对映体制备性分离方法的进展

1996205227收稿,1996208210修回
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对映体制备性分离方法的进展
李雷鸣　高连勋　丁孟贤3
(中国科学院长春应用化学研究所,130022)
摘要　旋光性化合物越来越引起人们的关注。

外消旋体拆分法是获得单一手性化合物的重要途径。

本文综述了近年来制备性对映体拆分中发展比较快的手性固定相液相色谱法和膜拆分法。

关键词　手性　对映体拆分　手性固定相　膜拆分
1　前言
一个半世纪以前,人们就对手性分子有了认识。

1848年,L ou is Pasteu r 用放大镜和镊子
成功地分离了酒石酸钠铵盐的外消旋体,他的先驱性工作标志着手性分离的开始。

手性是自然界的一种普遍现象,构成生物体的基本物质如氨基酸、糖类等都是手性分子,手性分子的化学、物理和生物活性都与手性环境密切相关,生命现象离不开手性。

近一、二十年来手性技术的研究取得了明显进展[1～4]。

仅以手性药物为例,1993年世界市场上出售的单一对映体形式的药物比1992年增长了22%,而1994年又比1993年增长27%[3,4],达452亿美元。

手性分子的重要性不仅表现在与生物相关的领域,而且在功能材料领域,如液晶、非线性光学材料、波导材料、导电高分子等方面也开始显示出诱人的前景。

随着人们对手性分子的认识的不断深入,人们对单一手性物质的需求量越来越大,对其纯度的要求也越来越高。

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。

单一手性物质的获得方法有三种:1)手性源合成法:是以手性物质为原料合成其它手性化合物。

这种方法是有机化学家最常采用的方法。

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的困难,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:是在催化剂或酶的作用下合成得到过量的单一对映体化合物的方
法。

化学不对称合成及生物不对称合成近20年来取得了长足进步,并且已开始进入工业化生产。

但是化学不对称合成高旋光收率(如ee .90%以上)的反应仍然有限,即使如此,所得产物的旋光纯度对于多数应用仍不够高。

生物不对称合成具有很高的对映选择性,反应介质通常为稀缓冲水溶液,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65%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[3]。

外消旋体拆分方法有:1)化学拆分法:与纯手性物质形成非对映体盐或共价衍生物,然后利用非对映体的性质差异进行分离(如分级结晶),再将衍生物还原为纯对映体。

虽然这种古老的方法现在仍在广泛应用,但费时,消耗大,适用的化合物种类也多限于酸、碱类物质。

2)酶或微生物法:利用酶或微生物对对映体具有专一识别能力的性质,消耗掉一种对映体而得到另一种对映体。

3)色谱拆分法:色谱拆分法可分为气相色谱法和液相色谱法。

气相色谱法仅适于分子量低且对热稳定的化合物的分析,液相色谱法的适用范围大,且可用于制备分离。

在液相色谱法中,手性衍生化(CDR )法是外消旋体与手性衍生化试剂先反应后再用常
规色谱法分离,手性流动相(C M P )法是将手性试剂加入到流动相中用常规色谱柱分离。

这两种方法分离后均需将手性试剂除去,才能得到单一的对映体。

手性固定相(CSP )法是利用手性固定相直接拆分对映体。

这种方法在液相色谱拆分中更具优势。

4)膜拆分法:又可分为液体膜拆分法和手性固体膜拆分法。

前者基于选择性萃取,后者基于对映体间亲和性的差异。

从大量制备的角度看,膜法具有优势,但目前选择性和效率还比较差。

本文主要讨论近年来制备性对映体分离中发展较快的手性固定相液相色谱法和膜拆分方法。

2　对映体分离方法的新进展
211　手性固定相液相色谱分离
手性色谱分离是近年来发展最快的一种手性分离方法,特别是手性固定相液相色谱,近年来已有大量的专著和综述[5～9]。

手性固定相色谱的优势在于:1)可用于多种外消旋体的拆分;2)可以同时高收率地得到两种高旋光纯度的对映体;3)可以拆分一些特殊的外消旋体(如不能衍生化或易消旋的化合物,具有特殊手性结构如螺旋或螺旋浆构象的化合物);4)可实现大量制备。

手性固定相液相色谱的研究和应用目前主要集中在对各种对映体的分析上。

由于手性固定相的发展和多种色谱技术的综合运用,近年来在制备性拆分上的应用越来越多。

常用的用于制备分离的CSP 有纤维素衍生物、环糊精和合成的旋光性聚合物等。

最常
用的CSP 是纤维素三乙酸酯,与其它手性固定相相比,它具有相对便宜、适用范围广、容量高的优点。

最近,D .W .A rm strong 将大环抗菌素(如利福霉素B 和万古霉素)键合到硅胶上。

这类手性固定相具有Π2Π配位作用、氢键、疏水腔中的包合作用、偶极作用和空间排斥作用等多种作用方式,因此通用性很强,容量也很高。

瑞典A kzo N obel 公司以一种聚酒石酸二酰胺作手性固定相也具有这种优点。

用这些固定相已成功地取得公斤级的拆分。

一般来说
,H PL C 方法在放大的过程中会导致分离度的下降。

增加柱子的长度则可以改善分离度,但实际操作困难很大。

近年来将模拟流动床液相色谱技术用于对映体的制备性分离,则可以克服普通H PL C 溶剂消耗量大,放大后分离度下降等缺点。

模拟流动床色谱(S M B )技术是由D .B .B rough ton (美国U O P 公司)在1961年的一个专利中提出来的。

最初这种技术用于正已烷和环已烷的分离,后又用于间二甲苯和对二甲苯的大规模制备。

N egaw a 等[10]首先将这种技术用于手性物质的拆分,取得了令人鼓舞的结果。

模拟流动床手性拆分系统在运行过程中,旋转阀间歇性地开关,控制在不同时间外消旋体的进样、新溶剂的注入和两个旋光异构体的提取位置。

图1表示了在三个不同时间、样品、溶剂的进入和两个旋光异构体的提取位置变化情况。

从图中可以看出,固定相看起来是随时间在向后移动,而实际上固定相并没有移动。

图1　模拟流动床(S M B )示意图
实用装置是由8到12根或更多的色谱柱串联,用一循环泵将最后一根柱子中的流出液泵回第一根柱形成环路。

将外消旋体溶液在两个柱子之间的阀门处加入,经过一段时间后,在手性固定相中,保留作用小的物质在前面,保留作用大的在后面。

在预定的时间和位置,取出小部分旋光异构体1和旋光异构体2,分别积累在两个池中。

在实际运行的设备中,阀的开关,进样和对映体收集的时间、位置都由计算机控制。

模拟流动床技术以其连续性,高效率,溶剂消耗量少的优点在手性拆分领域格外引人注目。

在N egaw a 的实验中,用涂在硅胶上的纤维素2三(3,52二甲基苯基氨基甲酸酯)作手性固定相,正已烷2异丙醇(9∶1)作洗脱液,拆分了12苯基乙醇。

他们的结果表明,这种S M B 系统与常规制备型H PL C 相比,在单位量
的手性固定相上对映体的产率要大61倍,而消
耗溶剂量仅为H PL C 法的1 87,产物的旋光纯度达98%(ee )以上。

C .B .Ch ing 等人[11]
报道了用模拟流动床色谱法拆分驱虫药物1。

在实验中,他们使用4支445×1215I .D .mm 的色谱柱,通过电磁阀串联,以微晶纤维素三乙酸酯为手性固定相,以甲醇作流动相,外消旋体1的浓度为50m g m l 。

收集得到两种旋光异构体(+)21和(-)21分别为429m g h 和404m g h ,产物的旋光纯度大于90%。

法国一公司最近用甲醇作溶剂,纤维素三乙酸酯作手性固定相,拆分了药物中间体(2,32环氧25甲基)21,2,3,42四氢化萘,对映体产率为100%(常规色谱法为70%),消耗的甲醇每克对映体为320g (常规为214kg )[3]。

美国
U O P 公司也正在建立年产10吨的(R )232氯212苯基丙醇S M B 装置[4]。

这种技术的缺点是投
资比较高,手性固定相的用量比一般色谱法高10倍,所以,稳定、高效、低价的手性固定相的获得是S M B 法能够广泛使用的关键。

其它色谱技术用于制备性手性分离也取得了很大的进步。

例如超临界流体色谱(SFC ),因为流动相粘度较低(通常含有CO 2),SFC 可以
在高流速下运行,单位时间生产量更高,产物中的溶剂可以很容易地除去。

而且,在分离系数较小时,如Α=111,也可以得到很好的分离。

G .Fuch s 等[12]
报道了以内径6c m ,长100c m 和
76c m ,填充以P irk le 型手性固定相的手性柱,
用CO 22乙醇作流动相的SFC 法拆分三种膦氧化物,得到的产物旋光纯度都大于95%。

产率可达510m g h 。

212　膜法手性分离
氨基酸的生物转移通常是由埋在生物膜中的载体蛋白来传递的,这种转移的对映体选择性是非常高的。

很久以来,人们就希望将这种对映体转移体系用于分离技术中。

通过膜分离进行旋光异构体的拆分正是这种生物过程的模拟。

在各种膜技术中,选择性比较好的是使用流动载体的液体膜方法,选择的种类和程度取决于所使用的载体分子(手性选择体,CS )的性质。

载体分子通常为大分子配体化合物,如冠醚,穴状配体等。

1979年,D .J .C ram 等[13]首先报道了一种液体膜拆分的方法。

在这种液膜体系中,手性分子(主体)与外消旋(客体)结合,通过氯仿载其从一水溶液至另一水溶液中再释放出来(如图2所示)。

这种W 型装置能够同时连续地
图2　液体膜拆分装置
将外消旋体拆分为二个对映体,得到的旋光纯度为70%～90%。

1987年,D.W.A rm strong等[14]报道了另一种液膜拆分对映体的方法,他们采用水基质液体膜拆分有机分子,首次采用环糊精作为膜载体分子,分离疏水性的异构体。

对(±)2 S2(12二茂铁基乙基)苯硫酚等外消旋体进行了拆分。

荷兰A kzo N obel公司开发了一种对映体选择性逆流提取技术[3]。

两种正庚烷溶液中间由水饱和的纤维素膜隔开,平行并向相反方向流动,一种正庚烷溶液为10%的(D)2酒石酸二已酯,另一种正庚烷为10%的(L)2酒石酸二已酯。

外消旋的降麻黄碱加入到其中一种正庚烷溶液中。

正庚烷和酒石酸二已酯都是疏水性的,不能透过水饱和的纤维素膜。

相对极性的降麻黄碱能够在膜中来回穿过,降麻黄碱对映体与相应的酒石酸对映体之间的亲和力更大一些。

这样由于液体的连续流动,降麻黄碱的两个对映体就能富集在膜的两侧。

为了得到完全的分离,还可以将多个渗透池串联起来,除了酒石酸二已酯,其它可能的疏水性选择体还包括O,O2二苯基甲酰基酒石酸,聚乳酸,葑酮等。

这种小装置可以分离几克的药物用于毒理和预临床实验,也可以放大到生产规模。

在液膜的支持体方面,还出现了一种用硅橡胶支持的液体膜分离方法。

硅橡胶管在有机溶剂的作用下发生溶胀,硅橡胶管溶胀后,相当大的有机分子也能从中渗透过去,W.H. P irk le等[15]报道了用这种液膜法的拆分实验。

8英尺长的硅橡胶管盘成两卷,分别浸在装有4∶1甲醇:水的独立控温的池中,用循环泵将5m l十二烷泵入管中(1m l m in)循环。

被拆分物为50m g外消旋体(N23,52二硝基苯甲酰基2Α2氨基酸酯或胺)溶于上流容器中,慢慢通过管壁进入管中,一旦进入十二烷中,被拆分物被冲到下流容器中,扩散到甲醇和水的接收器中。

这种非手性的转移是相当慢的。

当将(S)2N2(12萘基)亮氨酸十八烷基酯(100m g)加入到十二烷中时,它渗透到管壁中,这样对映体转移到十二烷溶液中的速度发生了变化。

在18℃时,N23,52二硝基苯甲酰基亮氨酸正丁酯的S体进入十二烷中的速度要比R 体快9倍。

中空纤维膜手性拆分技术的应用,使得膜法手性分离更加吸引人。

W.H.P irk le[17]报道,将N2(12萘基)亮氨酸衍生物用于中空纤维膜系统中作手性选择体,体系使用三个独立的循环系统,中间的与水不相溶的载体流通过两个中空纤维膜的内腔进行循环,外消旋体溶液和接收溶液在各自的环路中分别从两个中空纤维膜的外侧流过。

(S)2N2(12萘基)亮氨酸脂肪酯或酰胺,能溶于已烷,但不溶于水,而外消旋体N23,52二硝基苯甲酰基亮氨酸能溶于pH7的缓冲溶液,不能被萃取到含有手性选择体的稀已烷溶液中。

但是在已烷2选择体溶液中
加入疏水性相转移试剂,就能将外消旋体选择性地萃取到已烷溶液中。

分离氨基酸衍生物对映体,在系统中运行一次,对映体的纯度即可超过95%。

近几年来,对映体膜分离的另一个新发展是手性固体膜的发展[17～20]。

M aru ryam a等[17]认为,物质通过膜的渗透是由被拆分物质在膜中的分配行为和它们在膜中的扩散速度来决定的。

为了提高膜的对映体选择性,需要优化这两个因素。

旋光异构体的分配行为很大程度上
是受膜中手性识别位置的结构和数目影响的,而扩散速度却难于控制,因为旋光异构体具有相同的分子大小。

他们希望通过调节手性识别位置周围的亲水2疏水性质,来增大固定在膜上的手性识别位置的拆分能力。

将具有手性识别能力的膜放在一个被控制的亲水2疏水微环境中,根据它们的分配或渗透行为,得到对旋光性物质更高的选择性。

按照这种观点,他们制备了有两亲性侧链的Α螺旋链聚氨基酸衍生物2,作为手性膜材料。

利用这种膜,成功地拆分了酪氨酸和色氨酸,D,L对映体的渗透速率比大于810,经过500h的渗透,选择性没有下降。

这种膜的一个缺点是渗透比较慢。

A ok i等[18]也报道了合成旋光性聚乙炔聚合物3作为对映体拆分膜,加压渗析,拆分了D,L2色氨酸和(±)222丁醇。

纤维素衍生物固体膜在手性拆分中的应用也比较多。

纤维素氨基甲酸酯衍生物作为手性固定相在H PL C中有非常广泛的应用,特别是纤维素三2(3,52二甲基苯基氨甲酸酯) (CT PC)是最有用的手性固定相之一。

CT PC 膜也表现出手性选择性,对Β2阻断剂4选择性吸附的ee值大于60%,但这种通常的液2液渗透法在短时间内得到的ee值虽高,但量少,时间稍长,ee值又快速下降。

O kam o to等[19]将CT PC涂在聚四氟乙烯滤膜上,采用“渗透2提取”的方法,使得到的(S)24的ee值达到50%。

最近,O kam o to等[20]又用CT PC膜制成了一种可用于连续、快速制备的涂带系统,如图3所示。

在这种装置中“手性带”是将人造丝带浸在溶有CT PC的TH F溶液中真空干燥得到,以环型带的形式装入装置中,有效长度为111c m。

电机以恒定速度驱动“手性带”转动。

环形带先进入A池,进行对映体选择性吸附,然后进入装有对映体选择性解吸溶剂的B池、除去吸附在“手性带”表面上的含有4的溶剂,提高对映选择性。

C池装有解吸溶剂,是接收池。

D池为“手性带”的清洗溶剂。

对外消旋体4,用这种系统得到的ee值可达68%。

这种方法可以很容易地放大,进行大量制备。

图3　涂带分离系统
A1已烷 22丙醇(9 1,100m l)　B1已烷 22丙醇(95 5, 100m l)C1已烷 22丙醇(7 3,100m l)　D1已烷(100m l)
3　结束语
手性液相色谱法和膜分离法各有特色。

一般手性液相色谱法具有固定相成本高,流动相消耗大,柱的容量低,间歇性分离等缺点,但分离效率高,选择性好,这是其它方法所不能比的。

模拟流动床法克服了一般手性液相色谱法的不足,但设备投资较大。

膜分离法在生产方面有比较明显的优势,设备相对简单,操作容易,可以以连续的方式进行,但目前其选择性和效率不太理想。

随着手性识别机理研究的深入,一些新型手性选择体和具有较高分离系数,选择性更好,适用范围更广,价格低,稳定性好的手性固定相将不断出现。

手性分离方法会更趋完善,制备性手性拆分方法将会越来越多地被生产部门采用。

(下转第16页)
们进行了精确的计算,从理论上准确无误地预言了这些谐波峰的位置和强度[12]。

至于事实上能观测到的相隔玻璃管壁仍然存在的所谓“分子间”交叉峰,作者认为用频率间的耦合就能解释。

NM R实验归根到底,是射频线圈检测感应电流的实验。

无线电学中可能发生的现象在NM R中都有可能发生。

当同时输入不同的频率而又遭到强的扰动时,就会产生非线性效应,包括二频率相混合而出现的和频差频信号和本身的倍频信号。

因和频信号的外表恰好与双量子信号类似,所以非常容易使人迷惑,但二者物理本质是不一样的。

看来关于W arren的理论将会有一场涉及到NM R基础的讨论。

在不久的将来就能看到这场讨论的结果。

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