（应用化学专业论文）手性螺环化合物的合成与拆分.pdf

摘要 近来，手性化合物在不对称催化反应中的应用引起了人们的广泛关注。然而，手性 化合物的两种对映体在多数情况下具有不同的生理作用，有时甚至药性完全相反。因此， 随着人们对不同旋光性药物所表现出来的不同生理活性这一现象认识的深入，在生物化 学、药物化学及有机化学中的不对称合成和催化技术中，旋光异构体的分离与分析显得 越来越重要。利用高效液相色谱手性固定相拆分对映体已经成为获得旋光异构体和检测 它纯度的一个非常有效的方法。目前这种方法已经广泛用于医药、杀虫剂和不对称催化 中在各种手性固定相中，最早o k a m o t o 就已证明了纤维素和直链淀粉的广泛应用。目 前大量的文献也已经报道直链淀粉三( 3 5 二甲基苯基氨基甲酸酯) 和纤维素一三( 4 - 甲基 苯甲酸酯) 具有较好的分离效果。 本文首先通过季戊四醇与苯甲醛或苯二甲醛单缩醛的反应合成了3 , 9 - 二苯基 - 2 , 4 , 8 , 1 0 - 1 8 1 氧杂- 螺【5 5 1 - 十一烷和3 , 9 - - - 二( 4 - 甲酰基苯基) 一巩8 ，1 0 - 四氧杂螺【5 5 】十一 烷两种手性螺环化合物，首次利用直链淀粉或纤维素衍生物的手性固定相( c h i r a lp a k a d h 柱或c h i r a lp a ko j - h ) 在高效液相色谱上以正己烷和异丙醇为流动相对它们进行 了手性拆分，考察了流动相正己烷、异丙醇的比例对化合物的保留因子、分离因子和分 离度的影响，从而优化了拆分条件，实验结果显示，流动相中异丙醇含量的减少有利于 对映体的拆分，最佳分离条件为正己烷：异丙醇= 9 8 ：2 ，此时对映体的分离度最大将制 备出的少量对映异构体进行了旋光度的测定，并利用l o w c 规则预测出两种异构体所属 的构型 其次，本文对树状化合物进行了简单的介绍，并拟合成了树状化合物，为课 题组其他成员合成大分子手性催化剂作了一些基础性的工作，为下一步手性大分子的合 成作了一些前期工作。 最后，在阅读大量文献的基础上，本文对f e c h t 酸提出了新的合成路线并对其合成 机理进行了讨论 关键词：手性分离手性螺环化合物手性固定相比旋光度i o w c 规则 r e c e n t l y , s y n t h e s i so fc h i r a lc o m p o u n d sh a sa t t r a c t e dag r e a td e a lo fi n t e r e s t sd u et oi t s p o t e n t i a la p p l i c a t i o ni na s y m m e t r i cc a t a l y t i cr e a c t i o n u n d e rm a n yc i r c u m s t a n c ee n a n t i o m e r s o fp h a r m a c e u t i c a lc o m p o u n d sm a yd i s p l a yq u i t ed i f f e r e n tp h a r m a c o l o g i c a lb e h a v i o r s s o m e t i m e s , t h e ym a ye v e nh a v eo p p o s i t ep r o p e r t i e sa sm e c m e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y , p e o p l ed e e p l yr e a l i z et h ed i s t i n g u i s hb e t w e e ne n a n t i o m e r sf o ro p t i c a l l ya c t i v e c o m p o u n d s i ti sb e c o m i n gi m p o r t a n tt os e p a r a t eo p t i c a la c t i v ec o m p o u n d si nt h ef i e l d so f b i o c h e m i s t r y , o r g a n i cc h e m i s t r y , p h a r m a c e u t i c a lc h e m i s t r ya sw e l la sa s y m m e t r i cs y n t h e s i s a n dc a t a l y s i s n o we n a n t i o s e p a r a t i o nb yh i g h - p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) o n ac h i r a ls t a t i o n a r yp h a s eh a sb e c o m ea ni n c r e a s i n g l yp r a c t i c a la n de f f e c t i v em e t h o dt oo b t a i n o p t i c a li s o m e r sa n d d c t e r m i n ep i l i i t y t h em e t h o dw a so f t e nu s e di nm e d i c i n e , p e s t i c i d e sa n d a s y m m e t r i cc a t a l y s i s t h e r ea r ev a r i o u st y p e so fc s p sa v a i l a b l e a m o n gt h ev a r i o u sc s l ，s , c e l l u l o s e - a n da m y l o s e - b a s e dc s p sh a v eb e e np r o v e dt ob eq u i l cv e r s a t i l eb yo k a m o t oc ta 1 i t w a sd e m o s t r a t e dt h a tt h e a m y l o s et r i s - ( 3 ，5 - d i m e t h y l p h e n y l c a r b a m a t e ) a n d c e l l u l o s e t r i s - ( 4 - m e t h y l b e n z o a t e ) w e r ep a r t i c u l a r l ye f f e c t i v e i nt h i sp a p e r , t w os p 沛c o m p o u n d so f 3 ，9 - d i p h e n 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 4 丑n ea n d 3 ，9 - d i ( 4 - f o r m y l - p h e n y l ) - 2 , 4 , 8 ，1 0 - t e t r a o x a - s p i r e 5 5 - u n d e c a n ew e r e p r e p a r e db yp e n t a e r y t h r i t o lr e a c t i n gw i t hb e n z a l d e h y d eo rp h t h a l a l d e h y d em o - a c e t a li n p r e s e n c eo fh c i t h ed i r e c te n a n t i o m e r i cs e p a r a t i o no ft w od - c o m p o u n d sh a sf i r s t l yb e e n a c h i e v e du s i n gn - h e x a n ea st h em o b i l ep h a s ew i t hi s o - p r o p a n o lo nd e r i v a t i z e da m y l o s ea n d c e l l u l o s ec h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e s ( c h i r a l p a ka d - ha n d c h i r a l p a ko j m t h ee f f e c to fm o b i l e p h a s em o d i f i e r so n ac o m p o u n d sr e t e n t i o nf a c t o r ( k ) a n dr e s o l u t i o n s ( 购w e r ei n v e s t i g a t e d , a n dc h r o m a t o g r a p h i cc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e d t b er e s u l t ss h o w e dt h a tal o wp e r c e n t a g eo f i s o - p r o p a n o lp r o v i d e db e s ts e p a r a t i o n i t 锄b es e e nt h a ts e p a r a t i o nf a c t o ri sl a r g e s tw h e n h e x a n et oi s 0 - p r o p a n o lj s9 8 ：2a sm o b i l ep h a s e , a o dc h r o m a t o g r a p h i cc o n d i t i o n sw e r e o p t i m i z e d t h ei s o l a t i o no fi n d i v i d u a le n a n t i o m e r sw e r ea c h i e v e da n dt h eo p t i c a lr o t a t i o nf o r t h ei s o l a t e de n a n t i o m e r sw a gm e a s u r e d t h ec o n f i g u r a t i o n sf o rt h ee n a n t i o m e r sw e r e i n t e r p r e t e db yl o w e $ r o l eb a s e do nt h e i rs t r u c t u r ea n do p t i c a lp r o p e r t i e s s e c o n d l y ，t h ed e n d d m e rb e i n gi n t r o d u c e di nt h i sp a p e rw a ss u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e d w h i c hg i v e sab i gc o n t r i b u t et ot h eb a s i cw o r ko fs y n t h e s i z i n gt h ec h i r a lc a t a l y s t , a n di ti s u s e f u lt ot h ep a r t n e ro fr e s e a r c ht e a ma st h eb a s i cw o r k f i n a l l y , b a s eo nr e a d i n gm a n yl i t e r a t u r e ，t h en e wm e t h o dt os y n t h e s i z et h ef e c h ta c i d w a si n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d k e y w o r d s ：c h i r a ls e p a r a t i o nc h i r a ls p i r o - c o m p o u n dc h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e o p t i c a lr a t a f i o n l o w e sr u l e 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，也不包含为获得丞洼堡工太堂或 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已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：协f 书 签字日期：印) 年 月_ f - e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼堡王太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权丞洼堡王太堂 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：叫汞岭 导师签名： 签字日期：_ 0 年j 月，j ，日签字日期：训0 年月寸日 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 ( r e s e a r c hp r o g r e s sa n ds 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 1 1 手性的定义( d e f i n i t i o no fc h h - a u t y ) 1 手性( t h i r s t y ) ：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1 。 2 手性分子：是指一个分子，如果不能与其镜像叠合，即分子本身与其镜像不同，则 此分子称手性分子；一个分子，如果能与其镜像叠合，即分子本身和其镜像相同，则称 非手性分子判断分子有无手性的可靠方法是看有没有对称面和对称中心 3 手性化合物【2 l ；是由特定分子中的原子在空间捧列的方式不同造成的。例如当一个 化合物中某个碳原子与4 个不同的原子或基团连接，它就有一个手性中心。分子排列方 式不同，造就了不对称的三维分子。许多药物是两种或多种不对称三维结构分子的混台 物。组成混合物的异构体分子除原子或基团排列不同外其余都相同。由于空间排列方式 的差异，它们以不同方式反射偏振光，故而又称为光学活性化合物( o p t i c a l l ya c t i v e c o m p o u n d s ) 这类化台物被称作手性化合物( c h i r a lc o m p o u n d s ) 、外消旋混合物( r a c e m i c m i x t u l c s ) 或外消旋物( r a c e m a t e s ) 原子不同方式捧列的各个分子被称作异构体异构体 包括对映异构体和非对映异构体对映异构体有不可重叠的镜像结构、几何异构体( 顺 式、反式) 、复杂的结构( 有多个不对称中心) ；异构体是非镜像的，则称作非对映异构 体，一个化合物具有n 个手性中心，就含有2 - 1 个异构体，可以用r 、s 命名法表达。 4 手性药物：是指由具有药理活性的手性化合物组成的药物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着显著的差异 3 1 。 1 1 2 手性化合物的研究进展( r e s e a r c hp r o g r e s so f c h i r a ic o m p o u n d s ) 2 1 世纪第一顶诺贝尔化学奖的王冠被美国科学家w i l l i a ms k n o w l e s 、kb a n y s h a r p l e s s 和日本名古屋大学教授r ) 哂in o y o f i 摘取，以表彰他们在手性催化氢化反应和手 性催化氧化反应方面进行了长期的探索并作出的卓越贡献f 4 j 。历时1 0 0 多年来，人们对手 第一章绪论 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 9 以来的2 0 余年问，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 在药物和农药中，手性的重要性表现在不同对映异构体在生物体内会展现出不同的 生理特性，而无效或不良的对映异构体是极其有害的阁。市场对单一对映体的手性药物 及农药产生迫切的需求，为手性技术的兴起带来了机遇，于是世界各大制药公司及农药 公司纷纷将注意力转向了单一对映体的手性药物和农药，形成了手性技术的热潮。 随着人们对光学活性物质作用研究的不断深入，手性化合物在各个领域中的作用也 越来越显著。其对映异构体与外消旋体在一些性质上的差异逐渐引起人们的广泛重视， 近年来，各类旋光性化合物的制备、合成、性能和外消旋体的手性拆分方面的研究相当 活跃，己成为国内许多研究工作者和工艺开发者致力研究的热点。现阶段研究的领域主 要集中在医药领域、精细化学品领域、材料科学等领域。 1 医药领域州 在医药领域中人们通过大量实验发现：医药产品中许多品种或其主要成分是具有手 性的，许多中草药的有效成分都具有光学活性，但同时又发现其左，右旋对映体的药理 不尽相同，在有些药物成份里只有一部分有治疗作用，而另一部分没有药效甚至有毒剐 作用。 作用于生物体的手性化合物的不同异构体应作为不同的化合物看待。不论手性药物 的另一对映体是无效的、有害的还是具有其它生理活性的或两对映体是互补的，都要求 对手性药物的各个对映体分别进行考察，了解他们各自的生理活性、毒性等。据报道， 在美国常用的2 0 种药物中，1 2 种药物是具有一个或一个以上手性中心的化合物。在美国 药物名称词典所列出的2 0 5 0 种药物中，大约有一半药物分子中至少包括一个以上的手性 中心。美国f d a l 5 1 9 9 2 年颁布的法规要求，在申报新药时，将消旋体视为混合物，比如 要对两种异构体的作用分别叙述清赳一 2 精细化学品领域 精细化学品包括杀虫剂、除草剂、杀菌剂等农业化学品以及香料等生物效应中的 立体选择性现象不仅仅局限于医药方面，而是所有生物活性试剂的特性。而现行农药中， 具有旋光异构的农药品种约占2 8 ，农药化学品中的手性问题与医药的情况相似【8 j ， 其两个对映体往往只有一个是有效的，另一对映体无效或对作物有毒。农药品种主要为 除草剂、杀虫剂、杀菌剂三类，在这三类产品中具有手性结构的物质亦较为普遍，而已 知的多数药品中光学活性异构体问存在较大差异的生理活性。正如同医药的药理相似， 往往只有异构体中的一种是具有杀虫活性的，而其余的几种异构体活性很小甚至没有杀 虫活性 新型旋光农药因其本身的优势一生物活性高越来越受到人们的关注。e l l i o t t t g 研究 了天然除虫激素和多种拟除虫聚酯的功效后发现，高效体与工业混旋体之间的药效相差 几倍，高效体与其对映体间的药效相差5 0 0 f 音之多因此发展和使用有效的对映体农药 具有现实和未来的社会效应和生态效应。 2 第一章绪论 3 材料科学领域 除了在医药、农药等生命科学领域，手性化合物所表现出的重要性之外，在材料科 学方面也显示出了无穷的潜力p o j 。近年来，随着对手性化合物的研究深入，人们发现从 单一手性异构体的单体聚合得到的旋光性高聚物具有引人注目的性质。另外，在分子电 化学和光学数据贮存方面也已提出了对手性纯化合物的需求。所以在材料科学领域中研 究、开发手性化合物的意义也非常重大，有望有所创新、有所发展、有所突破。 由此可见，手性化合物在各个领域中正逐渐显示出它的魅力，作用越来越大，也越 来越突出，吸引着人们对其进行深入的研究，以减少不必要异构体的生产。其外消旋体 u l j 的两个对映体在化学、物理性质等方面都有可能表现出差异，如何行之有效的把外消 旋的两个或多个对映体拆分开来并且分析其拆分机理，或如何能将我们不需要的或有毒 副作用的对映体转化为我们所想得到的对映体，是手性化合物研究的重点，同时也是怎 样获取对人体、动植物体、环境及经济有益的具有光学活性的手性化合物急需解决的问 题。 综上所述，手性化合物的研究己越来越多的显示出其重要性，环保、医疗、卫生等 方面的压力促使人们加速对手性化合物的研究，所以对手性化合物的开发和研究，都具 有相当重要的现实意义【1 2 1 1 1 3 手性化合物的研究意义( s i g n i t i e a n c eo f c h i r a lc o m p o u n d s ) 手性技术是建立在科学基础之上的，因此，手性技术的发展首先应谈的是有关基础 的发展这些基础首先是有机立体化学理论的建立，其次是消旋体拆分方法的完善，第 三是手性合成的创新，另外还有其它一些相关的研究以上基础问题在近2 0 年来，都得 到了迅猛发展。 - v 手性技术是科学发展的必然，同时又是科学发展的动力当今兴起和发展的手性技 术，不但直接影响着人类的健康，而且对于生命科学及材料科学的研究有着极为深远的 影响生命科学的革命性飞跃，要求从分子问作用来研究问题，要在分子水平上探讨生 命的复杂过程p 3 1 研究手段中，人们需要有目的地合成或剪裁一些分子，在这些有意义 的合成或剪裁中，由于生物体的基础物是手性的，所以手性技术的深远意义是显而易见 的。手性技术是当代化学的热点和前沿【1 4 1 ，其中手性合成代表了2 l 世纪有机合成的方向。 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，其 所占比重日益增大。目前，单一对映体药物的世界市场每年以2 0 以上的速度增长。1 9 9 4 年到1 9 9 6 年三年中，世界批准新药一半以上是单一对映体。目前正在开发的x 2 0 0 剃e 新药 中，三分之二是手性的。到2 0 0 5 年，全世界上市化学合成新药中约有6 0 为单一对映体 药物。 在上述规模的市场推动下，世界各大制药公司纷纷将注意力转向单一异构体药物的 研究，形成了手性技术的热潮同时，近年来与手性技术有关的科学研究也得到了蓬勃 的发展，如立体化学理论的建立；对映体测定的分析方法的发展和完善，包括手性位移 3 第一章绪论 试剂、核磁共振方法、手性色谱等【1 5 切。相对而言，我国在手性技术的研究方面起步较 晚，力量还比较薄弱。近几年来，我国科技工作者和政府都逐渐认识到了手性技术的意 义，投入了大量的精力和经费，从事这方面的研究，国家自然科学基金会每年都有专项 资金给予资助。我国需要加快步伐，迎接手性技术的挑战。 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 ) 手性合成对于学术研究，尤其是新药研制都具有非常重要的意义。现在，手性合成 已被应用到心血管药、抗生素、激素、抗癌药及中枢神经系统类药物的研制上。由手性 合成而得到的手性药物，其疗效是原来药物的几倍甚至几十倍。 手性合成包括两个方面，即化学合成和生物合成。 手性化学合成( 不对称合成) ，在2 0 世纪后半叶有了快速发展，它经历了四个阶段( 即 四种方法1 的进展 1 手性源方法( c h i mp 0 0 1 ) ：原料为手性化合物，经不对称反应，得到另一手性化合物， 即手性原料转化成反应产物1 1 s l 。 2 手性助剂方法( c h i r a la u x i l i a r y ) ：利用手性助剂r 与原料a 结合成a 酣进行不对称诱 导反应，产生b r ，收回r ，则可得到新的手性化合物b 。 3 手性试剂方法( c h i r a lr c a g c n 0 ：利用手性试剂，直接参与不对称诱导反应，而产生新 的手性化合物a b * 4 不对称催化方法l 蝴h y 皿e 虹i cc a t a l y s i s ) ：用手性催化剂参与不对称催化反应，得 到新的手性化合物。 手性源合成法【2 1 倒是以手性物质为原料合成其它手性化合物，因其原料有限及路线 繁多，应用受到限制。不对称催化合成法是在催化剂或酶作用下合成出的，但由于其合 成路线繁琐，产物的种类有限，而且旋光纯度较低，成本昂贵，因此应用也受到一定限 制。 在生物合成方面也有两种方法1 纠- z i i 1 发酵( 悬浮生长细胞和固定化细胞陆：郾利用细胞发酵合成手性化合物。 2 生物酶法：可将有潜手性的化合物和前体通过酶促反应转化为单一对映体，可利用 氧化还原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羟化酶、环氧化酶等，直接从前体化合物不对 称合成各种复杂的手性醇、酮、酸、酯、胺衍生物，以及含磷、硫、氦及金属的手性化 合物。 酶法合成的特点是高对映体选择性和产物光学纯度高，收率高和副反应少，反应条 件温和，无环境污染等，有利于工业化生产。特别是酶固定化技术，可使酶催化反应成 为固定床连续生产流程，具有工业化价值。用生物合成技术合成手性药物并使之工业化 是一个热点研究方向。 4 第一章绪论 1 2 1 手性化学合成的研究( r e s e a r c h 蚰s y n t h e s i so fc h i r a lc h e m i s t r y ) 在手性化学合成方法中，手性源方法、手性助i ! j 方法和手性试剂方法是化学计量型 的反应，而不对称催化方法是催化量的化学反应，具有手性增值的效应。如不对称催化 氢化反应，用好的手性催化剂可使手性增值效应高至1 0 万倍，即用1 个手性催化剂分予 可产生1 0 万个手性产物。因此近年来不对称催化方法，吸引了世界上许多著名的有机化 学研究室和各大制药公司去研究开发，其中既有创新性的基础研究工作，又有具有实际 应用价值的手性药物合成。 目前，在学术和经济上最为可取的手性技术，即具有手性增值能力的催化手性合成 方法，得到了广泛的关注和深入的研究。 低成本、高药效的手性药物开发为不对称催化合成的发展提供了巨大的吸引力和挑 战，其广阔的市场需求更是不对称催化发展的强劲动力。不对称催化合成为单一对映体 手性药物的开发奠定了强大的理论基础，该领域的突破和进步也为新的单一对映体药物 的开发提供了重要推动作用并不断促进新型手性药物的商业化进程。 不对称催化科学发展至今，一些有效的催化体系因其高度的催化活性和手性增值能 力显示出其它手性技术所无法比拟的优越性，但如何实现不对称催化科学向实践的飞 跃，经济合理地将这些体系应用于工业领域并造福于人类就成为亟待解决的问题。制备 性能优异并可循环再生的多相不对称催化剂就成为解决这一问题的关键，该领域的发展 方兴未艾 1 2 , 2 生物合成的研究( r e s e a r c ho ns y n t h e s i so fb i o l o g y ) 生物合成方法中我们主要研究的是生物酶合成。生物酶合成有氧化还原酶法和其它 一些较易应用的酶法如转氨酶法等，其原理是：将潜手性底物对映体选择性地合成光学 活性的产物 i ) 或l - 乳酸脱氢酶可立体选择还原q - 酮酸为羟基酸将非手性的2 - 氧代戊酸用l 乳 酸脱氢酶可还原为( s ) - 2 - 羟基戊酸，如用n 乳酸脱氢酶则被还原为( r ) - 2 堀基戊酸，光学 纯度在9 9 以上。其还原产物1 ，2 戊二醇可作为丙环唑的手性合成原料，关于2 - 羟基戊酸， 还有通过发酵立体选择性获得两个对映体的报道。丁苯吗啉的孓对映体的高效低毒引起 了对此立体选择性合成的广泛研究。 a v d a g i a l 9 9 5 年报道了其化学酶法的不对称合成。其重要中间体通过潜手性的1 。3 二醇立体区域选择性酯交换反应获得，光学纯度为9 9 。这一过程是在正乙烷和异丙醚 1 ：1 的有机介质中，假单孢菌脂酶的催化下完成的。s c h u l z 等对草铵膦微生物及e s c h e r i c h i a c o l i 的代谢研究发现，草胺膦主要的降解途径是弘膦转变为相应2 氧代酸。它们从该菌中 分离出可将a 酮酸变为a 氨酸那样的转氨酶。经证实该酶与2 酮基戊二酸4 - 氨基丁酯 氨基转移酶相一致。在2 氧代4 【( 羟基x 甲基) 膦基】丁酸中加入4 倍的i 厂谷氨酸可得光学 纯度为9 9 9 以上的s - 草铵。 在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 5 第一章绪论 提取的r 一醇氰酶有较高的r 专一性，从微生物提取的醇氰酶有孓专一性。离析的醇氰酶 催化氰离子对各种芳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 。 1 3 手性化合物的拆分( r e s o l u t i o no fc h i r a lc o m p o u n d s ) 2 0 世纪6 0 年代，德国上市了一个非常有效的非巴比妥类镇静药物，取名“反应停” ( t h a l i d o m i d e ，a 苯肽茂二酰亚胺，塞利多米) ，用于治疗孕期妇女的妊娠反应。该药 销往4 6 个国家，结果导致8 0 0 0 多婴儿出现海豹肢畸形。这就是震惊世界的反应停事件 t 2 s - 3 0 l 。 后来研究证实，反应停实际上是一种外消旋体药物，内含r - 、s 两种对映体。结构 如下： h 图i - 1 反应停的异构体构型 f i f r l - 1 t h e i s o m e r s o f t h a l i d o m i d e 其中，r - 型具有镇静作用，而s 型具有强烈致畸作用正是s 型对映体导致了这次 悲剧。然而这一危险对许多外消旋体药物来说是潜在的，如乙胺丁醇和青霉胺，实验已 经证明，用于治疗结核病的乙胺丁醇，其r 型可以致盲，而用于治疗风湿病的青霉胺， 其r 型可引起中毒。另外，有些药物对映体在生物体内可发生特异转化，如生理、药理 活性较低的r ( _ ) 型布洛芬和r ( - ) 型菲诺洛芬在人体内转化为s ( + ) 型布洛芬和s ( + ) 型菲诺 洛芬，而s ( + ) 型具有较高的生理和药理活性【3 l - 3 2 1 。 这些事件使获得具有药效的单一对映体问题成为科学家们关注的焦点 1 3 1 手性拆分方法的研究( s e , e a r e h 蚰m e t h o d so f r e s o l u t i o n ) 在诸多获得手性化合物的方法中，尤其是手性药物合成中，化学拆分目前仍然是最 重要方法的之一由中国科学院上海有机化学研究所林国强研究员和中国科学院成都有 机化学研究所邓金根研究员主持的“外消旋药物的拆分及无效对映体的转化研究”课题 组，利用包结拆分和组合拆分新方法对世界上畅销的手性药物奥美拉唑及兰索拉唑成功 地进行了拆分，产物e e 值( 即光学纯度，或对映体过量百分率) 都达到9 9 。并通过单 晶x - 衍射分析对拆分过程中的手性识别机理进行了研究。此外，也研究了以组合化学中 平行合成原理对手性药物的拆分。并用这一方法拆分了沙丁胺醇、特布他林和氟西汀等 药物，达到9 9 e c 值。这些拆分方法在一定的程度上解决了经典成盐拆分方法所难以解 决的问题。拆分过程中会产生一个无效异构体，如不能得到合理利用，不仅导致生产成 本的提高，而且也造成了资源的浪费，甚至造成环境污染。因此，对一些手性药物的无 6 第一章绪论 效异构体的转化也进行了研究。从手性药物甲砜霉素拆分所得的无效异构体l 异构体， 经酰化、环合、异构化和还原反应转化为嗯唑啉环化物，再经水解、开环即可获得d 型 有效中间体。经过工艺优化，四步反应，可以以一锅煮的方式来完成，收率可高达8 1 8 6 。此外，由i ，异构体还可经5 步反应制得另一种药物氟尼康，总收率为3 1 ，这 方面工作中已有多项技术用于生产实际。 获得单一手性物质其中的一种方法是通过外消旋体拆分法【3 圳。这种方法已被广泛 使用。它包括结晶法、酶和微生物法、膜拆分法和色谱拆分法。 其中色谱拆分法 3 5 - 3 7 又包括气相色谱、液相色谱、超临界色谱、毛细管电泳拆分法 和动态高效液相色谱法等。下面我们重点介绍色谱拆分法的这几个方面。 1 气相色谱 气相色谱是较早用来分离对映体的一种方法 3 8 - 3 9 1 ，它的优点在于分离速度快、分离 效率高、选择性好、样品用量少和检测灵敏度高且操作简单，费用低。尽管气相色谱作 为对映体分离手段已经比较完善，但由于它比较适用于那些易挥发物质，如麻醉药异氟 烷和地氟烷等的制备，因此限制了它的应用，后来出现了气相模拟移动床色谱，可应用 于麻醉药安氟醚的对映体拆分，才逐渐扩大了应用范围。 2 高效液相色谱 从2 0 世纪年代开始，高效液相色谱( i - i p i c ) 逐渐成为对映体拆分的一种重要手段， 其中有直接法和间接法两种，直接法又可分为手性流动相添加剂法和手性固定相法。目 前认为手性固定相法( c s p 脚，i q 是非常简单而有效的方法【4 1 1 。 手性固定相法分离对映体的机理是：外消旋体中的一个手性物质与手性固定相发生 作用，生成不稳定的短暂复合物，由于一个对映体形成了复合物而另一个没有形成，二 者保留时间不同，从而经过淋洗即可达到拆分目的。 手性固定相的种类大致有以下几类：手性聚合物类、蛋白质类、p i r h e 类、大环类、 分子印模类、聚合物类。其中分子印模类是近年来发展起来的一种手性固定相，分子印 模聚合物是由具有可逆的非共价键合作用的单体制备而成，聚合过程是在高浓度的交联 单体作用下完成的，从而得到刚性的整体螯合物，除去印模分子后，得到一个具有互补 结构和特殊功能结构的模板 1 i p “y z 。明的技术虽然比较成熟，但当前研究的热点是新型的固定相及连续操作的 模拟移动床在手性分离中的应用。由于固定相比较昂贵，柱子造价较高，所以实际应用 还受到一定限制。 3 膜技术 随着人们对单一对映体需求量的增加，目前研究的重点是对映体分离的连续化生 产，除了手性固定相的模拟移动床色谱外，以膜技术为基础的对映体分离也在采用，膜 分离具有以下优点：( 1 ) 生产连续化；( 2 ) 适合不同的生产规模；( 3 ) 大多数情况下是室温 操作。膜技术分离对映体基本上可分为两类，一类是在具有手性选择性的膜上进行直接 分离：另一类是在非手性选择性膜上进行分离，不过后一类分离过程一般需具有辅助的 手性选择环境，例如用冠醚作手性载体，但手性选择性较低 4 电泳技术 7 第一章绪论 毛细管电泳技术( c e ) 已在分析手性物质纯度方面广泛应用，由于毛细管电泳的高 效性，手性化合物即使在很低的选择性下也能得到很好的分离。c e 在柱效、速度、成本 等方面都比i - i p l l 隋优势，a 没有泵送系统，且可通过改变缓冲溶液和操作模式有效而 广泛地分离更多的物质，在进样和检测时无死体积，而h p l c 则柱子和溶剂费用较高。 总之，c e 具有高灵敏度、高速度、低成本、应用范围广等优点，因而近年来发展非常迅 速。 毛细管电色谱( a s c ) 是h p l c 和h p c e 的结合体，可以将流动相添加剂、固定相引 入方式和驱动方式相互灵活组合成许多分离模式，兼有h p l c 分配机理和h p c e 电迁移 特征。a c 与h p c e 一样，几乎没有速度梯度，而且克服了h p l c 中压力流速不同所 引起的峰展宽，从而，既具备i - i p l c 的高选择性又具备接近h p c e 的高柱效，表明c e 在某些方面比h p l c 更有优势。但是它的应用都是在毫克级或更小的规模，目前，还不 能与i - i p i 液相色谱相竞争，仍需进一步提高。 5 超临界色谱 超临界流体色谱( s f c ) 是以超临界流体做流动相的色谱过程，超临界流体是指物质 在高于其i 临界压力而低于其临界温度的一种物态。这种物态的流体兼有气体的低粘度， 液体的高密度，以及介于气液之间的扩散系数等特征，理论上讲，用超临界流体做流动 相的色谱既可分析气相色谱中不适应的高沸点、低挥发性样品，又有比高效液相色谱更 快的分析速度和更高的柱效率s f c 可以使用g c 和h p l c 所用的检测器，如氢火焰离子 化检测器( f m ) 、紫外检测器( u 、，) 、电子捕获监铡器等，并容易与质谱傅立叶变换 红外光谱等相连结，应用愈来愈广泛 4 7 4 s 。 6 动态高效液相色谱( m - 口l o 新发展的手性d h p “功法可用于研究高温时立体化学稳定的手性化合物m ，它可 得到一系列受温度控制的平顶或峰形曲线，从而可以考察对映体互变的动态过程、动力 学数据及对映体互变的能垒。一般在c s p 上用色谱方法分离外消旋混合物，最多可以得 到收率5 0 的两种纯的光学异构体而在d 】盱l c 中，利用c s p 来达到对映体互变平衡， 从而使分离和平衡合二为一。理论上可以从外消旋混合物中以1 0 0 收率得到一种纯的 光学异构体l d 喇l z l 删等曾经用d h p l c j # 离一螺环化合物，该化合物可通过螺环处的 c - o 剪开环和闭环进行对映体互变。将它依次通过o 和加的两根c l d r a l c c lo d 柱，平衡2h 后，即可得到3 2 e e ( e n a n t i o m e r i c 甑o c 豁，e e ) 的( n 对映体。 综上所述，色谱技术是一种制备旋光纯对映体的重要手段【5 l 】，g c 和h p l c 是比较成 熟的技术，a 芷分离中显示了明显的优势，特别是i - i p i c 和h p c e 的结合体c e c ，随着 它的理论探索和技术提高，将成为色谱拆分的一个新方向，前景是不可估量的。另外， 膜技术在连续生产旋光纯对映体方面也具有很大潜力，但在技术上还不成熟。在不同规 模的手性制备中，色谱已是一个很有潜力的技术，因其快速、简便，已被广泛应用；在 千克级规模中，特别是引入s m b c 技术后已成为获得单一对映体的一个主要途径，即使 在上百千克及吨级规模中，色谱技术也很有前景，不过在此阶段，费用是主要因素，因 此应该分析所有可以利用的技术。 8 第一章绪论 1 3 2 手性固定相的研究( r e s e a r c ho f c h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e s ) 生物分子和药物分子有大量对映异构体，这些异构体在生理和药理中有时起着完全 不同的作用，所以对映异构体的分离成为色谱的重要任务，而h p l c 又是完成这一任务 的重要手段。目前已经研究过的手性固定相有7 0 0 多种1 5 2 】，下面将手性固定相分为以下 几类来分别作以下简要地介绍。 l 蛋白质类手性固定相 蛋白和糖蛋白由氨基酸及糖链组成，它们都是手性化合物，具有识别手性化合物的 功能，但是可以用作高效液相色谱手性固定相的蛋白质只有少数几种。早在七十年代初 已有人将牛血清蛋白键合在琼脂糖上，制成液相色谱的手性填料，拆分了d 1 色胺酸，这 说明用化学和物理的方法将蛋白质固定到硅胶或者其他的基质上，即可得到一类用途广 发的蛋白质手性固定相p 3 j 当蛋白质手性固定相的柱效很好时，与蛋白质亲和力差别很 小的对映体都可以得到良好的分离。 2 环糊精型手性固定相 1 8 9 1 年首次发现了环糊精，环糊精是由环糊精糖基转移酶( c g t ) 作用于淀粉所产 生的一组环状低聚糖。葡萄糖分子中的吡喃型葡萄糖都处于椅式构象，由于在椅式构象 中各个糖基不能围绕糖苷键自由旋转，因此环糊精分子形状都是略呈锥形的圆环。由于 环糊精是环状化合物并且由疏水的空腔，某些具有特定结构的化合物能进入环糊精的空 腔产生包结作用，因此环糊精类化合物在分子识别研究领域有着广泛的应用。 3 配体交换型固定相 这类手性固定相对对映体的拆分机理与手性配体流动相的拆分机理相同，只是手性 配体键合到固定相基质成为手性固定相而已。这种配体分子大都是具有手性活性的氨基 酸如脯氨酸、而金属离子大都用二价铜离子。d a v a n k o v l 5 4 1 将l 脯氨酸键合到树脂上，经 吸附c u b 、i q i 2 + 、z n 2 + 后，即可拆分氨基酸对映体。 4 高聚物手性固定相 1 9 7 3 年，h e s s e 和h a g e l 首先制备了微晶纤维素三醋酸酯( c r a ) ，研究表明：在多相 条件下制备的a r a 具有较好的手性识别能力，这种手性识别能力来源于纤维素的晶体结 构本身 5 5 1 。当微晶纤维素三醋酸酯溶解于溶剂并涂渍在硅胶上时，其手性识别能力不同 于原来的微晶纤维素，对某些对映异构体的光学拆分洗脱顺序是完全相反的，比如t r o g e r 碱，这种变化主要是由于在溶剂中的a 隗性能与微晶结构时的c t a ，c 不相同所致。当各 种纤维素酯、纤维素三苯甲酸酯及其衍生物涂渍在硅胶上时，显示出较高的手性识别能 力，根据三点作用原理，该类纤维素衍生物中最重要的手性作用位点是羰基，羰基与具 有羰基的对映体通过偶极偶极相互作用，与具有羟基或氨基的对映体发生氢键作用。 通常，在纤维素的衍生物中大都还引入苯基，这有利于提高手性识别能力。 随着人们对手性化合物在医学工业和人体代谢方面重要性的了解，手性对映体的分 离分析将会越来越重要。通过键合或者涂敷于硅胶上而制