液相色谱法分离光学异构体外文翻译资料

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液相色谱法分离光学异构体

对映异构体（不可重叠、互为镜像的同分异构体）的拆分一直被认为是分离科学中较难解决的问题之一。在各同向性的液体环境中对映体具有相同的物理和化学性质，但它们在相反的位置旋转平面偏振光除外。能够旋转平面偏振光的物质性能可称是有旋光性的。法国物理学家比奥特在19世纪初首次报道了alpha;-石英中存在旋光性。

巴斯德在19世纪中期开始研究酒石酸盐的经典工作时，就非常关注比奥特等人的发现。1848年，巴斯德报告了第一次从外消旋混合物（2）中分离对映体的研究。这种分离可能是由于温度低于27°C，外消旋酒石酸铵钠形成两种晶体，每种晶体都有不同的形状，但具有旋光性。然后用手分离出形态差异晶体。巴斯德得出了同样重要的结论：分子对称性（即物质的不可重叠性且互为镜像）是小分子和晶体具有旋光性的必要条件。然而，巴斯德从未确切地确定是什么使分子不对称或手性。

1874年，当范特霍夫和勒贝尔独立提出“不对称碳原子”理论（3，4）时，这个问题就被成功解决了。从历史上看，范特霍夫在这一成就，很大程度上是因为他正确地倾向于碳取代基的四面体排列，而勒贝尔则倾向于方形金字塔几何。范特霍夫还提出了“旋光性的第二种情况”，它不要求碳的不对称性。这方面的例子是四取代烯。虽然本报告的目的不是深入讨论立体化学理论的历史和分支，但分析化学家应该熟悉这两者。这本书包含了各种各样的错误、误解和关于立体化学问题事实、概念和语义起源等方面的争论。将概念和术语系统化的努力一直持续到现在，米斯洛和西格尔（5）近期的著作就是证明。

对映体拆分的进展

对映体的拆分在许多学科中都是重要的研究内容。典型的例子包括手性合成、机械研究、催化作用、动力学、地质年代学、生物学和生物化学，药理学和医学。几种非色谱方法已被经典地用于从外消旋混合物中分离光学纯化合物。其中较为有效的是将外消旋混合物转化成一对不同的非对映体，它们拥有不同的化学和物理性质，因此可以通过常规的技术得到分离。例如，含有羧酸官能团的外消旋物质与许多对映体纯生物碱形成非对映体盐。非对映体的分离通常可以通过分馏再结晶来实现，然后可以从每个非对映体中提取出单一的酸对映体。过量的对映体也可通过微生物或酶的降解来获得。在这种情况下，酶必须优先催化一种对映体与另一种对映体的反应。结晶过程中，两种对映体发生了机械分离，巴斯德的方法，对少数分离成不同形态晶体的化合物很有用。另一种结晶技术是在过饱和的外消旋溶液中加入一个小的光学纯晶体。由此产生的晶体往往含有过量的对映体。虽然所有这些技术在具体情况下都是成功的，但没有一种认为是普遍有用的，而且都是相对耗时和乏味的。此外，这些方法往往无法实现对映体的完全分离。

另一种方法是利用对映体与手性物质的差异性缔合，如在某些色谱介质中。从本质上讲，寿命短的非对映体吸附剂可能具有不同的稳定性，并且较为稳定的对映体吸附剂则优先被保留。虽然这种可能性在世纪之交才首次被承认（6），但在接下来的六十年里仅有少数的成功应用。在20世纪60年代中期，研究人员开始在各种色谱技术中使用大量的手性固定相。包括常规柱液相色谱、平面色谱和气相色谱。

特别是气相色谱，似乎是一种很有前途的分离对映体的方法。然而，至少有四个因素限制了它的实效。第一个问题（所有气相色谱的共同点）是溶质必须具有挥发性。第二，相对较高的柱温，由于熵的原因，导致非对映体吸附剂之间的稳定性差异要相当小，对映体的分离要最小。此外，较高的柱温往往导致手性固定相的外消旋，从而导致对映体选择性随着时间推移而损失。最后，大规模的制备分离在气相色谱中通常是不可行的。在分析过程中，对分析物的外消旋也有一些关注。

虽然手性分离的研究扩展到液相色谱始于20世纪70年代，但由于以下原因，20世纪80年代的这十年才被证明是该领域的一个主要转折点。首先，大量新的和改进的手性固定相和添加剂已经被生产出来，伴随着这一领域的出版物的相应增加。第二，手性固定相的第一次广泛商业化在此期间发生。第三，许多涉及手性识别的广泛的理论和机制研究正在世界范围内开始。这将导致对这些技术有更好的理解和优化。最后，也许是最重要的，为对映体分离是非常困难的，如果可能的话应当避免心理障碍认知，而这种认知目前在逐渐瓦解。事实上，我们离将大多数对映体分离视为常规的时间点不远了。除了手性化合物的合成进展（见插图p.90A）外，这还将大大提高光学异构体的可用性。液相色谱分离对映体至少有两种一般的方法。第一种是手性固定相的使用；第二种是手性流动相添加剂与手性固定相的结合使用。

分离还是合成？

许多工业界和研究实验室对纯光学异构体的需求急剧增加。如果一种纯对映体或非对映体不能有效和经济地从生物来源中分离出来，则替代品是直接合成的纯异构体或是将其从外消旋物中分离出来。在每一种情况中都必须考虑一些科学和经济因素。选择一种不太理想的方法来获取纯异构体产品可能意味着时间、金钱甚至项目的损失。特别是制药业将面临越来越多的这类决定。这是因为大量的药物是光学异构体，其中很大一部分是作为外消旋混合物销售的。有许多例子表明，外消旋混合物的一种异构体具有不理想的或治疗上不同的效果（例如，见参考文献26）。事实上，在未来的某个时候，一些对映体将作为不同用途的不同药物单独销售并不是不可想象的。

必须注意不要把分离和合成看作是相互排斥的。任何决定把所有的努力和资源都用于一种方法来排除另一种方法，都将是令人难以置信的短视。手性化合物的合成和拆分通常是互补的，甚至有时是相关的。每种手性化合物都有其独特的特性以及合成和分离问题。

在某些情况下，使用一种或另一种方法可能有明显的优点。在其他情况下，如果合成产生的纯光学异构体低于100%，则可能需要这两种技术结合。完全合成操作需要对反应和质量控制应用进行色谱监测。相反，分离科学家和工程师必须明白，合成所涉及的是在大多数分离过程中使用的外消旋混合物。

在某些情况下，分离或合成的决定会随着时间的推移而改变。例如，考虑一种新的手性药物，其中一种或两种对映体可能具有治疗或不希望的效果。这可能有利于从外消旋混合物中分离出每个对映体的数量，以便在早期进行测试。之后，如果只需要一种异构体，通过立体选择性合成的大规模生产可能是可取的。许多其它设想是有可能的，但我们必须清楚重点。立体选择性分离和合成都是有用的、重要的和具有促进作用的积极研究。

插图P.90A

手性固定相

配体交换色谱的研究尤其重要。以聚苯乙烯-对二维苯交联共聚物为载体。一种氨基酸如L-脯氨酸附着在树脂上。流动相含铜（II）离子和氨基酸阴离子。固定相、铜离子和游离氨基酸形成三元配合物，如图1所示。对该方法进行了多方面的研究，分析了树脂型、金属型、固定化氨基酸等的影响。如今，这种介质的商业品种可供现代液相色谱的使用（表一）。这种技术（或其变化）仍然是分离衍生氨基酸外消旋体的最有效方法之一。随后，克拉姆合成了几种手性联萘基冠醚，并发现冠-6衍生物的形成了一个有效键合相（9）。这是因为萘并-18-冠醚-6络合了铵离子。因此，含有伯胺的手性化合物可以被络合，并且经常被这些底物分解。

研究人员继续调整和改进一些更经典的用于高效液相色谱的手性固定相，这通常的结果是使得这些介质具有更加广泛的适用。其中一个例子是林德纳和曼施雷克（10）在三乙酰纤维素上的研究（图2）。这种固定相和它最近的商业变化表明了可以分离一些外消旋硫代酰胺类、亚砜类、有机磷化合物、药物和氨基酸衍生物。

图1.在脯氨酸键合相配体交换介质表面形成的三元配合物的原理图

这种技术有效地分离了许多外消旋氨基酸

图2.计算机投影的X射线晶体的一段三乙酰纤维素的结构

如前所述，19世纪80年代的标志是伴随着商业化和广泛的公众接受和使用。手性固定相的迅速发展。第一次商业上的成功（且广泛应用）的手性固定相是由威廉·皮尔克尔开发的，他是一位在不对称合成和手性相互作用方面有经验的有机化学家（11）。手性固定相由(R)-N-（3,5-二硝基苯甲酰）苯乙甘氨酸以离子或共价方式连接到ʏ-氨基丙基硅烷化硅胶上组成（图3）。皮尔克尔的理论基础是开发一种正相介质，在这种介质中手性键何分子在三个位点上与手性溶质相互作用（例如，可能存在pi;-pi;相互作用、氢键和偶极相互作用）。如果两种非对映体吸附剂的能量不同，就可以实现分离。这种方法的成功从分离的数量和种类上是显而易见的。尽管这些共价键合的手性固定相在极性流动相中可以使用，但使用正相洗脱剂时对映选择性和稳定性要大得多。皮尔克尔和其他人（12，13）合成了许多其它的pi;-氢键固定相。由于是合成的，这些手性固定相通常以绝对构型存在，改变手性固定相的构型则相应改变了对映体的洗脱顺序。最近已在新一代手性固定相（14）的商业版本上报道了超过100种的对映体选择性。

图3.计算机投影的N-(3,5-二硝基苯甲酰基甘氨酸)的结构图

该化合物被用于第一个商业上成功和广泛应用的液相色谱的手性固定相

其它手性固定相

我们实验室开发的稳定环糊精键合相（图4）是第一个打算用于传统反相色谱（15）的商用手性固定相。溶质的保留和溶解是通过改变有机改性剂的数量来控制（例如，在聚合物或者在二氧化硅载体上）。吸附-聚合物固定相似乎更广泛地应用前景。正己烷-丙醇流动相是常用的固定相填料。甲醇等醇作为流动相的情况也不多见。表一给出了商业可用手性固定相的一个概要。还包括有关分离和实用效用方面的信息。

图4.计算机投影的X射线晶体结构的环糊精

这是在第一种广泛应用的反相色谱手性柱中活性化合物

图5.图5.计算机投影的X射线晶体结构的血清白蛋白

蛋白附着在LC载体已被用来分离一些对映体

表一 商用手性固定相的例子

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