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手性化合物制备与拆分技术优化方法

【摘要】:手性是构成生命世界的重要基础,由生物体产生的天然有机化合物,大多为有旋光性的手性分子,这是生物体内生化反应的立体专一性所致。非手性条件,一般反应所得的手性化合物为等量对映异构体组成的外消旋体,而对映异构体一般具有相同的物理性质,不能用重结晶、分馏、萃取及常规色谱法分离,必须用拆分的方法。

分子中原子的空间排列方式在有机化学中起着重要作用。立体异构是指构成分子的原子在空间排列不同所产生的异构,是常见且重要的一种异构形式。对映异构体对偏振光具有不同的作用,一个可使偏振光向右偏转一定角度,另一个则向左,这种立体异构现象我们称为旋光异构(即对映异构)。当分子中存在不对称因素,原子的空间排列不同,不能相互重叠,而互成镜像与实物关系,这种现象即为对映异构,也称为手性。手性是构成生命世界的重要基础,由生物体产生的天然有机化合物,大多为有旋光性的手性分子,这是生物体内生化反应的立体专一性所致。而手性化合物的合成则是合成化学家为创造有功能价值物质(如手性医药、农药、香料、液晶等)所面临的挑战,因此手性合成已经成为当前有机化学研究的热点和前沿领域之一。

非手性条件,一般反应所得的手性化合物为等量对映异构体组成的外消旋体,而对映异构体一般具有相同的物理性质,不能用重结晶、分馏、萃取及常规色谱法分离,必须用拆分的方法。将对映异构体分离的过程称为拆分(resolution)。早在1848年,Louis Pasteur首次利用物理方法,拆开了一对光学活性酒石酸晶体,由此揭开对映异构现象,显然,这种方法不适用于大多数外消旋化合物的拆分。拆分外消旋体最常用的方法是利用化学反应将对映异构体转变为非对映异构体。若手性化合物分子中含有易于反应的官能团,如羧基、氨基等,就可以使其与一个光学纯化合物(拆分剂)反应,将一对对映异构体转化为两种非对映异构体,而非对映异构体通常具有不同的物理性质,如溶解性、结晶性等,故可利用结晶等方法将其分离,然后再去掉拆分剂,即可获得纯的旋光化合物,以达到拆分目的。好的拆分剂应具备以下特点:

(1)易与外消旋体形成非对映异构体,且易除去。

(2)形成的非对映异构体在常用溶剂中的溶解度有显著差别,其中一种能析出良好的晶体。

(3)价廉易得或拆分后回收率高。

(4)光学纯度高且化学性质稳定。

实际工作中,获得光学纯单一对映体并不容易,往往需要冗长的拆分操作和反复的重结晶才能实现。拆分所得旋光异构体可用旋光仪测定纯度。拆分酸性外消旋体,常用旋光性生物碱,如(-)-麻黄碱、(-)-马钱子碱、奎宁等;拆分碱性外消旋体,常用旋光性酸,如酒石酸、樟脑-β-磺酸等。除物理和化学拆分法外,还有生物化学拆分法,即利用酶对底物严格的空间专一性达到拆分目的;分子复合物拆分法:某些具有特定空间结构和形态的拆分剂如环糊精、尿素等,能选择性地与外消旋体中一种对映体形成容易拆解的分子复合物;色谱拆分法:利用手性化合物如淀粉、石英粉等作为色谱柱的固定相,使外消旋体被拆分为单个对映体。高效液相色谱(HPLC)手性分离技术,已能使外消旋体的拆分和分离实现程序化和自动化。

除了手性拆分法,不对称催化合成是获得光学物质最有效的手段之一,使用很少量的光学纯催化剂就可以产生大量所需的手性物质,且可以避免无用的对映异构体的生成,因此它又符合绿色化学的要求。