（应用化学专业论文）具有手性轴的螺环化合物的合成与拆分.pdf

摘要 手性化合物在农药、激素、食品添加剂、具有生理活性的氨基酸和醇类、尤其在医 药行业等方面得到了越来越广泛的应用。2 0 世纪9 0 年代以来，手性药物的研发已成为 世界新药发展的战略方向和热点领域。现行手性药物的合成方法主要有3 种途径：从天 然产物中提取手性药物、拆分法分离手性药物、不对称催化合成手性药物。目前应用最 广的是不对称催化合成法，即是利用手性技术来合成手性药物，它也是近期研究最多的 单一手性化合物的合成方法。 本文首先通过苯二甲醛单缩醛或对位取代基苯甲醛与季戊四醇的反应合成了一系 列手性螺环化合物，然后通过高效液相色谱法、结晶法和化学法对其中五种化合物尝试 进行了拆分。共有以下内容： 1 通过对r 基苯甲醛与季戊四醇缩合制备了3 , 9 二( 4 r 基苯基) 2 , 4 ，8 ，1 0 四氧杂螺 环f 5 5 1 十一烷，其中r 为- ( 2 ，2 二氰基) 乙烯基、醛基、甲基、氰基、羧基、羟基、2 ，5 二硫杂环戊烷基，并分析了溶剂、催化剂等条件对反应的影响。 2 利用高效液相色谱法对其中四种螺环化合物进行了尝试拆分，在流动相为正己烷： 异丙醇= 9 8 ：2 的条件下成功分离了3 , 9 二( 4 甲基苯基) 2 ，4 ，8 ，1 0 四氧杂螺环【5 5 】十一烷， 并对其他三种化合物的分离也取得一定成果。 3 利用手性催化剂n 苄基氯化辛可宁对3 , 9 二( 4 氰基苯基) 2 , 4 ，8 ，1 0 四氧杂螺环 【5 5 1 十一烷进行拆分，l 苯乙胺对3 , 9 二( 4 羧基苯基) 2 , 4 ，8 ，1 0 四氧杂螺环【5 5 】十一烷 进行拆分，并分别测定了一种对映异构体的旋光值，对反应机理进行了推测。 4 利用环己二酮单腙芳构化反应，得到芳构化产物，并与季戊四醇缩合通过一锅法 制备了分子内含有潜在的手性螺环单元的树型化合物。 关键词：手性螺环化合物，手性拆分，手性催化剂，旋光度 a b s t r a c t c h i r a l c o m p o u n d sw e r ew i d e l yu s e d i n p e s t i c i d e s ，h o r m o n e ，f o o da d d i t i v e s ，a n d p h y s i o l o g i c a l l ya c t i v ea m i n oa c i d sa n da l c o h o l s ，e s p e c i a l l yi nm e d i c i n e s s i n c et h e1 9 9 0 s ，t h e r e s e a r c ho ft h ec h i r a lp h a r m a c e u t i c a l sh a sb e c o m et h es t r a t e g i cd i r e c t i o na n dh o ta r e ai nt h e d e v e l o p m e n to ft h en e wm e d i c i n e s t h e r ea r em a i n l yt h r e em e t h o d sf o rs y n t h e s i z i n gc h i r a l m e d i c i n e s ：e x t r a c t i o nf r o mn a t u r a lp r o d u c t s ，s e p a r a t i o na n ds y n t h e s i sb ya s y m m e t r i c a l c a t a l y s i s a tp r e s e n tt h em o s tw i d e l yu s e dm e t h o di st h el a s to n e t h a ti st os y n t h e s i z ec h i r a l m e d i c i n e sb yc h i r a lt e c h n i q u e ，w h i c hi st h em o s ts t u d i e dm e t h o df o rp r e p a r i n gs i n g l ec h i r a l c o m p o u n d sr e c e n t l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as e r i e so fc h i r a ls p i r oc o m p o u n d sw e r ep r e p a r e db yc o n t r a p u n t a l s u b s t i t u t e db e n z a l d e h y d ea n dp e n t a e r y t h r i t o l ，a n di nw h i c h5c o m p o u n d sw e r es e p a r a t e db y h p l c ，c r y s t a l l i z i n ga n dc h e m i c a lm e t h o d i tw a s a sf o l l o w ： 1 4 , 4 - ( 2 ，4 ，8 ，1 0 一t e t r a o x a s p i r o 5 5 u n d e c a n e 一3 ，9 一d i y l ) d i b e n z a l d e h y d e a n d7o t h e r s p i r o c o m p o u n d sw e r ep r e p a r e db y 对位s u b s t i t u t e db e n z a l d e h y d ea n dp e n t a e r y t h r i t o l ，a n dt h e e f f e c t so fd i f f e r e n tc o n d i t i o n sl i k es o l v e n t sa n dc a t a l y s tw e r es t u d i e d ； 2 s e p a r a t i o no ff o u rc o m p o u n d sw e r et r i e db yh p l c ，a n d3 , 9 d i p t o l y l - 2 ，4 ，8 ，1 0 - t e t r a o x a s p i r o 5 5 u n d e c a n ew a ss u c c e s s f u l l ys e p a r a t e dw i t ht h e h e x a n ea n di s o - p r o p a n o l ( 9 8 ：2 ) a sm o b i l ep h a s e 3 4 , 4 ( 2 ，4 ，8 ，1 0 - t e t r a o x a s p i r o 5 5 u n d e c a n e - 3 ，9 d i y l ) d i b e n z o n i t r i l e w a s s e p a r a t e db y r e a c t i n gw i t h ( 8 r ，9 s ) - ( + ) 一n - b e n z y l c i n c h o n i nc h l o r i d e ，a n d4 , 4 - ( 2 ，4 ，8 ，1 0 - t e t r a o x a s p i r o 5 5 】 u n d e c a n e 一3 ，9 一d i y l ) d i b e n z o i ca c i dw a ss e p a r a t e db yl - p h e n y l e t h y l a m i n e t h eo p t i c a lr o t a t i o n s w e r em e a s u r e da sw e l l 4 an o v e ld e n d r i m e r9 h , 9 h , 1 1 h , 1 1 h 。1 2 h , 1 2 h - h e x a h y d r o b e n z o 9 ，1 0 - l h ，l h ，3 h , 3 h , 私钍5 h , 5 h , 7 h , 7 h , 8 h , 8 h - d o d e c a h y d r o p h e n a n t h r e n e 一2 ，6 ，1 0 - t r i o n e k e t a l - t r i - ( 4 一( 4 一( 3 ( 9 ( 4 一( 2 , 6 - d i s u l f o - c y c l o h e x y l ) p h e n y l ) ) 一2 ，4 ，8 ，1 0 一t e t r a o x a s p i r o 5 5 】u n d e c y l ) ) p h e n y l 一1 ，1 一( 2 ，6 d i o x a ) c y c l o h e x a n e d i m e t h a n o lw a sc o n v e n i e n t l ys y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o no fh e x a h y d r o b e n z o 【9 ，1 0 】d o d e c a h y d r o p h e n a n t h r e n e 一2 ，6 ，1 0 一t r i o n e k e t a l t r i - 2 ，2 d i h y d r o m e t h y l 一1 ，3 一p r o p a n e d i o l w i t h 4 - ( 4 - ( 3 - ( 9 - ( 4 一( 2 ，6 - d i s u i f o - c y c l o h e x y l ) p h e n y l ) ) 一2 ，4 ，8 ，1 0 一t e t r a o x a - s p i r o 5 5 u n d e c y l ) ) p h e n y l - 1 ，1 - ( 2 ，6 一d i o x a ) c y c l o h e x a n e d i m e t h a n 0 1 k e y w o r d s ：c h i r a ls p i r o - c o m p o u n d ，c h i r a ls e p a r a t i o n ，c h i r a lc a t a l y s i s ，o p t i c a lr a t a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天洼理工大鲎或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：郭金粕 签字日期：7 0 r 9 年 月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰盘至可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：匆垮故 导师签名： 签字日期：加口9 年1 月，乡日签字日期：多以年1 月，多日 第一章绪论 第一章绪论 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 手性化合物的研究进展及意义d e v e l o p m e n ta n ds i g n i f i c a n c e o fc h i r a l c o m p o u n d s 1 1 1 手性及相关内容的定义c h i r a la n dr e l a t i v ed e f i n i t i o n s 1 手性：( 英文名为c h i r a l i t y ，源自希腊文c h e i r ，手或h a n d e d n e s s ) 是指一个物体不能 与其镜中的影像相重合，就如同人的左手与右手，彼此互为实物与镜像的关系而不能重 叠。手性是宇宙界的普遍特征，是自然界的本质属性之一【。 2 手性分子：如果一个分子不能与其镜像重合，该分子就是手性分子。它是能使平面 偏振光发生偏转的光学活性物质。 3 手性化合物1 2 】：化合物分子中原子的排列是三维的，其手性与其空间结构有关。而 由于空间排列方式的差异，它们以不同的方式反射偏振光，故而称为光学活性化合物 ( o p t i c a l l ya c t i v ec o m p o u n d s ) 。这类化合物被称作手性化合物( c h i r a lc o m p o u n d s ) 。 4 手性药物：是指药物的分子结构中存在手性因素，而且由具有药理活性的手性化合 物组成的药物，其中只含有效对映体或者以有效对映体为主。 5 相关定义：( 1 ) 立体异构体、非对映异构体和对映体 立体异构体( s t e r e o i s o m e r s ) 其分子由相同数目和相同类型的原子组成，是具有相 同的连接方式但构型不同的化合物。非对映异构体( d i a s t e r e o i s o m e r s ) 对于分子中具有 两个或多个小对称中心，并且其分子互相不为实物和镜像的立体异构体。例如，d 赤藓 糖和d 苏力糖。常简称为“非对映体”。非对映体也在立体异构体的范畴之内。对映体 ( e n a n t i o m e r s ) 其分子互相为不可重合的实物和镜像的立体异构体。他们的熔点、沸 点、相对密度、折光率、在一般溶剂中的溶解度，以及光谱图等物理性质都相同，但由 于他们对偏振光的作用不同，因而他们的旋光能力相同，但方向相反。等量对映异构体 的混合物没有光学活性，成为外消旋体。如果转化为两个对映体其量不相等，称为部分 消旋化。 ( 2 ) 对映体过量和对映选择性 对映体过量( e n a n t i o m e r i ce x c e s s ，e e ) 在两个对映体( e l 和e 2 ) 的混合物中， 假定e l 的量大于e 2 ，则对映体e l 过量的百分数称为e l 的对映体过量，以e e 表示。 e e = 【( e l e 2 ) ( e 1 + e 2 ) 】x 1 0 0 对映选择性( e n a t i o s e l e c t i v i t y ) 一个化学反应中，产生的某一对映体多于其他对映体 的程度。 第一章绪论 ( 3 ) d l 和d l d 或l 指分子的绝对构型，按照与参照化合物d 或l 甘油醛的绝对构型并通过实验化 学关联来指定，常用于氨基酸或碳水化合物，但最好使用r 和s 来表示。 d 或l 右旋或左旋，按照实验测定，化合物能将单色平面偏振光的平面向顺时针方 向或向逆时针方向旋转而定。应指出的是，化合物的右旋和左旋与该化合物的绝对构型 并无直接的联系。 对映体各有不同的旋光方向，左旋、右旋、外消旋各用( 一) ( + ) ( ) 符号表示。 手性分子的手性标记通常采用r s 序列标记法。对于氨基酸、肽类、糖类、环多元醇及 其衍生物的立体命名，也用d 、l 或俗名表示。手性分子中某个碳原子与4 个不同的原 子或基团连接，它便有一个手性中心，该碳原子称手性碳原子。一个分子含有n 个手性 中心，就含有2 “个异构体，异构体中包括对映体和非对映体。 1 1 2 手性化合物的研究意义s i g n i f i c a n c eo fc h i r a lc o m p o u n d s 1 手性化合物的安全性 当一个手性化合物进入生命体时，它的两个对映异构体通常会表现出不同的生物活 性。药物分子两个对映体或多个对映体表现出不同的药理作用是很正常的，只是以前没 有引起人们的足够重视而已。随着人们对用药安全性的日益重视，手性药物安全性已成 为世界制药工业面临的重大问题之一。 对于手性药物，一个异构体可能是有效的，而另一个异构体可能是无效甚至是有害 的。由于药物分子所作用的受体或靶位是由氨基酸、核苷、膜等组成的手性蛋白质和核 酸大分子等，它们对与其结合的药物分子的空间立体构型( 手性) 有一定的要求。因此， 手性药物的两个对映体往往在生物体内的药理活性、代谢过程、代谢速率及毒性等存在 显著的差异。具体可能存在以下几种情况1 3 j ：( 1 ) 对映体之间有相同或相近的某一活性。 如抗凝血药华法林( w a r f a r i n ) 以外消旋体供药，研究发现其s ( ) 异构体的抗凝血作 用比r ( + ) 体强2 6 倍，但s ( ) 异构体在体内消除率亦比r ( + ) 体大2 5 倍，所 以，实际抗凝血效力相似。( 2 ) 一个对映体具有显著的活性，但其对映体活性很低或无 此活性。一般认为若某一对映体只有外消旋体的1 的药理活性，则可以认为其无活性。 因为这微小的活性可能来源于掺杂于该单一对映体中微量的活性单一对映体。例如氯苯 吡胺( 扑尔敏，c h l o r p h e n i r a m i n e ) 右旋体的抗组胺作用比左旋体强1 0 0 倍。吡酮酸等抗 菌药氧氟沙星( 氟嗪酸o f l o x a c i n ) 的s ( ) 异构体是抗菌活性体，而r ( + ) 异构体 则无活性。( 3 ) 对映体有相同、但强弱程度有差异的某一活性。如氯胺酮( k e t a m i n e ) 是以消旋体上市的麻醉镇痛剂，但具有致幻等副作用，进一步的药理研究证实( s ) 异 构体活性是( r ) 异构体的三分之一，却伴随着较强的副作用。( 4 ) 对映体具有不同性 质的药理活性，可以分几种情况来讨论：a 对映体的不同活性，可起到“取长补短、相 辅相成”的作用；b 对映体存在不同性质的活性，可开发成2 个药物；c 一个对映体具 有疗效，而其对映体产生副作用或毒性。青霉胺( p e n i c i l l a m i n e ) 的d 型体是代谢性疾 病和铅、汞等重会属中毒的良好治疗剂，但它的l 厂型体会导致骨髓损伤，嗅觉和视觉衰 第一章绪论 退以及过敏反应等。临床上只能用d 青霉胺。如沙利度胺( t h a l i d o m i d e ，俗名反应停) ， 它的( r ) 异构体对孕妇有镇静作用，可是( s ) 异构体有严重的致畸作用，该药曾经 造成数以千计的畸型胎儿，药物发展史上的最大悲剧。d 对映体具有相反的活性。巴 比妥类药物的对映体对中枢神经系统发生相反的作用，如1 甲基5 苯基5 丙基巴比土 酸，其( r ) 异构体有镇静、催眠活性，而( s ) 异构体引起惊厥。 从以上可以看出，有几种情况都会造成用药的不安全。所以，人们不得不对手性药 物的安全性特别重视。1 9 7 2 年夏天，美国f d a 发布了人们期待已久的有关手性药物的 指导原则，这将对手性药物的发展起到重大的促进作用。f d a 规定，对手性药物的每一 个对映体都必须验明正身，新药审批必须给出每个对映体药物的化学、药理学、毒理学 及临床医学各种数据。欧共体国家及日本、加拿大等国随后也规定了类似的法规1 4 圳。 2 手性药物设计合理性 实际上，手性药物在体内的情况要复杂得多。例如对映体之间会相互转化，吸收和 代谢的速率也不一样。事实表明，单一对映体药物的研制和生产在临床上非常重要。 在药理学上，服用单一对映体的手性药物可减少剂量和代谢负担，提高剂量的幅度 并拓宽用途，对药物动力学及剂量能有更好的控制。在剂量设定时幅度更宽、反应较小； 在剂量选择时更有信心。单一对映体的手性药物可减少与其他药物的相互作用、提高活 性并减少剂量，提高专一性并降低由某对映体引起的可能的副作用。所以，新型单一对 映体药物作为新一代手性药物，是通过更加全面的手性技术即综合应用拆分的方法、手 性辅助剂的方法及不对称催化等方法，将药物中无效、低效或有副作用的对映体更彻底 地除去，制备出组分更纯的具有单一定向结构( 单一对映体) 的手性药物。它较传统单 一对映体药物有效成分更纯，在治疗疾病时起效更快，疗程缩短。 据统计，目前普遍使用的2 0 0 0 多种合成药物中有6 0 0 余种为手性药物，而有活性 的单一对映体药物不足1 0 0 种，其余的5 0 0 余种都是左右旋混在一起的消旋体药物。 美国食品与药物管理局( f d a ) 在1 9 9 2 年的政策中规定：对于含有手性因素的药物倾 向于发展单一对映体产品，后来又表示鼓励把已在销售的外消旋药物转化为手性药物， 这称为“手性转换( c h i r a ls w u t c h ) ”；对于申请新的外消旋药物，则要求对两个对映体都 必须捉供详细的生理活性和毒理数据，而不得作为相同物质对待。按照其规定，对具有 手性中心的药物，必须测定每一个对映体的活性强度质量和纯度，如果各对映体的药动 学不完全相同，则要求分别测定各自的剂量线性关系。代谢物和药物相互作用的影响， 要求必须证明各个对映体有无严重的不良反应，以预防某一异构体对人体产生有害反 应。这一政策必将有助于加速单一对映体药物的发展。手性药物越来越受到人们的重视， 随着拆分技术和手性合成的进展，以单一异构体上市的新药也将迅速增长，把外消旋体 开发为单一异构体已成为研制新药的重要方面之一。 综上所述，研究和发展手性药物的重要意义在于： ( 1 ) 不同对映异构体具有不同的药理活性，无效的异构体常常是有害的； ( 2 ) 从合理药物设计的角度考虑，作用于具有不对称三维结构特定受体( 酶、蛋白质、 核酸等) 的新药，应有一个与受体相应的不对称三维结构，以提高药物分子的识别能力， 决定了单一的异构体更符合这种要求； 第一章绪论 ( 3 ) f d a 的规定将从商业开发角度对手性药物的_ 丌 发提供无比巨大的推动力1 1 m 。 1 1 3 手性化合物的研究进展p r o g r e s so fs t u d yo fc h i r a lc o m p o u n d s 历时1 0 0 多年来，人们对手性分子的认识在不断地深入和完善，尤其是对于手性分 子在自然界存在之普遍和对人类生活健康的重要作用，认识愈来愈深刻。特别从1 9 8 0 年 以来的2 0 余年间，随着生命科学研究和材料科学研究的有力推动，建立在手性分子研究 基础上的手性技术蓬勃兴起，迅猛发展成为了当代化学的热点和前沿。 1 手性化合物的国际形势 2 0 0 1 年诺贝尔化学奖授予了美国科学家w i l l i a ms k n o w l e s 、kb a r r ys h a r p l e s s 和日 本名古屋大学教授r y o j in o y o r i ，以表彰他们在手性催化氢化反应和手性催化氧化方面 进行了长期的探索并作出的卓越贡献i l 。他们的研究成果，对整个手性催化反应的研究 领域、手性药物的研制和开发，都起到了极大的推动作用，是化学学科基础理论研究推 进工业生产的典范。 十多年前，手性药物对于大多数人来说还很陌生，但到2 0 世纪9 0 年代末，手性药 物已成为国际上新药研究的热点。1 9 9 6 年在美国举行的手性技术专题讨论会的主要议题 就是手性化合物在市场中的作用和如何面对手性合成技术的挑战。会议认为，手性技术 的最大市场是制药领域，包括手性药物制剂、手性原料药和手性药物中间体【1 2 l 。 手性药物不仅疗效好( 有的手性药物疗效是原来消旋药物的几倍甚至几十倍) ，而 且副作用较小。在药品安全备受重视的今天，手性药物颇受市场欢迎。另外，与创制新 药相比，开发手性药物风险小、周期短、耗资少、成果大，许多国家投入巨资开发手性 药物，一系列从消旋药物研发出来的手性药物不断问世。随着手性技术的不断改进，单 一对映体手性药物已在治疗心血管病、肿瘤、神经系统疾病等方面得到广泛应用。专家 分析，在手性药物化学品中，市场最需要、有可能会较快研发出来的药物包括红细胞生 成素生血剂、干扰素和单克隆抗体、抗癌药、长效抗组胺药、神经氨酸酶抑制抗病毒药 物、非苯异丙胺厌食剂、恶唑烷酮抗菌素、d 一苯丙氨酸和噻唑烷二酮抗糖尿病制剂等。 2 0 世纪9 0 年代以来，手性药物进入市场的种类和销售额急剧增长，对手性药物的 研究已被医药企业所重视。据不完全统计，1 9 9 3 年全世界9 7 个热销药中手性药物占2 0 ；1 9 9 7 年，全世界1 0 0 个热销药中，有5 0 个是单一对映体( 手性药物) ，手性药物已 占到世界医药市场的半壁江山；2 0 0 2 年全球5 0 0 种畅销药物中手性化学品药物有2 8 9 种，更是将近6 0 ；而到了2 0 0 5 年，全世界上市的化学合成新药中仅仅是单一对映体 药物就已经超过了6 0 ，并继续呈现逐年稳定而迅速增长的态势1 1 3 。1 训。 正是由于广泛的市场需求，引得诸多国外药企纷纷将研发重点放在手性药物之上。 据了解，巴斯夫、陶氏化学、罗地亚等国际知名企业均成立了各自的手性中问体开发机 构。如美国陶氏化学与澳大利亚a l c h e m i a 公司合作，专门从事手性碳水化合物类药品 与营养品“寡聚糖”的开发：罗地亚与a l d r i c h 公司合作，共同投资3 0 0 力美元生产手性 医药中问体；c a m b r e x 公司与s y n t h o n 公司也在着手丌发一系列手性药物中间体。 第一章绪论 2 手性化合物在国内的现状 手性化合物在我国的市场潜力不容忽视。波士顿咨询集团的一项研究报告指出，中 国目前的药物市场居全球第7 位，居美国、日本、德国、法国、英国和意大利之后。到 2 0 1 0 年，中国的药物市场将达到2 4 0 亿美元，超越英国和意大利列第5 位。随着人们对 用药安全、高效等方面要求，手性药物的需求会逐年增长。然而，我国现在对手性药物 的研究还远远跟不上市场发展的需求。有专家指出，总体来说，我国对手性药物的化学 合成和生物合成研究不多，基础性和创新性研究更少，与世界手性药物领域的研发水平 还存在较大差距。如果国内科研机构不做进一步的探索研究，将来医药生产厂家采用国 外技术的时候就要交付大量的专利费用。 但令人兴奋的是，我国在“十五”期间己投入2 0 0 亿元进行手性关键技术的研发，在 该领域取得了重要的科研成果。其中，中国科学院化学研究所和上海有机所去年共同完 成了中科院知识创新工程中“手性分子识别中的若干基础问题研究”项目，这几年在新型 高效的催化合成手性分子新方法、手性分子的组装及手性聚集体的构筑以及手性分子分 离与检测等项目已取得了一系列具有重要创新性的研究成果。同时，四川大学在设计和 制备手性固定相方面已获得发明专利，并完成产业化技术的开发。此外，他们还开发了 生物催化拆分与获得发明专利的特殊分离技术联用，制备手性制药中间体光学活性戊醇 等的生产技术。更具生产意义的是，中科院成都有机化学所首次将手性技术推向市场， 将包结拆分技术应用于手性药物的生产。我国科研人员在世界上首次采用手性拆分法， 成功研制成低毒、有效控制高血压的药物“苯磺酸左旋氨氯地平”。这一产品作为我国有 自主知识产权的化学药，目前已成功进入国内高血压药物的高端市场，并被国家发改委 授予高技术产业化示范工程。 可见，手性药物在国际市场所散发出来的魅力和潜力已引起国内药企的重视。如何 赶超国际先进水平已经成为科研人员和药企的重要研究课题，对目前我国手性药物研究 的重点，专家认为，手性药物新分离制备技术的研究是我国目前亟须加大力度进行研究 的领域，该技术的进展能极大促进我国手性药物研究的总体水平的提高，也很有可能决 ，定我国医药行业走向世界发达水平的时间进度。 3 发展前景 近年来，各国相继推出的关于新药审批的规定，使单一对映体药物品种与销售持续 增大。全球2 0 0 1 年以单一光学异构体出售的市场额达到1 4 7 2 亿美元，相比于2 0 0 0 年 的1 3 3 0 亿美元增长了1 0 以上。预计手性药物到2 0 1 0 年销售额将达到2 0 0 0 亿美元。 以单一异构体出售的药物如o m e p r a z d e ，f l u o x c t i n e ，o f l o x a c i n ，c i s a r i d4 种药物的年销售 总额已达到1 0 0 亿美元。2 0 0 0 年销售最旺的手性药物l i p i t o r 是一种降脂减肥药，主 要用于高血脂，肥胖症类的心血管类病人，年度销售额为4 0 亿美元i l5 。美国，日本等 发达国家己把研制和开发光学活性药物和手性中间体作为发展医药的战略目标，如联二 萘酚类、取代的氨基乙醇、b 内酰胺类化合物都是经过合成得到的一些极具应用价值的 手性化合物。我国在手性药物合成方面起步较晚，与发达国家还存在一定差距，尤其在 不对称合成和手性拆分技术方面总体水平较低，加入w t o 后，加强我国手性技术和手 性药物的研究和丌发，对直接面对国际竞争具有重大意义。国家自然科学基盒委在九五 第一章绪论 期间支持了“手性药物的化学和生物学”重大科研项目，中国科学院也把“手性药物的合 成与拆分，列为院“九五重大项引1 6 】。这一切均表明了我国将为手性药物的发展提供更 广阔的空间。由于多数手性药物的合成并不是单一的反应，而是手性技术的综合运用， 现代的手性技术已经拓展到了生物、化学、物理等多个领域。因此，对手性技术的进一 步探索必将促进交叉学科的发展。 1 2 手性化合物的合成s y n t h e s i so fc h i r a lc o m p o u n d s 1 2 1 手性化合物合成方法介绍l n d r o d u c t i o no fs y n t h e t i cm e t h o d so fc h i r a l c o m p o u n d s 自1 9 世纪f i s c h e r 开创不对称合成领域以来，不对称反应技术得到迅速发展，手性 技术尤其在制药工业得到了广泛应用。2 0 世纪9 0 年代以来，手性药物的研发己成为世 界新药发展的战略方向和热点领域。现行手性药物的合成方法主要有3 种途径：从天然 产物中提取手性药物、拆分法分离手性药物、不对称催化合成手性药物。目前应用最广 的是不对称催化合成法，即是利用手性技术来合成手性药物，它也是近期研究最多的单 一手性化合物的合成方法。 手性技术的发展可分为4 个阶段： 手性源方法( c h i r a lp 0 0 1 ) 是通过手性底物中已经存在的手性单元进行分子内定向 诱导而得到产物1 1 7 1 ； 手性助剂方法( c h i r a la u x i l i a r y ) 是通过事先连接在非手性底物上起不对称诱导作用 的基团对反应进行不对称诱导，反应结束后再将其除去； 手性试剂方法( c h i r a lr e a g e n t ) 是通过手性试剂直接与非手性底物反应而得到手性 产物； 不对称催化方法1 1 8 - ”j ( a s y m m e t r i cc a t a l y s i s ) 通过手性催化剂进行不对称催化反应， 获取单一对映体手性药物或中间体。 不对称催化包括生物催化和化学催化。 生物催化( 也称为酶催化不对称合成反应) 是指利用酶促反应和微生物转化的高度 立体、位点和区域选择性将化学合成的外消旋体、前体和潜手性化合物转化成单一活性 产物。主要包括：还原反应、氧化反应、水解及其逆反应和转移与裂合反映【2 0 1 。 化学催化是指利用手性金属络合物作为手性模板控制反应物的对映面，将大量前手 性底物选择性地转化成特定产物。主要包括：不对称催化氢化反应、不对称催化氧化反 应、杂原子化合物的不对称开环反映、不对称双羟基化反应、不对称d i e l s a l d e r 反应、 不对称催化羰基合成反应和羰基还原反应和胺的不对称还原反应。 1 2 2 各种手性合成方法s y n t h e t i cm e t h o d s 手性源法、手性助剂法和手性试剂法3 种方法都属于化学计量不对称合成，即1 个 第一章绪论 单位的手性因素只能获得1 个单位的手性药物，手性单位不能得到增值，属于化学当量 反应。它们除了应用廉价的天然手性物外，高成本的手性试剂和繁琐的操作都限制了其 工业化应用。而催化不对称合成法经过3 0 多年的研究，已发展成最经济有效地合成手 性药物的方法。它通过使用少量手性催化剂诱导非手性底物与非手性试剂反应，直接合 成手性产物。它的巨大而突出的优势便是手性增值( c h i r a l i t yi n c r e m e n t ) 或手性放大效 应( c h i r a l i t ya m p l i f i c a t i o n ) 2 1 - 2 2 j ，即使用1 个单位的手性催化剂可以得到几千甚至上 万单位的手性药物，这也是该研究领域引人注目的重要原因。 其中，生物催化法具有反应条件温和、产物单一、高度的立体选择性( e n a n t i o s e l e c t i v i t y ) 、区域选择性( r e g i o s e l e c t i v i t y ) 和化学选择性( c h e m o s e l e c t i v i t v ) 、副产物 少、收率高、无污染，并且能完成一些合成难度较高的反应等优点p j 。 以氧化反应为例：卡托普利属于血管紧张素转化酶抑制剂类药物，用于治疗高血压。 采用化学酶合成法，用皱落假丝酵母将异丁酸立体选择性氧化为( r ) a 甲基b 羟基 丙酸，后者与l 广脯氨酸缩合，再经巯基化可得到( s ) 卡托普利，合成路线如下1 2 4 j ： 纠3 j 、垒鳖骘h 心c 入c 。一一h 0 n a s h h s - s o a ， - - - - - - = - j r l o 图1 1 ( s ) - 卡托普利合成路线 f i g 1 1s y n t h e s i so f ( s ) 一c a p t o p r i l ( s ) 一卡托普利 又如氢氰酸对醛的加成反应中通常使用醇氰酶，反应条件温和、步骤简便。从杏仁 中提取的r 醇氰没有较高的r 专一性，从微生物提取的醇氰酶有s 专一性。离析的醇 氰酶催化氰离子对各种芳香族或脂肪族醛的对映选择性加成生成氰醇，e e 值高达9 9 。 化学催化法所需手性试剂少，仅为催化量，立体控制性好，产率高，产品纯度高。 这两种合成药物的方法各有千秋，是现代制药工业处于飞速发展阶段的最令人瞩目的领 域。 以不对称催化氢化反应为例：目前所使用的不对称氢化催化剂常见的有手性膦铑 催化剂，r u ( s b i n a t ) ( o a c ) 催化剂，手性氧膦配体d i m o p 等。这些手性催化剂已 成功应用于工业中l - 多巴( l - d o p a ) ，( s ) 萘普生( n a p r o x e n ) 2 5j ，以及( l ) 薄荷醇 ( m e n t h 0 1 ) 1 2 6 j 新工艺合成中。a n i cs p a 公司及e n i c h e m 公司应用r h 手性双胺膦催化 氢化生产苯丙氨酸，再与天冬氨酸反应制得天冬氨酰苯丙氨酸甲酯，即天冬甜母 第一章绪论 ( a s p a r t a m c ) 2 7 1 。 e e = 8 0 选择性，9 0 不对称催化合成萘普森新工艺 ( s ) - n a p r o x e ne e 9 8 图1 2( s ) 萘普生合成路线 f i g 1 2s y n t h e s i so f ( s ) n a p r o x e n 应用化学手性催化剂进行不对称合成的反应类型还很多，如不对称催化烷基化反 应、不对称催化h o c k 反应、不对称r c f o r m a t s k y 反应、双键转移发应手性相转移催化反 应等，但它们应用于工业化生产药物的例子并不多，其原因不外乎立体选择性不能达到 要求、试剂昂贵、后处理困难等。 随着酶工程技术的发展，酶催化不对称合成法也在进步。比如，固定化酶和固定化 细胞技术可以明显改善和提高酶的稳定性和使用寿命，有利于实现酶催化反应的连续化 和自动化；有机相酶催化技术提高了非水溶性底物的溶解度；多酶反应系统和酶再生系 统的研究，进一步拓展了酶催化反应的应用范剧删。 种种迹象似乎表明酶催化技术的应用有着光明的前景，但是它也存在不可回避的问 题，如容量低、产率低、反应速度慢、对化学和光不稳定、后处理中存在相分离问题等。 而化学催化不对称合成法具备的两个特点是酶催化不对称合成法所不具备的，即潜手性 底物来源广泛及r 和s 异构体同样易于生成。可以预见，酶催化反应和化学合成的结 合，将是手性药物合成的新途径，相信随着生物技术的迅速发展以及近年酶法的不断发 展，此法将对手性药物的合成与应用起到积极的推动作用。手性药物电合成是绿色化学 的一个新的研究与开发的领域，许多有商业价值的产品已经在实验室和工厂进行了研究 和生产，他们为特殊药品所需的贵重中间体提供了一种独特的合成方法。更复杂、现成 的、多用途的电解槽成为工业发展的基础，电合成技术必须更快的转化为生产力，为发 展生态工业做出贡献。 第一章绪论 1 3 手性化合物的拆分s e p a r a t i o no fc h i r a lc o m p o u n d s 目前，手性化合物的制备除了直接进行不对称合成与发酵之外，主要是通过化学合 成d l - 型外消旋体物质，然后通过各种拆分方法得到所需要的具有光学活性的对映体 p 引。当前，利用结晶法、酶法、化学法、超临界流体色谱( s f c ) 法、高效液相色谱( h p l c ) 法、气相色谱( g c ) 法、毛细管电泳( c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e i s i s ，c e ) 法和分子烙印技术 ( m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n o l o g y ，m p t ) 拆分对映体，已成为新药研究和分析化学领域 的重要课题。 1 3 1 结晶法c r y s t a l i z i n gm e t h o d s l 结晶法1 2 9 】是最早被使用的拆分方法，也是目前工业上应用比较广泛的拆分方法，约 有1 0 o 的外消旋体结晶为两种单一对映体晶体的混合物，可采用直接结晶法拆分。在 外消旋体过饱合溶液中加入某一单一对映体晶种进行诱晶即可得到该单一对映体晶体。 如l 甲基多巴、( ) 薄荷醇的、如谷氨酸、氯霉素、萘普生等的生产。而约9 0 o 的 外消旋体结晶均为晶体化合物，不能直接结晶分离；但可通过手性酸、碱等拆分试剂转 化为非对映异构体盐后再进行反复结晶。如d 苯基甘氨酸的a m d e n o 制备法。 1 3 2 酶法e n z y m em e t h o d s 酶的活性中心是一个不对称结构，这种结构有利于识别消旋体。在一定条件下，酶 只能催化消旋体中的一个对映体发生反应而成为不同的化合物，从而使两个对映体分 开，反应产物的对映过量百分率可达1 0 0 。酶催化的反应条件温和，不会造成环境污 染，适于大规模生产。酶固定化技术、多相反应器等新技术的同趋成熟，大大促进了酶 拆分技术的发展。脂肪酶、酯酶、蛋白酶、转氨酶等多种酶己用于外消旋体的拆分闭j 。 如意大利的b a t l i s t e i 等用脂肪酶对萘普生的乙氧基乙酯进行酶法水解拆分，得到了光学 纯s 萘普生，且酶活性几乎无损失。酶技术一个新的发展方向是交联酶晶体( c r o s s 1 i n k e d e n z y m c c r y s t a l s ，c l e c ) 技术【2 0 1 。如，利用皱落假丝酵母脂酶的交联酶可在4 0 和p h = 5 的5 0 0 p e g 1 0 0 0 中水解( r ，s ) 氯乙基苯酮苯丙酸生产( s ) 苯酮苯丙酬3 1 j 。 1 3 3 化学法c h e m i c a lm e t h o d s 经典的化学拆分法是利用手性试剂与外消旋体反应，生成两个非对映异构体，再利 用产物的物理性质差异将其拆分。但该拆分法收率较低，拆分剂消耗量大，且在拆分的 化合物类型上受到限制。近年来，随着对主客体化学的深入研究而发展起来的包结拆分 法( r e s o l u t i o ni n c l u s i o nm e t h o d ) ，由于采用这种方法，主体分子与客体分子问不发生任 何化学反应，只是通过分子间作用力来实现拆分，因而很容易通过柱、溶剂交换和逐级 蒸馏等方法与客体分子分离，可循环使用1 32 。h i s a k a z u 等利用酒石酸衍生物 【( r ，r ) t r a n s 4 ，5 - b i s ( h y d r o x y d i p h e n y l m e t h y l ) 一1 ，4 一d i o x a s p i r o ( 4 ，4 ) 作为包结主体拆分了外 第一章绪论 消旋的甲基取代环丙烯等系列化合物，经蒸馏后，得到光学纯度为2 8 7 5 的包结络 合物( i n c l u s i o nc o m p l e x ) 。 1 3 4 色谱法c h r o m a t o g r a p h ym e t h o d s 手性药物的色谱拆分包括薄层色谱、气相色谱、高效液相色谱、超临界流体色谱和 电泳在内的几乎所有色谱和准色谱手段都已应用于对映体拆分1 3 引。下面我们将重点介绍 色谱法的这几个方面。 1 气相色谱( g c ) 法 在气相色谱仪中选择适当的手性固定相，使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构 体，可以快速分离手性化合物。在气相色谱分析中利用两个对映体分别与手性固定相结 合的强度不同而达到分离的目的。其关键