キラル誘導体化剤

分析化学において、キラル誘導体化剤（CDA ）はキラル分割試薬とも呼ばれ、存在する各エナンチオマーの量を分析し、サンプルの光学純度を決定するために、エナンチオマーの混合物をジアステレオマーに変換するために使用されるキラル補助剤である誘導体化試薬です。分析は、分光法またはクロマトグラフィーによって行うことができます。HPLCやNMRなどの一部の分析技術は、最も一般的な形式では、サンプル内のエナンチオマーを区別することはできませんが、ジアステレオマーを区別することはできます。したがって、エナンチオマーの混合物を対応するジアステレオマーの混合物に変換することで、分析が可能になります。キラル HPLCの普及に伴い、キラル誘導体化剤の使用は減少しています。分析の他に、キラル誘導体化は、エナンチオマーの実際の物理的分離である キラル分割にも使用されます。

NMR分光法が化学者に利用可能になって以来、この技術の応用に関する研究は数多く行われてきました。これらの研究の1つは、 2つのジアステレオマーの化学シフト（つまり、ピーク間の距離）の差に注目したものでした。^[1]逆に、エナンチオマーである2つの化合物は、同じNMRスペクトル特性を持っています。エナンチオマーの混合物を、それ自体がキラルな別の化学物質と結合させることでジアステレオマーの混合物に変換できれば、NMRを使用してこの新しい混合物を区別し、元のエナンチオマー混合物について学ぶことができると推論されました。この技術の最初の一般的な例は、1969年にHarry S. Mosherによって発表されました。使用されたキラル剤は、モッシャー酸としても知られるMTPA（α-メトキシ-α-（トリフルオロメチル）フェニル酢酸）の単一のエナンチオマーでした。^[2]対応する酸塩化物はモッシャーの酸塩化物とも呼ばれ、得られたジアステレオマーエステルはモッシャーのエステルとして知られています。もう一つのシステムは1977年に開発されたピルクルアルコールです。

CDAの一般的な使用と設計は、CDAが分析物の立体化学を効果的に決定できるように、以下の規則に従います。^[3]

1. CDA はエナンチオマー的に純粋であるか、または（あまり満足のいくものではないが）そのエナンチオマー純度が正確に分かっている必要があります。
2. CDA と両方のエナンチオマーとの反応は、反応条件下で完了するはずです。これにより、速度論的分解によって分析対象物の一方のエナンチオマーが濃縮または減少するのを回避できます。
3. CDA は、誘導体化または分析条件下でラセミ化してはなりません。CDA の結合は、基質もラセミ化しないように十分に穏やかでなければなりません。分析が HPLC によって完了する場合、CDA には検出性を高めるために発色団が含まれている必要があります。
4. 分析が NMR によって完了する場合、CDA には、結果として得られる NMR スペクトルでシングレットを生成する官能基が含まれている必要があり、そのシングレットは他のピークから離れている必要があります。

モッシャー酸は、酸塩化物誘導体を介してアルコールやアミンと容易に反応し、それぞれエステルやアミドを生成する。酸にαプロトンがないため、反応条件下での立体化学的忠実性が失われることはない。したがって、鏡像異性的に純粋なモッシャー酸を使用することで、単純なキラルなアミンやアルコールの配置を決定することができる。^[4] 例えば、1-フェニルエタノールの( R )-および( S )-鏡像異性体は、( S )-モッシャー酸塩化物と反応して、それぞれNMRで区別できる( R , S )-および( S , S )-ジアステレオマーを生成する。^[5]

新しいキラル誘導体化剤（CDA）であるα-シアノ-α-フルオロ（2-ナフチル）酢酸（2-CFNA）は、ラセミ2-CFNAメチルエステルのキラルHPLC分離によって光学的に純粋な形で調製されました。このエステルは、メチルα-シアノ（2-ナフチル）酢酸をFClO3でフッ素化することによって得られました。2-CFNAは、第一級アルコールのエナンチオマー過剰率を決定するためのモッシャー試薬よりも優れたCDAであることが示されています。 ^[6]

CDA と標的分析物との反応後、クロマトグラフィーを使用して生成物を分離することができます。一般的に、クロマトグラフィーはキラル化合物を分離して困難な結晶化を回避したり、溶液中のすべてのジアステレオマーペアを収集したりするために使用できます。クロマトグラフィーには多くのバリエーション（HPLC、ガスクロマトグラフィー、フラッシュクロマトグラフィーなど）があり、さまざまなカテゴリの分子に幅広く適用できます。CDA がキラル分子を分離する能力は、クロマトグラフィーの 2 つの主要なメカニズムに依存しています。^[7]

1. 移動相における溶媒和の差異
2. 固定相への差動吸着

ヘルムヘンの公理^{[8] [9]} は、表面に吸着したジアステレオマー（CDAから形成されたものを含む）の溶出順序と分離の程度を予測するために使用される理論モデルです。ヘルムヘンの公理は液体クロマトグラフィーを使用したシリカゲル上のアミドに特有のものですが、他の分子にも基本的なガイドラインを提供します。ヘルムヘンの公理は次のとおりです。

1. 構造は溶液中および吸着時で同じです。
2. ジアステレオマーは主に水素結合によって表面（順相クロマトグラフィーではシリカゲル）に結合します。
3. ジアステレオマーの有意な分離は、分子が 2 つの接触点 (2 つの水素結合) を介してシリカに吸着できる場合にのみ期待されます。この相互作用は置換基によって乱される可能性があります。
4. アルファ炭素 (R2) と窒素 (R1) にかさ高い置換基を持つジアステレオマーは、表面との水素結合を遮蔽できるため、その分子はより小さな置換基を持つ類似の分子よりも先に溶出されます。

ヘルムヘンの原理は、カルバメート^[7] 、エステル^[10]、エポキシド^[11]などの他の官能基にも適用できることが証明されています。

固定相はCDAと反応してキラル固定相を形成し、キラル分子を分離することができます。 ^[12] CDAはケイ酸塩固定相上のアルコールと反応することで固定相にキラル中心を追加し、キラル分子の分離を可能にします。

CDA は、NMR 分光分析とともに使用され、基質の鏡像異性体過剰率と絶対配置を決定します。キラル識別剤は、キラル溶媒和剤 (CSA) と区別することが難しい場合があり、一部の剤は両方として使用できます。基質と金属中心の間の交換速度は、化合物を CDA として使用するか CSA として使用するかを区別する最も重要な決定要因です。一般に、CDA は交換が遅いのに対し、CSA は交換が速いです。^[13] CDA は、基質と補助試薬への共有結合により、より立体配座の剛性が高い種が生成され、NMR スペクトルでより大きな違いが生じるため、絶対配置を決定するために CSA よりも広く使用されています。^[14] CDA と CSA を併用してキラル認識を向上させることができますが、これは一般的ではありません。

EuFOD、ピルクルアルコール、TRISPHATなどのNMRシフト試薬は、シフト試薬と分析サンプルとの間のジアステレオマー複合体の形成を利用している。^[15]

NMR分光法でCDAを使用する際に考慮すべき主な懸念事項は、速度論的分解能、誘導体化反応中のラセミ化、および試薬が100%の光学純度を持つ必要があることです。速度論的分解能は光学純度を決定する際に特に重要ですが、CDAが光学的に純粋な基質の絶対配置を割り当てるために使用される場合、速度論的分解能はやや無視できます。 ^[13]速度論的分解能は、CDAを過剰に使用することで克服できます。^[16]ラセミ化はCDAと基質のどちらにも発生する可能性があり、どちらの場合も結果に大きな影響を与える可能性があります。

NMR 分析の 2 つの基本的な方法は、単一誘導体化と二重誘導体化です。二重誘導体化の方が一般的にはより正確であると考えられていますが、単一誘導体化では通常、必要な試薬が少なくなるため、よりコスト効率が高くなります。

室温での基質とCDAの反応から生成される生成物のNMRスペクトルを次のいずれかと比較する：^[14]

基質のエナンチオマーがCDAの2つのエナンチオマーで誘導体化されるか、基質の両方のエナンチオマーがCDAの1つのエナンチオマーで誘導体化される。どちらの場合も2つのジアステレオマーが形成され、それらの核の化学シフトが評価されて基質の配置が割り当てられる。^[16]

^{キラル化合物を識別}する際に最も一般的に使用されるNMR技術は、¹ H-NMR、¹⁹ F-NMR、および¹³ C-NMRである。1 H-NMRは絶対配置を割り当てるために使用される主な技術である。19 ^F -NMRは光学純度の研究にほぼ独占的に適用され、¹³ C-NMRは主に非対称炭素原子に直接結合したプロトンを持たない基質の特性評価に使用されます。^[14]