BINAL-H试剂的高手性识别能力*1

段 丽 萍,雍 胜 利

(包头师范学院 化学学院, 内蒙古 包头 014030)

对映选择性还原前手性羰基化合物是最基本的手性转换之一[1]，目前实验室常用的手性转换方法通常是用带有手性辅基的复杂金属氢化试剂对含有羰基的化合物进行还原。日本名古屋大学R.Noyori研究组在美国加州大学D.J.Cram研究组的研究基础上经过分析、比较认为，应该从以下两方面实践才能得到能够满足实际需求的和便于操作的光学纯的有机化合物。首先为了获得高的对映选择性，络合物能够提供的活泼氢数目必须最少，其次是使用轴手性的双官能团化的1,1′- 联萘衍生物。按照他们的想法他们采用金属氢化物LiAlH4简称为(LAH)、轴手性(S)-或(R)-联萘酚与简单醇之间的反应制备新的手性氢化试剂BINAL-H[2]。其合成方法为：将LAH与等摩尔量的光学纯(S)-或(R)-联萘酚、简单醇(R′OH)[3]混合后原位生成新的手性氢化试剂(S)-BINAL-H(1)简称为(S)-1或(R)- BINAL-H(1)简称为(R)-1，该试剂能够高光学产率地还原许多羰基化合物。

1 BINAL-H对烷基芳基酮类化合物的还原

研究BINAL-H对苯乙酮的还原过程发现不对称诱导的敏感性与程度受R′O基性质的影响很大，通常简单烷氧基如CH3O或C2H5O就可以表现出高的对映选择性且光学产率随着反应温度的降低而增加[4]。如：-78℃，当(R′O = C2H5O) 时，光学产率值高达95%。一般情况下为了快速、高光学产率地完成反应，需要2-3eq.还原剂1。表1列出了用还原剂1还原一系列烷基苯基酮所得产物的化学产率、光学纯度以及相对应产物的构型。产物醇的光学纯度经由旋光值，1HNMR以及HPLC等测定。在一些例子中不对称还原显示了相当高的选择性，对映位面的选择实际上是完全的。尽管立体选择性程度依赖于羰基上所连接的烷基取代基，但一般来说用(R)-1优先给出R构型为主的产物醇，用(S)-1优先给出S构型为主的产物醇。

Table 1：用BINAL-H(R′O = C2H5O)对映选择性还原芳香酮a

KetoneBinaphtholconfign inBINAL-HbCarbinolproductyield,%ChemicalOpticalpurity,%eeConfign.C6H5COCH3R6195RC6H5COC2H5S6298SC6H5CO-n-C3H7S78100SC6H5CO-n-C4H9S64100SC6H5COCH(CH3)2S6871SC6H5COC(CH3)3R80b44Rα-TetraloneR91c62R

反应条件a: THF, 3eq. 1, -100℃ 2-3h然后-78℃ 16h; b: 25℃ 12h; c: -50℃ 6h然后20℃ 16h.

2 BINAL-H对乙炔酮类化合物的还原

以THF为溶剂，用手性BINAL-H试剂1(R′O =CH3O或 C2H5O)为还原剂还原乙炔酮类化合物4，可以高化学产率和光学产率地制备相应的醇5。表2中列出了用还原剂1还原一系列乙炔酮类化合物所得产物的化学产率、光学纯度以及相对应产物的构型。酮羰基上连接乙炔基与取代的长链炔基具有同样的性质。(S)-1还原剂倾向于给出S构型的炔丙醇为主要产物，而(R)-1还原剂倾向于给出R构型的炔丙醇为主要产物。

Table 2：用BINAL-H对映选择性还原乙炔酮a

KetoneBinaphtholconfign inBINAL-HbCarbinolproductyield,%ChemicalOpticalpurity,%eeConfign.HC≡CCO-n-C5C11S8784SHC≡CCO-n-C5C11Sb7184SHC≡CCO-n-C8C17S8096SHC≡CCO-n-C8C17Sb7490SHC≡CCO-n-C11C23S9092SHC≡CCOCH(C3)2S8457Sn-C4H9C≡CCOCH3R7984Rn-C4H9C≡CCO-n-C5H11S8590S

反应条件为a: THF, 3eq. 1(R′O =CH3O), -100℃ 1h然后-78℃ 2h; b: 1(R′O =C2H5O).

上述对映选择性还原法获得的手性炔丙醇是重要的有机合成中间体，可以应用到某些昆虫信息素的不对称合成上。如：用(R)-1(R′O =CH3O)试剂还原取代的炔基酮6，以80%的产率，85% ee值得到光学纯的醇(R)-7，在对甲基苯磺酸催化下，醇(R)-7发生内酯化，随后用Lindlar催化剂催化氢化可以不对称的合成日本金龟子性息素(R)-8。用(S)-1(R′O =CH3O)还原炔酮9，以80%的产率，87% ee值得到光学活性的醇(S)-10，随后经过二酰亚胺还原，再经酸催化内酯化，得到左旋隐翅虫性息素(S)-11。

3 BINAL-H对烷基烯基酮类化合物的选择性还原

在THF中，用手性BINAL-H还原简单烷基烯基酮类化合物12，可以立体选择性的方式得到对映体大大过量的烯丙醇类化合物13。当底物为乙烯酮(12，R1= H)时，得到不需要的1,4-还原产物。共轭二烯酮，β-紫罗兰酮用(S)-1为还原剂进行还原，NMR分析基本上定量得到(S)-β-紫罗兰醇。表3中列出了用还原剂1还原一系列烷基烯基酮类化合物所得产物的化学产率、光学纯度以及相对应产物的构型。

Table 3：用BINAL-H对映选择性还原烷基烯基酮类化合物(R′O =C2H5O)a

KetoneBinaphtholconfign inBINAL-HbCarbinolproductyield,%ChemicalOpticalpurity,%eeConfign.(E)-n-C4H9CH=CHCOCH3R7379R(E)-n-C4H9CH=CHCO-n-C5H11R8591R(E)-cyclo-C5H9CH=CHCO-n-C5H11R9192Rβ-IononeS87100S

反应条件为a: THF, 3eq. 1(R′O =C2H5O), -100℃ 1h然后-78℃ 2-4h.

手性BINAL-H试剂对前列腺素(PG)的合成也是极其有用的，这种方法能够从相应的酮底物选择性的得到15S的天然构型产物[5]。低温下用(S)-1(R′O =C2H5O)还原剂还原α，β-不饱和酮14-16，拥有15S绝对构型的烯丙醇17-19就可以以极高的立体选择性得到(ee值大于99%)。并且这一还原过程不受11-羟基保护基性质的影响，也不受羟基是否被保护的影响。如：11-位未被保护的烯酮化合物16，专一性的给出了15S构型的醇19。还原单环底物20专一性地得到PGF2α的衍生物21。用(S)-1还原剂还原前手性烯酮12(R1= 环戊烯，R2= 正戊基)给出两个对映异构体的产率比为(S)-13/(R)-13 = 96/4，明显地，用(S)-1还原剂还原带有手性环戊烷单元的烯酮15显示了明显的S对映体过量(S/R=99.5/0.5)，如果使用(R)-1还原剂还原则得到对映体选择性减少的产物(S/R=32/68)。因此通过研究光学PG中间体的合成过程发现，这类反应的立体选择性似乎是“双立体识别”结果的产物。

这种方法也可以用来方便的制备共轭加成反应中的构建砌块。用(S)-1(R′O =C2H5O)对应选择性还原卤代乙烯基酮22和23，高光学纯度地得到相应的S构型醇24与25。更进一步，用这种方法可以制备手性环戊烯酮。-100℃时，将1.5eq. (S)-1(R′O =C2H5O)与环戊二烯酮26混合，迅速发生反应以60%的产率、94% ee值得到(R)-27。因此这些手性中间体的组合可以制备具有11R,15S立体构型的PG衍生物[6]。

4 BINAL-H对1-氘代醛的选择性还原

-100℃时，在THF中，用3eq.(S)-1(R′O =C2H5O)还原1-氘代香叶醛28，以91%的产率、91%(旋光值)或84%(NMR)的光学纯度得到S-(+)-1-氘代香叶醇29[7], 类似的不对称还原方法也可以应用到其它光学纯的、氘代标记伯醇的合成上，如：橙花醇、法尼醇和苄醇等。具体结果总结与表4中。

Table 4：用BINAL-H对映选择性还原氘代标记的醛类化合物(R′O =C2H5O)a

KetoneBinaphtholconfign inBINAL-HbCarbinolproductyield,%ChemicalOpticalpurity,%eeConfign.Geranial-1-dS9191 or 84SNeral-1-dS9072S(E,F)-Farnesal-1-dR9188R(Z,E)-Farnesal-1-dR9382RBenzaldehyde-α-dR7582R

反应条件为a: THF, 3eq. 1(R’O =C2H5O), -100℃ 2-3h.

5 BINAL-H对二烷基铜的选择性还原

BINAL-H试剂对二烷基铜的选择性还原不是十分有效，例如，苄基甲基酮与3eq.(S)-1(R′O =C2H5O)(THF, -100℃ 2h然后-78℃ 16h)以71%的产率、13% ee值得到(S)-1-苯基-2-丙醇；用(R)-1(R′O =C2H5O)与2-辛酮反应，以67%的产率、24% ee值得到(S)-2-辛醇。

6 BINAL-H选择性还原的机理解释

用BINAL-H试剂对简单前手性羰基化合物29(Un=苯基、烯基、炔基；R=烷基、氢)还原时发现，羰基所连的取代基苯基、烯基、炔基在新手性中心的形成过程中起了相同的导向作用，即用还原剂(S)-1(R′O =简单烷氧基)优先得到S构型的醇而用(R)-1优先得到R构型的醇，这种动力学优先的性质主要与羰基所连基团(Un 与R)的电子性质有关。

〔参考文献〕

[1]J. D. Morrison and H.S. Mosher, Asymmetric Organic Reactions[M]. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ,1971; D. Valentine and J. W. Scott.Asymmetric synthesis[J].Synthesis,1978:329-356; J. W. ApSimon and R. P. Seguin.Recent advances in asymmetric synthesis[J].Tetrahedron,1979,(35):2797-2842.

[2]A. Miyashita, A. Yasuda, H. Takaya, K. Toriumi, T. Ito, T. Souchi and R..Noyori,Synthesis of 2,2'-bis(diphenylphosphino)-1,1'-binaphthyl(BINAP),an atropisomeric chiral bis(triaryl)phosphine, and its use in the rhodium(I)-catalyzed asymmetric hydrogenation of α-(acylamino)acrylic acids[J].J. Am. Chem. Soc.,1980,(102): 7932-7934.

[3]R. Noyori, I. Tomino and Y. Tanimoto.Virtually complete enantioface differentiation in carbonyl group reduction by a complex aluminum hydride reagent[J].J. Am. Chem. Soc.,1979,(101): 3129-3131.

[4]M. Nishizawa, M. Yamada and R.Noyori.Highly enantioselective reduction of alkynyl ketones by a binaphthol-modified aluminum hydride reagent. Asymmetric synthesis of some insect pheromones[J]. Tetrahedron Lett.,1981,(22):247-250.

[5]R. Noyori, I. Tomino and M. Nishizawa.A Highly efficient synthesis of prostaglandin intermediates possessing the 15S configuration[J]. J. Am. Chem. Soc.,1979,(101):5843-5844.

[6]R. Noyori.Organic Synthesis-Today and Tomorrow[M].London:Pergamon Press,1981.

[7]M. Nishizawa and R. Noyori.Asymmetric synthesis of chiral geraniol-1-d and related terpenic alcohols[J].Tetrahedron Lett.,1980,(21):2821-2824.