有机化学家们在分子中引入手征性,并利用新的色谱方法、计算机以及X - 射线晶体学;在纯化技术、结构定和合成等几方面也取得了重大的进展。

近年来,有机化学家们在许多领域,其中包括分离和纯化、分子结构测定、以及合成等几个方面,取得了一些新的进展。分离和纯化通常不大令人注目,但这些技术是其他一些有用工作的必要准备。化学家们现在主要利用液相色谱不断在发展一些更有效的分离和纯化方法。另外,经典的光谱法发展成由计算机控制的技术后,可以对极少量的样品提供更多的结构信息。由计算机对多方面得来的数据进行处理,最后把结构打印出来,这个日子看来为期不远了。这个话是以前有机化学家们之间的说笑。但实际上用计算机设计合成的程序早已问世。现在已开始借助计算机程序来确定反应条件。许多高效合成反应、试剂和催化剂正在不断出现,而且数量急剧增多。在分子中引入手征性(旋光性),这是其中最令人鼓舞的一项进展。

分离方法

样品的纯化在很多场合,已经不再是重要的事,在液相色谱柱上分离混合物,以及将复合组分直接进样作质谱(MS)测定,已经成了一种惯常方法。除已经比较成熟并在不断改进的高效液相色谱(HPLC)以外,其它日益变得重要的方法是逆流和高速色谱。

逆流色谱(CCC)是一种液 - 液过程,它与具有40年历史的逆流萃取相类似。其中最简单的一种是小滴型的。让流动相溶剂顺次从盛于几个小池内的不相溶溶剂中通过,根据密度的不同,流动相溶剂波分成上升或下降的小滴。样品组分先萃取入固定相,然后再回抽入流动相中。这些过程的速率,取决于微分溶度是各不相同的,于是就把样品组分分离开来。工作者们通常根据组分的疏水性或亲水性,从很多种溶剂中来选择溶剂对。现在各种形式的逆流色谱仪在美国的应用日见广泛。这些仪器有的是欧洲和日本进口的,有的是本国制造的。

化学家利用逆流色谱,样品的回收率可达100%。然而,利用HPLC柱子吸附分离生物样品,其中某些高分子量的化合物会有损失。逆流色谱法对蛋白质和核甙酸这类高极性化合物的分离,也要比HPLC法更为合适。另外,逆流色谱法溶剂用得较少,并且不需要如HPLC法中对用过的制备柱进行更换,因此操作成本也较HPLC法为低。

高速色谱法的优点是可以利用实验室中现成的设备,分离快速,操作方便。使用约20磅/平方英寸的气体压力,可以将多至10克的溶液样品,在短短的15分钟内,通过一根填充有硅胶、并带一个瓷圆盘的短玻璃管。一般来说,凡是能用薄层色谱分离的任何化合物,都可用高速色谱进行制备级的分离。

结构测定

有机化学家们目前正在充分利用经典的光谱方法来获取有关结构的信息。质谱(MS)测定,样品用量的数量级为100皮克,检测极限为0.1皮克。傅利叶变换核磁共振测定(FT-NMR),氢核谱法样品用量为100纳克,13碳核谱法小于50微克。傅利叶变换红外(FT-IR)分光光度法用样量为几个微克,X - 射线单晶研究为10个微克。

化学家们现在借助计算机扣除技术,正在不断发挥FT-IR光谱的分析威力。例如,已用这种方法研究了具有抗肿瘤抗菌能力的丝裂霉素C与DNA中脱氧鸟苷酸基的键合性能。发现鸟嘌呤中的60 - 羟基基团打开了丝裂霉素C中的一个氮丙啶环,形成一个氨基醚。从分离出来的抗菌素——脱氧鸟苷加合物的红外光谱中扣除已知的抗菌素氨基醚的衍生物的光谱,可以证明这个过程的存在。扣除后所得的谱图与06 - 取代的鸟甙的谱图是相似的。

不过,在所有测定结构的方法中,X - 射线晶体学的方法,对于那些能够结晶的化合物来说仍是比较好的一个方法。用计算机控制的衍射仪和数据处理程序已经可以鉴定那些常见的包含少数几个重原子(即碳、氧和氮)的分子结构。晶体学工作者们做了不少工作,但他们自己的成就是默默无闻的。他们之中有些人怨言,由于他们的工作看上去是惯常性的,所以其他的化学家往往不把他们看作为“其正的科学家”。近代对晶体学工作者们提出的一个疑难课题,是如何来鉴定包含有100个以上这类重原子的分子结构。对于这些分子的鉴定,解决定相的问题是很重要的。

这个问题的由来,是因为经过衍射的X - 射线波到达检测器上的时候,所测量的是强度而不是相位。所谓相位指的是这种波到达检测器上时的位置是波峰、波谷,还是无限多的其他各种位置。另外晶体学工作者们还必须知道所有波的加合相位,并解析衍射结构。对于5个或6个重原子的结构,用试差法即可满足要求。在五十年代,发展了一些可以估测包含近100个原子组成的结构相位的方法。目前发展的方法已经超越这个范围。有几种测定相位的方法看来是有前途的。但到目前为止,还没有一种公认的适合对大分子进行定相的方法。

有一种方法,是把晶体定向放置使产生两重衍射。然后操作者略微移动晶体改变一下原来的位置,记录强度的变化。从这些变化即可测量(而不是估测)相位。另一种方法,是将一些重原子(这里指如铀一类的重元素)配入试样中,然后观察这一类物质衍射图样的特性,并将许多图样关联起来,从而来对相位进行估测。

由于合成有机化学家在创造一些很有前途的分子,以及发展一些新的反应、试剂和催化剂方面的工作相继取得成功,他们中的某些人就开始考虑他们这门科学的前途。有些人认为这门科学将要衰退走回头路。有些人认为,这门科学虽然目前处于高度发展阶段,但预测将要衰落。还有一些人则认为,把这门学科领域汉看作为是合成一些极复杂的天然产物,这是片面的。他们认为,合成有机化学是一门比较广阔的科学,它正在朝一个新的方向发展。

由于有机金属化学方面工作的不断开展,现在已出现了一些新的合成试剂。铝、钴、铁、钯、钨和锆试剂的新进展内容太多,难以归纳。有些经过充分探索的元素如硼和硅这一类元素,不断在为人们提供一些新的试剂和方法。一个有代表性的例子是有机钛的化合物,它们已经成为极有用的路易士酸格氏试剂。

由有机锂、有机镁的卤化物,或有机锌的化合物,与四氯化钛或四异丙醇钛反应生成的异丙醇烷基钛和氧化烷基钛,能够有选择地与一些带酮基的分子中的醛进行加合。这些试剂可使用二氯甲烷这一类化合物作溶剂,不局限于醚类。这些试剂不从易烯醇化的羰基化合物上移取质子。它们甚至使叔卤化物烷基化时自身也不消失。甲基钛能把酮基转化为双二甲基。

另外,自由基反应也展示了新的前途。这些活泼的中间物可加合到重键两侧,适用于环化这类反应。这些基团对一些会影响离子反应过程的酸或碱也是较不敏感的。例如,溴乙醛的混合缩醛,在六苯基二锡存在下与乙醇和2 - 环戊醇反应生成一种2 - (3 - 环戊氧基)- 2 - 乙氧乙基基团。这种基团加合到环戊烯双键上得到一个新的环戊呋喃基基团。后者能被叔 - 丁基异氰化物捕获,使原来的基团中嵌进了一个腈基。这种类型的产品对于合成高效类激素前列腺素具有重要价值。

正在大力研究的其他试剂和反应类型是在分子中引入手征性的那些类型。化学家们已经掌握了非对映选择的能力,可以利用原来分子中存在的手征性引入新的手性中心。目前的注意力集中在一般化的对映选择,使原来无手征性的、远离作用位置具有其他一些手性中心,或具有一些妨碍引入所需要的旋光性的手性中心这样一类分子中的一些新不对称中心,具有所需要的旋光性。在这方面,烯丙基醇的不对称环氧化作用可能是前十年中所发现的最重要的反应。

这个反应利用右旋或左旋酒石酸二乙酿,四异丙醇钛和叔丁基过氧氢,可以同时建立两个不对称中心。所得的旋光性类型取决于所用酒石酸的对映体,与其他手性中心的影响无关。由于环氧化作用总是从有利方面进行,所以化学家可以利用假想的转变态的简单图式来预测产品的构型。

实现对映选择的另一种方法是使用手性辅药。这类物质是一些带旋光性的化合物,用来使被作用物在作用位置上生成衍生物。这方面的实例有,从氨基酸或去甲肾上腺素生成的噁唑烷酮,以及扁桃酸的衍生物。这些物质可在烯醇化物的醛醇缩合或烷基化所涉及的那些原子上产生所要求的手征性。手性辅药的缺点,在于它们必须先用后除,这种过程要分好几步,因而降低收率。然而它们在被至今尚未开发的、通用的一锅法(one-pot methods)——不对称环氧化是其中最重要的一个方法——或被催化剂所取代以前,这些手性辅药的重要性可能还会维持好几年时间。

使用从萜烯得到的烷基硼烷,对烃和羰基的不对称还原反应也进行了研究。这些反应虽然在反应性,以及恒定的高纯旋光性方面缺乏普遍性,但到目前为止,这些研究结果还是很有意义的。除通常利用的萜烯外,使用从其他物质得到的甲硼烷,可以获得所要求的普遍性。

在催化剂方面,同样缺乏普遍性。手性铑膦催化剂,工业上用来将肉桂酸衍生物不对称氢化成左旋 - 3,4 - 二羟基苯丙氨酸(L-DOPA)的前体。苄基辛可尼定鎓相转移催化剂已经研制成功,用于对药物生产中使用的茚满酮进行不对称烷基化。但是,这些反应只对一些特定的用途才是最佳的。对于其他广类的作用物还没有普遍的意义。人们打算研制的第一个通用催化剂可能是一种具有手征性的络合不饱和醛的二烷基硼的氯化物。这种催化剂可以引起狄尔斯 - 阿德耳(Diels-Alder)尽应。由于这个反应能够一步建立多个不对称中心,因此这种催化剂的出现可能成为手性合成中的一个里程碑。

[Chemical and Engineering News,1984年第62卷第6期]