Chirální derivatizační činidlo

Kyselina (R)-α-methoxy-α-(trifluormethyl)fenyloctová (Mosherova kyselina)

Chirální derivatizační činidlo je derivatizační činidlo sloužící jako chirální pomocník při přeměnách enantiomerů na diastereomery za účelem stanovení zastoupení jednotlivých enantiomerů a určení optické čistoty vzorku. Analýzu lze provést spektroskopicky nebo pomocí chromatografie.

Mnohé analytické metody, například vysokoúčinná kapalinová chromatografie (HPLC) a NMR, ve své základní podobě nemohou odlišit jednotlivé enantiomery, ale mohou rozlišit diastereomery; přeměna směsi enantiomerů na směs odpovídajících diastereomerů tak usnadní analýzu. Od používání chirálních derivatizačních činidel se začalo upouštět po vyvinutí chirální HPLC.

Chirální derivatizace může být rovněž použita u chirálního rozlišení, kdy se od sebe jednotlivé enantiomery přímo oddělují.

Historie

Bylo vydáno mnoho studií zabývajících se využitím NMR. Při jedné z nich byly zjištěny nenulové chemické posuny (vzdálenosti mezi vrcholy) u různých diastereomerů;[1] dvojice enantiomerů mají totožná NMR spektra. Bylo zjištěno, že směsi enantiomerů lze přeměnit na směsi diastereomerů jejich navázáním na molekuly, které samy jsou chirální, což umožní jejich rozlišení pomocí NMR, a tedy i určit enantiomerní složení původní směsi; první takový postup popsal v roce 1969 Harry S. Mosher; jako chirální činidlo použil jeden z enantiomerů kyseliny α-methoxy-α-(trifluormethyl)fenyloctové (označované také jako Mosherova kyselina);[2] v roce 1977 byl vyvinut postup založený na Pirkleově alkoholu.

Požadavky

Účinné určení stereochemie pomocí chirálních drivatizačních činidel má tyto podmínky:[3]

  1. Činidlo musí být enantiomerně čisté, či alespoň musí být známa jeho enantiomerní čistota.
  2. Reakce činidla s oběma enantiomery musí za daných podmínek proběhnout úplně, čímž se brání zkreslení zastoupení enantiomerů prostřednictvím kinetického rozlišení.
  3. Činidlo se za podmínek derivatizace nebo analýzy nesmí racemizovat a jeho navazování nesmí způsobovat racemizaci substrátu. Pokud se analýza provádí pomocí HPLC, tak má činidlo obsahovat chromofor, který zlepšuje citlivost stanovení.
  4. Při provádění analýzy prostřednictvím NMR by činidlo mělo obsahovat skupinu, která ve spektru vytváří jediný signál, jenž je dostatečně vzdálen od ostatních.

Mosherova metoda

Mosherova kyselina, většinou používaná v podobě acylchloridu, převádí alkoholy na estery a aminy na amidy. Nepřítomnost alfa-protonu na kyselině zabraňuje ztrátě stereochemického uspořádání během reakce; při použití enantiomerně čisté Mosherovy kyseliny tak lze určit konfigurace jednodušších chirálních aminů a alkoholů[4] - například (R)-enantiomer 1-fenylethanolu vytváří reakcí s chloridem Mosherovy kyseliny (R,S)-diastereomer a produktem reakce (S)-enantiomeru je (S,S)-diastereomer, tyto diastereomery lze pomocí NMR odlišit jeden od druhého.[5]

Kyselina α-kyano-α-fluor-(2-naftyl)octová

Novějším chirálním derivatizačním činidlem je kyselina α-kyano-α-fluor-(2-naftyl)octová, kterou lze v enantiomerně čisté podobě připravit chirální HPLC separací z jejího racemického methylesteru. Methylester je možné vytvořit fluorací methyl-α-kyano(2-naftyl)acetátu s perchlorylfluoridem. Tato kyselina je pro určování enantiomerních přebytků primárních alkoholů vhodnější než Mosherova.[6]

Chromatografie s chirálními derivatizačními činidly

Amid na oxidu křemičitém sloužící jako modelová sloučenina pro Helmchenovy postuláty

Po reakci chirálního derivatizačního činidla s analytem je možné vzniklé produkty oddělit od sebe chromatografií. Schopnost činidel rozlišovat chirální molekuly závisí na dvou hlavních mechanismech chromatografie:[7]

  1. rozdílné rozpustnosti v mobilní fázi
  2. rozdílné adsorbci na stacionární fázi

Helmchenovy postuláty

Helmchenovy postuláty jsou teoretické modely sloužící k předpovídání pořadí pořadí extrakce a míry separace diastereomerů adsorbovaných na daný povrch:[8][9]

  1. Konformace v roztoku a při adsorpci jsou stejné.
  2. Diastereomery se navazují na povrchy převážně vodíkovými vazbami.
  3. Výraznější rozlišení diastereomerů lze očekávat pouze u molekul, které mohou být adsorbovány na silikagel dvěma body (vodíkovými vazbami); tyto interakce mohou narušovat některé substituenty.
  4. Diastereomery s objemnými substituenty na alfa uhlíku (R2) a na dusíku (R1) mohou bránit tvorbě vodíkových vazeb s povrchem, budou se tedy extrahovat dříve než podobné molekuly s menšími substituenty.

Helmchenovy postuláty lze také použít na jiné funkční skupiny, jako jsou karbamáty,[7]estery,[10] a epoxidy.[11]

Chirální stacionární fáze

Podrobnější informace naleznete v článku Chirální sloupcová chromatografie.

Stacionární fáze mohou reagovat s chirálními derivatizačními činidly za vzniku chirálních stacionárních fází, schopných rozlišit chirální molekuly.[12]

Reakcemi alkoholů lze na stacionární fáze prostřednictvím chirálních derivatizačních činidel navázat chirální centra a tím umožnit oddělení chirálních molekul.

V NMR spektroskopii

Chirální derivatizační činidla mají využití v NMR  spektroskopii při určování enantiomerních přebytků a absolutních konfigurací. Zde mají využití také solvatační činidla, přičemž některé látky lze použít k oběma účelům; vhodnost látky k použití jako derivatizační nebo solvatační činidlo je nejvíce ovlivňována rychlostí výměn mezi substrátem a kovovým centrem - u derivatizačních činidel bývá pomalejší.[13]

Derivatizační činidla se při stanovování absolutních konfigurací používají častěji než solvatační, protože kovalentní vazba substrátu a činidla vytváří produkty s větší konformační stabilitou, což vede k výraznějším rozdílům v NMR spektrech;[14] chirální rozlišení lze zlepšit použitím obou druhů činidel současně, ale není to běžné.

Posunová činidla, jako například EuFOD, Pirkleův alkohol, a TRISPHAT, vytváří se substráty diastereomerní komplexy.[15]

Druhy derivatizace

Pro NMR analýzu lze použít jednoduchou nebo dvojitou derivatizaci. Dvojitá bývá přesnější, ale jednoduchá vyžaduje menší množství činidel a je tak méně nákladná.

Jednoduché derivatizace

Při jednoduché derivatizaci se NMR spektrum produktu reakce substrátu s chirálním derivatizačním činidlem za pokojové teploty srovnává s jedním z těchto spekter:[14]

  • spektrem téhož derivátu za nižší teploty
  • spektrem téhož derivátu po vytvoření komplexu se solí kovu
  • spektrem substrátu bez derivatizace

Dvojité derivatizace

Při dvojité derivatizaci se jeden enantiomer substrátu derivatizuje dvěma různými enantiomery činidla, případně oba enantiomery substrátu stejným enantiomerem činidla. Následně se vyhodnotí spektra obou vzniklých diastereomerů a chemicaké posuny jejich jader.[16]

Druhy NMR

Nejčastěji používanými druhy NMR pro stanovení stereochemie chirálních sloučenin jsou 1H-NMR, 19F NMR, a 13C NMR. 1H NMR je nejpoužívanější metodou pro stanovení absolutní konfigurace. 19F NMR se používá téměř výhradně při studiích zaměřených na optickou čistotu a 13C NMR slouží převážně k popisu substrátů neobsahujících protony přímo vázané na asymetrické atomy uhlíku.[14]

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Chiral derivatizing agent na anglické Wikipedii.

  1. ↑ J. L. Mateos; D. J. Cram. Studies in Stereochemistry. XXXI. Conformation, Configuration and Physical Properties of Open-chain Diastereomers. Journal of the American Chemical Society. 1959, s. 2756–2762. doi:10.1021/ja01520a037. Bibcode 1959JAChS..81.2756M. 
  2. ↑ J. A. Dale; D. L. Dull; Harry S. Mosher. α-Methoxy-α-trifluoromethylphenylacetic acid, a versatile reagent for the determination of enantiomeric composition of alcohols and amines. The Journal of Organic Chemistry. 1969, s. 2543–2549. doi:10.1021/jo01261a013. 
  3. ↑ Robert E. Gawley; Jeffrey Aubé. Principles of Asymmetric Synthesis. [s.l.]: [s.n.], 2012. 
  4. ↑ D. Parker. NMR determination of enantiomeric purity. Chemical Reviews. 1991, s. 1441–1457. doi:10.1021/cr00007a009. 
  5. ↑ Stereochemistry and Chiral Derivatizing Agents. [s.l.]: [s.n.] Dostupné online. 
  6. ↑ New efficient derivatizing agent, alpha-cyano-alpha-fluoro(2-naphthyl)acetic acid (2-CFNA). application to the EE determination of (−)-3-acetoxy-2-fluoro-2-(hexadecyloxymethyl)propan-1-ol. [s.l.]: Toyama Medical & Pharmaceutical University, 2000. Dostupné online. 
  7. ↑ a b W. H. Pirkle; J. R. Hauske. Broad spectrum methods for the resolution of optical isomers. A discussion of the reasons underlying the chromatographic separability of some diastereomeric carbamates. The Journal of Organic Chemistry. 1977, s. 1839. doi:10.1021/jo00431a004. 
  8. ↑ G. Helmchen; K. Sauber; R. Ott. Gezielte Trennung und absolute Konfiguration von enantiomeren Carbonsäuren und Aminen (1. Mitteilung) Günter Helmchen. Tetrahedron Letters. 1972, s. 3873. doi:10.1016/s0040-4039(01)94184-x. 
  9. ↑ G. Helmchen; G. Nill; D. Flockerzi; W. Schuhle; M. S. K. Youssef. Preparative Scale Directed Resolution of Enantiomeric Aminesvia Liquid Chromatography of Diastereomeric 4-Hydroxybutyramides. Angewandte Chemie International Edition in English. 1979, s. 62. doi:10.1002/anie.197900651. 
  10. ↑ W. H. Pirkle; J. R. Hauske. Design of chiral derivatizing agents for the chromatographic resolution of optical isomers. Asymmetric synthesis of some chiral fluoroalkylated amines. The Journal of Organic Chemistry. 1977, s. 2436. doi:10.1021/jo00434a019. 
  11. ↑ W. H. Pirkle; P. L. Rinaldi. Synthesis and enantiomeric purity determination of the optically active epoxide disparlure, sex pheromone of the gypsy moth. The Journal of Organic Chemistry. 1979, s. 1025. doi:10.1021/jo01321a001. 
  12. ↑ G. Blaschke. Chromatographic Resolution of Racemates. New analytical methods (17). Angewandte Chemie International Edition in English. 1980, s. 13. doi:10.1002/anie.198000131. 
  13. ↑ Thomas J. Wenzel. Discrimination of Chiral Compounds Using NMR Spectroscopy. [s.l.]: John Wiley & Sons S. 1-7. 
  14. ↑ a b c J. M. Seco; E. Quiñoá; R. Riguera. Assignment of the Absolute Configuration of Polyfunctional Compounds by NMR Using Chiral Derivatizing Agents. Chemical Reviews. 2012, s. 4603-4641. doi:10.1021/cr2003344. PMID 22658125. 
  15. ↑ V. S. Sastri; Jean-Claude Bünzli; V. Ramachandra Rao; G. V. S. Rayudu; J. R. Perumareddi. Modern Aspects of Rare Earths and Their Complexes. [s.l.]: [s.n.], 2003. ISBN 9780444510105. doi:10.1016/B978-044451010-5/50024-9. Kapitola Lanthanide Nmr Shift Reagents, s. 779-843. 
  16. ↑ Katarzyna M. Błażewska; Tadeusz Gajda. Assignment of the absolute configuration of hydroxy- and aminophosphonates by NMR spectroscopy. Tetrahedron: Asymmetry. 2009, s. 1337-1361. doi:10.1016/j.tetasy.2009.05.021. 

Zdroj