( R )-α-Methoxy-α-(trifluormethyl)-phenylessigsäure (Moshersche Säure)

In der analytischen Chemie ist ein chirales Derivatisierungsreagenz ( CDA ), auch chirales Trennreagenz genannt , ein chirales Hilfsstoff , der ein Enantiomerengemisch in Diastereomere überführt, um die Mengen der einzelnen Enantiomere zu analysieren und die optische Reinheit einer Probe zu bestimmen. Die Analyse kann spektroskopisch oder chromatographisch erfolgen. Einige Analyseverfahren wie HPLC und NMR können in ihrer gebräuchlichsten Form Enantiomere in einer Probe nicht unterscheiden, wohl aber Diastereomere. Daher ermöglicht die Überführung eines Enantiomerengemisches in ein entsprechendes Diastereomerengemisch die Analyse. Mit der zunehmenden Verbreitung der chiralen HPLC ist die Verwendung chiraler Derivatisierungsreagenzien zurückgegangen. Neben der Analyse wird die chirale Derivatisierung auch zur chiralen Trennung , also der eigentlichen physikalischen Trennung der Enantiomere, eingesetzt .

Geschichte

Seitdem die NMR-Spektroskopie Chemikern zur Verfügung steht, wurden zahlreiche Studien zu den Anwendungen dieser Technik durchgeführt. Eine dieser Studien wies auf den Unterschied in der chemischen Verschiebung (d. h. dem Abstand zwischen den Peaks) zweier Diastereomere hin. [ 1 ] Umgekehrt weisen zwei Enantiomere die gleichen NMR-spektralen Eigenschaften auf. Daraus wurde geschlossen, dass sich ein Enantiomerengemisch durch Bindung an eine chirale Substanz in ein Diastereomerengemisch umwandeln ließe. Dieses neue Gemisch könnte dann mittels NMR-Spektroskopie unterschieden und somit Rückschlüsse auf das ursprüngliche Enantiomerengemisch gezogen werden. Das erste bekannte Beispiel dieser Technik wurde 1969 von Harry S. Mosher veröffentlicht . Als chirales Reagenz diente ein einzelnes Enantiomer der MTPA (α-Methoxy-α-(trifluormethyl)phenylessigsäure), auch bekannt als Moshersche Säure . [ 2 ] Das entsprechende Säurechlorid wird auch als Moshersches Säurechlorid bezeichnet, und die resultierenden diastereomeren Ester heißen Moshersche Ester. Ein weiteres System ist Pirkles Alkohol , der 1977 entwickelt wurde.

Anforderungen

Die allgemeine Verwendung und Konstruktion von CDAs gehorchen den folgenden Regeln, damit das CDA die Stereochemie eines Analyten effektiv bestimmen kann: [ 3 ]

  1. Das CDA muss enantiomerenrein sein, oder (weniger zufriedenstellend) seine Enantiomerenreinheit muss genau bekannt sein.
  2. Die Reaktion des CDA mit beiden Enantiomeren sollte unter den Reaktionsbedingungen vollständig ablaufen. Dadurch wird eine Anreicherung oder Verarmung eines Enantiomers des Analyten durch kinetische Racematspaltung vermieden.
  3. Das CDA darf unter Derivatisierungs- oder Analysebedingungen nicht racemisieren. Seine Anbindung muss so mild sein, dass auch das Substrat nicht racemisiert. Wird die Analyse mittels HPLC durchgeführt, muss das CDA ein Chromophor zur Verbesserung der Nachweisbarkeit enthalten.
  4. Wenn die Analyse mittels NMR durchgeführt wird, sollte das CDA eine funktionelle Gruppe aufweisen, die im resultierenden NMR-Spektrum ein Singulett ergibt, wobei das Singulett weit von anderen Peaks entfernt sein muss.

Moshers Methode

Moshers Säure reagiert über ihr Säurechlorid-Derivat bereitwillig mit Alkoholen und Aminen zu Estern bzw. Amiden. Das Fehlen eines α-Protons an der Säure verhindert den Verlust der stereochemischen Reinheit unter den Reaktionsbedingungen. Daher ermöglicht die Verwendung einer enantiomerenreinen Moshers Säure die Bestimmung der Konfiguration einfacher chiraler Amine und Alkohole . [ 4 ] Beispielsweise reagieren die ( R )- und ( S )-Enantiomere von 1-Phenylethanol mit ( S )-Moshers Säurechlorid zu ( R , S )- bzw. ( S , S )-Diastereomeren, die sich NMR-spektroskopisch unterscheiden lassen. [ 5 ]

CFNA (Alternative zu Mosher-Säure)

Ein neuartiges chirales Derivatisierungsreagenz (CDA), α-Cyano-α-fluor(2-naphthyl)-essigsäure (2-CFNA), wurde in optisch reiner Form durch chirale HPLC-Trennung eines racemischen 2-CFNA-Methylesters hergestellt. Dieser Ester wurde durch Fluorierung von Methyl-α-cyano(2-naphthyl)acetat mit FClO₃ erhalten. 2-CFNA erwies sich als überlegenes CDA gegenüber Moshers Reagenz zur Bestimmung des Enantiomerenüberschusses eines primären Alkohols. [ 6 ]

Chromatographie mit CDAs

Amid auf Siliciumdioxid wird als Modellverbindung für Helmchens Postulate verwendet.

Nach der Reaktion eines chiralen Digestiven (CDA) mit dem Zielanalyten können die entstehenden Produkte chromatographisch getrennt werden. Chromatographie eignet sich generell zur Trennung chiraler Verbindungen, um schwierige Kristallisationen zu umgehen und/oder alle Diastereomerenpaare in Lösung zu sammeln . Es gibt zahlreiche Varianten der Chromatographie (z. B. HPLC , Gaschromatographie , Flash-Chromatographie ) mit einem breiten Anwendungsspektrum für verschiedenste Molekülklassen. Die Fähigkeit von CDAs, chirale Moleküle zu trennen, beruht auf zwei Hauptmechanismen der Chromatographie: [ 7 ]

  1. Differenzielle Solvatation in der mobilen Phase
  2. Differenzielle Adsorption an der stationären Phase

Helmchens Postulate

Die Helmchen-Postulate [ 8 ] [ 9 ] sind theoretische Modelle zur Vorhersage der Elutionsreihenfolge und des Trennungsgrades von Diastereomeren (einschließlich solcher, die aus CDAs gebildet werden), die an einer Oberfläche adsorbiert sind. Obwohl die Helmchen-Postulate spezifisch für Amide auf Kieselgel mittels Flüssigkeitschromatographie sind, liefern sie grundlegende Richtlinien für andere Moleküle. Die Helmchen-Postulate lauten:

  1. Die Konformationen sind in Lösung und im adsorbierten Zustand gleich.
  2. Diastereomere binden an Oberflächen (Kieselgel in der Normalphasenchromatographie) hauptsächlich über Wasserstoffbrückenbindungen.
  3. Eine signifikante Trennung von Diastereomeren ist nur dann zu erwarten, wenn Moleküle über zwei Kontaktpunkte (zwei Wasserstoffbrückenbindungen) an Siliciumdioxid adsorbieren können. Diese Wechselwirkung kann durch Substituenten gestört werden .
  4. Diastereomere mit sperrigen Substituenten am α-Kohlenstoffatom (R2) und am Stickstoffatom (R1) können die Wasserstoffbrückenbindung mit der Oberfläche abschirmen, sodass das Molekül vor ähnlichen Molekülen mit kleineren Substituenten eluiert wird.

Es wurde nachgewiesen, dass die Helmchen-Postulate auch auf andere funktionelle Gruppen anwendbar sind, wie zum Beispiel: Carbamate , [ 7 ] Ester , [ 10 ] und Epoxide . [ 11 ]

Chirale stationäre Phasen

Stationäre Phasen können mit chiralen Diacetylen (CDAs) reagieren und so chirale stationäre Phasen bilden, die chirale Moleküle trennen können. [ 12 ] Durch die Reaktion mit Alkoholen auf einer Silikat-Phase fügen CDAs der stationären Phase ein chirales Zentrum hinzu, wodurch die Trennung chiraler Moleküle ermöglicht wird.

CDAs in der NMR-Spektroskopie

Chirale Diskriminierungsmittel ( CDAs) werden in der NMR-Spektroskopie zur Bestimmung des Enantiomerenüberschusses und der absoluten Konfiguration eines Substrats eingesetzt. Chirale Diskriminierungsmittel sind mitunter schwer von chiralen Solvatisierungsmitteln (CSAs) zu unterscheiden, und einige Substanzen können beide Funktionen erfüllen. Die Geschwindigkeit des Austauschs zwischen Substrat und Metallzentrum ist der wichtigste Faktor, um zwischen der Verwendung einer Verbindung als CDA oder CSA zu unterscheiden. Im Allgemeinen weisen CDAs einen langsamen, CSAs hingegen einen schnellen Austausch auf. [ 13 ] CDAs werden zur Bestimmung absoluter Konfigurationen häufiger verwendet als CSAs, da die kovalente Bindung an Substrat und Hilfsreagenz Spezies mit höherer Konformationsstabilität erzeugt, was zu größeren Unterschieden in den NMR-Spektren führt. [ 14 ] CDAs und CSAs können zur Verbesserung der chiralen Erkennung kombiniert werden, dies ist jedoch unüblich.

NMR-Verschiebungsreagenzien wie EuFOD , Pirkles Alkohol und TRISPHAT nutzen die Bildung diastereomerer Komplexe zwischen dem Verschiebungsreagenz und der analytischen Probe aus. [ 15 ]

Hauptbedenken bei der Verwendung von CDAs

Bei der Verwendung eines CDA in der NMR-Spektroskopie sind vor allem die kinetische Racematspaltung , die Racemisierung während der Derivatisierungsreaktion und die 100%ige optische Reinheit des Reagenz zu berücksichtigen . Die kinetische Racematspaltung ist insbesondere bei der Bestimmung der optischen Reinheit von Bedeutung, jedoch vernachlässigbar, wenn das CDA zur Bestimmung der absoluten Konfiguration eines optisch reinen Substrats verwendet wird. [ 13 ] Durch einen Überschuss an CDA kann die kinetische Racematspaltung kompensiert werden. [ 16 ] Die Racemisierung kann sowohl beim CDA als auch beim Substrat auftreten und hat in beiden Fällen das Potenzial, die Ergebnisse erheblich zu beeinflussen.

Strategien für die NMR-Analyse

Die beiden grundlegenden Methoden der NMR-Analyse sind die Einfach- und die Doppelderivatisierung. Die Doppelderivatisierung gilt im Allgemeinen als genauer, die Einfachderivatisierung benötigt jedoch üblicherweise weniger Reagenzien und ist daher kostengünstiger.

Methoden der einfachen Ableitung

Das NMR-Spektrum des Produkts, das bei der Reaktion des Substrats mit einem CDA bei Raumtemperatur entsteht, wird mit einem der folgenden verglichen: [ 14 ].

  1. das Spektrum für dieselbe Ableitung, wenn es bei niedrigerer Temperatur aufgenommen wird
  2. das Spektrum desselben Derivats nach der Komplexbildung mit einem Metallsalz
  3. das Spektrum des Substrats ohne Derivatisierung

Doppelderivatisierungsmethoden

Entweder wird das Enantiomer des Substrats mit zwei Enantiomeren des CDA derivatisiert oder beide Enantiomere des Substrats werden mit einem Enantiomer des CDA derivatisiert. In beiden Fällen bilden sich zwei Diastereomere, deren Kernverschiebungen zur Bestimmung der Konfiguration des Substrats ausgewertet werden. [ 16 ]

NMR-Techniken

Die gebräuchlichsten NMR-Techniken zur Unterscheidung chiraler Verbindungen sind ¹H -NMR, ¹⁹F -NMR und ¹³C -NMR. ¹H -NMR ist die primäre Technik zur Bestimmung der absoluten Konfiguration. ¹⁹F -NMR wird fast ausschließlich für Untersuchungen der optischen Reinheit eingesetzt, und ¹³C -NMR dient primär der Charakterisierung von Substraten, deren Protonen nicht direkt an ein asymmetrisches Kohlenstoffatom gebunden sind. [ 14 ]

Referenzen

  1. ^ J. L. Mateos und Donald J. Cram (1959). „Studien zur Stereochemie. XXXI. Konformation, Konfiguration und physikalische Eigenschaften offenkettiger Diastereomere“. J. Am. Chem. Soc. 81 (11): 2756–2762 . Bibcode : 1959JAChS..81.2756M . doi : 10.1021/ja01520a037 .
  2. ^ JA Dale, DL Dull und HS Mosher (1969). „α-Methoxy-α-trifluormethylphenylessigsäure, ein vielseitiges Reagenz zur Bestimmung der Enantiomerenzusammensetzung von Alkoholen und Aminen“. J. Org. Chem. 34 (9): 2543–2549 . doi : 10.1021/jo01261a013 .
  3. ^ Gawley, Robert E. ; Aubé, Jeffrey (2012). Prinzipien der asymmetrischen Synthese .
  4. ^ D. Parker (1991). „NMR-Bestimmung der Enantiomerenreinheit“. Chem. Rev. 91 (7): 1441–1457 . doi : 10.1021/cr00007a009 .
  5. ^ Stereochemie und chirale Derivatisierungsreagenzien (PDF)
  6. ^ Neues, effizientes Derivatisierungsreagenz, α-Cyano-α-fluor(2-naphthyl)essigsäure (2-CFNA). Anwendung zur EE-Bestimmung von (−)-3-Acetoxy-2-fluor-2-(hexadecyloxymethyl)propan-1-ol. Toyama, Japan: Toyama Medical & Pharmaceutical University, 2000{{citation}}CS1-Wartung: Veralteter Archivierungsdienst ( Link )
  7. ^ a b Pirkle, WH; JR Hauske (1977). „Breitbandmethoden zur Trennung optischer Isomere. Eine Diskussion der Gründe für die chromatographische Trennbarkeit einiger diastereomerer Carbamate“. J. Org. Chem . 42 (11): 1839. doi : 10.1021/jo00431a004 .
  8. ^ Helmchen, G.; K. Sauber; R. Ott (1972). „Gezielte Trennung und absolute Konfiguration von enantiomeren Carbonsäuren und Aminen (1. Mitteilung) Günter Helmchen“. Tetraeder-Buchstaben . 13 (37): 3873. doi : 10.1016/s0040-4039(01)94184-x .
  9. ^ Helmchen, G.; G. Nill; D. Flockerzi; W. Schuhle; MSK Youssef (1979). „Präparative Scale Directed Race of Enantiomeric Amines via Liquid Chromatography of Diastereomeric 4-Hydroxybutyramides“. Angew. Chem. Int. Ed. Engl . 18 (1): 62. doi : 10.1002/anie.197900651 .
  10. ^ Pirkle, WH; JR Hauske (1977). „Design chiraler Derivatisierungsreagenzien zur chromatographischen Trennung optischer Isomere. Asymmetrische Synthese einiger chiraler fluoralkylierter Amine“. J. Org. Chem . 42 (14): 2436. doi : 10.1021/jo00434a019 .
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  12. ^ Blaschke, G. (1980). „Chromatographische Trennung von Racematen. Neue analytische Methoden (17)“. Angew. Chem. Int. Ed. Engl . 19 (1): 13. doi : 10.1002/anie.198000131 .
  13. ^ a b Wenzel, Thomas J. Diskriminierung chiraler Verbindungen mittels NMR-Spektroskopie . John Wiley & Sons, Inc. S.  1–7 .
  14. ^ a b c J. M. Seco; E. Quiñoá; R. Riguera* (Juni 2012). „Zuordnung der absoluten Konfiguration polyfunktioneller Verbindungen mittels NMR unter Verwendung chiraler Derivatisierungsreagenzien“. Chemical Reviews . 112 (8): 4603–4641 . doi : 10.1021/cr2003344 . PMID 22658125 . 
  15. ^ Sastri, VS; Bünzli, Jean-Claude; Rao, V. Ramachandra; Rayudu, GVS; Perumareddi, JR (2003). „Lanthanid-NMR-Verschiebungsreagenzien“. Moderne Aspekte seltener Erden und ihrer Komplexe . S.  779–843 . doi : 10.1016/B978-044451010-5/50024-9 . ISBN 9780444510105Die
  16. ^ a b Katarzyna M. Błażewskaa; Tadeusz Gajda (Juli 2009). „Zuordnung der absoluten Konfiguration von Hydroxy- und Aminophosphonaten mittels NMR-Spektroskopie“. Tetrahedron: Asymmetry . 20 (12): 1337–1361 . doi : 10.1016/j.tetasy.2009.05.021 .