（应用化学专业论文）对羟基苯甘氨酸的消旋及拆分研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 d l 一对羟基苯甘氨酸( d l - p h y d r o x y p h e n y l g l y c i n e ，d l p h p g ) 是一种重要 的医药中间体，拆分后得到的左旋对映体d 一对羟基苯甘氨酸 ( d p h y d r o x y p h e n y l g l y c i n e ，d p h p g ) 可用于合成广谱抗生素阿莫西林 ( a m o x i c i l l i n ) 、头孢哌酮( c e f o p e r a z o n e ) 、头孢罗奇( c e f o p r o z i l ) 等，这些药物 的搞菌能力已超过青霉素，用途广泛。本文对l p h p g 的消旋和d l p h p g 的拆 分进行了研究。 l - p h p g 在碱溶液中，随p h 增大，消旋度增大，同一p h 下，温度越高消 旋速度越快，适宜消旋温度为9 5 。c 。l p h p g 在醛的催化下，可在羧酸溶剂中 发生消旋。氨基酸的消旋反应为一级反应，消旋速率随羧酸溶剂的不同而异，并 且羧酸溶剂中有水存在，会降低消旋反应速率。研究表明：当水杨醛为催化剂、 i q ( 水杨醛) ：l q ( l p h p g ) = o 1 、乙酸浓度大于9 5 、反应温度9 5 。c 时，消旋效果 最好。消旋反应随反应温度的升高而加快，l p h p g 消旋反应速率常数同温度 的关系可表示为： k = 9 2 0 4 2e ” 诱导结晶拆分以水为溶剂，利用d p ，h p g 和l p h p g 溶解度的差异，研究 了结晶温度、晶种加入点温度、养晶时间和盐与水的质量比对结晶的影响，取得 了最优反应条件：结晶温度为2 5 。c ，盐与水质量比为1 ：2 5 ，晶种加入点温度 3 0 。c ，养晶时间4 0 m i n 下的诱导结晶，拆分效率4 0 8 3 ，产物光学纯度9 5 8 。 不对称转换拆分以乙酸为溶剂，消旋和拆分同时进行，拆分效率大大增加。 不对称转换适合反应条件：反应温度9 5 c ，反应时间为6 h ，过滤温度8 54 c ， 水在醋酸溶剂体积含量3 ，用苯甲醛作催化剂，苯甲醛同d l h p g 的物质的量比 为0 2 ，产率3 1 1 5 ，光学纯度9 7 3 。连续不对称拆分d l h p g 比间歇不对称 拆分d l h p g 产量增加很多，产率6 0 6 ，光学纯度9 7 2 。 酶促拆分法利用氨基酰化酶立体专一性的特点，它能选择性水解n 乙酰 一d l h p g 得到l h p g ，n _ 乙酰d h p g 经分离后再水解而得到d h p g 。研究了 温度、酶用量、反应时间、底物浓度对拆分反应的影响。实验结果表明，在用曲 霉酰化酶作拆分剂，反应温度3 6 c ，w ( 酶) ：w ( 底物) = 1 ：2 6 2 5 ，反应时间4 0 h 浙江大学硕士学位论文 条件下，底物浓度o 0 9 m o l l ，拆分效率为8 3 8 ， 该方法具有选择性强、反应条件温和等优点。 关键词：对羟基苯甘氨酸，对甲苯磺酸，消旋 换，酶促拆分 l p h p g 光纯度为9 9 4 。 拆分，诱导结晶，不对称转 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d l p h y d r o x y p h e n y l g l y c i n e ( d e p h p g ) ，ai m p o r t a n tm e d i c i n ei n t e r m e d i a t e ， i sr e s o l v e dt oo b t a i nd - p h y d r o x y p h e n y l g l y c i n e ( d p h p g ) t h a ti su s e f u lf o r t h e p r e p a r a t i o no fa m o x i c i l l i n ，c e f o p e a z o n ea n dc e f o p r o z i l t h o s em e d i c i n e sa r ew i d e l y u s e da n di t sa r em o r ee f f e c t i v et h a np e n i c i l l i ni na n t i m i c r o b i a lc a p a b i l i t y t h ep a p e r s t u d i e dr a c e m i z a t i o na n dr e s o l u t i o no fl - p - h p g r a c e m i z a t i o nd e g r e eo fl p - h p gw o u l db ei m p r o v e dw i t ht h er a i s eo fp ho r w i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ea tt h es a m ep hi na l k a l i n e a q u e o u ss o l u t i o n t h e o p t i m a lr a c e m i z a t i o nt e m p e r a t u r ew a s9 5 。c l p h p gc o u l db er a c e m i z e di n c a r b o x y l i ca c i d su s e da ss o l v e n t si np r e s e n c eo fc a t a l y t i ca m o u n t so fa l d e h y d e s t h e r a t ec o n s t a n to fr a c e m i z a t i o no fl - - p - h p gw a sf o u n dt of o l l o wf i r s t - o r d e rr e a c t i o n k i n e t i c s t h er a t eo fr a c e m i z a t i o n sw a sd i f f e r e n ta s c a r b o x y l i ca c i d s t h ew a t e ri n c a r b o x y l i ca c i dd e c r e a s et h er a t eo fr a c e m i z a t i o n t h es t u d yr e s u l ti n d i c a t e dt h a ta g o o dr e s u l tc o u l db ea c h i e v e dw h e nt h em o l a rr a t i oo fs a l i c y l a l d e h y d et ol - p - h p g w a s0 1 ，c o n c e n t r a t i o no fa c e t i ca c i dw a sa b o v e0 9 5a n dt h et e m p e r a t u r ew a s9 5 * c u n d e rs u c hc o n d i t i o n sd l - p h p gw a so b t a i n e d w h e nt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h e r a t ec o n s t a n to fr a c e m i z a t i o ni n c r e a s e d f o rl - p - h p gt h er e l a t i o nb e t w e e nt h er a t e c o n s t a n to f r a c e m i z a t i o na n di t sr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a sp r o p o s e da sf o l l o w ： 6 1 7 4 0 = 9 2 0 4 2e 一， r p r e f e r e n t i a lc r y s t a l l i z a t i o nm a d eu s eo ft h es o l u b i l i t yd i f f e r e n c eo fd d - - p - h p g a n dl p - - h p gi nw a t e r an u m b e ro fi n f l u e n c ef a c t o r st ot h ec r y s t a l l i z a t i o nw e r e d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gc r y s t a l l i z i n gt e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r eo ff e e d i n gs e e d sa n dt h e r a t i oo fs a l tt ow a t e gt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r ef o u n da sf o l l o w s ：c r y s t a l l i z i n g t e m p e r a t u r e ，2 5 c ；w ( s a l t ) ：w ( h 2 0 ) = 1 ：2 5 ；t e m p e r a t u r eo f f e e d i n gs e e d s ，3 0 。c ：t i m e o fc r y s t a lf o r m a t i o n ，4 0 m i n ，u n d e rt h ec o n d i t i o n s ，t h ee f f i c i e n c yo ft h er e s o l u t i o n c o u l db eu pt o4 0 8 3 w i t h9 5 8 o p t i c a lp u r i t y a s y m m e t r i ct r a n s f o r m a t i o nw a sar e s o l u t i o nm e t h o dw i t hh i g hq u a l i t ya n d p e r f o r m a n c eb e c a u s er a c e m i z a t i o na n dr e s o l u t i o nw e r er e a c t e da tt h es a l l l et i m e t h e 浙江大学硕士学位论文 a p p r o p r i a t er e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r ea sf o l l o w i n g ：r e a c t i o nt i m ew a s6 ha t 9 5 。c ， f i l t r a t i o nt e r m p e r a t u r ew a s8 5 ，t h ec o n t e n to fw a t e rw a s3 i nc a r b o x y l i ca c i d s ，t h e m o l a rt a t i oo fb e n z a l d e h y d et od l p h p gw a so 2 ：1 u n d e rt h eo p t i m u m e x p e r i m e n t a l c o n d i t o n s t h ey i e l da n do p t i c a lp u r i t yw e r e31 15 a n d9 7 3 r e s p e c t i v e l y t h el - p - h p ga n dd p - h p gw e r eo b t a i n e db yt r e a t i i n gn a c e t y l - d l p h p gi n w a t e ru s i n gs t e r e o s e l e c t i v ea m i n o a c y l a s ea sc a t a l y s t a n u m b e ro f i n f l u e n c i n gf a c t o r s t ot h er e s o l u t i o nr e a c t i o nw e r ed i s c u s s e d ，i n c l u d i n gr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，a m o t m to f e n z y m e ，c o n c e n t r a t i o no fs u b s t a n c ea n dr e a c t i o nt i m e t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r e f o u n da sf o l l o w s ：r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，3 6 。c ：w ( e n z y m e ) ：w ( s u b s t r a t e ) 2 1 ：2 6 2 5 ； c o n c e n t r a t i o no f s u b s t a n c e ，0 0 9 m o l l ，r e a c t i o nt i m e ，4 0 h ；u n d e rt h ec o n d i t i o n s ，t h e e f f i c i e n c yo ft h er e s o l u t i o nc o u l db eu pt o8 3 8 w i t h9 9 4 o p t i c a lp u r i t y t h e m e t h o dh a sa d v a n t a g e so f h i g hs e l e c t a b i l i t ya n dm i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：p - h y d r o x y p h e n y l g l y c i n e ，p - t o l u e n e s u l f o n i c ，r a c e m i z a t i o n ， r e s o l u t i o n ，p r e f e r e n t i a l c r y s t a l l i z a t i o n ，a s y m m e t r i ct r a n s f o r m a t i o n ，e n z y m a t i c r e s o l u t i o n 4 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章概述 宇宙是非对称的，如果把构成太阳系的全部物体置于一面跟随着它们的各种 运动而移动的镜子前面，镜子中的影像不能和实体重合。生命由非对称作用 所主宰。我能预见，所有生物物种在其结构上、在其外部形态上，究其本源都是 宇宙非对称性的产物。 - - - - - - - - - l o u i sp a s t e u r 以上是p a s t e u r 在1 0 0 多年前对自然界的构成进行的大胆预见，他所言极是。 自然界的基本现象和定律由手性产生，生命由不对称作用所主宰，我们就是在不 对称的手性世界所生存。手性分子是由两个对映体构成，而两个对映的具有生物 活性的化合物在手性环境中常常有不同的行为。由于这个原因，许多研究者致力 于不对称合成的研究，并且已经做出一些成就，但是我们对于不对称性的分子间 的传递的理解还处在开始阶段，还需要我们进一步去探索和发现。 手性化合物在氨基酸类中存在相对较多，而氨基酸在生物研究，药物合成中 的地位举足轻重。在药物分子上增加氨基酸侧链，可以显著地提高药物的疗效， 改善真菌谱。氨基酸被广泛应用于营养食品、饲料添加剂、医药等领域，但通过 化学合成法得到的是外消旋物，也就是两种对映体各占一半的混合物( 表示为 d l ) ，外消旋物也称为外消旋混合物或外消旋体，有的书上也称混旋体。以往人 们认为生命物质只存在l 一氨基酸( l a ) ，并将l a 冠以“天然”，而d 一氨基酸( d a ) 就成了“非天然”，然而随着分析方法的发展，人们相继地在海洋动物、陆生动 物、种子植物和人体中发现了各种d a “1 ，从而意识到d a 与l a 一样，作为医 药、农药、和食品的重要组成起着重要作用，所以d 一氨基酸合成研究目前一直 受到人们地关注。 根据国内市场的需要，本文以手性氨基酸l 一对羟基苯甘氨酸 ( l p h y d r o x y p h e n y l g l y c i n e ，以下简写为l - p h p g ) 的消旋及混旋体d l 一对羟 基苯甘氨酸( d l p h y d r o x y p h e n y l g l y c i n e ，以下简写为d l p h p g ) 的拆分为主 要研究内容。 第1 可其7 6 丽 浙江大学硕士学位论文 1 2 研究内容及意义 l _ 2 1 研究内容 手性药物两个对映体可能产生不同药效，如何得到单一的手性药物，是世界 各个研究机构关心的重点，其中一种重要的方法就是对外消旋体的拆分，而拆分 的前一道工序便是如何使没有药效的旋光体消旋。d l p h p g 拆分后可得到左旋 的对映体d 一对羟基苯甘氨酸( d p h y d r o x y p h e n y l g l y c i n e ，以下简写为d - p h i g ) 和右旋对映体l p h p g ，d p h p g 是生产头孢的重要原料。本文研究主要包含两 个方面的内容：( i ) 研究l - p t i p g 在不同条件下的消旋过程及其消旋机理：( 2 ) 研究采用诱导结晶法、不对称转换法和酶促拆分法拆分d l p h p g 的过程，并对 三种拆分方法作了对比，从中寻求较好的拆分方法。 1 2 2 研究意义 d l p h p g 经拆分后得到的对映体d p h p g 主要用于b 一内酰胺类半合成抗 生素的生产，如在阿莫西林( a m o x i c i l l i n ) 、头孢哌酮( c e f o p e r a z o n e ) 、头孢罗奇 ( c e f o p r o z i l ) 、头孢氨苄( 先锋i v ) 、头孢拉定( 先锋) 等广谱抗生素的合成生 产中，d p h p g 是必不可少的侧链酸。这些由d p h p g 作为中间体台成得到的 抗菌药物抗菌谱广，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、弓形体、螺旋体等均具有 较好的杀灭作用，同时作为新型的抗生素，这些抗菌药物具有极佳的口服效果， 并克服了过去广泛使用青霉素g 等存在的抗菌谱窄、副作用大、耐酸性差、不能 口服或口服效果差耐药性反应越来越普遍等严重缺陷，在临床上的应用越来越广 泛，如在治疗胃、十二指肠溃疡、弓形体感染等病症取得满意的疗效。 抗生素世界范围内的大量生产，进一步带动了中间体d - p h p g 的发展。我国 生产阿莫西林的厂家有华北制药等十几家，对d - p h p g 的需求量为2 0 0 0 吨年， 而且增长迅速。目前我国只有少数几个厂家能够生产合格的d p h p g ，产量5 0 0 吨年，产品纯度一般在9 8 5 左右，而国际市场对d - p - h p g 纯度( 用于制药) 的要求为9 9 1 以上。我国生产的大多是d l p h p g ，并且d l p h p g 生产过剩， 每年出口2 0 0 吨左右，由于d p h p g 的产量和纯度不能满足医药生产的需要， 所以我国每年需从西班牙、日本、荷兰等国进口约4 0 0 吨。随着需求量的增加， 近几年来d p h p g 的拆分技术成为国内研究的热点，目前生产厂家也是一边生 产，一边研究，一时还没有找到非常有效的方法。 第2 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 1 3 对羟基苯甘氨酸的物化性质 d l 一对羟基苯甘氨酸的物化性质如下： 英文名：d l p h y d r o x y p h e n y l g l y c i n e 分子式：c s h g n 0 3 分子量：1 6 7 1 6 结构式： 性状：白色固体，微溶于乙醇和水，易溶于酸或碱溶液生成盐。 熔点：2 2 5 2 2 7 ( 分解) d 一对羟基苯甘氨酸的物化性质如下： 英文名：d p h y d r o x y p h e n y l g l y c i n e 分子式：c 8 h 9 n 0 3 分子量：1 6 7 1 6 结构式： “、儿。且、 ： 性状：白色片状结晶，微溶于乙醇和水，易溶于酸或碱溶液生成盐。 熔点：2 3 7 2 4 0 。c ( 分解) 比旋光度：【a 譬= 一1 3 1 ( c = 1 ，w a t e r ) k 譬= 一1 5 8 4 ( c = 1 ，l m o i l h c i ) 第3 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 2 1 手性的意义 第二章文献综述 手性是三维物体的基本属性。如果一个物体不能与其镜像重合，该物体就称 为手性物体。这两种异构体被称为对映体，彼此是互相对映的。对映体是互为镜 像的立体异构体，它们的熔点、沸点、比重、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 3 】。对映体在物理性质上的不同，只表现在对偏振 光的作用不同，也就是它们旋转平面偏振光的方向不同，这个现象称为光学活性。 能使偏振光的振动方向向右旋的物质，叫做右旋物质。反之叫做左旋物质。通常 用“d ”( 拉丁文d e x t r o 的缩写，“右”的意思) 或“十”表示右旋：用“l ”( 拉丁 文l a e v o 的缩写，“左”的意思) 或“一”表示左旋。本文研究的氨基酸为对羟基 苯甘氨酸就是手性分子。 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的构件 仅以一种对映形态存在。生命体内许多内源性化合物，包括可与药物发生药动力 学和药效学相互作用的天然大分子都具有手性，一组对映的手性药物作用于生物 体时，它们所起的作用是不同的，在活性、代谢过程及毒性等方面往往存在着显 著差异。各对映体表现不同的药理活性，这可以用在上个世纪6 0 年代发生在欧 洲的一个悲剧来说明：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，有些曾服用过这种药的孕妇 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， 其致畸性是由该药的( s ) 异构体所引起，而( r ) 异构体被认为即使在高剂量 时在动物中也不引起畸变。1 9 9 2 年美国食品药品管理局( f d a ) 规定，今后凡 研制具有不对称中心的药物，必须给出手性拆分的结果，欧共体也采取了相应的 措施。故开发手性合成技术生产光学纯药已成为国际制药工业的共识 4 1 。 具有手性结构的药物一般只是其中一种旋光结构存在药效，或最强，而这些 药物在合成时，大多是以消旋形式制备出来，其中间体也是以消旋体制各出来的， 所以如何得到单一尹胜化合物，已成为国际新药研究的新方向之一。另外随着手 性药物的市场需求的迅速增长，刺激了手性药物的研究与开发，手性药物制药工 第4 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 业也因此迅速发展壮大，单一对映体药物制剂世界市场每年以2 0 以上的速度增 长。1 9 9 6 年手性药物制剂世界市场为7 3 0 亿美元，2 0 0 0 年达到9 0 0 亿美元。世 界正在开发的1 2 0 0 种新药中有三分之二是手性的，其中单一异构体占5 1 。到 2 0 0 5 年世界各地批准的新药中6 0 以上是单一异构体。广阔的应用前景和巨大 的市场发展推动了探索新的更有效的获得单一手性化合物方法的研究。 单一手性化合物的获得方法有三种。1 ：( 1 ) 手性源合成法：以手性物质为原 料合成其他手性化合物。这种方法是有机化学家最常用的方法。但是由于天然手 性物质的种类有限，要合成多种多样的目的产物会遇到很大困难，而且步骤繁多 的合成路线也使得最终产物成本十分高昂。( 2 ) 不对称合成法( 也称为手性合成 法) ：是指在手性环境中把非手性原料，在催化剂或酶的作用下合成得到单一对 映体化合物的方法。化学不对称合成和生物不对称合成近2 0 年来取得了长足进 展，并且已开始进入工业化生产。但是化学不对称合成高旋光纯度( 如e e 9 0 以 上) 的反应仍然有限，所得产物的旋光纯度对于大多数实际应用来说仍不够高。 生物不对称合成具有很高的对映选择性，反应介质通常为缓冲水溶液，反应条件 温和，但对底物的要求高，反应慢，产物的分离困难，因而在应用上也受到一定 的限制。( 3 ) 外消旋体拆分法：是在手性助剂的作用下，将外消旋体拆分为纯对 映体，这种方法已被广泛使用。据统计，大约有6 5 的非天然手性药物是由外消 旋体或中间产物拆分得到的。 2 2 立体化学的发展 立体化学的发展可追溯到1 9 世纪。在1 8 0 1 年，法国矿物学家h a u y 就注意 到，水晶晶体显示半面现象。这意味着可以认为，晶体的某些小平面排列为不可 重合的物体，那些物体和实体与镜像的关系是相似的。1 8 0 9 年，法国物理学家 m a l u s 观察到了由水晶晶体引起的偏光效应。 1 8 2 2 年，英国天文学家j o h nh e r s c h e l 爵士观察到，在半面现象和旋光之间 存在某种关系，奇数面向一个方向倾斜的所有水晶晶体使偏振光向一个方向旋 转，而其对映形态的晶体使偏振光向相反方向旋转。 1 8 4 6 年，p a s t e u r 观察到，右旋的酒石酸晶体有相同取向的半面面。他假定， 酒石酸盐的半面结构必定和它的旋光能力有关系。1 8 4 8 年，p a s t e r u 从外消旋混 第5 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 合物中分离了( + ) 一( 一) 一酒石酸的钠铵盐的晶体。通过缓慢蒸发外消旋酒石酸的 水溶液，形成了大颗粒晶体，并表现出和水晶相似的显著的半面现象。借助放大 镜，p a s t e u r 能够用镊子把那些不同的晶体分开。随后他又发现，这些对映形态 的晶体的水溶液能旋转偏振光的平面：一种溶液使偏振光向右旋转，而另一种溶 液使偏振光向左旋转。 p a s t e u r 提出，偏振光的旋转是由非对映性引起的，这意味着一个实物与其 镜像的非等同性。( + ) 一酒石酸和( 一) 一酒石酸必定具有实物与镜像的关系，这些酒 石酸盐是非对称性的，这些化合在分子水平上表现为对映的形态，正是这种非对 称性造成了旋转偏振光的能力。 1 8 7 4 年，j h v a n th o f f 和j a l eb e l 在相隔短短数月内分别独立发表的论 文，标志着立体化学的诞生。他们在论文中都提出了原子的三维取向问题：具有 四个键的碳原子是四面体的。他们还提出分子的排列与性质之间的某些关联。他 们指出，碳的四面体模型是分子非对称性和旋光的起因。l eb e l 认为，物质的 光学活性的现象是分子非对称性的特征。 2 。3 立体化学中的概念与表征 2 3 1 概念1 6 , 7 1 ( 1 ) 非对映异构体或非对映体和对映体 非对映异构体( d i a s t e r e o i s o m e r s ) ：具有两个或多个非对称中心，并且其分 子互相不为镜像的立体异构体，例如，d 一赤藓糖和d 一苏糖；常简称为“非对映 体”。 对映体( e n a n t i o m e r s ) ：分子结构互为镜像但不能重合的两个化合物称为对 映体，它们彼此不能重合的性质称为手性 8 。 ( 2 ) d l 和d l d 或l ：分子的绝对构型，按照与参照化合物d 一或l 一甘油醛的绝对构型的 实验化学关联而指认，常用于氨基酸或糖，但最好使用r 或s 表示。 d 或h 右旋或左旋，按照实验测定的将单色平面偏振光的平面向右或向左 旋转而定。 ( 3 ) 差向异构体和差向异构化 第6 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 差向异构体：只有一个不对称碳原子的构型相反的两个非对映异构体。 差向异构化：含多个手性中心的化合物中一个手性中心的构型发生变化的过 程，这一过程会使旋光度发生变化，但至少一个手性中心构型不发生转变，因此 其光学活性不会全部失去。 ( 4 ) 光学活性、光学异构体和光学纯度 光学活性：实验观察到的一种物质将单色平面偏振光的平面向观察者的右边 或左边旋转的性质。 光学异构体：对映体的同义词，现已不常用，因为一些对映体在某些光波长 下并无光学性质。 光学纯度：根据实验测定的旋光度，在两个对映异构体混合物中一个对映体 所占的百分数；不能用于叙述由其它方法测定的对映体纯度。 ( 5 ) 外消旋、内消旋和外消旋化 外消旋：以外消旋体或两种对映体的5 0 5 0 混合物存在，也表示为d 1 或( ) 。 外消旋物也称为外消旋混合物或外消旋体。 内消旋化合物：分子内具有两个或多个非对称中心但又有对称面，因而不能 以对映体存在的化合物；例如内消旋酒石酸。内消旋化合物用前缀n ，e s o 表示。 外消旋化：一种对映体转化为两个对映体的等量混合物。 2 3 2 表征 ( 1 ) 对映体过量百分率( p e r c e n te n a n t i o m e r i ce x c e s s ) 样品的对映体组成可用术语“对映体过量”，或“e e ”来描述。它表示一 个对映体对另一个对映体的过量，通常用百分数表示。 一c ，= 渊堋一r 嘣s 其中 r 为主要对映体产物的量( 假定它的结构属于r 构型) ， s 为次要 对映体产物的量。 ( 2 ) 选向率 当产物的两个立体异构体为非对映立体异构体时，则这种关系被称为立体选 向百分率或不对称合成百分率，并可表示为： f a l 旧 1 立：沐选向百分率( 选向率) = ：二l 二1 0 0 一a 一o b a 】+ 1 3 第7 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 反应的对称一不对称属性可以根据“选向率”进行区分：选向率等于零，反 应则为对称反应；选向率大于零，反应则为不对称反应。 由于不同体系选向率的值大小相差甚巨，所以对产物的性质影响很大。当选 向率的值偏低时，产物近似于d l 一外消旋体；而当选向率较高时，则产物接近于 纯的立体异构体，于是自它们分离出纯净的立体异构体的操作步骤也不尽相同， 有的类似于d l 体的拆分；有的则类似于一般的重结晶提纯。一般地说，当然是 选向率越高的反应的产物，其分离提纯就越容易。1 。 ( 3 ) 比旋光度1 0 】 用于对映体的组成的术语之一是光学纯度。它是指对映体样品的测定的旋光 与最大( 或绝对) 旋光之比。对于任何一个其纯对映体的旋光为已知的化合物， p e 值可以直接从测定的旋光值来计算： 雌2 面舞赫两x 1 0 0 式中，a 为测定的旋光； l 为样品池路长度( d m ) ； c 为浓度( e l o om l ) ； d 为用于测定的光波长d 线； 2 0 为温度( ) 。 ( 4 ) 光学纯度 根据实验测定的比旋光度，在两个对映异构体混合物中一个对映体所占的 百分数。光学纯度d ，可由下式来计算： 纰= b 】一枷。 测定样品光学纯度的经典方法是使用旋光仪，在本实验中所用w z z 2 a 自 动数显旋光仪。 ( 5 ) 消旋度 消旋过程中的消旋程度可用其旋光度改变的相对量，即消旋度( r a c e m i z a t i o n d e g r e e ) 来表示： i n i t i a lo p t i c a lr o t a t i o n f i n a lo p t i c a lr o t a t i o n r a c e m i z a t i o nd e g r e e = 二。二一1 0 0 一 i n i t i a lo p t i c a lr o t a t i o n 第8 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 2 4 消旋方法论述 2 4 1 酸催化消旋1 1 i j 酸催化消旋有有两种机理：( 1 ) 在手性中心原子旺位上的双键的杂原子质子 化，再从手性中心上去质子，从而达到消旋( 图2 - 1a ) 。( 2 ) 如果在手性中心有 一个取代基，被质子化后转化为易离去的离去基团，从而转化为平面的碳阳离子 而消旋( 图2 - 1b ) 。 熔+ 早一瘩一定“+ 毋 h 互十一+ 一一抽一一火 f g 2 - 1m e c h a n i s m sf o ra c i dc a t a l y z e dr a c e m i z a t i o n 图2 一i 酸催化消旋法机理 此消旋方法同样需有一取代基能充当离去基团，也能使功能团稳定，因此其 取代基更为严格，故局限性更大。酸催化消旋要求强酸，反应温度大于1 0 0 。c 。 如丙氨酸( a l a n i n e ) ，解氨( v a l i n e ) ，亮氨酸( l e u c i n e ) 和苯丙氨( p h e n y l a l a n i n e ) 在1 4 2 。c 下，p h = i 3 之间消旋，获得了较高的收率。大多数氨基酸及其衍生 物能在酸性条件下成功消旋。表2 1 所示为部分氨基酸的及其衍生物的消旋。 表2 - 1 氨基酸及其衍生物的酸催化消旋 t a b l e2 - 1a c i d - c a t a l y z e dr a c e m l z a t i o no f a m i n oa c i d sa n dr e l a t e dc o m p o u n d s a ) n 2 n o tr e p o r t 第9 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 酸催化消旋是氨基酸消旋研究最广泛的消旋方法。这是由于氨基酸能同多种 醛或酮反应生成s c h i f f 碱，使的消旋反应变得容易进行。表2 2 为氨基酸及其衍 生物在s c h i f f 碱的催化下的酸催化消旋。 表2 - 2 氨基酸及其衍生物在s c h i f f 碱的催化下的酸催化消旋 t a b l e2 - 2a c i d - c a t a l y z e dr a e e m i z a t i o no fa m i n oa c i d sa n dr e l a t e dc o m p o u n d s i np r e s e n c eo f a l d e h y d eo rk e t o n e 2 4 2 碱催化消旋l “i 碱催化消旋法为最为常用的消旋方法。其消旋机理是通过使手性中心上的氢 离去，形成负碳离子。但此负碳离子不稳定，故在手性中心上必需有能稳定负碳 离子的基团，如c = o ，c n ，n 0 2 等，或能同时发生6 消除反应。 碱催化要求底物有较高酸性，因此一般都要求首先转化为相应的衍生物，使 其酸性增大。因此需引入多余的反应步骤，且衍生物能重新转化为底物，故从工 业角度看，此消旋方法不佳。用于消旋的碱一般为氢氧化物( h y d r o x i d e ) ，金属 酰胺( m e t a la m i d e s ) ，和胺( a m i n e s ) 。氨基酸的碱催化消旋主要用氢氧化物， 其消旋收率通常较好。如氨基酸在n a o h 的水溶液( p h l o ) 中，在l i c l 存在 时，加热到5 0 1 0 0 消旋。 表2 3 为部分氨基酸及其衍生物的碱催化消旋条件和收率情况，通式如下： r 2 表2 - 3 氨基酸及其衍生物的碱催化消旋 t a b l e2 - , 3 b a s e c a t a l y z e dr a e e m i z a t i o no f a m i n oa c i d sa n dd e r i v a t i v e s 第1 0 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 a 11 7 1 l2 n o tr e p o r t 2 4 3 酶催化消旋 大量的酶和相关的生物催化系统能使旋光性物质消旋。此类消旋反应的底物 有两个特点： ( 1 ) 手性中心有一个质子； ( 2 ) 同手性中心相连的为羰基或能增强酸性的取代基。 氨基酸作为消旋底物作了大量的研究，表2 - 4 为部分氨基酸及其对应的消旋 酶。用于消旋的酶主要是外消旋酶( r a c e m a s e s ) ，另外需有辅助因子，如p y r j d o x y l p h o s p h a t e 或二价金属离子( b i v a l e n tm e t a li o n ) 使底物能顺利消旋。表2 - 4 为部 分氨基酸及其衍生物和消旋酶。 表2 - 4 消旋酶及其底物 t a h i e2 - 4r a e e m a s e sa n dt h e i rs u b s t r a t e s 第t 1 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 2 4 4 熟消旋m i 许多具有光学活性的化合物能在适当的温度下加热消旋，而不需要加另外的 试剂。因热消旋反应要求底物有足够的热稳定性的，故此法消旋的局限性较大。 在室温下，若能缓慢消旋则称为自动消旋( s p o n t a n e o u s o 热消旋有多种机理：可通过单键旋转消旋，分子重排消旋，或几个键同时断 裂而消旋等。氨基酸衍生物可利用热法消旋。氨基酸及其衍生物的热消旋如表 2 5 所示。 氨基酸及其衍生物在没有催化剂的情况下热消旋有一定的困难，尤其是在水 溶液中。这些消旋反应一般是在高温下进行，而且需一定的压力条件。但此消旋 方法价格比较便宜，因此在工业上还是比较吸引。对于氨基酸及其衍生物的热消 旋的关键在于如何减少产品分解的量。 表2 - 5 氨基酸及其衍生物的热消旋 t a b l e2 5t h e r m a lr a c e m i z a t i o no f a m i n oa c i d sa n dd e r l v a t i v e s a 1 1 1 l 3n o tr e p o r t 2 4 5 氧化还原作用( r e d o x ) 和自由基消旋1 1 i 通过氧化还原反应可以使具有旋光活性物质发生消旋。氧化过程使得不对称 碳原子上的氢离去，产生一个有平面结构的中问体。还原过程或加氢氢化过程能 保持原先的无立体选择性的混合状态，从而产生外消旋物( 图2 2 ) 。其中，自由 基反应也能使不对称碳原子上的氢离去。 第1 2 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 苷。一人一书。知 水曳一人一水一。奈凡 图2 - 2 氧化还原梢旋反应机理 氧化还原消旋可通过单步反应完成，而不需专门分离中间产物。单步氧化还 原消旋的底物必须有芳基活化，如布洛芬( i b u p r o f e n ) 的消旋( 图2 3 ) 。同时也 可通过多步反应完成，但需分离氧化的中间产物。此消旋反应也能用于有两个相 邻手性中一t l , 的化合物的消旋，如羟基p 氨基酸酯( c 【h y d r o x y 6 一a m i n oa c i d e s t e r s ) 能通过氧化消旋反应是两个手性中心同时消旋。 c o o hh 2 ( 2 0 0 4 0 0 p s j 】 舞嚣生!案+卧34(s)3h9 0 。2 0 0 ：6 1 ，3 1c ( r 】- 3 4 ( s ) = 8 4 1 6 f i g 2 - 3 r e d o xr a e e m i z a t i o no fi b u p r o f e n 图2 - 3 布洛芬的氧化还原消旋 2 5 外消旋物拆分方法论述 外消旋体的拆分的意思是将一个外消旋体的两个对映体分开，使之成为纯净 的状态。这个程序是有重大的实际意义，因为在各立体异构体中，往往只有一个 具有所需要的活性，而用有机化学进行生理活性化合物的制备，经常导致外消旋 体的形成。 拆分的方法很多，其中主要有结晶拆分法、化学拆分法、膜拆分法、色谱拆 分法、酶促拆分法、动力学拆分法和不对称转换拆分法。 2 5 1 结晶法【1 2 i 这种方法实际上是机械分离法，分步结晶法代替结晶法即属于这种方法。在 这两种方法中，分步结晶法用得最普遍。这种方法直到最近还用于l 谷氨酸工 业生产中。其生产工艺如下：在预先添加少量l 谷氨酸的d l 一谷氨酸( d l g i u ) 的饱和溶液中只有l 谷氨酸结晶出来，然后再从残留母液中分离出d 谷氨酸， 第1 3 页共7 6 页 浙江大学硕士学位论文 再用硫酸加热法将d 谷氨酸转化为消旋混合物。采用这种方法可连续制取l 谷 氨酸。天门冬氨酸，组氨酸，色氨酸，多巴和其他一些氨基酸也可用类似方法拆 分。 2 5 2 化学拆分法【1 3 i ( 1 ) 经典成盐拆分法 化学拆分法是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 转化为非对映异构体，然后利用非对映体之间物理性质和化学性质的不同将两者 分开。拆分成功的关键是选择合适的拆分剂，合适的拆分剂应该易与对映体生成 非对映体，且溶解度差别较大，经拆分后，又易再生还原为原来的对映体。虽然 这种方法一直被作为重要的拆分方法，但其局限性也很明显：( 1 ) 拆分剂和溶 剂的选择较为盲目；( 2 ) 拆分的产率和产品的旋光纯度不高；( 3 ) 适用于手性 拆分的化合物的类型不多。近年来，随着主客体化学的深入研究而开发