Mosher法在天然产物绝对构型测定中的应用

1MosherMosher法法在天然有机化合物绝对构型测定中的应用河北医科大学药学院天然药物化学教研室李力更教授DeterminationoftheAbsoluteConfigurationsofNaturalProductsbyMosherMethodMosherMethodDepartmentofChemistryofMedicinalNaturalProductCollegeofPharmaceuticalScienceHebeiMedicalUniversityLiliLili--genggeng23无论有机合成、药物开发、天然产物研究，还是与生命有关的化学问题等方面，必须在三维空间上明确分子的结构和性能。如：☞药物分子立体构型与受体之间相互关系；☞天然有机物立体构型与生物活性关系；☞生化反应过程的立体选择性与分子立体构型间的关系；☞………………1957年10月~1961年11月，在欧洲、亚洲、非洲、澳洲和南美洲被医生大量处方给孕妇以治疗妊娠呕吐，“反应停”成了““孕妇的理想选择孕妇的理想选择””（当时的广告用语）。仅仅四年时间，在全世界范围内诞生了1.2万多名长骨缺损，如无臂和无腿、形同海豹的畸形的婴儿，被称为““海豹婴儿海豹婴儿””。例：““反应停反应停””的惨剧的惨剧被反应停夺去胳膊的孩子们3后后来，经过研究发现：来，经过研究发现：ＲＲ--体有镇静作用。体有镇静作用。ＳＳ--体对胚胎有很强的致畸作用体对胚胎有很强的致畸作用！！ThalidomideThalidomide（反应停，沙利度胺）（反应停，沙利度胺）NN--((2,62,6--二氧二氧--33--哌啶基哌啶基))--邻苯二甲酰亚胺邻苯二甲酰亚胺NOOHNOO*6NNOHH2NOOOHOHHOOHOHH9*例：从河豚肝脏中分离出来的河豚毒素（tertodotoxin，TTX）的毒性与其分子中9-C*的构型有关。☞9-C*为S-构型（天然产物）毒性极强。☞9-C*为R-构型（人工合成）毒性很小。477正正确地确定一个有机化合物的确地确定一个有机化合物的立体构型，是有机化学工作者尤其立体构型，是有机化学工作者尤其是药物研究工作者不可忽视、甚至是药物研究工作者不可忽视、甚至不容推辞的工作！不容推辞的工作！8手性化合物绝对构型经典测定方法☞化学相关法☞测定旋光度法☞紫外光谱法☞红外光谱法☞NMR波谱法☞旋光光谱和圆二色散光谱法☞晶体x-射线衍射法59对于一对对映异构体，在一般情况下（非手性条件）其NMR谱的信号是相同的，即应用NMR谱无法直接将其区分，也不能确定其绝对构型。☞R*与S*为一对对映异构体！R*S*NMR？10X*R*X*R*S*X*S*☞X*-R*与X*-S*为非对映异构体！但是，如果通过将样品衍生化成非对映体或类似于非对映体的作用，就可能将NMR谱用于对映体构型的测定！611NMR法测定化合物的绝对构型的原理：X*R*X*R*S*X*S*☞X*-R*与X*-S*为非对映异构体！★测定样品分子与手性试剂反应后产物的1H-NMR或13C-NMR位移数据，得到其化学位移的差值并与模型比较，最后推定底物分子手性中心的绝对构型。12☞解释：虽然光学异构体在NMR谱中并不会显示出不同的信号，但是如果将其转化成适当的衍生物，就很可能有不同的NMR信号。★应用NMR法测定有机化合物绝对构型的方法中，Mosher法是最常用一种方法。X*R*X*R*S*X*S*☞X*-R*与X*-S*为非对映异构体！713HarryStoneMOSHER（1915~2001）StanfordUniversity,USACHOHR2R1*H.S.Mosher于1973年首先报道了用手性衍生化试剂将一对仲醇对映异构体样品转化成为相应的非对映异构体，然后用NMR判断仲醇样品的构型，并获得了成功。14在天然产物的研究中，已报道Mosher法应用于番荔枝内酯、多氧取代环已烯类、二萜、三萜、甾醇类、二氢呋喃类等类型化合物的研究。☞下面详细介绍Mosher法。近年来，随着高场核磁共振技术的发展和新的手性试剂的不断发现和应用，核磁共振法在天然有机化合物绝对构型测定中得到了广泛应用。815一、经典的Mosher法16H.S.Mosher于1973年分别提出1H-NMR和19F-NMR在手性仲醇绝对构型测定的应用。★现称为：Mosher法（Moshermethod）。☞下面介绍1H-NMR和19F-NMR的Mosher法。CHOHR2R1*9171、11HH--NMRMosherNMRMosher法法Mosher选择了一对手性试剂:(R)-和(S)-甲氧基三氟甲基苯基乙酸（α-methyloxy-trifluoro-methyl-phenyl-aceticacid。F3CCCH3OPhCOOH*(R)-MTPA(S)-MTPAF3CCPhCH3OCOOH*立体结构（优势构象）：☞亦称为Mosher酸，缩写为：MTPA。18Mosher酯的立体结构（优势构象）：F3CCCH3OPhCOOCR2R1H*F3CCPhCH3OCOOCR2R1H*(R)-MTPAderivatives*(S)-MTPAderivatives*将样品仲醇分别与一对手性试剂(R)-MTPA和(S)-MTPA反应生成两个产物酯，称为Mosher酯。*HOCR2R1H☞然后分别测定(R)-酯和(S)-酯的1H-NMR。1019MoshermodelR2R1OCF3PhR2R1OCH3OMosherplane（MTPAplane）F3CCCH3OPhCOOCR2R1H*F3CCPhCH3OCOOCR2R1H*(R)-MTPAderivatives*(S)-MTPAderivatives*PhCF3OCH3Mosher酯构型关系模示图：（Mosher’smodelor:Configurationalcorrelationmodel）☞仲醇样品中的α-H、MTPA上的羰基、α-三氟甲基共处同一平面。20MoshermodelR2R1OCF3PhR2R1OCH3OMosherplane（MTPAplane）F3CCCH3OPhCOOCR2R1H*F3CCPhCH3OCOOCR2R1H*(R)-MTPAderivatives*(S)-MTPAderivatives*PhCF3OCH3★(S)-MTPA酯中的R1基团上的β-H处于较高场。苯环的抗磁屏蔽效应-1：★(R)-MTPA酯中的R1基团上的β-H处于较低场。1121★(S)-MTPA酯中的R2基团上的β-H处于较低场。★(R)-MTPA酯中的R2基团上的β-H处于较高场。MoshermodelR2R1OCF3PhR2R1OCH3OMosherplane（MTPAplane）F3CCCH3OPhCOOCR2R1H*F3CCPhCH3OCOOCR2R1H*(R)-MTPAderivatives*(S)-MTPAderivatives*PhCF3OCH3苯环的抗磁屏蔽效应-2：22比较产物(R)-酯、(S)-酯上仲醇基中R1上的β-H1H-NMR信号，得到：△δ=δS-δRR1上β-H：△δ0MoshermodelR2R1OCF3PhR2R1OCH3OMosherplane（MTPAplane）F3CCCH3OPhCOOCR2R1H*F3CCPhCH3OCOOCR2R1H*(R)-MTPAderivatives*(S)-MTPAderivatives*PhCF3OCH31223比较产物(R)-酯、(S)-酯上仲醇基中R2上的β-H1H-NMR信号，得到：△δ=δS-δRR2上β-H：△δ0MoshermodelR2R1OCF3PhR2R1OCH3OMosherplane（MTPAplane）F3CCCH3OPhCOOCR2R1H*F3CCPhCH3OCOOCR2R1H*(R)-MTPAderivatives*(S)-MTPAderivatives*PhCF3OCH324☞将△δ为负值的β-H所在基团即R1放在Mosher模示图的MTPA平面的左侧;☞将△δ为正值的β-H所在基团即R2放在Mosher模示图的MTPA平面的右侧;*HOCR2R1H因此，Mosher规定：★最终可判断样品仲醇手性碳的绝对构型。1325具体测定分析程序：具体测定分析程序：①将手性试剂(R)-和(S)-MTPA分别与待测仲醇样品反应成Mosher酯；②分别测定(R)-和(S)-Mosher酯的1H-NMR，并归属各质子信号；③计算各个质子的△δ=δS-δR值；④将△δ值为负的质子所连基团放在Mosher构型模示图中MTPA平面的左侧；⑤将△δ值为正的质子所连基团放在Mosher构型模示图中MTPA平面的右侧；⑥推定该仲醇的构型。26CHOHR2R1*在低场NMR仪条件下，对于较复杂的化合物准确归属质子的信号比较困难，而由于19F-NMR图谱信号清楚简单，所以Mosher又通过研究提出了19F-NMRMosher法。☞19F-NMRMosher法的应用前提是样品仲醇的β-位取代基的立体空间大小要明显不同。2、1919FF--NMRMosherNMRMosher法法1427Mosher酯19F-NMR构型关系模示图（预设体积R1R2）：☞19F-NMR化学位移信号不同主要是由于上两个衍生物酯中羰基对19F的各向异性去屏蔽作用不同引起的。☞在Mosher酯中，仲醇上R1、R2与MTPA上的甲氧基、苯环之间存在的空间或电子云的相互作用，导致三氟甲基稍稍偏离MTPA平面。R2R1OCF3PhR2R1OCH3OMosherplane（MTPAplane）F3CCCH3OPhCOOCR2R1H*F3CCPhCH3OCOOCR2R1H*(R)-MTPAderivatives*(S)-MTPAderivatives*PhCF3OCH3Moshermodel28若基团R1比基团R2要大（指体积）：☞在(R)-Mosher酯中，三氟甲基与羰基应更接近处于平面位置，因此19F受到羰基的去屏蔽作用较强，其19F-NMR信号应处于较低场。☞在(S)-Mosher酯中，三氟甲基与羰基应较大偏离MTPA平面，因此19F受到羰基的去屏蔽作用较弱，其19F-NMR信号应处于较高场。★通过比较(R)-与(S)-Mosher酯的19F-NMR的化学位移值，结合Mosher模型图，就可以确定仲醇上手性中心的绝对构型。1529①将手性试剂(R)-MTPA、(S)-MTPA分别与待测仲醇样品反应，制备Mosher酯。②分别测定(R)-Mosher酯和(S)-Mosher酯的19F-NMR。③比较(R)-Mosher酯和(S)-Mosher酯的19F-NMR化学位移值大小。④确定该仲醇的构型。具体测定分析程序：具体测定分析程序：30☞若(R)-Mosher酯的19F-NMR在较低场，(S)-Mosher酯的19F-NMR在较高场，则较大基团在Mosher构型模示图中MTPA平面左侧。☞若(R)-Mosher酯的19F-NMR在较高场，(S)-Mosher酯的19F-NMR在较低场，则较大基团在Mosher构型模示图中MTPA平面右侧。*R1HOCR2H*R2HOCR1H1631二、改进的1H-NMRMosher法32TakanoS.通过研究发现：MTPA中，苯环对非β-位的远程质子同样存在抗磁屏蔽作用。*Mosherplane（MTPAplane）*CH2CH2CH2R1F3CCPhCH3OCOOCHR2CH2CH2CH2*(R)-MTPAderivatives(S)-MTPAderivatives*CH2CH2CH2R1F3CCCH3OPhCOOCR2CH2CH2CH2H☞而且对于与β-H或β`-H处于同侧的、更远的质子去屏蔽作用是相同的。1733KusumiT.经过研究也发现同样的结果：苯环的各向异性作用不仅限于β-H位，还可以向更远的质子延伸。R2OCF3PhR2OCH3OMosherplane（MTPAplane）PhCF3OCH3Mos