二茂铁于1951年被Kealy等^[1]首次报道。带有二茂铁骨架的手性配体在不对称催化领域中具有非常重要的作用^[2]。当二茂铁的1,2-或1,3-位有两个不同的取代基时,这个二茂铁衍生物就具有面手性。相对于1,3-二取代物,1,2-二取代二茂铁衍生物更加常见。具有面手性的二茂铁配体的过渡金属配合物在不对称催化反应中表现出很高的催化活性和立体选择性。迄今为止,已经开发了许多具有面手性的1,2-二取代的手性二茂铁作为不对称催化剂的配体。最具有代表性的是Togni等^[3]开发的JosiPhos型配体((R)-1-[(S)-2-(二苯基膦基)二茂铁基]乙基二环己基膦配体),有多种已经被成功地应用于手性药物和精细化学品的合成。比如PPF-t-Bu₂(即将JosiPhos的二环己基膦基团换为二叔丁基膦基团)被应用于(+)-维生素H的生产,Xyliphos(即将JosiPhos的二环己基膦基团换为二(3,5-二甲基苯基)膦基团)被应用于农药金朵儿的合成。此外,被成功应用于工业生产的二茂铁类手性催化剂还有TaniaPhos^[4]和WalPhos^[5](在JosiPhos的一侧链中间引入一个苯环)，Trap^[6]和ChenPhos^[7](双二茂铁基双膦配体)，Trifer^[8](三二茂铁基双膦配体)等。手性二茂铁配体的研究报道已屡见不鲜,但是对其系列化合物的高效液相色谱(HPLC)的手性拆分还未见报道。

自20世纪70年代以来,直链淀粉和纤维素的各种衍生物作为手性固定相相继被研发出来,并且在手性化合物的分离中得到了广泛的应用^[9]。已经有许多商品化的此类手性固定相被成功地应用于手性药物等化合物的拆分^{[10,11,12,13,14]}。按照手性选择剂在基质上的固定方式,手性固定相可分为涂敷型和键合型两类。键合型手性固定相因具有更好的稳定性和更宽的溶剂选择范围而逐步替代涂敷型。此类手性固定相的研发和用于对映体的分离已多见报道^{[15,16,17,18]}。其中,Chiralpak IC和Chiralpak IE3手性固定相分别是将纤维素-三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯)和直链淀粉-三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯)键合到硅胶基质上制得。

本文采用Chiralpak IC手性柱和Chiralpak IE3手性柱对7种二茂铁化合物的消旋体(结构见图1)进行了拆分研究。研究对比了两种固定相对不同种类的手性二茂铁化合物对映体的分离选择性,发现这两种固定相在分离二茂铁对映体时表现出了互补性。我们还讨论了二茂铁骨架上不同取代基对于手性识别的影响,分子间相互作用力包括氢键相互作用、π-π相互作用和空间位阻作用对手性识别的影响。该研究为手性二茂铁系列衍生化合物的对映体分离提供了方法参考。

图1

Fig. 1

图1 手性二茂铁衍生物的结构 Fig.1 Structures of chiral ferroence derivatives

美国赛默飞公司的U3000高效液相色谱仪;Chiralpak IC色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)和Chiralpak IE3色谱柱(250 mm×4.6 mm,3 μm)购自大赛璐药物手性技术(上海)有限公司;正己烷(HPLC纯)购自韩国德山药品工业,异丙醇(HPLC纯)购自美国TEDIA公司,二乙胺(纯度＞99.5%)购自SIGMA-ALDRICH公司。二茂铁样品由中国科学院上海有机化学研究所侯雪龙课题组提供。

取2 mg样品加入100 μL异丙醇,超声溶解,再加入900 μL正己烷,超声混匀即得。

色谱柱为Chiralpak IC手性柱和Chiralpak IE3手性柱。流动相为不同配比的正己烷和异丙醇,各加入0.1%(v/v)二乙胺,使用前超声脱气15 min;流速0.7 mL/min(化合物E为0.5 mL/min);检测波长为254 nm;柱温25 ℃(化合物E为15 ℃);进样体积5.0 μL。

由于所研究的二茂铁衍生物带有氨基,在进行手性分离时与硅胶上的硅羟基作用引起峰拖尾。在正相色谱条件下,在流动相中加入0.1%(v/v)的二乙胺可以抑制峰拖尾,获得较对称的峰形,从而改善分离度。通过调节正己烷-异丙醇的比例获得4种单手性中心的二茂铁化合物(图1中A～D)在Chiralpak IC手性柱和Chiralpak IE3手性柱上最优的分离条件。4种单手性中心的二茂铁化合物的拆分结果见表1,分离谱图见图2。在Chiralpak IC手性柱上,只有与手性中心和相邻的N原子上均为最小取代基甲基(A)时化合物才能实现基线分离。手性中心上由甲基变为乙基(C)、相邻N原子上由甲基变为乙基(B)、相邻N原子上由甲基变为环丁基(D)后,Chiralpak IC手性柱对其选择性变差;化合物C实现部分分离,化合物B、D均未能实现分离。通过调节正己烷-异丙醇的比例,化合物B、C和D在Chiralpak IE3手性柱上均实现基线分离。化合物D的分离因子(α)和分离度(R_s)最大,化合物C反而最小,与在Chiralpak IC上的结果相反。

图2

Fig. 2

图2 4种单手性二茂铁衍生物(A~D)在Chiralpak IC和Chiralpak IE3上的手性分离色谱图 Fig.2 Chromatograms for the enantioseparations of the four ferroence derivatives (A-D) with single chirality on Chiralpak IC and Chiralpak IE3 columns

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 4种单手性二茂铁衍生化合物的手性分离条件和拆分结果 Table 1 Conditions and enantioseparation results of the four ferroence derivatives with single chirality Compound* Column Mobile phase**(V(Hexane)∶V(iPrOH)∶V(DEA)) Deadtime/min Retention times (tR)/min Selective factor (α) Resolution(Rs) tR1 tR2 A Chiralpak IC 98∶2∶0.1 4.43 12.37 13.06 1.09 1.60 B Chiralpak IC 99∶1∶0.1 4.43 6.11 - 1.00 0 C Chiralpak IC 99∶1∶0.1 4.43 6.64 6.78 1.06 0.56 D Chiralpak IC 98∶2∶0.1 4.43 11.03 - 1.00 0 B Chiralpak IE3 100∶0∶0.1 4.07 8.19 9.28 1.26 1.65 C Chiralpak IE3 100∶0∶0.1 4.07 8.73 9.45 1.15 1.48 D Chiralpak IE3 98∶2∶0.1 4.07 12.77 16.23 1.40 5.77 Detection wavelength: 254 nm. * Compounds A-D are the same as in Fig. 1.** iPrOH: isopropanol; DEA: diethylamine.

表1 4种单手性二茂铁衍生化合物的手性分离条件和拆分结果 Table 1 Conditions and enantioseparation results of the four ferroence derivatives with single chirality

在引入面手性后,手性元素的增加对拆分的要求更高。二茂铁骨架上邻位新引入的取代基会大大增加原手性中心附近的空间位阻,而Chiralpak IC手性柱对手性中心的选择性并不是很高,因此新引入的取代基必须和手性固定相具有很好的相互作用,才能实现双手性化合物的分离。本文研究了3种具有面手性的双手性二茂铁衍生物(图1中的E～G)在Chiralpak IC手性柱上的分离,拆分结果见表2,色谱图见图3。大量的实验证明,降低流速和温度可改善双手性二茂铁化合物的分离选择性,但会大大延长分离时间。化合物E需要在更低的流速(0.5 mL/min)和更低的温度(15 ℃)下才能表现出对映体间的分离选择性。

图3

Fig. 3

图3 3种双手性二茂铁衍生化合物(E、F、G)在ChiralpakIC柱上的手性分离色谱图 Fig.3 Chromatograms of the enantioseparations for the three double chiral ferroence derivatives (E, F, G) on a Chiralpak IC column

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 3种双手性二茂铁衍生化合物在Chiralpak IC柱上的手性分离条件和拆分结果 Table 2 Conditions and enantioseparation results of the three double chiral ferroence derivatives on a Chiralpak IC column Compound* Mobile phase(V(Hexane)∶V(iPrOH)∶V(DEA)) Retention times (tR)/min Selective factors (α) Resolutions (Rs) tR1 tR2 tR3 tR4 α1 α2 α3 Rs1 Rs2 Rs3 E 98∶2∶0.1 15.23 17.21 17.89 18.94 1.18 1.05 1.08 2.83 1.24 1.62 F 70∶30∶0.1 10.92 13.74 15.03 17.61 1.43 1.14 1.24 4.70 1.78 3.04 G 90∶10∶0.1 14.17 17.57 18.66 21.33 1.35 1.08 1.19 6.48 1.61 3.45 Detection wavelength: 254 nm; deadtime: 4.43 min. * Compounds E-G are the same as in Fig. 1.

表2 3种双手性二茂铁衍生化合物在Chiralpak IC柱上的手性分离条件和拆分结果 Table 2 Conditions and enantioseparation results of the three double chiral ferroence derivatives on a Chiralpak IC column

对比化合物F和E在Chiralpak IC手性柱上的拆分,在取代基中引入羰基后,Chiralpak IC手性柱对4个立体异构体(两对对映体)表现出了很好的选择性(α≥1.14),4个立体异构体的分离度(R_s)均≥1.7,最高的分离度达到4.7。对比化合物G和F在Chiralpak IC手性柱上的拆分,将与羰基相连的苯基换成环己基后,分离的选择性和分离度相似,但是由于π-π相互作用,使化合物F在色谱柱上的保留增强了很多。由此可见,在手性识别作用中羰基对固定相的手性识别作用起到了很显著的作用,这可能是氢键相互作用^[19]。苯基并没有提高分离选择性。

二茂铁衍生物中都有两个富电子的环戊二烯芳香环,而手性固定相(三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯))中有带两个吸电子的氯原子的苯基。如果空间位置合适,两个芳香环之间会存在很好的π-π相互作用。从被拆分的单手性中心二茂铁衍生物的结构上可以看出,化合物B、D与A在结构上的差异在于与手性碳相连的N原子上的烷基不同,N原子上烷基空间位阻的增加使化合物B和D完全失去了手性分离。对比化合物C和A,手性中心处由甲基取代变为乙基取代,固定相对前者虽仍有手性识别能力(α ＞1.05),但由于保留较弱,未能实现基线分离。因此,在单手性二茂铁衍生物与Chiralpak IC手性固定相间的相互作用中,手性化合物侧链上基团的空间位阻对手性分离选择性的影响很大。位阻越大,手性分离的选择性越差。然而化合物B、C、D均在Chiralpak IE3手性固定相上实现了基线分离。在能够被分离的化合物中,化合物D的分离最好(α和R_s都最大),化合物C的分离却是三者中最差的。由此可见,单手性二茂铁衍生物在Chiralpak IE3手性固定相上位阻作用对手性识别有利。

三(苯基氨基甲酸酯)类衍生的纤维素手性固定相中,手性拆分的能力主要取决于苯基上取代基的种类、数目和位置^[20]。该类手性固定相最重要的吸附位置是氨基甲酸酯残基,这个位置的电子云分布必然会受到苯基上取代基的影响。含有极性基团(如羰基、羟基等)的手性化合物外消旋体与氨基甲酸酯残基之间的手性识别可能主要是通过氢键相互作用而达到^[19]。但羰基和羟基与氨基甲酸酯残基形成氢键的位点不同,前者作为质子受体和-NH-形成氢键,后者作为质子给体和酯羰基形成氢键。Chiralpak IC手性固定相是纤维素-三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯),在苯基上引入了两个吸电子的氯原子,这会使-NH-基团上的氢的正电性更高,使其更易于作为质子给体形成氢键。而二茂铁衍生物上引入的羰基很可能与-NH-形成氢键,从而实现手性识别。通过对比化合物F、G和E的结构以及分离结果,可以证明在引入羰基后二茂铁衍生物在Chiralpak IC手性固定相上实现手性识别的能力大大增强。具有面手性的双手性二茂铁衍生物在Chiralpak IC手性固定相上的手性识别可能是氢键相互作用主导的。

本文系统研究了7种手性二茂铁衍生化合物在Chiralpak IC和Chiralpak IE3手性柱上的拆分规律。Chiralpak IC手性柱对手性二茂铁衍生物具有很强的手性识别能力,Chiralpak IE3手性柱在该类化合物的拆分上可以与Chiralpak IC手性柱起到互补作用。通过引入和改变二茂铁骨架上的不同取代基团,可以使我们对手性二茂铁衍生化合物在Chiralpak IC手性柱上的拆分机理有所认识。这些研究结果可以为手性二茂铁衍生化合物,特别是具有面手性的手性二茂铁衍生化合物的对映体拆分、对映体纯度测定以及分离机理的研究提供参考。