手性拆分

作者前言

有次同事问我手性拆分的问题，当时按照教科书解释了一番（主要是针对消旋体性质问题：教科书上解释对映异构体的物理性质是一样的，如果重结晶的话会一起结晶出来）。后来接触了更多的手性拆分问题，才知道自己是井底之蛙，只知其一，不知其二。特别是前一段时间，我小组的一位同事通过普通的溶剂重结晶来提高ee值，当时觉得很奇怪，多看看这方面的实践文章才知道有一些其他理论来解释这个问题。特和大家一起分享：直接结晶法来拆分手性化合物。 其他方法我慢慢再叙。（

手性药物的结晶拆分方法－－直接结晶法－－－逆向结晶法

在优先结晶法中，通过加入不溶的添加物即晶种形成晶核，加快或促进与之晶型或立体构型相同的对映异构体结晶的生长。而逆向结晶法则是在外消旋体的饱和溶液中加入可溶性某一种构型的异构体[如(R)—异构体]，添加的(R)—异构体就会吸附到外消旋体溶液中的同种构型异构体结晶体的表面，从而抑制了这种异构体结晶的继续生长，而外消旋体溶液中相反构型的（S）—异构体结晶速度就会加快，从而形成结晶析出。例如在外消旋的酒石酸钠铵盐的水溶液中溶入少量的(S)—（—）—苹果酸钠铵或(S)—（—）—天冬酰胺时，可从溶液中结晶得到(R，R)—(十)—酒石酸钠铵。

逆向结晶中的添加物必须和溶液中的化合物在结构和构型上有相关之处。这样所添加的物质才能嵌入生长晶体的晶格中，取代其正常的晶格组分并能阻止该晶体的生长。逆向结晶是一种晶体生长的动力学现象，添加物的加入造成了结晶速度上的差别。由于逆向结晶是晶体生长的动力学的现象，因此当结晶时间无限制的延长下之，最终得到的仍是外消旋的晶体。从化合物的性质上来看，逆向结晶只能用于能形成聚集体的化合物。在结晶法的拆分过程中，若能将优先结晶法中“加入某种单—对映异构体晶体可诱导相同构型结晶生长”的原理和逆向结晶中“加入另一个对映异构体溶液可抑制相同构型的对映异构体生长”的原理相结合，可使结晶拆分的效率大大提高 手性药物的结晶拆分方法－－直接结晶法－－－优先结晶法

优先结晶方法(preferential crystallization)是在饱和或过饱和的外消旋体溶液中加入一个对映异构体的晶种，使该对映异构体稍稍过量因而造成不对称环境，结晶就会按非稍的过程进行，这样旋光性与该晶种相同的异构体就会从溶液中结晶出来。 优先结晶方法是在巴士德的研究基础上发现的。文献最早报道的优先结晶方法是用于肾上腺素的拆分。1934年Duschinsky第一次用该方法分离得到盐酸组氨酸，使人们认识到该方法的实用性。但直到1963年工业化学家Secor对该方法进行综述后，才引起人们关注并逐渐发展成为众所周知的科学实用方法。Secor根据优先结晶法是聚集物的结晶的原理，可用其溶解度曲线的相图来进行结晶分离过程的分析。 20世纪60~70年代，优先结晶方法在工业生产上大规模的用于由丙烯腈制备L—谷氨酸的拆分，每年的产量可达1．3万吨。这一技术不仅在工业生产上有非常显著的应用价值，在'实验室也可用于拆分数克到数十克的光学活性的化合物。应当指出的是，优先结晶方法仅适用于拆分能形成聚集体的外消旋体，而且该聚集体是稳定的结晶形式。换句话讲，假若该外消旋体可以是以聚集物或外消旋化合物的形式存在，但在某一定的温度范围内，只可以以聚集物的形式结晶出来，而刁；是产生外消旋化合物的结晶。例如盐酸组氨酸在45℃以上温度进行的优先结晶拆分。减肥药物芬氟拉明(fenfluramine，6)及其前体去乙基芬氟拉明(7)的拆分研究说明了优先结晶拆分的局限性。在对(6)和(7)与非手性的有机酸形成的50多个盐进行聚集物性质研究时，发现只有五个(6)的盐和三个(7)的盐是聚集体，但其中有两个盐不能使用优先结晶法结晶，这两个盐是(6)的苯氧乙酸盐和(7)的二氯乙酸盐。(6)的苯氧乙酸盐在室温下以不稳定的聚集体和稳定的外消旋化合物的形式发生共结晶，而(7)的二氯乙酸盐在结晶过程中会发生异手性(heterochiral growth)生长，即—种对映异构体的晶体生长在另一种异构体晶体的表面，得到

晶体的光学纯度很低。 聚集体通常在一定的温度范围内是稳定的，一旦超过该温度范围则叫咱S形成聚集体的亚稳态的形式，这种亚稳态的形式也可以用优先结晶的方法拆分，但得到的将是亚稳态多晶型的形式。例如盐酸组氨酸在25℃时的结晶。 也有些化合物，例如外消旋的3—(3—氯苯基)—3—羟基丙酸(8)，可以形成热力学稳定的聚旧体的形式，但在溶剂中结晶时总是生成亚稳态的外消旋化合物，而且该外消旋化合物的溶解度约是其对映异构体的7倍，这种情况难以用优先结晶法进行结晶。 优先结晶法是一种高效、简单而又快捷的拆分方法，晶种的加入造成两个对映异构体具有不同的结晶速率是该动态过程控制的关键。延长结晶时间可提高产品的产率，但产品的光学纯度有所下降。从优先结晶法中得到晶体后，如要进一步提高产物的光学纯度，可经过反复的重结晶实现。

在实际应用过程中，尤其在工、限生产过程中，利用优先结晶方法的特点进行循环往复的结晶分离。这一方法从20世纪50年代起用于抗生素氯霉素(chloramphenicol，9)的中间体D—苏型?1—对硝基苯基—2—氨基—1，3—丙二醇(10)的拆分，至今工业生产中仍然在使用。循环优先结晶方法又称为“交*诱导结晶拆分法”。拆分时，先将外消旋的D,L—苏型—1—对硝基苯基—2—氨基—1，3—内二醇(俗称氨基醇)制成过饱和溶液，向过饱和溶液中加入其中任何一种较纯的旋光体结晶(如右旋氨基醇)作为晶种，通过冷却使右旋体析出，析出的右旋体远远大于所加入的右旋体的量，迅速进行分离得到光学纯的右旋氨基醇。由于右旋体的大量析出，使溶液中左旋体的量多于右旋体，再往溶液中加入外消旋的氨基醇使其成为过饱和溶液，重复如前的操作，则可得到大量的左旋体的氨基醇。如此可交*循环拆分多次。

工业上利用循环优先结晶方法进行拆分的应用实例还有，如抗高血压药物L—甲基多巴(methyldopa，11)，默克(Merck)公司用甲基多巴的硫酸氢盐通过优先结晶拆分法进行大规模生产；另一方面，甲基多巴拆分后的无效对映异构体D—甲基多巴需经过消旋化转变成外消旋的下基多巴，其转变后的中间体α—乙酰氨基—α—香草墓丙腈(12)也是通过优先结晶拆分法进行拆分。优先结晶方法还广泛地用于氨基酸的拆分，通常先将氨基酸转化为钠盐、盐酸或硫酸盐再进行拆分。其他应用优先结晶方法的例子还有氢化苯偶姻的拆分等。

优先拆分法效率的高低可用拆分指数(resolution index，R1)来进行计价。拆分指数定义为：所得拆分产物的质量(以纯对映开构体计算W产物)与该对映异构体最初时过量（E过量） RI=[W产物×ep—W晶种]／E过量

其中，ep为对映体纯度(enantiomeric purity)，等同于e．e．。当RI=1时，只相当于回收了所有过量加入的对映异构体；只有当RI≥1时，才能认为优先结晶拆分是有效率的。

影响优先结晶拆分的因素有以下几点。

①外消旋体的盐(如盐酸盐、硫酸盐等)比形成共价外消旋体更容易通过优先结晶法拆分。 ②溶解度比(ax = SR／SA，SR和SA分别为外消旋体和一种对映异构体的溶解度)小于2时比大于2更有利于优先结晶法拆分。因为当外消旋体的溶解度小于对映异构体的溶解度时，可扩大溶解度曲线图中可用于优先结晶的区域。

③适当的搅拌速度对促进晶体的生长有利，但若一味地提高搅拌速度会使所不期望的对映异构体也自发的成核结晶析出，降低了产品的光学纯度。 ④所使用晶种的颗粒大小和组成必须均。

⑤尽可能减少溶液中存在的其他粒子和颗粒，以免成为所不期望的晶核影响结晶。

手性药物的结晶拆分方法－－直接结晶法－－－自发结晶拆分法

自发结晶拆分(spontaneous resolution)是指当外消旋体在结晶的过程中， 自发的形成聚集体。这种结晶方式是在平衡条件下进行的，不管是在慢速结晶条件还是加晶种诱导的快速结晶条件下，两个对映异构体都以对映结晶的形式等量地自发析出。由于形成的聚集体结晶是对映

结晶，结晶体之间也是互为镜像的关系，可用人工的方法将两个对映体分开。最早巴士德报道的拆分方法就是这种方法。 自发结晶方法的先决条件是外消旋体必须能形成聚集体，这样才能利用所生成的结晶体之间互为镜像的关系而将其拆分。但在实际情况下，大概只有5％—10％的有机化合物能形成聚集体。为了能增加生成这种聚集体的可能性，叮将非聚集体的化合物通过衍生化的方法(通常是使其成盐)转变成具有聚集体的特性，，对于在常温条件下为液态的化合物也可以采用这样的方法将其转变为具有聚集体性质的固体。例如将e-苯乙胺(1)生成硫酸盐(3)或与肉桂酸生成盐(4)，将α—苯乙醇(2)和3，5—二硝基苯甲酸形成酯(5)可得到具有聚集体性质的固体。然而自发结晶的方法要求所生成的结晶必须要有一定的形状，否则无法分离，其应明显然有极大的局限性，故很少使用。但是若在这种能生成聚集体的溶液中加入某一纯的对映异构体晶种，使其平衡的结晶过程变为非平衡过程，叮使该对映异构体优先结晶析出，这引是优先结晶方法。

外消旋体的不对称转化和结晶拆分

在外消旋体的拆分中，假若其中某一个对映异构体被100％的拆分出来，其拆分的产率最高也只能达到50％，而另外一半的对映异构体将成为废物被浪费掉。实际应用中常将所不需要的构型的化合物进行外消旋化，以便继续拆分和利用。如果将拆分和外消旋化的过程同时进行，则一次就可以拆分得到超过50％产率的对映异构体，也有称之为动态动力学拆分。

外消旋体的不对称转化有两种情况。一级不对称转化指在外部手性试剂的作用下，溶液中对映异构体之间的平衡发生移动，产生非等量的关系，形成外消旋体的不对称转化和结晶拆分。这种转化通常发生在非对映异构体之间，将在后面的内容中加以叙述。二级不对称转化指在平衡混合物中，其十一个对映异构体自发缓慢的结晶或加入纯对映异构体晶种结晶时，由于其结晶速度比平衡速度慢，则溶液中的平衡不断被打破，形成外消旋体的不对称转。化和结晶拆分。这种情况又被称为“结晶诱导的不对称转化”，是将外消旋体转变成单一纯对映异构体(图6-5)。

最早使用该方法的例子是外消旋体季铵盐(13)的拆分。将(13)的氯仿溶液在室温下让具缓慢自发结晶数个月后，得到一个对映异构纯的晶体，而结晶后的母液仍保持外消旋的性质。因为在该溶液中所剩的某种对映异构体发生消旋化所致。

外消旋体的不对称转化和结晶拆分相结合的方法最适合用于a—3性碳原子上含有H原子的羰基化合物。在碱性条件下，羰基α—手性碳原子上的H原子通过烯醇化发生外消旋。例如，对甲氧基苯基苄酮(14)在碱性条件下可发生外消旋体的不对称转化。植物生长调节素(paclobutraz01)的前体酮(15)的不对称转化和结晶也是利用碱性条件的作用。

非甾体抗炎药物萘普生(naproxen)的不对称转化和拆分则是在熔融条件下进行的。将萘普生甲酯(16)和甲醇钠在70℃下熔融，快速冷却至67℃加入（+）—萘普生甲酯的晶种使其结晶，可得到87％产率的（+）—萘普生甲酯。（+）—萘普生甲酯是一个聚集体，其中一个对映异构体单体的结晶将同时伴随着另一个对映异构体的消旋化。使用萘普生的乙胺盐溶液也可以得到同样的结果，拆分的收率可达到90％。