（应用化学专业论文）特非那丁和布洛芬对映体的萃取拆分及其机理研究.pdf

摘要 本文以疏水性的酒石酸酯为手性选择体，对特非那丁和布洛芬对 映体进行了萃取拆分。主要内容如下： 1 ) 建立了特非那丁和布洛芬两种药物对映体的分析方法 分别用含有p 一环糊精、羟丙基p 一环糊精的手性流动相，建立了 一种反相流动相h p l c 法分析特非那丁和布洛芬对映体的分析方法， 实现了对两种药物对映体的良好分离，为萃取拆分建立了可靠的分析 方法。 2 ) 合成了手性选择体l 、d 一酒石酸酯 以l 、d 酒石酸和脂肪醇为原料，合成了手性选择体，讨论了醇 酸摩尔比、带水剂用量、催化剂种类及用量对合成产率的影响，并对 目标产物进行了结构表征。 3 ) 对特非那丁对映体进行了萃取拆分研究 以实验室合成的l 酒石酸酯为手性选择体，萃取拆分手性药物 特非那丁对映体。考察了该对映体在含酒石酸酯的有机溶n - 甲醇 水( 5 0 ：5 0 ，v v ) 两相体系中的萃取分配行为，分别考察了体系中特 非那丁对映体的萃取分配行为，考察了酒石酸酯的种类、手性萃取剂 浓度、有机溶剂种类、溶解布洛芬的甲醇水溶液浓度等因素对分配比 ( k ) 和分离因子( c 【) 的影响，并对其进行了初步的机理探讨。实 验中发现，l 一酒石酸正己酯为最佳的手性萃取剂，并且，手性萃取剂 对拆分对象有较好的识别作用。本文通过三点识别作用对实验中出现 的这种规律进行了分析。 4 ) 对布洛芬对映体进行了萃取拆分研究 采用手性萃取剂l 一酒石酸酯和d 一酒石酸酯，研究了布洛芬对映 体在上述两相体系中的萃取分配行为。同样考察了酒石酸酯的种类、 有机溶剂的种类、手性萃取剂浓度、有机溶剂种类、溶解布洛芬的甲 醇水溶液浓度等因素对分配比( k ) 和分离因子( a ) 的影响，并对 其进行了初步的机理探讨。 关键词：特非那丁，布洛芬，对映体，酒石酸酯，手性识别 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t e r f e n a d i n ea n di b u p r o f e ne n a n t i o m e r sw e r es e p a r a t e d b yc h i r a le x t r a c t i o nw i t hs y n t h e s i z e dl 一d t a r t a r i ce s t e r s a sc h i r a l s e l e c t o r s t h em a i nc o n t e n t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) e s t a b l i s h m e n to ft h ea n a l y t i cm e t h o d e n a n t i o m e r i cs e p a r a t i o no ft e f e n a d i n ea n di b u p r o f e nw a ss t u d i e db y r e v e r s e d p h a s eh p l cw i t h3 - c y c l o d e x t r i na n dh p - b - c y c l o d e x t r i na s c h i r a lm o b i l e p h a s ea d d i t i v e s ，r e s p e c t i v e l y t h ee n a n t i o m e r sw e r e s e p a r a t e da tag o o dl e v e l a n a l y t i cm e t h o d sw e r ee s t a b l i s h e d 2 ) s y n t h e s i so fl d t a r t a r i ce s t e r s l - ，d t a r t a r i ce s t e r sw e r es y n t h e s i z e da sc h i r a ls e l e c t o r sb yr e f l u x i n g l 一，d - t a r t a r i ca c i da n ds a t t ya l c o h 0 1 t h ee f f e c to fm o l er a t i o ，s o l v e n t ，t h e c o n c e n t r a t i o no fc a t a l y s to nt h ee s t e r i f i c a t i o nw a si n v e s t i g a t e d t h e s t r u c t u r eo fa i m e dp r o d u c tw a sc h a r a c t e r i z e db yi n f r a r e ds p e c t r u m 3 ) c h i r a le x t r a c t i o no ft e r f e n a d i n ee n a n t i o m e r s r e s o l u t i o no ft e r t e n a d i n ee n a n t i o m e r sb ye n a n t i o s e l e c t i v ee x t r a c t i o n w i t ht a r t a r i ce s t e r sh a sb e e ns t u d i e d d i s t r i b u t i o nb e h a v i o ro ft e r f e n a d i n e e n a n t i o m e r sw a se x a m i n e di no n es e p a r a t i o ns y s t e m ：t h em e t h a n 0 1 a q u e o t i s ( 5 0 ：5 0 n 、a n do r g a n i cs o l v e n tm i x t u r ec o n t a i n i n gl t a r t a r i ce s t e r s t h ei n f l u e n c eo fl e n g t ho fa l k v lc h a i no ft a r t a r i ce s t e r s c o n c e n t r a t i o no f l t a r t a r i ce s t e r sa n dt h em e t h a n o la q u e o u s t h ek i n d so fo r g a n i cs o l v e n t o n p a r t i t i o n r a t i oa n d s e p a r a t i o n f a c t o r sw a se x a m i n e d a n dt h e l - h e x a n y l t a r t a r i ce s t e rw a st h eb e s t a n dt h ee n a n t i o m e r sc a nb ew e l l r e c o g n i z e db yt h ec h i r a ls e l e c t o r s t h i sl a wc a nb ea n a l y s e dw i t ht h r e e p o i n ti n t e r a c t e dr e c o g n i t i o n 4 ) c h i r a le x t r a c t i o no fi b u p r o t e ne n a n t i o m e r s d i s t r i b u t i o nb e h a v i o ro fi b u p r o f e ne n a n t i o m e r sw a sa l s oe x a m i n e di n t h em e t h a n o l a q u e o u s ( 5 0 ：5 0 ，v v ) a n do r g a n i cs o l v e n tm i x t u r ec o n t a i n i n g l t a r t a r i ce s t e r so rd t a r t a r i ce s t e r s t h ei n f l u e n c eo fl e n g t ho fa l k y lc h a i n o ft a r t a r i ce s t e r s ，c o n c e n t r a t i o no fl ，d t a r t a r i ce s t e r sa n dt h em e t h a n o l a q u e o u s ，t h ek i n d so fo r g a n i cs o l v e n to np a r t i t i o nr a t i oa n ds e p a r a t i o n f a c t o r sw a s i n v e s t i g a t e d t h er e c o g n i t i o n m e c h a n i s mw a sp r i m a r y d i s c u s s e d k e y w o r d st e r f e n a d i n e ，i b u p r o f e n ，e n a n t i o m e r , t a r t a f i c e s t e r , c h i r a l r e c o g n i t i a n l l i 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：塾星日期：丛年鱼月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：蛆导师签名 日期：年一月一 ，一 乙 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 手性及手性技术的重要意义 手性( c h i r a l ) 是三维物体的基本属性。如果一个物体不能与其镜象重合， 该物体就称为手性物体【”。在这种情况下，这两种可能的形态被称为对映体，它 们彼此是互相对映的。当不存在外部影响时，对映体具有完全相同的化学和物理 性质，但它们的生物活性，如药效和药物动力学却有很大的差别。我们周围的世 界是手性的，构成生命体系的生物大分子的大多数重要构件仅以一种对映形态存 在。 化学学科发展到今天，对分子结构与性能的研究已经建立在三维空间上。人 们对手性分子认识正不断深入，对手性化合物光学纯度要求越来越高。因此，手 性化合物和手性技术的研究已经引起了学术界和有关企业的高度重视。 1 1 1 手性技术在药物化学领域的重要意义 由于生物体内的酶细胞表面受体是手性的，外消旋体的对映体将会以不同的 途径吸收、活化或者降解。这样药物的各对映体在生物体内就可能表现出极不相 同的生理行为。以有两个对映体的药物为例，药物的两种对映体可能有相等的药 物活性：或者一种是活性的，另一种是无活性的甚至有毒的；或者两者有不同程 度或不同种类的活性。人们最熟悉的例子是合酶素【2 1 ，它是一种广谱抗生素治疟 药。只有r r - 型异构体具有杀菌作用，而s s 型异构体则完全没有药效，其中的 r r 型异构体就是我们所熟知的氯霉素。再如巴比妥酸盐口】通常用作催眠镇痛药， 一般情况下，s ( ) 异构体具有抑制神经活动的作用，而r ( + ) 异构体却具有兴奋作 用，极端的例子如5 乙基5 ( 1 ，3 - 二甲基丁基) 巴比妥酸盐，其s - ( 一) 异构体是抑制 剂，而r ( + ) 却是惊厥剂( 引起惊厥和痉挛) 。而在医学史上，由于对手性技术的认 识不足曾带来的许多不可挽回的悲剧，例如著名沙利度胺致畸的事件【4 j ，外消旋 的沙利度胺( t h a l i d o m i d e ) 曾是有力的镇静剂和止吐药，尤其适合在早期妊娠反应 中使用。不幸的是，有些曾服用过该药的孕妇产下了畸形的婴儿。因此，很快就 发现它是极强烈的致畸剂。进一步的研究表明，其致畸是由该药的s 一异构体所引 起的，它在机体中的代谢产物既有胎毒性又有致畸性，而r 异构体被认为即使在 高剂量时，在动物体中也不引起畸变，而类似的例子还有很多。据统计现有药物 中有6 0 具有一个或多个手性中心，鉴于有机分子的立体结构与其生物活性有特 硕士学位论文第一章绪论 殊关系，1 9 9 2 年美国国家医药管理局规定，今后凡发展具有不对称中心的药物， 必须给出手性拆分结果，使之能生产出光学纯药物5 1 ，欧共体也采取了相应的措 施。因此，药物对映体的手性拆分显得十分重要。 1 1 2 手性技术在其它领域的应用 随着手性技术在药物化学领域的发展，有关手性化合物对映体的分离已经成 为国际上分离科学的研究热点。科学家们除了对手性药物予以关注外，对其它各 类精细化学品，如杀虫剂、杀菌剂、昆虫性信息素、植物生长调节刑、食品添加 剂、香料等等，也给予了相当的重视，这些化学品由于其分子的光学异构，因此 也表现不同的活性。例如，s u l c a t o l 6 1 是一种树皮甲虫的聚集信息素，其中1 0 0 s 构型完全没有生理活性，但当渗入1 r 构型的异构体时便开始具有生理活性， 当两种异构体混和物中含6 5 s 构型异构体和3 5 r 一构型异构体时其生理活性 最强。p o l y g o d i a l 【5 j 其旋光f 一) 的异构体是一种昆虫拒食剂，能使五种昆虫拒食， 而它的对映体则完全没有生理活性。而用做香料的外消旋体化合物，其对映体则 有可能表现出不同的气味【7 ；j 0 生命科学也离不开对手性技术的研究。例如自然界的氨基酸有l 和d 型两种 对映体，而生物体中的氨基酸都是l 型的，光是这一点就足以引起人们对生命科 学中手性技术的关注了【8 】。而生物机体的基本组成蛋白质的四级结构与其生理 活性的关系；控制遗传信息和细胞蛋白质模板复制的d n a 和r n a 的双股结构与 碱基的对应关系；酶催化过程的活性点与基质之间的锁钥关系；生物体里各种有 生理活性的物质，如激素、维生素等的立体结构与其生理活性的关系等等，无不 与这些生物活性分子的立体构型和构象有关。对这些问题的解答，都有待手性技 术的进一步发展。 在无机材料领域，例如液晶材料的制作等方面【9 】，手性技术也显示出了它的 重要意义。 1 2 手性化合物的制备方法 正如上所述，许多有生物活性的化合物，往往两种对映体有不同程度的活 性，甚至具有完全不同的生理作用。要研究和利用这些外消旋体化合物首要的问 题是：如何方便而且廉价的获得单一的光学异构体。下面将简单的介绍一下，目 前获取手性化合物的几种方法。 1 2 1 天然来源以及通过对天然手性化合物的改造获得 天然存在的手性化合物种类繁多，其中含量较多的化合物我们通常称为“手 - 硕士学位论文 第一章绪论 性池”化合物f 1 0 _ 1 1 】。主要分为下面几类： ( 1 ) 碳水化合物类 主要是糖和糖的衍生物，如d 葡萄糖等。 ( 2 ) 有机酸类 如( + ) 一酒石酸和( + ) 辱l 酸等。 ( 3 ) 氨基酸类 包括l 谷氨酸、l 一赖氨酸等，实际上常见的2 0 种天然的氨基酸都可以由天 然蛋白质水解获得，但有的含量较少，不容易获得，因此没有把它们例为“手 性池”化合物。 ( 4 ) 萜类化合物 ( 5 ) 生物碱类化合物 由天然来源获得手性化合物，原料丰富，价廉易得，制备过程简单，产品 旋光纯度高( 除个别例外，基本上都是旋光纯的) ，因此许多大宗产品都是用此法 生产的。而化学拆分法和不对称合成中也要使用手性试剂，这些试剂归根结底 也是从天然来源取得的。可以说大自然巧夺天工的创造依然是手性试剂取之不 尽，用之不竭的源泉。 同时我们还可以通过采用天然存在的手性化合物做起使原料，经过适当的 化学改造来获得我们所需要的手性化合物。天然存在的手性化合物，通常只含 有一种对映体，用它们作为起使原料，制备其它手性化合物无须复杂的拆分过 程，只需利用其原有的手性中心，并在分子的适当位置引入合适的活性官能团， 就可以得到新的手性化合物。例如由天然存在的( + ) 一樟脑衍生出的手性试剂 已经超过了十种了，通过( + ) 一樟脑与用右旋联萘酚改性过的氢化铝锂为手性 试剂，得到了右旋龙脑【1 2 】。由其它天然的手性化合物，例如( + ) 一酒石酸、( 一) 一 薄荷醇等，同样可以获得多种手性的衍生物。近十几年来由糖类化合物作起始 原料，合成各种有生物活性的手性化合物的研究工作异常活跃，已有专著介绍 【1 3 】。原因之一，就是因为糖是自然界存在量广的手性物质之一，而且各种糖的 立体构型都研究得比较清楚。一个六碳糖，可同时提供四个己知构型的不对称 碳原子，用它作起始原料，经适当的化学改造可以合成各种有用的化合物。 相对一般的化学合成手性化合物的方法而言，采用该方法可以避免烦琐复 杂的对外消旋的拆分工作，而且能得到旋光纯度更高的产物。因此利用天然的 手性池化合物经过适当的改造，获得我们所需要的手性化合物不失为一种获取 手性化合物的有效途径。但是由于天然的物质毕竟是有限的，因此通过该方法 获得的手性化合物也很有限 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 不对称合成手性药物 不对称合成就是采用某些方法，使反应生成的两对映体中的一个过量，甚至 为单一的对映体，从而避免和减少拆分过程。1 9 世纪f i s c h e r j 挂行了氢腈酸和糖的 反应，得到不同比例的腈羟化合物异构体，开创了不对称反应的研究领域。随着 研究的进展，目前人们主要采取的不对称反应方法主要包括以下几种情况【1 4 】： 1 ) 通过手性源( 底物) 经不对称反应进入新的手性产物中。 2 ) 利用手性助剂法，即在反应前将一些有手性的化合物或基团引入非手性 底物中去，使反应原料具有手性而进行诱导，在反应结束后它们又从反应产物中 解离出来。 3 ) 手性试剂法的不对称反应，在非手性底物反应的过程中引入一些手性化 合物或基团的试剂，得到的反应产物为新的手性化合物，而手性试剂能部分的回 收。 4 ) 不对称催化合成法，使用手性催化剂来控制不对称合成，在非手性环境 中进行不对称反应时加入少量的手性催化剂，使它与反应底物或试剂形成高的反 应活性的中问体，催化剂作为手性模板控制反应物的对映面，经过不对称反应得 到新的手性产物，而催化剂在反应中可以循环的使用。 采用不对称合成的方法也存在很多局限性：例如由于对底物的要求高，反应 慢，分离存在困难：由于合成路线的步骤繁多，使成本升高而影响这些方法在大 规模工业生产中的应用等【l 。而采用手性拆分的方法，则可以在一定程度上克服 上述的弱点。据统计，大约有6 5 的非天然手性药物是由外消旋体或中间产物的 拆分得到的【1 6 】 1 2 3 手性拆分获取手性化合物 1 2 3 1 外消旋化合物的直接结晶拆分 对外消旋混合物的拆分有许多方法，直接结晶拆分是其中的一种。外消旋 体是等量对映体的混合物，在气态、液态或溶液中等分子可以近乎自由运动的场 合，外消旋体中的两种对映体除对偏振光呈现不同性质外，其它物理性质都相同。 即具有相同的熔点、沸点、折射率和红外、核磁等由对称的物理能产生的吸收光 谱。在这些情况下，是无法直接利用其性质的差异而将对映体分开的。但在晶体 中，分子的空间取向和排列是有序的、相对固定的，这时，同种对映体之间的晶 间力，与相反的对映体之间的晶问力却可能不同，因此产生三种不同的情况“1 ： ( 1 ) 外消旋混合物。当同种对跌体之间的作用力大于相反的对映体之间的 作用力时，( + ) 的对映体和( ) 的对映体将分别结晶。宏观上就是两种晶体的混合 硕士学位论文第一章绪论 物，称为外消旋混合物。p a s t e u r 1 7 1 首次分离酒石酸对映体就是利用外消旋的酒石 酸铵钠盐在2 7 c 以下结晶时，形成的晶体是外消旋混合物，由于两个对映体的半 面晶外观不一样( 成实物镜象关系) ，故可以借助放大镜，用镊子将两种晶体分开。 ( 2 ) 外消旋化合物。当同种对映体之间的晶间力小于相反对映体的晶间力 时，两种相反的对映体总是配对地结晶，就象真正的化合物一样在晶胞中出现。 ( 3 ) 外消旋固体溶液。有时同种对映体分子间的亲合力和相反对映体分子 之间的亲合力差别很小，这时外消旋体形成的固体中，两种对映体分子的排列是 混乱的，称为“外消旋固体溶液。 我们若分别加少量纯对映体到上述三种固态外消旋体中，对于外消旋体混合 物，将导致混合物熔点上升，在外消旋化合物的情况下，则导致混合物熔点下降， 而外消旋固体溶液，熔点不会有明显变化。用上述简单方法可以区别三种固态外 消旋体。应当指出，同一种外消旋体在不同温度下得到的上述三种中的两种不同 的情况。 从上面介绍的情况可以看出，只有形成外消旋混合物的情况下，才有可能用 晶体机械分离法拆分，并且要求生成的晶体较大，外观上直接能看出差别。因此 能符合这些要求的例子并不是很多，并且操作也比较困难。因此直接采用这种方 法对外消旋体进行的拆分的实际应用很少。但是人们在直接结晶拆分的基础上进 行了改进，形成了新的“接种晶体结晶法”，因此把这类结晶法也归于次类之中。 “接种晶体结晶法”的具体操作是：在一个外消旋混合物的热饱和溶液中加入纯 对映体之一的晶种，然后冷却，则同种的对映体将附着在晶体上析出，滤去晶体 后，母液重新加热并补加外消旋体使之达到饱和，然后加入另一种对映体的晶种， 冷却使另一对映体析出。这样交替进行，可方便地获得大量纯对映体结晶。这种 方法虽然应用有限，但因其工艺简单，成本低、效果好，是比较理想的大规模拆 分方法 1 8 】。而采用此方法的另外一个优势是，有时在没有纯对映体的情况下，采 用与之结构相似的化合物，甚至可以是非手性化合物作为晶种，也能得到获得单 一的对映体。 用直接结晶法拆分对映体的另外一条途径是：用化学惰性的光学活性化合物 作溶剂进行结晶。这种想法的理论根据是：外消旋体的两个对映体与手性溶剂的 溶剂化作用力应当是不一样的。l u t t r i n g h a u s 和b e r r e r 1 9 己用( + ) 一酒石酸异丙 酯做溶剂成功拆分了3 ，4 一二溴丁二醇的外消旋体。 但是该方法存在操作过程复杂、费时、消耗大，而且适用化合物的种类多局 限在酸和碱类外消旋体等缺点。这些缺点局限了该方法的广泛应用。 硕士学位论文 第一章绪论 b h i h 2 0 h 图卜13 ，4 - 二溴丁二醇 f i g1 - 13 , 4 - d i b r o m i c - b u t a d i o 外消旋体中的两种对映体具有完全相同的能焓，因此，只有当他们与手性试 剂作用时，才能表现出不同的化学性质。外消旋体中的两种相反构型的对映体与 同一手性试剂作用时，生成过渡态具有非对映异构关系，过渡态非对映异构体与 基态非对映体一样，具有不同的焓，决定了两个反应的速度有差别。当这种差别 大到足以使对映体之一反应，而另一个则完全不能反应( 或者反应较少) 时，即 有选择的转化对映体之一，就是人们常说的“不对称合成”。而我们说的“化学 拆分”也是相似的机理，是指通过化学反应的方法，用手性试剂将外消旋体中的 两种对映体转化为非对映体，然后利用非对映体之间的物理性质和化学性质都有 不同的原理，将其分开。这种是比较常见的拆分对映体的方法。它的一般步骤如 图1 2 所示。 要采用化学拆分法获得单一的光学活性化合物，关键的是选择合适的拆分剂 和溶剂。合适的拆分剂应该具备的条件包括【2 0 】： ( 1 ) 必须容易与外消旋体中的两个对映体结合生成非对映异构体，经拆分 后，又容易再生出原来的对映体化合物。被拆物如果是酸性化合物，则手性碱是 最常用的拆分剂。反之，被拆物是碱性化合物，则手性酸常被用作拆分剂。这是 因为酸碱反应非常简便，生成的非对映异构体盐往往比较容易分离提纯又可方便 地用无机酸或者碱再生。 ( 2 ) 所形成的非对映异构体，至少二分之一能形成好的结晶。且溶解度有 较大的差别。盐是最容易结晶的一类化合物，这也是常用手性酸或碱作为拆分剂 的原因。 ( 3 ) 拆分剂应当尽可能达到旋光纯。因为，原则上讲，被拆分的化合物所 可能达到的旋光纯度不能超过所用的拆分剂的旋光纯度。 ( 4 ) 拆分剂必须廉价易得，或可方便地回收。 酸碱以外的其它外消旋体，也可以转变为相应的非对映体衍生物，然后分 离。如醇类化合物可以用异腈酸酯转变为非对映异构体的氨基甲酸酯，也可以用 6 硕士学位论文第一章绪论 手性酸酐或者酰氯转变为酯。醛和酮则常用胺或者氨衍生物转变成缩氨脲，肼亚 胺等非对映异构体。由于盐以外的各类有机物并不是常常可以结晶的，因此也常 将这些化合物先转变成酸，或者在这些化合物中引入酸性或者碱性集团，再通过 生成非对映异构体盐的途径拆分。关于各类有机物的拆分和各种拆分剂早有专著 报道【5 1 。 旋光性试剂，以( ) 为例 l ( + ) ( ) 和( 一) ( ) 非对映异构体混合物 图1 2“化学拆分法”的一般步骤示意图 f i g1 - 2 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec o m m o ns t e p so f “c h e m i c a lr e s o l u t i o n 化学拆分法是普遍采用的重要拆分方法之一，但是这种方法也有严重的局限 性，包括：( 1 ) 由于拆分试剂和溶剂的选择主要依靠经验，使得在选择试剂上 需要花费大量的时间，因此拆分过程冗长。这是该方法一个最大的缺点。( 2 ) 产率通常也不高。( 3 ) 拆分得到到的对映体，旋光纯度常不够高，对多数情况 而言，虽经过多次重结晶，旋光纯度也难超过9 5 。( 4 ) 适用的化合物的类型 不够多，能够形成好的结晶的固体有机物本来就不多，何况还有许多手性化合物 不是固体，对于不能形成良好结晶的手性化合物，化学拆分法就难以起到作用了。 总之，依靠化学拆分法提供手性化合物，无论种类、性能或者旋光纯度都难以满 足生物化学、药物化学、材料科学等领域有关的立体化学现代研究工作的需要。 而新近蓬勃发展起来的“生物拆分法”和色谱分离法，以及手性萃取法等，则以 各自的优点弥补了化学拆分法的不足了。 亘羞葺 硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 3 生物拆分法 利用微生物体内含有的活性酶的立体选择性做催化剂制备手性化合物的方 法，就是我们所说的生物拆分法，因为，通常是用酶作为底物，因此它同时也叫 做酶法拆分。它包括了两条途径：一是酶催化不对称合成( 也称生物合成) 。二 是外消旋体的不对称酶拆分。这两个方面的研究和应用发展都很迅速。 关于酶的不对称合成，我们所了解的大多是用各种酶分解淀粉，生产各种 旋光性的多糖和单糖，以及其它的一些多羟基化合物。例如用枯草杆菌分解淀粉 制备聚合度为1 0 1 2 的多糖，再经过n 淀粉酶水解，制成麦芽糖，或者也可用淀 粉葡萄糖酶水解成葡萄糖t 2 1 i 。这些过程都已经实现了大规模的工业生产。利用各 种蛋白质水解酶，从天然存在的蛋白质中制各各种光活性的多肽或者氨基酸，是 生物合成的另一种更重要的应用。 利用酶的作用可以由完全非手性化合物作为起始物，经酶的催化合成手性 化合物。例如，没有手性的富马酸和无机氨在天门冬氨酸固定床上反应，生成了 旋光纯的l 一天门冬氨酸，如果再用脱羧酶的作用，则生成l 丙氨酸【7 】。 而另外一条途径就是微生物酶拆分外消旋体，该方法与化学拆分法相比具 有明显的优越性：( 1 ) 酶催化的反应通常具有高度的立体专一性，因此所得到 的产物旋光纯度也很高，适用于做各种生物活性和药理实验。( 2 ) 副反应少， 产率高，产品分离提纯简单。( 3 ) 酶催化反应多在温和条件下进行，温度不高， p h 值接近中性，对设备没有腐蚀。( 4 ) 酶没有毒，容易降解，不会造成环境污 染，适于大规模的生产。酶拆分法特别适合拆分外消旋的氨基酸，因为非天然存 在的氨基酸大多是通过化学合成法制备的，得到的通常都是外消旋体，必须经过 拆分。多数的氨基酸不易用化学拆分方法分开，而酶拆分却非常有效，所以在氨 基酸的拆分方面，酶拆分法应用广泛。例如，采用酶拆分法拆分外消旋的苯基乙 氨酸来制备药物a r n p i c i l l i n 年1 c e p h a l e x i n 2 2 】；再比如j o l l l l 【2 3 1 等人，在制备多肽类似 物，作结构活性研究时，先后合成t 2 6 种空间位阻和功能基都与天然氨基酸不同 的氨基酸。其中1 5 种苯环上有不同取代基的苯丙氨酸，其外消旋体是用酶法拆分 的。 尽管酶法拆分外消旋体在实验室制备和工业生产手性化合物方面都取得了 长足的进步，但是目前真正能用这种方法来制备的化合物种类还不多，远没有成 为一种普遍使用的方法。主要的限制包括：( 1 ) 可以利用的酶制剂有限，根据 资料统计1 2 4 】，世界上已经发现的酶的种类约为3 0 0 0 种，已用于工业生产的仅有5 0 种，当然其中还有一些可用在实验室制备的，但用在手性化合物制备的仅是其中 一部分，总数非常有限。( 2 ) 酶是具有生物活性的蛋白质，因此凡是能使蛋白 质变质的地方，都会使酶失去活性。高温、酸碱、某些重金属离子，甚至一些有 硕士学位论文第一章绪论 机溶剂，都会影响的酶的活性，这就限制了酶拆分法应用的环境和条件。( 3 ) 酶制剂的价钱相对较贵，对些技术高度发展的化工过程，酶拆分法还不具备强 大的竞争力。但是随着科学的发展，以及人们的需求变化，例如对环境保护的呼 声越来越高：科学工作者对旋光纯度要求越来越高：人们对安全生产性要求越来 越高等这些要求的出现，将促使科学工作者们进一步研究酶拆分法中存在的问 题，从而使这种方法得到更加迅速的发展。 因此，我们有理由相信，随着科学技术的发展，作为生物技术应用的一个 分支生物( 酶) 拆分外消旋体的研究和应用将有更大的进步。 1 2 3 4 色谱分离法 近几十年来，随着色谱技术和设备的进步，采用色谱来解决立体化学问题， 已经成为了一个研究的热点。即使在目前这种发展的初级阶段，用分析用的高效 液相色谱( h p l c ) 已经能精确的测量数千种手性化合物的对映体纯度。在很多 例子里，还可以确定被分开的组分的绝对构型。而如果要分离数量较多的对映体， 则需要制备性的液相色谱。这种装置容易实现自动化，且它相对经典的非对映异 构体重结晶分离法，有着显著的优越性。如色谱法可以次分离，得到的对映体 纯度高，且常可以预言拆分结果和被拆分组分的绝对构型。最新的研究成果清楚 的表明了色谱法的广阔前景，随着气相色谱、液相色谱、毛细管电泳技术、毛细 管电色谱技术、超临界流体色谱技术的发展，色谱分离外消旋对映体混合物的应 用将会越来越广泛。而关于这方面的工作和进展情况，也已经有大量的综述和专 著以及文章等做了详细的介绍【2 ”。色谱法又分为以下的几种： ( 1 ) 高效液相色谱拆分法 高效液相色谱拆分法，往往又简称为h p l c 分离法，该法又分为直接分离和 间接分离两类【7 ”。所谓直接分离法是通过一个具有光学活性的环境，来提供拆分 所需要的手性中心，利用对映体与手性选择试剂生成非对映异构体的稳定常数不 同，来达到分离的目的。这时手性试剂与所需要分离的对映体的作用是短暂的， 从柱上洗脱下来后即恢复成原来的对映体。 直接法主要包括手性流动相添加剂法和手性固定相法。流动相添加剂法是将 手性试剂添加在流动相中时，通过手性试剂与对映异构体作用，暂时形成非对映 异构体，利用它们的稳定性的不同，以及形成的非对映异构体与柱子的吸附作用 不同，来实现分离的目的。例如，人们经常采用环糊精( c d ) 和手性冠醚作为添加 剂来分离许多种类的手性药物。环糊精对疏水性和亲水性药物对映体都具有很强 的包合作用。因此已用于分离氨基酸及其衍生物、巴比妥类、氯胺酮、苯妥英代 硕士学位论文 第一章绪论 谢物、美芬妥英及其代谢物、哌嗪类镇痛药、伪麻黄碱、去甲羟基安定等，采用 的固定相也是常用且价格较为低廉的o d s 、c n 、c 8 、苯基、硅胶柱子等，检测 方法多用u v 和电导检测法( e c d ) 3 5 1 。该方法的不足是容易引起高柱压和高吸收 本底。目前人们常用的添加剂还包括手性离子对添加剂、蛋白质、大分子抗生素 等。 手性固定相法则是手性试剂就是色谱柱本身，使用填有手性固定相的的柱 子，利用两对映体与固定相的吸附作用的不同，来达到不同时间洗脱分离的目的。 目前常用的手性固定相有：吸附型手性固定相( 包括手性聚合物固定相和氨基酸 手性固定相) 、电荷转移型手性固定相( 如四硝基一9 亚芴基氧化丙酸) 、模拟 酶手性固定相、配体交换手性固定相、蛋白质手性固定相、冠醚类手性固定相等。 间接分离法则是通过先将对映体衍生化后，根据生成的非对映体化合物的 性质不同，来实现分离的目的。该法的优点是衍生化后可用通用的非手性柱分离， 而且可选择衍生化试剂引入发色团提高检测灵敏度。缺点是操作复杂、易消旋化； 对衍生化试剂要求高；要求对映体的衍生化反应迅速且反应速率一致。目前常用 的手性衍生化试剂主要有光学活性氨基酸类、羧酸衍生物类、异硫氰酸酯与异氰 酸酯类、萘衍生物类及胺类。如f o s t e r l 3 6 】等( s ) ( + ) ( 1 一萘) 异氰酸酯为手性衍生化 试剂，用r a d i a l p a k n o r m a l 固定相柱子，流动相为正已烷氯仿一甲醇( 6 4 5 ：3 3 ：2 5 ) ，采用高效液相色谱法拆分了人血浆中的洛美沙星对映体。 ( 2 ) 手性化合物的毛细管电泳拆分 近年来由于毛细管电泳的高分离效率、短分析时间和仅需微量样品的优点， 用毛细管电泳的方法直接拆分手性对映体得到快速发展，尤其是对开发中的新药 的对映体的分离和生物体内药物代谢过程中对映体的分离，该方法更具有独特的 优点。用毛细管电泳拆分对映体化合物需加入各种不同的手性选择剂才能达到分 离的目的。目前常用手性选择剂有：环糊精、冠醚、胆酸盐、手性混合胶束、手 性选择性金属络合物、蛋白质和糖等7 种类型。其中发展最快、应用最多的手性 选择剂是环糊精。环糊精的类型和取代基对分离有很大的影响。如俞犄【3 7j 等比较 了分别用b c d 、y c d 及衍生化的羟丙基b c d ( h p 1 3 c d ) 和二甲基b c d ( d m b c d ) 为手性选择剂，采用毛细管电泳拆分氧氟沙星对映体，认为相对 而言d m b c d 是最合适的手性选择剂。 ( 3 ) 手性化合物的毛细管电色谱拆分 毛细管电色谱是近1 0 年来综合了高效液相色谱和毛细管电泳的优势而发展 起来的高效电分离微柱液相色谱技术。它不仅具有毛细管电泳水平的高柱效，同 硕士学位论文第一章绪论 时还具有高效液相色谱水平的高选择性。它克服了毛细管电泳技术选择性差和难 于分离中性物质的困难，还大大提高了液相色谱的分离效率，开辟了高效微分离 技术的新途径。目前该方法进行对映体化合物拆分主要有以下3 种方式： 非手性固定相结合手性添加剂流动相，手性选择作用依靠流动相中添加的 手性选择剂产生。如m a y e r 等【3 3 】在5 0um 开管柱内壁涂布键合了b c d 或y c d 的 二甲基聚硅氧烷，在中性条件下，较好地分离- j n s a i d s ( 布洛芬、氟联苯丙酸、 芴丙酸、吲哚乙酸) 和1 一苯乙醇的对映体。 采用手性固定相，固定相上键合手性选择剂( 如环糊精、蛋白等) 。如“p 刮 等用1 3 一c d 手性固定相拆分了环己巴比妥、安息香、脱氧核糖蛋l 兰l ( d n p ) 一蛋氨酸、 d n p 乙硫氨酸和d n p 一正亮氨酸的异构体。 采用手性分子烙印固定相，进行记忆性、专一性分离。最近，分子烙印技 术己开始应用于手性分离。s c h w e i t z 等口8 】在毛细管柱内填充含有功能性单体、交 联剂、烙印分子( 如r 心得安、s 美多心安) 的聚合物，使其具有单一的记忆特性， 可用于相应手性药物的快速分离，如在2 m i n t 勾可使心得安、美多心安对映体达到 基线分离。 1 2 3 5 膜法 早在2 0 0 多年前人们就揭示了膜分离现象，然而直到本世界6 0 年代，膜分离 技术才开始进入工程领域，开始实现工业化。7 0 年代，随着膜装置工业化的生产， 膜分离技术在各个工业领域和科研中得到广泛的应用。 膜分离在手性化合物方面的应用，主要包括了液膜拆分法和固膜拆分法。前 者基于选择性萃取，后者基于对映体问亲和性的差异。近年来关于膜法分离手性 化合物的报道很多3 9 - 4 2 1 。例如，p i r k l e l 4 3 1 等报道了采用液膜法拆分了n 3 ，5 一二硝 基苯甲酰基亮氨酸正丁酯对映体：m a s a h a r u i t “增报道了用戊二醛将l 一苯丙氨基 酸交联到聚矾膜上得到立体选择性超滤膜，对苯丙氨基酸对映体进行了分离，分 离因子高达4 1 0 ：龙远德等【4 5 1 以b 一环糊精聚合物膜拆分氨基酸( d l 苯丙氨酸、 d l 一色氨酸、d l 酪氨酸等) 取得良好效果。 1 2 3 6 萃取拆分法 所谓萃取拆分法，就是将外消旋体的两个对映体有选择性地从一个液相萃取 到另个不相溶的液相，从而达到分离对映体的目的。通常情况下，所采用的萃 取剂应具有光学活性，有手性识别能力。由于萃取剂的来源较少，因而这方面的 研究报道目前还比较少。 1 9 6 8 年，b o w m a n 等【4 6 】发表的论文中报道了l ( + ) 一酒石酸异戊酯等作萃取 硕士学位论文 第一章绪论 剂萃取拆分樟脑磺酸，二- ( 4 - 吡啶基) 乙二醇等消旋化合物，获得一定的拆分 效果，但不是很理想。v l a d i m i r l 47 i 等考察了6 种手性冠醚对1 0 种氨基醇对映体立 体选择性分配行为，取得了较高的立体选择性，发现立体选择性主要依靠冠醚和 氨基醇对映体的绝对和相对构型。t o s h i f u m i 4 8 1 等研究利用n 一1 1 l 脯氨酸或l 羟基 脯氨酸衍生物铜离子络合物来萃取拆分氨基酸。d i n g i 4 9 1 等研究利用n n l 十二烷 基一l 羧基脯氨酸铜离子络合物来萃取拆分亮氨酸。2 0 0 1 年，j u r g e n l 5 0 等研究了 d l 一苯丙氨酸在含有n 十二烷基一l 羧基脯氨酸的水醇两相系统中的分配行为， 考察y p h 等因素对分配系数和分离因子的影响。在国内则有蔡水洪口l j 等利用酒 石酸衍生物对麻黄碱差向异构体的萃取性能进行了研究。唐课文1 5 2 - 5 6 1 等用疏水性 的l 酒石酸酯作为萃取剂对扁桃酸、叔丁喘宁、氯噻酮、氧氟沙星等的对映体的 萃取性能进行了研究。 除了溶剂萃取法可用于萃取拆分外，超l 临界萃取也可以达到拆分的目的e f o g a s s y 等将光学活性的胺化合物与外消旋的有机酸对映体作用形成的非对映立 体异构体采用超l 临界c 0 2 萃取分离。结果表明，五种外消旋体有机酸有不同程度 的拆分效果。近年来，双水相萃取技术有了很大的发展，这项技术也渗透到了手 性化合物的拆分研究中，例如j a m e s 5 7 1 等报道了采用双水相萃取技术拆分d l 色氨 酸等外消旋体的实验结果。 1 9 9 4 年，m k z on e b e l 公司开发了一种先进的膜分离技术，借助于单一旋光体 有机溶媒( 例j i i l 酒石酸酯或d 酒石酸酯) 的流动，使消旋体药物中的一种对映体 透过薄膜进入相应的有机溶媒中，流出液经浓缩、分离即可得到单一旋光性化合 物。这种方法己达到生产规模。这预示着一种将膜技术与手性萃取技术相结合的 新技术的出现，它为外消旋体药物制备性分离开拓了一个新的领域，具有十分广 阔的应用前景，将成为萃取拆分技术的一个新的分支。 萃取拆分法分离外消旋异构体是目前分离外消旋异构体的一种重要方法， 在手性拆分方面具有突出的优势。相对化学拆分法，酶或微生物法和色谱拆分法， 该方法对于各种外消旋体的拆分，尤其是水溶性外消旋体的拆分，分离体系的选 择有一定的规律可循，并且适用范围也大大扩宽。而萃取剂来源较少是它的难以 实现大规模推广的一个重要原因。因此如何廉价的获取更多用于萃取的手性选择 体，也是一个很重要的课题。 常用的手性萃取剂包括：环糊精及其衍生物、杯芳烃及其衍生物等一些超分 子的化合物，还有酒石酸及其衍生物，而酒石酸酯类在手性萃取拆分特别是亲和 萃取拆分中有着重要的应用。l 酒石酸系列酯是良好的手性选择体，国内外专家 对此系列的物质给予了高度的重视。也有多篇文章对它的合成和应用做了报道 5 8 - 6 1 】。同时l 一酒石酸系列酯合成的原料非常容易得到，价格便宜，而立体选择性 硕士学位论文 第一章绪论 强，且使用相当广泛，能对多种类的外消旋体进行识别。综上所述，寻求合成该 酯的最佳方法对于分离制备手性单体化合物也同样有着重要的意义。 1 3 本课题研究的主要目标和任务 手性药物的分离一直是国际上分离科学的难点和热点，随着人们对手性药物 的研究的深入，实现药物对映体的高效、快速分离的要求越来越迫切。本文的研 究内容是国家自然科学基金( n o 2 0 3 7 6 0 8 5 ) 的一个重要部分，主要内容是：基 于质量守恒定律、化学热力学原理和手性识别原理，通过实验室合成的酒石酸酯 作为手性选择体，对手性萃取平衡和基本理论进行了研究。研究特非那丁和布洛 芬两种脂溶性的药物对映体在含有手性选择体的有机溶液，水一甲醇溶液两相系 统中的萃取分配行为，考察手性选择体