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手性药物拆分技术
发布于 2013-03-27

自然 界存在各种各样的手性现象,比如蛋白质、氨基酸、多糖、核酸、酶等生命活动重要基础物质,都是手性的。据,在研发的1200种新药中,有820种是手性的,占世界新药开发的68%以上[1]。美国 FDA 在1992年发布了手性药物指导原则,该原则要求各医药 企业 今后在新药研发上,必须明确量化每一对映异构体的药效作用和毒理作用,并且当两种异构体有明显不同作用时,必须以光学纯的药品形式上市。随后欧共体和日本也采取了相应的措施。此项措施大大促进了手性药物拆分技术的 ,手性药物的研究与开发,已经成为当今世界新药发展的重要方向和领域[2]。当前大多数药物是以外消旋体的形式出现,即药物里含有等量的左右两种对映体。但是近年来单一对映体药物市场每年以20%以上的速度增长。1993年全球100个热销药中,光学纯的药物仅仅占20%;然而到了1997年,100个中就有50个是以单一对映体形式存在,手性药物已占到世界医药市场的半壁江山。在1993年,手性药物的全球销售额只有330亿美元;到了1996年,手性药物世界市场已经增长到730亿美元;2002年总销售额更是达到1720亿美元,2010年可望超过2500亿美元[3~5]。广阔的应用前景和巨大的市场需求触发了更多的医药企业和学者探索更新更高效地获得单一手性化合物的方法。
  目前获得单一手性化合物的方法有3种:①手性源合成法:以手性物质为原料合成其他手性化合物。②不对称催化合成法:是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。③外消旋体拆分法:是在拆分剂的作用下,利用物理化学或生物方法将外消旋体拆分成两个对映体。外消旋体拆分法作为一种经典的分离方法,在此显示出其 省时的优势,在工业生产上得到广泛的应用。目前,外消旋体拆分法可分为结晶拆分、化学拆分、生物拆分、色谱拆分、膜拆分和手性萃取拆分等方法。本文作者根据国内外相关 文献 报道,对外消旋体的几种拆分方法进行了综述。

   1 经典结晶法

  用结晶的方式进行外消旋体的分离,是手性化合物拆分中最常用也是最主要的方法。传统的拆分法过于繁琐,而结晶法实际上是机械分离法的改进。经典的接种结晶法是在一个热的外消旋体混合物的饱和溶液中,加入适量的某一对映体的晶种进行诱晶,适当冷却,这一对映体由于过饱和从外消旋混合物中析出,分别加入两种对映体晶种,就可以得到两种对映异构体。如 L-甲基多巴的生产即采用此法。对于不生成外消旋混合物的化合物,可通过手性酸、碱等拆分试剂将其转化成非对映异构体盐后,再进行反复结晶。如 D-苯基甘氨酸的 Amdeno 制备法即是用樟脑磺酸盐作拆分剂进行结晶,年产量上千吨。接种结晶法工艺简单,经济又方便,但通常只能间歇生产,一次收率较低。

   2 化学拆分法

  化学拆分法是广泛使用的一种方法。根据手性试剂与外消旋体反应所得生成物不同可分为以下几种。

  2.1 经典拆分法

  如果外消旋体分子含有如羧基、氨基、羟基或者双键等活性基团,可让其与某一光学活性试剂(拆分剂)进行反应,生成两种非对映异构体的盐或其它复合物,再利用它们物理性质(如溶解度)和化学性质的不同将两者分开,最后把拆分剂从中分离出去,便可得到单一对映体。拆分成功的关键是选择合适的拆分剂。适用于这类光学拆分方法的外消旋体有酸、碱、醇、酚、醛、酮、酰胺及氨基酸等。其过程如下式(1)所示:
  (DL)-A+(D)-B→(D)-A·(D)-B+(L)-A·(D)-B(1)
  这种经典的方法运用广泛,但其也有明显的局限性,比如拆分剂和溶剂的选择较为盲目;拆分剂价格昂贵;收率和e.e.值不高等。近年来,随着主-客体化学的深入研究,开发出了包结拆分和组合拆分等新型手性拆分技术,在一定程度上弥补了经典成盐拆分法的不足。

  2.2 组合拆分

  组合拆分(combinatorial resolution) [6]是近年来报道的一种新方法,它的原理是采用一组同一结构类型的手性衍生物拆分剂家族(resolving agent family) 代替单一的手性拆分剂进行外消旋化合物的拆分。这些拆分剂家族往往是以常用的手性拆分剂为原料,经结构修饰得到的衍生物。也可以是含有不同取代基的某一类结构类型的化合物。Wynberg 设计了一系列芳香环取代的衍生物组成不同的拆分剂家族,首次将该方法应用于化学拆分中。经过实验验证,酒石酸类衍生物的拆分剂家族 T 和TA(1),可用于碱性化合物的拆分,α-苯乙胺类拆分剂家族PE-I,PE-II 和PE-III(图2),通常用于酸性化合物的拆分[6~10]。

  实际操作时将拆分底物与拆分剂家族以 1∶1 的形式,于同一溶剂中进行拆分。这种组合拆分方法和前述的经典拆分方法比较,具有结晶速度快,收率高,纯度高等特点。

  2.3 包结拆分

  包结拆分[11]是由日本化学家 Toda 教授发明的,其原理是利用非共价键体系,如氢键和分子间的次级作用,使外消旋体的一个对映异构体与手性拆分剂发生包结,形成稳定的超分子配合物,再通过结晶方法将两个对映体分开。由于主体和客体分子不发生化学反应,只存在分子间作用力,所以很容易通过柱层析、溶剂交换和逐级蒸馏等与客体分离,然后再循环利用。因此,包结拆分具有操作简单、成本低廉、易于规模生产,具有很高的工业价值[12]。Toda 等还采用氯化 N-苄基辛可尼定作为包结主体,在甲醇中首次成功地拆分了外消旋的联二萘酚,光学纯度(e.e.值)达到100%。邓金根等[13]用光学纯联二萘酚类化合物和酒石酸衍生物等手性化合物作为包结主体,选择性地与某种构型的奥美拉唑形成包结络合物,并以结晶形式出现,而另一种对映体则留在溶剂中,然后用层析的方法将包结主体和奥美拉唑分离,可制得两种对映体。其中具有药效作用的 S-奥美拉唑总收率可达88%,e.e.值为100%。过程如图3所示。

  2.4 动力学拆

  分经典动力学拆分的原理在于两个对映体与某一手性试剂的作用, 中间体是一对非对映异构体,反应速度一般存在差异。利用它们反应的动力学差异,从而达到拆分的目的。通过经典动力学得到的光学纯产物的最大产率为50%,多数情况下,有一个异构体是没用的,这将浪费一半的原料。因此,为了克服以上缺点,人们开始采用动态动力学拆分方法,就是在拆分过程中伴随着底物的现场消旋化,从而使那一半没用的对映体转化为消旋体继续拆分。理论上产率可达到100%,这在工业应用上将具有重大的意义。

   3 生物拆分法

  酶的活性中心是一个不对称结构,这种结构有利于识别消旋体。在一定条件下,酶只能催化消旋体中的一个对映体发生反应而成为不同的化合物,从而使两个对映体分开。反应产物的e.e.值可达100%。随着酶固定化、多相反应器等新技术的日趋成熟,越来越多的酶已用于外消旋体的拆分[14]。徐刚等[15]通过对不同来源酶的筛选,找到了 Novozym 435和 Alcaligenes sp两种选择性较好的酶,有效拆分制备了(S)-2-氯-1-(2-噻吩)-乙醇,产率为48.6%,e.e.值为98.5%。酶催化立体选择性强、反应条件温和、操作简便、副反应少、产率高、成本低,且不会造成污染,这些都使得用酶拆分外消旋体成为理想的选择[16,17]。酶法拆分外消旋体在实验室制备和工业生产中都已取得长足的进步,但是仍然有其局限性。比如菌种筛选困难、酶制剂不易保存、产物后处理量大,以及通常只能得到一种对映体等缺点。尽管如此,利用微生物进行手性药物的合成及对映体的拆分仍是当前研究热点。

   4 色谱拆分法

  色谱法是目前手性药物分析和分离中应用最广最有效的方法之一。主要应用分为两类:分析级水平和制备级水平。用于分析领域的色谱拆分法包括气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)、超临界流体色谱(supercritical fluid chromatography,SFC)、毛细管电泳(CE)等。在制备领域中,高效液相色谱的应用较为广泛。另外,在工业化生产中比较成熟、比较前沿的是模拟移动床(simulated moving bed,SMB)技术。

  4.1 高效液相色谱

  高效液相色谱法在手性药物拆分中的应用是最广泛的,是药物质量控制、立体选择性的药 和毒理学研究的重要手段。 HPLC 分离药物对映体的方法可分为间接法和直接法。前者又称为手性试剂衍生化法,后者又可分为手性固定相法(CSP)和手性流动相添加剂法(CMPA)。间接法是利用手性药物对映体混合物在预处理中进行柱前衍生化,形成一对非对映异构体,根据其理化性质上的差异,使用非手性柱得以分离。该法分离效果好,分离条件简便,一般的非手性柱可满足要求,但需要高纯度的衍生试剂,操作比较麻烦。直接拆分法中的 CMPA 法是在流动相中加入手性添加剂,利用非手性固定相 HPLC 进行拆分;而 CSP法发展异常迅速,目前已开发的商品化手性固定相有多糖类、蛋白类、环湖精类、冠醚类等,其中多糖类衍生物手性识别能力强,方法也较成熟[18,19]。直接法可用 Dalglsh 于1952年提出的着名的“三点作用原理”[20]来解释:药物一个对映体先与手性固定相或流动相的添加剂间发生分子间的三点作用,同时另一对映体则发生二点作用,前者形成的分子复合物较后者稳定,用 HPLC 法依次使其对映体分离。郭娜等[21]采用羟丙基-β-环糊精为手性流动相添加剂,拆分了奥昔布宁对映体,分离度为 1.54,检测限为 1.0 ng。HPLC 法用于对映体药物的拆分,具有多种途径,各具特色,可相互补充,但距离大规模工业化生产还有相当大的距离。

  4.2 气相色谱法

  气相色谱在分离手性对映体时,通过选择合适的吸附剂作为固定相,使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体而达到分离手性化合物的目的。研究表明,手性固定相与异构体之间的作用有氢键作用、偶极结合作用及3点作用。气相色谱具有简单、灵敏、速度快、重复性和精度高等特点,对于可挥发的热稳定手性分子,它表现出了明显的优势。但是,它毕竟存在着一些固有的局限性,比如,要求被分离的样品是挥发性的;温度相对比较高,容易引起手性固定相的消旋;要实现制备比较困难。

  4.3 毛细管电泳拆分法

  毛细管电泳是以高压电场为驱动力,以毛细管为通道和载体,利用样品各组分之间迁移率和分配行为的差异而实现分离的。CE 进行手性拆分不是基于电泳分离的原理,而是依靠色谱原理,构建手性分离的环境,使对映异构体与手性选择剂作用。它兼有高压电泳的高速、高分辨率及 HPLC 的高效率等优点,目前已经广泛运用于手性药物的研究领域。刘秋英等[22]采用二元手性选择剂体系,以8 mmol/L三羟甲基氨基甲烷和10 mmol/L柠檬酸为电泳运行液,快速准确地测定手性药物酚苄明两种异构体的含量,应用于市售盐酸酚苄明片剂中酚苄明对映体的分离检测,取得满意的结果。CE技术不仅在药物分析和测定上有很大的进步,还在分离理论、人工智能优化分离参数、毛细管电泳结合动力学和热力学等理论研究方面有很大的发展[23]。 Muzika 等[24]采用实验设计和人工神经网相结合的方法,优化了三乙醇胺铬酸盐的缓冲液,对高浓度氯离子的溶液中含有的硫酸盐进行了测定。

  4.4 超临界流体色谱拆分方法

  SFC的制备拆分方法是从20世纪80年代中期迅速发展起来的一项拆分技术,该方法采用超临界状态的二氧化碳做流动相,具有分析时间短、柱平衡快、操作条件易变换等特点[25],在手性分离方面,与高效液相色谱、气相色谱、毛细管电泳仪和质谱仪等相互补充,因其具有独特的优越性,将成为超临界CO2萃取技术发展的必然趋势[26]。2005 年, Mettler公司推出了具有比较高制备规模的设备 Berger SFC Multigram III,该设备应用 2~5 cm直径的柱子,达到 200 ml/min的流速,比高效液相色谱装置要快5~10倍[27]。超临界流体色谱法由于具有体系的黏度低、扩散和传质速率高、拆分得到的产品质量好等特点,在手性药物拆分中具有广泛的应用

关 键 词:研究进展 拆分 手性药物 
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