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不对称诱导

不对称诱导，是立体化学名词，指在一个富手性的反应物、化学试剂、催化剂或环境的作用下，一个化学反应中的产物尽于某一种对映异构体或非对映异构体多于另一种。[1]不对称诱导是不对称合成的一个重要元素。

不对称诱导的概念由赫尔曼·埃米尔·费歇尔研究碳水化合物时引入。[2] 不对称诱导有几种。

对内不对称诱导，是指反应中将手性从中央键透过共价键带到反应中心。相关的起始物料通常由带手性的集体合成所产生。接力不对称诱导，则指在独立的步骤中引入手性，再在另一个单独的化学反应取消。过程中引入了特别的合成子，称为手性助剂。对外不对称诱导，则指在过渡态中，透过一个手性配体的催化剂引入手性。这种不对称合成的方法是经济最可取的。

羰基 1,2 不对称诱导

羰基碳亲核加成的手性诱导，能以几种模型来描述。这些模型以的立体和电子结合作为基础考虑，而经常相互冲突。以下几种模型由克拉姆(Cram)（1952），Cornforth（1959），Felkin（1969）等制定。

克拉姆规则(Cram's Rule)

克拉姆不对称诱导规则由唐纳德·克拉姆于1952年提出[3]，是早期预测有关立体化学非环状结构化合物系统的概念。规则是:

在某个非酶催而非以对映异构体为主的反应之中，而该非以对映异构体能以最无障碍的一边进入的方法产生，那么C-C 键的位置就是要使得双键连接到两个在邻近非对称中心的最小的官能基。

该规则表明分子中不对称中心的存在会因为空间位阻诱导不对称中心于其相邻形成。

克拉姆在他 1952 年的出版物中介绍了他在文献中描述的大量反应，可以根据此规则解释反应产物的构象，他还描述了一个精心设计的实验（方案 1）来证明他的观点。

 

实验涉及两个反应。在实验中，一种 2-苯基丙醛（1，实验中使用外消旋体，但图中显示为 (R)- 对映异构体）与格氏试剂的溴苯反应生成 1,2-二苯基-1-丙醇 (2)，作为非对映异构体的混合物，主要是苏式异构体（参见图中费歇尔投影式的解释）。

形成苏式异构体的偏好可以通过上述规则解释，当羰基以交错形式定位时，该反应中的活性亲核试剂从受阻最小的一侧攻击羰基（参见图纽曼式投影 A）甲基和氢原子，它们是两个最小的取代基，产生最小的空间位阻，在扭结方向和苯基作为反构象中最大的基团。

第二个反应是用氢化铝锂对 1,2-二苯基-1-丙酮 （2） 进行有机还原，得到与上述相同的反应产物，但现在优先选择赤式异构体 (2a)。现在，氢阴离子 (H−) 是从受阻最小的一侧攻击的亲核试剂（想像氢从纸平面进入）。

在 1952 年的原始出版物中，通过将反应产物应用于楚加耶夫消除反应，获得了反应产物结构的额外证据，其中1,2-二苯基-1-丙醇的 苏 / 赤 式异构体分别与 -α-甲基-二苯基乙烯的 顺 / 反 式异构体反应。

 

费尔金过渡态模型

以法国化学家休·费尔金（Hugh Felkin）命名的费尔金模型 (1968) 也预测了羰基亲核加成反应的立体化学。[4] 费尔金认为克拉姆模型有一个主要缺点：羰基取代基（醛中则为氢原子）和最大的 α-羰基取代基之间的过渡态构象消失了。他证明，通过将羰基取代基的空间体积从甲基增加到乙基、从异丙基到异丁基，立体选择性也增加了，这不是克拉姆规则所预测的：

 
羰基取代基与生成物的比例
羰基取代基 赤 / 苏式异构体的比例
甲基 74：26
乙基 76：24
异丙基 83：17
三级丁基 98：2

费尔金规则是：

  • 过渡态类似于反应物。
  • 涉及部分键（处于过渡状态）的扭转张力占完全形成的键之间应变的很大一部分（即使键合程度非常低）。当被取代基 R 向两个相邻基团倾斜时，若过渡态中的构象交错，而非重叠，（如下图中的过渡态 A） 能垒是最小的。
 

过渡态 B为根据克拉姆模型所得。

  • 主要的空间位阻效应涉及 R 和亲核试剂周围，但不涉及羰基氧原子。
  • 亲核试剂的攻击根据 Dunitz 角（107 度）发生，与氢原子重叠，而不是垂直于羰基。
  • 极性效应或电子效应会稳定能使亲核试剂和吸电子基团之间的距离达到最大的过渡态。例如，卤代酮不遵守克拉姆规则，并且在上面的示例中，用环己基取代吸电子的苯基会大大降低立体选择性。

费尔金-安过渡态模型

主条目：费尔金-安过渡态模型

费尔金-安过渡态模型是费尔金模型的扩展，并纠正了费尔金模型中的两个主要弱点。解决的第一个弱点是费尔金关于亲核加成过渡态中强极性效应的陈述，这导致 SN2 反应的立体化学完全反转，但没有提供关于为什么观察到这种现象的理由。 解决方案是提供反周面效应，因为不对称感应受到取代基和轨道效应的控制。[5][6]

费尔金模型中的第二个弱点是无法解释与醛类反应时的立体选择性。与酮类相比时，醛类羰基的另一端是氢原子，因此反应时与亲核试剂的空间相互作用大大降低。其解决方案是亲核试剂对羰基中心改为进行非垂直攻击，相对于氧-碳双键在 95° 到 105° 之间的任何位置，有利于接近较小的取代基，从而解决醛的可预测性问题。 [5][7][8]

羰基 1,3 不对称诱导

β-碳的立体电子环境也可以指导不对称感应。多年来已经发展出许多预测模型来定义此类反应的立体选择性。

参考

  1. ^ 英语定义 （页面存档备份，存于互联网档案馆），IUPAC金皮书
  2. ^ Asymmetric Synthesis of Natural Products, Ari Koskinen ISBN 0-471-93848-3
  3. ^ Studies in Stereochemistry. X. The Rule of "Steric Control of Asymmetric Induction" in the Syntheses of Acyclic Systems Donald J. Cram, Fathy Ahmed Abd Elhafez J. Am. Chem. Soc.; 1952; 74(23); 5828-5835. Abstract （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  4. ^ Torsional strain involving partial bonds. The stereochemistry of the lithium aluminium hydride reduction of some simple open-chain ketones Marc Chérest, Hugh Felkin and Nicole Prudent Tetrahedron Letters Volume 9, Issue 18, 1968, Pages 2199-2204 doi:10.1016/S0040-4039(00)89719-1
  5. ^ 5.0 5.1 Anh, N. T.; Eisenstein, O. Nouv. J. Chim. 1977, 1, 61.
  6. ^ Anh, N. T.; Eisenstein, O.; Lefour, J-M.; Dau, M-E. J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 6146.
  7. ^ Anh, N. T.; Eisenstein, O. Tetrahedron Lett. 1976, 155.
  8. ^ Anh, N. T. Top. Curr. Chem. 1980, 88, 146.
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