基础研究与进展》:
  第1章 绪章
  化学是研究物质的组成、结构、性质及变化规律的科学。化学的发现与创造使人类生活丰富多彩。碳是广泛存在于自然界的元素,以碳元素为主的有关碳的有机化学在化学中占有极其重要的位置,由于碳的神奇成键特性和三维取向,引发了手性,即分子不能与其镜像重合的一种现象。
  手性是自然界的基本属性。1928年W.hler( 维勒)用人工方法从无机物合成尿素,标志着有机化学的诞生。早在150多年前,宇宙和自然界生命的非对称即手性现象已被人们所知。对于某物体来说,如果该物体不能与其镜像重合,该物体就具有手性(chirality*或handedness), 其实物与镜像之间互为对映关系,彼此互为对映异构体(对映体)。手性分子或物体就像我们的左右手,两个对映异构体互为镜像关系,且不能完全重合。
  法国矿物学家Hauy 在1801年观察到水晶晶体的不对称性,即水晶晶体具有类似于实体与镜像的关系[图1-1(a)];1809年,法国的Malus 观察到由水晶晶体引起的对偏振光的偏转效应;1812年,法国物理学家Biot 发现水晶片能使偏振光平面朝左(右)旋转某一角度,且其旋转角度的大小与晶片的厚度成正比。右型和左型的水晶晶体使偏振光向相反的方向旋转,这种现象称为“旋光”。而后,Biot 又将这些观察延伸到纯有机化合物的液体或其溶液。不同之处在于由水晶引起的旋光是整个晶体的性质,而在溶液中由有机物质引起的旋光则是单个分子的总和所致。1846年,Pasteur(巴斯德)观察到酒石酸盐晶体有与水晶类似的现象[图1-1(b)] ,并成功地用镊子从外消旋混合物中分离得到(+)-/(–)-酒石酸铵钠的晶体。这些对映形态晶体的溶液能够使偏振光发生旋转:某一种溶液使偏振光向右旋转,而另一种则向左旋转。(+)-酒石酸和(-)-酒石酸的晶体具有实物与镜像的关系,说明在分子水平上也有非对称性。正是这种非对称性赋予了它们旋转偏振光的能力。
  图1-1 水晶晶体的半面现象(a)和酒石酸铵钠对映晶体(b)
  具有里程碑意义的是在1874年,van’t Hoff(范特霍夫)和Le Bel (勒贝尔)分别提出原子的三维取向:具有四个价键的碳原子呈现四面体构型,其分子排列与性质之间的某些关联。这奠定了有机化学的三维结构,标志着立体化学的诞生。碳的四面体结构是有机化合物分子非对称性的起因,而手性物质光学活性的现象则是分子非对称性的象征。1945年,美国化学家Woodward( 伍德沃德)和Doering( 多林)完成了奎宁的全合成,又成为复杂天然产物全合成的里程碑。
  一个化合物(物质)使偏振光的平面按顺时针方向偏转,则称该物质为右旋的,用正号(+)-或字母“d-”表示;左旋是指该物质使偏振光的平面按逆时针方向偏转,标以负号(–)-或“l-”。手性化合物的两个对映体具有数值相等但方向相反的比旋光,Fischer(费歇尔)经过丙二酸衍生物(1)的几步化学转化,从实验上首次证明了这一点(图1-2)。以酒石酸(2)为例,有下列三种结构,分别冠以(+)-、(–)-及内消旋-酒石酸(图1-3)。
  图1-2 对映体具有相反的旋光方向
  图1-3 酒石酸(2)的三种结构
  前述手性化合物使偏振光平面发生偏转的性质称为光学活性。但是,等物质的量的右旋和左旋对映体的混合物表现不出光学活性,因为两个对映体的旋光数值相等但方向相反,旋光彼此抵消,使得混合物无光学活性,称为外消旋混合物或外消旋体。外消旋混合物在分子名称前加(±)-、dl-或rac-表示;内消旋体是指由于分子内的对称性造成该分子无光学活性,在分子名称前加meso-表示。
  1.1 手性的意义
  手性是自然界的基本属性之一。宏观世界的物质普遍存在手性外,很多物质的分子也具有像“左手和右手”一样的两种不同形态,称之为手性分子的不同构型。例如,乳酸可以两种形态3 和3' 存在,二者互为镜像关系(图1-4)。在非手性条件下,对映体3 和3' 有相同的熔点、溶解度、色谱保留时间、红外(IR) 光谱和核磁共振(NMR)谱等,但它们旋转平面偏振光的方向相反。化合物3' 使平面偏振光的平面向顺时针方向旋转,表示为(+)-乳酸;3 使平面偏振光的平面向逆时针方向偏转,表示为(–)-乳酸。
  生命物质如蛋白质、核酸及多糖等组成的结构单元如氨基酸、核苷酸及单糖等都是手性的。耐人寻味的是,这些物质几乎都是以单一构型存在的,如蛋白质的组成氨基酸是L 构型的,而构成纤维素/淀粉的单糖均是D-构型。由于生物活性的手性化合物如药物与它的受体以三维方式相互作用,其两个对映体以不同的方式参与作用会导致不同的效果。无论是高级还是低级生物体,在多数情况下,它们对手性化合物的对映异构体作用也是不同的。因此,手性化合物的对映异构体虽然在结构上很相似,但对生物体而言,许多手性化合物的对映异构体表现出不同的特性。例如,它们可能有不同的味道或气味,甚至各对映体可能表现出极不相同的生理活性或毒性。给体与受体之间的作用是手性相互作用,可形象地形容为锁与钥匙(lock-and-key) 之间的关系,而生物体对手性化合物的选择性识别作用称为手性识别。
  图1-4 乳酸的镜像关系
  生物体内的手性识别作用有时是非常明显的,报道有四种不同的效果:①只有一种对映体具有所期望的生物活性,而另一种没有显著的生物活性;②两种对映体都有等同或近乎等同的定性和定量的生物活性;③两种对映体具有定量上等同,但定性上不同的活性;④各对映体具有定量上不同的活性。图1-5 是一些实例。(R)-天冬酰胺有甜味,而天然的(S)-天冬酰胺则具有苦味;(S)-(+)-香芹酮有芫荽的香味,而其(R)-异构体则有留兰香的香味;麝香中麝香酮和麝香烯酮中C-3 的绝对构型对其香味有极大的影响,(R)-麝香酮的香阈浓度为0.43 ng/L ,而其(S)-异构体的香味很弱;(R)-麝香烯酮的香阈浓度为0.027 ng/L ,其(S)-异构体则为3 ng/L ,相差百倍[1] 。动植物及微生物也存在手性识别现象,如舞毒蛾性引诱素(disparlure)是舞毒蛾的性信息物质,其一种对映异构体在极稀的浓度就有活性,而另一种对映异构体即使在极高的浓度也无活性。
  ……

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