Adam Gryff-Keller
2. METODA OTRZYMYWANIA POCHODNYCH
Nie sposób wymienić wszystkie pomysły odnoszące się do funkcjonalizacji enancjomerów, zastosowane przez różnych autorów dla rozróżnienia izomerów optycznych poszczególnych związków. W rozdziale tym dla ilustracji zagadnienia zostanie omówionych jedynie kilka przykładów, wybranych w sposób arbitralny. Pełniejsze omówienie danych literaturowych można znaleźć w artykułach przeglą dowych [2, 9—12].
Popularną metodą funkcjonalizacji chiralnych związków zawierających grupy -N H ,, -O H i -S H jest wprowadzanie reszty acylowej kwasu 2-fenyIo-2-metoksy-
7 6 A GRYFF-KELLER
Metoda ta zasługuje na dokładniejsze omówienie ze względu na obszar potencjal nych zastosowań jak i liczbę doniesień o skutecznym jej wykorzystaniu. Odmiany (S) i (R) chlorków kwasu Moshera o wysokiej czystości optycznej są handlowo do stępne, jakkolwiek dosyć drogie. Opracowano szereg szczegółowych procedur acy- lowania różnych klas związków za pomocą chlorków lub wytwarzanych in situ bez wodników kwasu Moshera [16]. Bardzo oryginalna i wygodna procedura nadająca się do otrzymywania pochodnych amin i alkoholi polega na zastosowaniu, jako od
czynnika deiywatyzującego, ż y w i c y polistyrenowo-karboksylanowej, z którą w po
staci mieszanego bezwodnika związany jest kwas Moshera, lub jego analog z pod stawnikiem 9-antrylowym [12, 17], Alkohol lub aminę badaną, rozpuszczoną
w CDC13 umieszcza się w probówce NMR-owej, dodaje żywicy, wytrząsa i po odpo
wiednim czasie (5 min do kilku godz.) rejestruje widmo.
MeO
Duża skuteczność metody rozróżniania enancjomerów, polegająca na wprowa dzaniu do badanej cząsteczki reszty kwasu Moshera, wynika z kilku powodów. Reszta ta ma spore wymagania steryczne i wprowadzenie jej wymusza określone konfor macje molekuły diastereomeru, na ogół znacznie różniące się dla enancjomerów cząsteczki badanej. Podobne znaczenie ma fakt, że trzy grupy - fenylowa, metoksy- lowa i trifluorometylowa mają bardzo różniące się między sobą własności elek tryczne. Ponadto wymienione trzy grupy, a zwłaszcza grupa fenylowa, wnoszą do ekranowania jąder magnetycznych anizotropowe efekty dalekiego zasięgu. Skut kiem tego następuje lepsze różnicowanie się sygnałów w widmach NMR diastere- omerów, pochodzących od różnych enancjomerów badanej molekuły. Dla wzmoc nienia efektów różnicujących proponowano stosowanie analogów kwasu Moshera z podstawnikami naftylowymi lub antrylowymi o większej anizotropii ekranowania i większej zawadzie przestrzennej. Można również znaleźć wiele doniesień o stoso waniu pochodnych kwasu migdałowego i szeregu kwasów o podobnej budowie, wykazujących lepsze lub gorsze właściwości różnicowania enancjomerów [2, 9-12] (Rys. 6).
Z perspektywy badań spektroskopowych bardzo korzystne jest że grupy CH30 -
i CF3- charakterystyczne dla pochodnych kwasu Moshera dają w widmach odpo wiednio !H i I9F NMR łatwo rozpoznawalne sygnały. Cenne jest zwłaszcza
rozsze-ROZRÓŻNIANIE MOLEKUŁ A SPEKTROSKOPIA NMR W CIECZY 7 7
rżenie możliwości obserwacji na obszar widm fluorowych, które charakteryzują się dużą czułością i bardzo szerokim w porównaniu z protonami zakresem przesunięć chemicznych. Szeroki zakres jest równoznaczny z dużą wrażliwością tego parame tru na otoczenie molekularne. W widmach 19F NMR występuje zazwyczaj niewiele innych sygnałów i w związku z tym można pozwolić sobie na badanie mieszanin. Jako przykład niech posłużą widma pochodnych skomplikowanej mieszaniny związ ków otrzymanej z hydrolizy białka jaja kurzego [18] (Rys. 7). Hydrolizat zawiera głównie mieszaninę L-aminokwasów. Po funkcjonalizacji racemicznym kwasem Moshera, jego odmianą (R) i odmianą (S) mieszanina ta ma wyraźnie różne widma 19F NMR. (b) Gly
i
T,(ft) 2 50 2 0 0 150 100 0 50 0 0 0 (O GlyUL
j Z 50 2 0 0 1 50 1 00 OSO 0 00Rysunek 7. Widma 15F NMR pochodnych Moshera aminokwasów hydrolizatu białka jaja kurzego: (a) pochodne kwasu (R), (b) pochodne kwasu (SJ, (c) pochodne kwasu racemicznego. W środkowej części wszystkich widm widoczny jest w tym samym miejscu sygnał pochodnej glicyny
7 8 A. GRYFF-KELLER
Dobrym przykładem pokazującym unikalne możliwości spektroskopii NMR rozróżniania enancjomerów są wyniki badań 2-deutero-3-metylobut-3-en-l -olu [19]
(Rys. 8). Różnica strukturalna między enancjomerami tego alkoholu jest bardzo mała
i można mieć wątpliwości, c z y jakakolwiek metoda będzie w stanie jąwyloyć. Spek
troskopia NMR nie rejestruje jednak globalnych własności, jest natomiast wrażliwa na otoczenie magnetyczne poszczególnych jąder. Gdy się weźmie to pod uwagę, można zauważyć, że różnica otoczeń magnetycznych pomiędzy diastereotopowy- mi, geminalnymi miejscami w molekule estru tego alkoholu z chiralnym kwasem może być całkiem znaczna. W cytowanej pracy zastosowano kwas 2-acetoksyfeny- looctowy. Nie budzi zdziwienia, że w estrze niedeuterowanego alkoholu geminalne protony przy C-2 są anizochronowe. W związku deuterowanym przy atomie węgla C-2 w jednym z tych miejsc jest proton a w drugim deuteron i widma protonowe diastereomerycznych estrów z konieczności są różne.
Rysunek 8 Protony (pro-R) i (pro-S) w estrze 3-metyIobut-3-en-l-olu z kwasem Moshera są względem siebie diastereotopowe i mają różne przesunięcia chemiczne. Dlatego diastereomeryczne estry
2-deutero-3-metylobut-3-en-l-olu mająróżne widma ‘H NMR
Rysunek 9. Chiralne odczynniki zawierające fosfor
iteraturze jest wiele doniesień o stosowaniu chiralnych odczynników fosfo-
w celu rozróżniania enancjomerów [2, 9—12,20—22], począwszy od bardzo
h, jak kwas feny 1 o-/-butylo-tiofosfinowy [20], poprzez umiarkowanie złożo-
pochodne chiralnych diamin [2 1], aż po niezwykle skomplikowane struktu-
c ta przedstawiona na Rys. 9, zawierająca podstawnik bihelicylowy [22], Wy- się, że przyczyny poszukiwania odczynników umożliwiających wprowadzenie
ROZRÓŻNIANIE MOLEKUŁ A SPEKTROSKOPIA NMR W CIECZY 7 9
dodatkowego centrum chiralnego do cząsteczki właśnie wśród związków fosforo wych leżą podobne zalety spektroskopii 3IP NMR, jak spektroskopii na jądrach flu oru. Dodatkową zaletą jest w omawianym przypadku względna łatwość wprowa dzenia do molekuł organicznych funkcji fosforowej i potraktowanie jej jako łączni ka między cząsteczką badaną a dodatkowym centrum chiralnym.
W przypadku rozróżniania enancjomerów kwasów do otrzymywania pochod nych można zastosować reakcję estiyfikacji optycznie czynnym alkoholem. Szcze gólnie polecane s ą frms-2-arylocykloheksanoIe [10-12,23]. W estrach takich alko holi oba podstawniki pierścienia cykloheksanu mają tendencję do przyjmowania pozycji ekwatorialnych, co zbliża w przestrzeni podstawnik arylowy i resztę bada nego kwasu. Stosuje się również wiele innych alkoholi, np. estry różnych 2-hydrok- sykwasów [23, 24] (Rys. 10).
OH
H
H
Ph
OH
Rysunek 10. Chirałne alkohole stosowane do funkcjonalizacji kwasów
.NH .
•CX " C H \ /CHrCH,
O CHL
II I 3C— O— CH-CHrCH,
¿ '. W , i -Hi ■ ' I ' ' 1 '' ... 1 ' 1 ' I 1111 i-1"'-' ... 56.4 56.2 56.0 55.8 55.6 55.4 55.2 55.0 54.8 54.6Rysunek 11. Ester 2-butyIowy 5-oksoproliny, sygnał węgla C-2 dla mieszaniny wzbogaconej w jeden z diastereomerów
Również najprostszy chiralny alkohol — 2-butanol może okazać się przydatny w tego rodzaju badaniach. Jego zaletąjest lotność, co umożliwia łatwe usunięcie
8 0 A. GRYFF-KELLER
jego nadmiaru ze środowiska reakcji. Taką metodę zastosowano np. przy oznacza
niu konfiguracji 5-oksoproliny [25], która czasami pojawia się w moczu ludzkim
jako patologiczny metabolit. W próbkach biologicznych ze względu na ich złożony i zmienny skład zauważenie różnic pomiędzy diastereomerami w widmach 'HNM R może być bardzo trudne. Ale w widmie węglowym różnice takie sąju ż dobrze wi doczne (Rys. 11).
Warto zwrócić uwagę na pewne problemy dosyć często ujawniające się przy praktycznych zastosowaniach metody otrzymywania pochodnych. Tak więc gdy w próbce jeden z enancjomerów substancji badanej znajduje się w bardzo dużym nadmiarze a do funkcjonalizacji zastosuje się odczynnik optycznie czysty, co skąd inąd ma swoje zalety, w widmie końcowym pojawiają się sygnały tylko jednego z diastereomerów. Wtedy rozstrzygnięcie, któiy to diastereomer, może być trudne, gdyż różnice odpowiednich przesunięć chemicznych są często bardzo małe i zależ ne od warunków pomiaru. Czasami dla uzyskania wiarygodnej odpowiedzi okazuje się konieczne dodanie do przetworzonej próbki substancji wzorcowej. Najlepszym wzorcem w omawianej sytuacji jest roztwór zawierający sygnały obu diastereome- iycznych pochodnych w znanej proporcji.
Jeśli zróżnicowanie widm diastereomerów umożliwia określenie ich względ nych stężeń, to zasadniczo na tej podstawie jest możliwe wyznaczenie nadmiaru enancjomeiycznego w próbce badanej. W przypadku, gdy do funkcjonalizacji związ ku A używa się odczynnika w postaci czystego enancjomeru, np. C/(, w próbce prze tworzonej mogą znaleźć się dwa diastereomeiy, A/(C/; i As.C/(. Przy założeniu pełne go przereagowania badanego związku stosunek ich stężeń będzie równy stosunko wi stężeń enancjomerów A/; i As w próbce badanej.
W ogólnym przypadku w oznaczeniach ilościowych trzeba jednak brać pod uwagę zależność składu mieszaniny poreakcyjnej od wielu czynników. Jeżeli do funkcjonalizacji użyty został odczynnik jedynie enancjomerycznie wzbogacony, sytuacja staje się szczególnie skomplikowana, ponieważ wtedy w próbce przetwo rzonej należy oczekiwać pojawienia się czterech, parami nierozróżnialnych wNMR struktur diastereomeiycznych: A/;C/( +AS.CS, i A;,CS. +As.C/;. Podczas interpretacji ob serwowanych intensywności sygnałów trzeba brać pod uwagę wpływ enancjoselek- tywności kinetyki i wydajności reakcji funkcjonalizacji na skład próbki przetworzo nej. Nie należy też zapominać o możliwości częściowej racemizacji badanego obiektu, zastosowanego odczynnika lub otrzymywanej pochodnej podczas reakcji. Zresztą, jak to wynika z powyższego skrótowego omówienia, nawet jeżeli można zaniedbać komplikacje wynikające z nietrwałości konfiguracji, to i tak ustalenie enancjome- iycznego nadmiaru badanego związku w próbce wyjściowej na podstawie proporcji sygnałów w próbce przetworzonej jest niełatwym zadaniem.
ROZRÓŻNIANIE MOLEKUŁ A SPEKTROSKOPIA NMR W CIECZY 81