大学化学, 2017, 32(3): 60-62 doi: 10.3866/PKU.DXHX201608016

师生笔谈

有机反应立体选择性描述术语%ee/er、%de/dr刍议

柴卓,

Descriptors for Stereoselectivity of Organic Reactions: %ee, %de or er, dr?

CHAI Zhuo,

通讯作者: 柴卓, Email:chaizhuo@mail.ahnu.edu.cn

摘要

有机反应的立体选择性和有机化合物的立体异构现象不仅在有机化学,在药物科学和生命科学等相关学科领域中也是具有极其重要意义的研究课题之一。本文介绍了表达有机反应立体选择性高低和立体异构体纯度的几个重要描述术语——对映体过量百分数(percent enantiomeric excess,简写为%ee)、非对映体过量百分数(percent diastereomeric excess,简写为%de)、对映体比例(enantiomeric ratio,简写为er)和非对映体比例(diastereomeric ratio,简写为dr)的历史由来、含义及其在学术使用中存在的争议,给大学有机化学课程相关内容的教学提出建议。

关键词: 立体选择性 ; 立体异构 ; 对映选择性 ; 非对映体选择性

Abstract

The stereoselectivity of organic reactions and the stereoisomerism of organic compounds constitute one of the research topics with paramount importance not only in organic chemistry, but also in related disciplines such as medicinal science and life science. This article introduces the historic origins, connotations and academic usage contentions of several important descriptors for stereoselectivity and stereochemical purity:percent enantiomeric excess (%ee), percent diastereomeric excess (%de), enantiomeric ratio (er) and diastereomeric ratio (dr), and gives suggestion on introducing these terms in the teaching processes of relevant courses.

Keywords: Stereoselectivity ; Stereoisomerism ; Enantioselectivity ; Diastereoselectivity

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柴卓. 有机反应立体选择性描述术语%ee/er、%de/dr刍议. 大学化学[J], 2017, 32(3): 60-62 doi:10.3866/PKU.DXHX201608016

CHAI Zhuo. Descriptors for Stereoselectivity of Organic Reactions: %ee, %de or er, dr?. University Chemistry[J], 2017, 32(3): 60-62 doi:10.3866/PKU.DXHX201608016

由于手性分子在药物科学和生命科学等研究中的重要地位,高立体选择性的不对称有机化学反应是有机化学研究的核心内容之一。随着我国高等学校教学与科研水平的不断提高,越来越多的本科生进入科研实验室从事一线的科学研究工作。在立体选择性有机合成研究领域,由于学术界对于描述对映选择性高低的术语——对映体过量百分数(%ee)和对映体比例(er)的使用存在一定的争议,导致在很多已发表的相关学术论文中二者的使用存在着一定的分化。而国内现行的绝大部分有机化学教材仅介绍了对映体过量百分数(%ee)这一术语。这对很多初涉此领域研究的本科生甚至研究生造成了一定的困惑。因此,本文就此作了简要的介绍并提出了建议。

1 对映体过量百分数(%ee)与对映体比例(er)

对映体过量百分数(%ee)的含义在国内通行的有机化学教材中表述较为简单。例如由北京大学邢其毅先生等[1]编著的《基础有机化学》教材将其定义为:“一个对映体超过另一对映体的百分数称为对映体过量百分数”。这一术语最早是由Morrison和Mosher[2]在1971年出版的专著《Asymmetric Organic Reactions》一书中提出的,其原始定义可以翻译为:“如果(对映异构体的)旋光度与对映异构体的组成呈线性相关关系且排除实验误差,那么其‘光学纯度’百分数(%op)就等同于一个对映体超过另一对映体的百分数,我们将之命名为对映体过量百分数(%ee)”。这个定义给出的计算方法如式(1)所示,其中,[α]obs和[α]max分别代表样品实际测得的比旋光度与样品最大的比旋光度(即对映体纯样品的比旋光度)。

$\% ee = \frac{{R - S}}{{R + S}} \times 100\% = \% op = \frac{{{{\left[ \alpha \right]}_{{\text{obs}}}}}}{{{{\left[ \alpha \right]}_{\max }}}} \times 100\% $

理解这个原始定义需要结合一定的时代背景。在那个年代,手性有机化合物的光学纯度(对映体纯度)主要是通过旋光仪来分别测定待测样品和手性纯样品的比旋光度,并对二者进行比较的方法获得的。但是影响比旋光度的因素有很多,包括测量温度、溶剂、样品浓度以及样品的化学纯度等。例如,1973年Yamaguchi和Mosher[3]在有关酮的不对称还原研究中发现手性纯的1-苯基乙醇的比旋光度可以在加入丙酮这样一种非手性“杂质”后得到提高,这些都增加了手性有机化合物光学纯度测定中的不确定因素。随着对手性现象的深入研究,人们认识到除了外消旋样品和手性纯样品外,一个手性化合物的比旋光度和对映体纯度之间并非一定呈线性相关关系,即存在着所谓的Horeau效应[4, 5]。因而,如果仅从它的原始定义来看,对映体过量百分数(%ee)这个术语在科学性上是有问题的。这也是目前学术界主张废弃这一术语的主要依据之一[6-8]。实际上,随着测试技术的不断发展,比旋光度的测定已不再作为反应立体选择性或化合物光学纯度测定的手段(但仍可作为手性化合物绝对构型确定的依据之一)。目前,主流的测试手段是使用手性固定相的色谱法,包括气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)、超临界流体色谱(SFC)等,其他的手段如核磁共振(NMR)、质谱(MS)、红外光谱(IR)等也有应用[6]。这些方法实际上都是直接测定两个对映异构体的比例(er)。

1995年,不对称催化领域研究的先驱之一Kagan[9]正式提出鼓励使用对映体比例这一术语的主张。需要指出的是,这个术语目前有两种表示方法,一是用百分制标准的比例(er)来表示一对对映异构体的组成(如98: 2),这种表示方法在目前的不对称催化研究相关文献中较为普遍;二是用数值(q)来表示,代表一个分母为1的比例值,如上述er=98: 2的优势对映体如是R构型的,则表示(R)-构型的选择性的q=49,而表示相应(S)-构型的选择性的q=0.0204。Kagan[9]和Gawley等[6-8]均认为对映体比例这一术语,特别是q值的使用,不仅可以大大简化在诸如动力学拆分、非线性效应等一些不对称催化问题的机理研究中的数学处理过程,而且可以更直观地表达在动力学控制的过程中两种对映异构体在生成速率上的差异。此外,Gawley等[6]还认为对映体比例(er)这一术语在表示对映体纯度时,隐含的意思是将其中含量较少的一种对映体作为杂质,更符合对映体纯度这一概念的逻辑;而对映体过量百分数(%ee)则隐含着将外消旋体作为杂质处理。

需要指出的是,尽管存在着上述争议,现在很多从事不对称合成研究的有机化学家仍然沿用了%ee这一术语。目前,国际上主流的化学类学术期刊以及协会的投稿指南,如美国化学会出版的The ACS Style Guide等,均未对两种术语的取舍提出明确的倾向性意见,而且在主流学术期刊上所发表论文中%eeer被使用的频率也基本相当。当然,%ee这个术语在手性化学研究中的含义也与比旋光度脱钩,其数值是通过现代测试手段(GC、HPLC、NMR等)所测定的,反映的结果与对映体比例(er)是完全一致的。在某种程度上,%eeer可以看作是对同一结果的两种不同的诠释方式:如er=98: 2即%ee=96%。

2 非对映体过量百分数(%de)与非对映体比例(dr)

非对映体过量百分数(%de)是一个从对映体过量百分数(%ee)派生而来的术语,其仅可用于描述仅产生两个非对映异构体产物反应的非对映选择性,其计算公式如式(2)所示。

$\% de = \frac{{\left| {{D_1} - {D_2}} \right|}}{{{D_1} + {D_2}}} \times 100\% $

其中,D1D2分别代表两个非对映异构体所占产物的摩尔分数。当然,由于非对映异构体一般在很多物理和化学性质(包括旋光性质)上存在着显著差别,其纯度的测定与比旋光值没有关联。由于一个有机反应中产生的某个手性化合物只存在两个对映异构体,但却可能有多个非对映异构体,而%de不能用于描述产生超过两个非对映异构体的有机反应的非对映选择性。Thaisrivongs和Seebach[10]早在1983年就在一篇文章中指出了这一术语适用性上的局限性。因而,%de这一术语在文献中,特别是较新的文献中,使用频率很小。而另一术语非对映体比例(dr)不存在这种限制,其值可以通过核磁共振、色谱等仪器分析方法测定或通过简单的硅胶柱色谱法直接得到各非对映异构体的分离产率来确定。此外,dr值可以更直观地表达在动力学控制的过程中两种或多种非对映异构体在生成速率上的差异,因而为学术界所广泛使用。

3 结论与建议

总之,学术界目前在立体选择性术语使用上的争议主要集中于描述反应对映选择性的对映体过量百分数(%ee)与对映体比例(er),二者均为主流学术界所认可并被广泛使用。因此,笔者建议在普通高校有机化学相关课程的教材和教学过程中能够将两个术语并列介绍,以减少学生和读者在接触相关原始研究文献时可能产生的困惑。对于非对映体过量百分数(%de)与非对映体比例(dr),笔者建议应重点介绍并鼓励使用非对映体比例(dr)这一术语。

参考文献

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