第一篇 化学制药工艺
第二章 药物工艺路线的设计和选择
第一节 概述
化学合成药物一般由化学结构比较简单的化工原料经过一系列化学合成和物理处理过程制得,这种途径被称为全合成(total synthesis);或由已知具有一定基本结构的天然产物经化学结构改造和物理处理过程制得,称为半合成(semi synthesis)。在多数情况下,一个化学合成药物往往可有多种合成途径;通常将具有工业生产价值的合成途径称为该药物的工艺路线。在化学制药工业生产中,首先是工艺路线的设计和选择,以确定一条最经济、最有效的生产工艺路线。
在药物化学和药物合成反应等课程中,已经探讨过新药研究和化学合成方法。在新药创制中,首先是确定药物靶标,通过筛选发现先导化合物,进而合成一系列目标化合物,优选出最佳的有效化合物;其次是对被认为有开发前景的有效化合物,进行深入的药效学、毒理学、药代动力学等药理学研究、化学稳定性研究和药物剂型、生物利用度等药剂学研究。在后一阶段,要合成一定数量的有效化合物,供试验研究应用,所需数量通常较少,即使开始进入临床试用阶段,称研究性新药(IND),用量也不大。这个阶段,一般只注重产品质量、稳定性、药效等。化学合成也只是在实验室规模进行。这个阶段一般是讲究速度而不太讲究经济问题。当IND在临床试验显示出优异疗效和优良性质之后,便要加紧进行生产研究,并根据社会的潜在需要确定生产规模。这时必须把药物工艺路线的工业化、最优化和降低生产成本放在首位。
药物生产工艺路线是药物生产技术的基础和依据。它的技术先进性和经济合理性,是衡量生产技术水平高低的尺度。特别是对分子结构复杂,化学合成步骤较多的药物,它的工艺路线设计和选择尤其重要,必须探索工艺路线的理论和策略,寻找化学合成药物的最佳途径,使它适合于工业生产,同时,还必须认真地考虑经济问题。合成一种药物,由于采用的原料不同,其合成途径与工艺操作方法、“三废”治理等亦随之而异;最后所得产品质量、收率和成本也有所不同,甚至差别悬殊。
药物生产工艺路线的设计和选择,必须先对类似的化合物进行国内外文献资料的调查研究和论证工作。优选一条或若干条技术先进、操作条件切实可行、设备条件容易解决、原辅材料有可靠来源的技术路线;写出文献总结和生产研究方案(包括多条技术路线的对比试验)。新药的生产研究还必须与我国卫生部制定发布的《新药审批办法》相衔接,该《办法》要求新药审批材料中要有新药的合成路线、反应条件、精制方法;确证其化学结构的数据和图谱(红外、紫外、核磁、质谱等);生产过程中可能产生或残留的杂质、质量标准;稳定性试验数据;“三废”治理试验资料等等。
若为仿制新药,也需有下列八个方面的内容:
(1)药理和临床试验情况:药理作用(包括药效学、毒副作用)、药代动力学及其特点、临床效果、适应证等。
(2)药物剂量、剂型、用法和贮存等。
(3)国内外已经发表的确证其化学结构的试验数据、图谱、对图谱的解析及有关资料。
(4)该药物的设计、试制有关资料,各种合成路线、反应条件,包括有关原辅材料制备和来源。
(5)有关各步化学反应原理、影响因素、操作方法和技术设备条件,尤其对于高温、高压、高真空、冷冻等技术设备的特殊要求。
(6)原辅材料、中间体和产物的理化性质,化工设计所需常数以及易燃、易爆、剧毒和“三废”治理等有关材料的搜集,必要时应列入工艺研究计划内进行试验。
(7)产品质量标准和分析鉴别,以及原辅材料和中间体规格、要求和监控等。
(8)注意国内外专利情况,及时进行经济分析并对原辅材料、动力消耗、公用工程等作初步估算。
在探讨药物工艺路线设计和选择时,必然会联想到生物体的合成。细胞内没有强酸、强碱、高温、高压等,属于自然过程,即室温或接近室温条件下就能起反应;它不像用化学合成法,获得的多为外消旋物,还须通过不同的分拆方法。这里,还必须提到的是,近年来生物技术(主要包括基因工程、固定化酶、细胞固定化和厌氧发酵等技术)在化学制药工业领域的应用得到迅速的发展,已应用于半合成抗生素、甾体药物、氨基酸等的生产上。尽管目前生物技术还是一个辅助手段,但必须充分注意到它给药物生产带来的巨大影响和潜力。
第二节 药物工艺路线设计
药物工艺路线设计,主要针对已经确定化学结构的药物或潜在药物(如IND等),研究如何应用化学合成的理论和方法,设计出适合其生产的工艺路线。它的意义在于:
(1)动植物体内含量甚微具有生物活性和医疗价值的天然药物,不能满足需求,在许多情况下需要进行全合成或半合成。
(2)根据现代医药科学理论找出具有临床应用价值的药物,必须及时申请专利和进行化学合成与工艺路线设计研究,以便经新药审批获得新药证书后,尽快进入规模生产。
(3)引进的或正在生产的药物,由于生产条件或原辅材料变换或要提高药品质量,需要在工艺路线上改进与革新。
药物工艺设计,首先应从剖析药物的化学结构入手,然后根据结构特点采取相应的设计方法。对药物发现过程、化学结构测定中的一些有关资料以及前人对该药物所进行的有关合成工作等情况作必要的调查研究。这也是制定出正确的药物工艺设计必不可少的步骤。
药物的化学结构剖析应分清主要部分(主环)和次要部分(侧链),基本骨架与功能基,研究分子中各部分的结合情况,找出易拆键部位;考虑基本骨架的组合方式,形成方法;功能基的引入、变换、消除与保护等;手性药物还必须同时考虑其构型的要求和不对称合成等问题。当然,药物工艺路线设计应针对药物化学结构和生产条件等不同特点,因地制宜地将它们合起来考虑。例如,苯丙酸类抗炎药,当前常见的有萘普生(naproxen,2-1)、布洛芬(ibuprofen,2-2)、酮洛芬(ketoprofen,2-3)和吡洛芬(pirprofen,2-4)等20余种,它们共有的化学结构为2位芳香基取代丙酸,也是α-甲基芳基乙酸衍生物,都含有手性碳原子,一般在体内可由R转化为S型;只有萘普生需拆分其S(+)异构体有效。又如,酮洛芬的合成反应若以二苯酮为原料,需在其间位引入碳—碳键,就不能用Friedel-Crafts反应中的酰化反应,而只能用Friedel—crafts反应中烷化反应,即由二氯甲基醚(ClCH2OCH2Cl)进行烷化反应,才能生成碳—碳键,引入氯甲基得其关键中间体——3-氯甲基二苯基酮。
化学结构测定的资料对设计工艺路线也很重要。在用降解法测定化学结构时,某个降解产物很可能被考虑作为该药物的关键中间体。因为在降解过程中,常需要从降解产物合成为原来的药物,确证它们之间的结构联系。特别是某些天然药物的合成,可简化为它的某个关键中间体。例如,樟脑(2-5)的合成中,得知其降解产物为樟脑酸(2-6)后,可设计为二羧酸化合物(2-7)再转变为樟脑。因此,需先考虑合成樟脑酸(2-6)的合成方式。
近代物理方法作为测定天然产物结构的手段已逐步取代了化学降解,研究其化学结构特点,对进行合理的药物工艺设计很有帮助。以合成子(synthon)和切断(disconnection)为手段的合成子法,在1964年由Corey创立以来已引起有机化学家极大兴趣和重视。利用电子计算机用合成子法来设计亦已不乏其人。例如,保幼激素(juvenilehormone)、前列腺素(PGs)、白三烯(LTs)等生理活性化合物的合成设计,在新药研究和有机合成化学中已取得了许多成就。
药物工艺路线设计属于有机合成化学。工艺路线设计方法与有机合成设计方法有许多类似之处,并在不断丰富和发展中。下面就常用的几种方法加以叙述。
一、类型反应法
新药的合成往往在文献上无现成的合成途径可资参考;或者虽有,但不理想。对有些化合物或它的关键中间体,可根据它们的化学结构类型和功能基等情况,采用类型反应法进行药物工艺路线设计。所谓类型反应法系指利用常见的典型有机化学反应与合成方法进行药物合成设计的思考方法。这里包括各类化学结构的有机合成物的通用合成法,功能基的形成、转换、保护的合成反应单元等。有明显类型结构特点以及功能基特点的化合物,可采用此种方法进行设计。
抗真菌药物克霉唑(clotrimazole,2-8)是邻氯代三苯甲基咪唑化合物。分子中的C—N键是一个易拆键部位,即它可由咪唑的亚胺基与卤烷通过烷基化反应形成。于是,通过找出易拆键部位而得到两个关键中间体 邻氯苯基二苯基氯甲烷(2-9)和咪唑(2-10)。文献报道化合物(2-9)是由邻氯苯甲酸乙酯与溴苯进行Grignard反应合成叔醇(2-11),再用二氯亚砜氯化而得到。
虽然此法合成的克霉唑的质量较好,但这条工艺路线中应用Grinard试剂,要求高度无水操作,原辅材料和溶剂质量要求严格,乙醚易燃、易爆,须有相应的安全措施,而使生产受到限制。
鉴于上述情况,于是参考四氯化碳与苯通过Friedel-Crafts反应可生成三苯基氯甲烷(2-12)的类型反应,设计了由邻氯苯基三氯甲烷(1-9)的合成路线。此法合成路线较短,原辅材料来源方便,收率也较高。曾为工业生产采用。不过,这条工艺路线仍有一些缺点。例如,邻氯甲苯进行氯化制得邻氯苯基三氯甲烷这一步反应要引入3个氯原子,反应温度较高且反应时间长,并有未反应的氯气逸出,不易吸收完全带来环境污染和设备腐蚀等问题。
还可以邻氯苯甲酸(2-14)为起始原料,经两步氯化,两步Friedel-Crafts反应来合成关键中间体(2-9)。
后一条工艺路线虽较上述工艺路线为长,但原辅材料易得,反应条件温和,各步产率较高,成本也较低,无上述氯化反应的缺点,更适于工业生产。
应用类型反应法进行药物或其中间体的工艺设计时,若功能基的形成与转化的单元反应的排列方法出现两种或两种以上不同安排时,不仅需从理论上考虑更为合理的排列顺序,而且更要从实践上着眼于原辅材料、设备条件等进行实验研究,经过试验设计及优选方法遴选,反复比较来选定!因为两者的化学单元反应虽相同;但进行顺序不同或应用原辅材料不同,即反应物料的化学组成与理化性质不同,将导致反应的难易程度和反应条件等亦随之而异,且往往会导致不同的结果,随之,在药物质量、收率、“三废”治理、反应设备和生产周期等方面都会有较大差异。
例如,β-受体阻断剂塞利洛尔(celiprolol,2-15)的合成,对氨基苯乙醚与N, N-二乙氨基甲酰氯作用生成N-酰化产物(2-16),降低了氨基的邻、对位定位作用,且增大氨基的邻位空间位阻,使接下来的Friedal-Crafts酰化反应发生在酚羟基的邻位。若Friedal-Crafts乙酰化反应在前,N-酰化反应居中,乙酰化反应可在氨基的邻位,也可在间位,产物复杂。再经O-烷基化、溴代和烷基化反应,得到塞利洛尔。
二、分子对称法
某些药物或其中间体存在分子对称性,对于药物工艺设计很有用处。它们往往可由两个相同的分子经化学反应合成制得。所以分子对称法也是合成设计中可应用的思考方法。
非甾体雌激素类药物己烯雌酚(2-17)、己烷雌酚(2-18)等两个苯乙烯类衍生物均可应用于分子对称法设计路线。
2分子的对硝基苯丙烷在氢氧化钠存在下用水合肼还原,同时发生缩合和还原作用生成3,4-双对氨基己烷,后者再经重氮化、水解转变功能基团制得己烷雌酚(2-18)。
肌肉松弛药肌安松(2-20)也是这类对称分子。它的化学名称为3,4-二苯己烷双-对三甲基季铵二碘物(内消旋体)。同样可用分子对称性合成。
有些药物分子乍看起来不是对称分子,但仔细剖析却藏着潜在的对称性。例如,抗麻风病药物氯法齐明(2-21),可看作吩嗪亚胺类化合物,即是2-对氯苯基-3,5-二氢-3-亚胺基吩嗪(2-22)的衍生物。2-对氯苯基-3,5-二氢-3-亚胺基吩嗪(2-22)从虚线处可看成两个对称分子。
因此,可以用2分子的-对氯苯基邻苯二胺(2-23)在三氯化铁存在下进行缩合反应,收率可达98%。接着与异丙胺进行加压反应,即得氯法齐明(2-21)。
曾用于治疗室性心动过速的司巴丁(金雀花碱2-24)分子具有对称性,在中心亚甲基上引入羰基,然后在两侧对称地利用逆Mannich切断,将分子高度简化。这样得到三种基本原料:派啶、甲醛和丙酮,其合成方法均是经典的标准反应。
三、倒推法(追溯求源法)
从药物分子的化学结构出发,将其化学合成过程一步一步逆向推导进行寻源的思考方法称为追溯求源法,又称倒推法或逆向合成分析(retrosynthesis analysis)。首先从药物化学结构的最后一个结合点考虑它的前体物质是什么和经什么反应得到,逆向切断、连接、添加、消除、重排和功能基互换等。如此继续追溯求源直到最后的前体物质(即起始原料),后者应该是易于得到、价格合理的化工原料,中间体,副产物或天然化合物。
药物分子中具有C—N、C—S、C—O等碳杂键,是该分子的拆键部位,亦即合成时的连接部位。经追溯求源最后达到已知的简单的起始原料,进而设计出拆键部位,如抗真菌药益康唑(econazole,2-25)可从a、b两处追溯其合成的前一步中间体。
按虚线a考虑:益康唑的前体为对氯苄基氯和1-(2,4-二氯苯基)-2-(1-咪唑基)乙醇(2-26);剖析1-(2,4-二氯苯基)-2-(1-咪唑基)乙醇(2-26)的结构,进一步追溯求源,断开C—N键,1-(2,4-二氯苯基)-2-(1-咪唑基)乙醇的前体为1-(2,4-二氯苯基)-2氯代乙醇(2-27)和咪唑。
若先按b虚线考虑键的形成也可以采用胺的烷基化反应,则益康唑的前体为2-(4-氯苄氧基)-2-(2,4-二氯苯)氯乙烷(2-28)和咪唑,2-(4-氯苄氧基)-2-(2,4-二氯苯)氯乙烷(2-28)前体为对氯甲基氯苯和1-(2,4-二氯苯)-2-氯乙醇(2-27)。
益康唑及其中间体分子的装配有a, b两条虚线考虑,即两种连接方式。但C—O键和C—N键形成的先后次序不同,这对合成有较大的影响。若采用b法拆键1-(2,4-二氯苯)-2-氯乙醇(2-27)与对氯甲基氯苯在碱性条件下反应制备中间体时,不可避免地将发生自身分子间的烷基化反应;从而使反应复杂化,降低收率。因此,采用先形成C—N键,然后再形成C—O键的法连接装配更为有利。
再剖析1-(2,4-二氯苯)-2-氯乙醇(2-27),它是一个第二醇,可由相应的酮还原制备。故其前体物质为2,4-二氯-氯代苯乙酮(2-29),它可由2,4-二氯苯与氯乙酰氯经Friedel-Crafts反应制取。
而间二氯苯可由间硝基苯还原得间二氨基苯,再经重氮化反应制得。这样,以间二硝基苯和对氯甲苯为起始原料合成益康唑的合成路线可设计如下:
四、模拟类推法
对化学结构复杂的药物即合成路线不明显的各种化学结构只好猜测。从不那么正确的设想开始,通过文献调研,改进他人尚不完善的概念来进行药物工艺设计。可模拟类似化合物的合成方法。
祛痰药杜鹃素(Farreol,2-30)和紫花杜鹃素(Mateucinol,2-31)均属于二氢黄酮类化合物。因此可按二氢黄酮的合成途径进行合成设计。分子中存在的甲基和羟基,显然分子骨架形成前就具备的。它们可采用相应的酚类与苯丙烯酸或苯丙烯酰氯进行环合;也可采用相应的酮类,经查尔酮类制备杜鹃素(Farreol,2-30)和紫花杜鹃素(Mateucinol,2-31)。
中药黄连中的抗菌有效成分——黄连素(Berberine,2-32)的合成路线设计也是个很好的模拟类推法的例子。它是模拟巴马汀(Palmatine,2-33)和镇痛药延胡索乙素(又称四氢巴马汀硫酸盐,Tetrahydropalamatine sulfate,2-34)的合成方法,它们均具有母核二苯并[a, g]喹嗪,含有并合的异喹啉环的特点。
黄连素可采用合成异喹啉环的方法经Bischler-Napieralski反应及Pictet-Spengler反应,先后两次环合而得。合成路线如下:
在Pictet-Spengle环合反应前进行溴化是为了使反应在需要的位置上环合。从合成化学观点考查,这条路线是合理的,但由于合成路线较长,收率不高,且使用试剂昂贵,因而不适宜于工业生产。
1969年Muller等发表了巴马汀(2-33)的合成方法,是采用3,4-二甲氧基苯乙胺(2-35)与2,3-二甲氧基苯甲醛(2-36)进行脱水缩合生成Shiff碱(2-37),并立即将其双键还原转变成苯乙基苯甲基亚胺(2-38)的骨架;然后用乙二醛与其反应,一次引入两个碳原子而合成二苯并[a, g]喹嗪环。按这个合成途径得到是二氢巴马汀高氯酸盐(2-39)与巴马汀高氯酸盐(2-40)的混合物。
参照上述巴马汀(2-33)的合成,终于设计了从胡椒乙胺(2-41)与邻甲氧基香兰醛(2-42)出发合成盐酸黄连素的工艺路线,并试验成功。
按这条工艺路线制得的盐酸黄连素(2-32)经分析检验,完全不含有二氢衍生物。产物的理化性质和抑菌能力同天然提取的黄连素完全一致,全部符合药典要求。它的合成步骤较前述路线更为简捷,且所用的邻位甲氧基香兰醛可利用生产香兰醛的副产物。这是我国自力更生创建的全合成路线,符合工业生产要求。延胡索乙素(2-34)也可用模拟类推法进行化学合成,其成本接近由天然来源的提取法。
在应用模拟类推法设计药物工艺路线时,还必须和已有方法对比,并注意对比类似化学结构、化学活性的差异。模拟类推法的要点在于类比和对有关化学反应的了解。如诺氟沙星(氟哌酸,Norfloxacin,2-41)和环丙沙星(Ciprofloxacin,2-42)合成工艺的比较。诺氟沙星(2-41的合成可从二氯苯为起始原料,经硝化,氟化,还原生成3-氯-4-氟苯胺,然后与乙氧基甲基丙二酸二乙酯缩合,再经环化、乙基化和引入哌嗪基。
环丙沙星(2-42),虽然仅仅是将诺氟沙星(2-41)的1位的乙基改为环丙基,但其合成路线却有很大的不同。它从2,4-二氯甲苯开始,经硝化、还原、氟化和将甲基氯化、水解、酰氯化形成2,4-二氯-5-氟苯甲酰氯,然后和β-环丙胺丙烯酸甲酯缩合,环合、水解、再引入哌嗪基。
上述工艺路线均较成熟;但工艺步骤较多。7位引入哌嗪基时,上述两条路线均放在最后,且收率较低,技术难度大。近年来工艺有较大改进,特别是成环工艺。以2-氯-4氨基-5氟苯甲酸乙酯(2-43)为起始原料,后四步总收率可达94.5%。
第三节 立体化学控制与不对称合成
分子中具有手征性中心的药物,其立体构型往往是专一性的。若构型不符合要求,活性便显著减弱甚至失效。一般有四种情况:①异构体具有相同的活性,如抗炎药布洛芬等,但这种情况比较少见,更多的是,它们具有相同的活性但其活性程度有差异,如β-内酰胺类抗生素和喹诺酮类合成抗菌药的光学异构体均有不同的抗菌活性。②异构体各有不同的生理活性,如镇痛药右丙氧芬(Darvon, Propoxyphene hydrochloride);其对映体诺夫特(Novrad)则为镇咳药;这种情况也不多见。③最常见的是其中一个异构体有效,另一个异构体无效,如氯霉素。④其中一个异构体有效,而另一个异构体可致不良反应,如左旋多巴(Levodopa)的D-异构体就与粒细胞减少症有关,左旋咪唑的D-异构体与呕吐的副反应有关。
因此在设计这类药物的工艺路线时必须同时考虑立体化学问题。例如,合成一个具有n个手征性中心的药物,如果各步反应都没有立体选择性,则最后产物将是2n个异构体的混合物,而合乎生理活性要求的光学异构体只有2n分之一。例如n=4时,即使每步反应收率均是100%,将生成16个异构体,而所需要的产物最多只占1/16,即6.25%。因此,在手征性药物工艺路线设计中应从立体化学控制和进行不对称等方面考虑,以便减少和防止生成许多不需要的立体异构体,从而极大地提高所需异构体生成率,达到工艺简便、经济合理的目的。近年发展起来的立体定向合成几乎可使产物全部为所需的构型,而不生成其他的异构体。下面仅就药物合成中经常应用的光学拆分和一些不对称合成方法加以叙述。
一、光学异构体的拆分
在化学药物合成中,若在完全没有手征性因素存在的分子中进行引入手征性中心的反应,则所得反应产物(中间体或产品)乃是由等量的左旋体与右旋体组成的外消旋体。这就需要将外消旋体进行光学拆分,以得到所需立体构型的旋光体(左旋或右旋体)。若手征性分子为药物合成的中间体,则光学拆分后,使用所需构型的旋光体进行下一步合成反应,不仅可提高所需产物的收率,降低原料消耗,而且还可将拆分出来的、不需要的对映体,或将其消旋化再进行光学拆分加以反复利用,或制成其他有用物质,做到物尽其用。若手征性分子为药物时,则通过拆分除去无效的旋光体后,可提高药物治疗功效,降低毒性和副作用。
一对对映体除对偏振光显示有左右旋的不同外,其他理化性质几乎完全相同。然而外消旋体的构成与性质则不尽相同,一般外消旋体有混合物、化合物和固溶体三类。外消旋混合物为两种旋光体各有独立存在的对映晶体,故可利用对映晶体这一对矛盾采取诱导结晶拆分。而对外消旋体化合物和固溶体这两类消旋体的拆分,可采取形成非对映异构体方法进行光学拆分。
近年发展起来的气相色谱拆分法和纸色谱拆分法,可应用于测定光学异构体是否纯净和推断光学异构体的构型、构象等。而离子交换色谱法和配位体交换色谱法作为实验室少量消旋体的拆分方法是简便易行的,同时作为生产拆分法也颇有前途。下面简要叙述非对映异构体结晶拆分法和诱导结晶法以及不对称转化法。
(一)非对映异构体结晶拆分法
利用外消旋体的化学性质使其与某一光学活性试剂(即光学拆分剂)作用以生成两种非对映的异构体,然后利用这两种物质的非对映性所产生的某些理化性质(例如溶解度、熔点和旋光度等)的差异,通常利用两者溶解度的差异,将它们分离,然后再脱去拆分剂,便可分别得到左旋体和右旋体。这种形成非对映异构体的光学拆分法是经典方法,至今仍广泛应用,它适用于上述三种类型消旋体的光学拆分,而且是有效的。有时也用此法制备旋光异构体的光学纯品。适用于这种光学拆分方法的消旋体有酸、碱、醇、酚、醛、酮、酯、酰胺以及氨基酸等。例如,拆分(±)-α-苯乙胺(B)用L-(+)-酒石酸(A)。
醇类外消旋体的拆分,一般多将其先与苯二甲酸酐或琥珀酸酐在吡啶存在下作用生成酸性酯,然后用光学活性碱拆分。消旋的醛和酮可利用光学活性的肼、酰肼、缩氨脲等羰基试剂将其变成非对映体进行拆分。
光学拆分剂的选择可根据下列几点进行:
(1)拆分剂必须是易与外消旋体形成非对映体,同时又易于被除去者。
(2)拆分剂与外消旋体形成的两种非对映异构体之间的溶解度性质差别越大越有利于拆分。因此,要选择能与外消旋体中的一种单旋体很快地形成难溶性结晶的拆分剂。
(3)拆分剂必须是来源方便,价格低廉,而在拆分后又能接近定量地回收,反复使用。例如,在合成氯霉素的合成中,利用氯霉素的副产物L-(+)-氨基醇来代替D-(+)-α-苯基乙胺做拆分剂,就很经济合理。
(4)拆分剂的光学纯度也是在选择时不可忽视的一项因素。这是因为拆分所得旋光体的光学纯度不可能高于拆分剂的纯度。相反,拆分剂的光学纯度越低,则拆分所得旋光体的光学纯度也随之降低。因此,在可能情况下,拆分剂以用高纯度者为宜。
非对映异构体结晶拆分法所用的溶剂,一般有水、低级的醇、酮、醚和酯等,有时采用混合溶剂效果更为良好。
采用此种方法进行拆分时,除应注意选择合适的拆分剂和溶剂外,还须注意拆分溶液的浓度、温度、结晶速度,非对映异构体的分解方法和条件,以及拆分剂的回收再用等项因素,因为它们都直接与光学异构体的纯度和收率有密切关系。
(二)诱导结晶拆分法
诱导结晶法仅适用于两种对映晶体独立存在的外消旋混合物的光学拆分。在外消旋混合物过饱和溶液中加入其中一种(左旋或右旋)纯的单旋体结晶作为晶种则晶体成长并先析出同种旋光体的结晶,迅速过滤,再往滤液中加入一定量外消旋体,则溶液中的另一种对映体(右旋或左旋)达到过饱和,一经冷却,该单旋体便结晶析出,如此反复作,便可连续拆分交叉获得左旋体和右旋体。因此,此法又称为交叉诱导结晶法。此法已成功地用于氯霉素的中间体α-氨基醇和α-氨苄基青霉素的拆分。
这种拆分法的特点为:不需要光学拆分剂,故原料消耗少,成本低,操作较简单,所需设备少,生产周期短,母液可套用多次,因此损失较少,拆分收率较高。但本法的缺点是拆分条件的控制较麻烦,拆分所得旋光异构体的光学纯度不很高。其拆分原理是溶液中外消旋体的两个单旋体以独立成分存在,故而能使它们分别地结晶析出,达到拆分的目的。当外消旋体的两个单旋体在溶液以某种形式结合起来时,便不能拆分。其次,外消旋体的溶解度应大于其中任一单旋体的溶解度,这样在单旋体结晶析出时,外消旋体不析出仍留存溶液中,从而获得拆分。本法所用溶剂有水,水-盐酸,水-甲酸铵,甲醇-水,异丙醇-水等。
应用诱导结晶拆分法时,首先应研究外消旋体的构成与性质,只有确定外消旋体为消旋混合物时才能采用此法拆分。为此,可采取下列一些研究方法:
(1)测定熔点并绘制熔点曲线。外消旋混合物的熔点低于任一纯单旋体的熔点,这与典型混合物的熔点情况相似,只是外消旋混合物的最低共熔点经常出现在两组分各为50%处(图2-1)。外消旋化合物的熔点有的较单旋体的为高(图2-2),有的则较低(图2-3)。而且它们一般均有两个最低共熔点。
(2)测定溶解度并绘制溶解度曲线。外消旋混合物的溶解度通常较任一单旋体的为大(图2-4)。相反,外消旋化合物的溶解度却较任一单旋体的为小,但在其他组成时却有两个最大溶解度(图2-5)。
图2-1
图2-2
图2-3
图2-4
图2-5
(3)若外消旋体含有结晶水时,较为简便的方法是分别测定消旋体与其相应单旋体中结晶水的含量,如果两者结晶水的含量相同,则表示该消旋体为消旋混合物。另一简便法是测定外旋体与其单旋体的密度,如果两者相同,则该消旋体也是消旋混合物。凡结晶水含量与密度均不相同者,则该消旋体为旋体消旋化合物。
(4)测定红外光谱。外旋体消旋化合物的红外光谱不同于其相应任一单旋体的红外光谱,有时这种差别还较大,故可利用这种特性将外消旋混合物和外消旋固溶体加以区别。
(5)结晶学方法。利用X射线衍射的方法测定消旋体晶格单位,外消旋混合物的晶格单位仅有一种分子的对映体,而消旋化合物的晶格单位是含有等分子数的两种对映体。
不发生不对称转化的经典的光学拆分方法,即形成非对映异构体结晶所得单旋体的收率理论上最多也不超过50%。但是在发生不对称转化时,随着结晶的析出,溶液中两种对映体的平衡不断地被打破和发生移动,结果拆分的收率可远远超过50%,甚至有可能达到100%。众所周知,(+)-葡萄糖在水溶液中的变旋光和它在乙醇液中重结晶时仅得 α-型结晶(I)。而从吡啶溶液中结晶时仅得β-型结晶。
其次,应注意研究溶剂的选择,溶解度、过饱和溶解度及平衡温度的测定、消旋体与单旋体的配比、过饱和度的推算、结晶速度、循环拆分次数以及母液的脱色精制等项因素。
二、不对称转化
不对称转化是指光学不稳定的一对消旋体,在某种手征性的影响下,受到立体化学的不均一作用,在这两种光学异构体的立体构型达到平衡以前,发生了向一方转化的变化现象。这种不对称转化可以认为是与差向异构化相同的构型变化现象。
例如,在苯甲醛与甘氨酸合成苯丝氨酸的缩合反应中,反应初期溶液中几乎生成等量的苏型-苯丝氨酸(2-43)和赤型-苯丝氨酸(2-44),由于发生不对称转化,随着(2-43)析出结晶,结果仅得到苏型异构体(2-43)。
不对称转化从方法上看虽然仍属于光学拆分的范畴,但它却超出了以往的界限(故又称为消旋动力学拆分),同时它又是不对称合成中的一种主要方法。
应用不对称转化进行不对称合成的最典型事例,就是解决了治疗阿米巴痢疾吐根碱工业合成的起始原料最理想的利用问题。
苯并喹嗪的消旋体(2-45)在乙酸乙酯中与旋光性樟脑磺酸加热回流时,则其分子中C3的手征性中心发生差向异构化,其中的一种旋光体的立体构型向其对映体的构型转化。根据Openshaw等的研究,(±)-消旋体(2-45)与(-)-樟脑-10-磺酸(2-46)作用时则其(+)-旋光体(2-45)发生差向异构化变成(-)-苯并喹嗪,并与(-)-樟脑磺酸结合生成(-)-磺酸盐(2-47),收率达86%,将其用氨水处理可得光学纯的(-)-苯并喹嗪(2-48)结晶,收率78%。同样,(±)-消旋体(2-45)若与(+)-樟脑-10-磺酸(2-49)作用时,则(-)-苯并喹嗪发生差向异构化(2-50)结果转化为光学纯的(+)-苯并喹嗪(2-51)。
由苯并喹嗪的左旋体(2-48)为起始原料经过一系列不对称诱导的不对称合成,最后得到与天然完全一致的吐根碱(后述)。而右旋体(2-51)的立体构型则不符合要求,不能作为合成吐根碱的起始原料。因此,可通过不对称转化可使苯并喹嗪消旋体(2-45)全部变成立体构型符合天然吐根碱不对称合成要求的起始原料(2-48)。
苯并喹嗪(2-45)可由α-乙基丁酮酸乙酯(2-52)与甲醛、二甲胺通过Mannich反应得到的β-二甲氨基酮阳离子(2-53),与6,7-二甲氧基-3,4-二氢异喹啉(2-54)反应而得化合物(2-55),(2-55)能自发地环合变成苯并喹嗪(2-45)。
苯并喹嗪(2-45)分子中有两个手征性中心(C3和C1),理论上可生成两对对映异构体即四种旋光异构体,但实际上生成的只是一对较稳定的消旋体(2-45)。
三、不对称诱导
具有一定空间构型的化合物在进行化学反应时可能占优势地生成一种光学活性异构体,而构型不同的另一种异构体(通常为非对映异构体)的生成比例很小,以至甚微。这种现象就是反应物分子中原来存在的立体构型不对称诱导作用的结果。这两种非对映异构体在生成前,由于两种过渡状态的自由能有差别,所以活化能不同,因而两者的生成速度也就不同,导致两种产物以不同的比率生成。因此,通过不对称诱导可以有效地控制无用的其他立体异构体的生成,而显著地提高所需构型的光学活性异构体的生成率。故不对称诱导也是不对称合成中的一项重要方法。
发生不对称诱导的因素有物理的和化学的两种。物理因素,如利用圆偏光等手征性物理力的作用而进行的绝对不对称合成,而化学因素则有反应物本身、手征性催化剂、手征性试剂以及手征性溶剂等手征性因素。这里仅就反应物本身(即合成原料或中间体)的不对称诱导问题进行叙述,其他几项将在后边的不对称合成中加以叙述。
(1)利用反应物本身手征性中心的不对称诱导 反应物本身即不对称合成的起始原料或中间体,它的空间构型和光学活性如何,在许多情况下,将起决定性的不对称诱导作用。故如何选择符合要求的手征性原料和中间体(包括前手征性物料)是不对称诱导的极为重要的问题。
上述以苯并喹嗪的左旋体为起始原料不对称合成吐根碱的实例,最清楚地说明了手征性起始原料和中间体分子中具有的不对称诱导作用的决定性影响。
天然吐根碱(2-62)分子中共有四个手征性碳原子,以苯并喹嗪的左旋体(2-48)为其不对称合成的起始原料时,通过它和由它制出的中间体的不对称诱导作用,均能得到所希望的绝对构型,因此各步的光学收率也高。苯并喹嗪左旋体(2-48)与膦化物(2-56)通过Wittig反应得到(+)-α, β-不饱和酯(2-57),经过钯催化氢化,又造成一个手征性中心得到所希望的绝对构型物——(-)-饱和酯(2-58),次与高香草胺(2-59)反应生成相应的芳香草酰胺(2-60),再经Bischler-Napierals反应,环合而得(+)-O-甲基吐根碱丁(2-61),最后用铂催化氢化得到与天然品完全一致的吐根碱(2-62)和较少量的异吐根碱(2-63),这两者不仅容易分离,而且异吐根碱(2-63)在用次氯酸钠处理后又能变成(+)-O-甲基吐根碱丁(2-61),可再用于合成吐根碱。
而苯并喹嗪左旋体的右旋体(2-51)的情况则相反,若以它为合成的起始原料时,虽然其分子中的手性在反应过程中也能发挥不对称诱导作用,但得到一系列产物的绝对构型与上述使用的左旋体(2-48)时的情况相反,即得到相应的(2-57)为左旋体,相反的(2-58)为右旋体等,最后得不到天然吐根碱,故不能作为吐根碱的起始原料。
(2)利用反应物本身刚体结构的不对称诱导 具有环状或双键的刚体结构化合物,由于其分子不能自由旋转而产生空间构型上的差异,在化学反应中常能导致占优势地生成一定的立体构型旋光异构体,而其非对映异构体的生成量却很少。故可利用一定的空间构型刚体结构化合物作为手征性药物不对称合成的起始原料或中间体。
值得指出的是这种刚体结构化合物的空间构型,在化学反应中不是一直保持不变的,往往会发生构型的转化,需要特别注意。例如,戴乾圜等提出并研究的以反式-β-卤代苯乙烯(2-64)为起始原料的氯霉素合成路线,就是这种情况。反式卤代苯乙烯在酸性条件下与甲醛反应生成4-苯基-5-卤-1,3-二氧六环(2-65)。
在这步Prins反应中,得到的主要是反式-4-苯基-5-卤-1,3-二氧六环(2-67),而顺式体(2-66)却很少。然而在反应中通过π-络合物发生反式进攻,首先生成顺式体(2-66),由于(2-66)不稳定,通过自由旋转的α-络合物而生成更稳定的反式体(2-67),以及在反应过程中顺式向反式的异构化,故主要产物是反式体而不是顺式体。
当X=Cl时,收率可达95%,其中反式异构体占75%,而分离出来的顺式异构体在投入反应中循环,可使反式异构体(2-67)达到90%~92%;当X=Br时不必通过循环便可得到90%的收率的反式异构体(2-67),而反式异构体在高压釜中胺化生成5-氨基物(2-68),经研究证明它是顺式异构体,在此步反应中近乎100%地发生了Walden翻转。顺式异构体经硝化,再开环便以94%的收率得到所需构型的氯霉素中间体——苏式-1-对-硝基苯基-2-氨基-1,3-丙二醇(2-70)。
化合物(2-69)在开环时几乎定量地保持其构型不变;这证明分子中二氧六环的开环只在2,3-位C—O键上发生,而不涉及3,4-位的C—O键,这可能是由于4-位碳的负电性加强(受苯环上硝基和5-位+NH3的极强吸电性的影响),致使3,4-位C—O键难于断裂。
四、不对称合成
不对称合成系指手征性分子或前手征性分子在形成新的手征性中心的反应过程中,占优势地生成某一立体构型产物,而其非对映异构体的生成量却很少。若在完全没有手征性因素存在的场合下,虽然进行引入手征性中心的反应,但所得产物通常为消旋体,所以为了进行不对称合成,必须往反应系统中引入某些形式的手征性因素。引入不对称因素的方法很多,前述的利用反应物本身存在的手征性结构的不对称诱导和利用手征性物质的不对称转化就属于这种不对称合成方法。这里拟就利用手征性催化剂和手征性试剂进行的不对称合成加以叙述。
(一)利用手征性试剂
前手征性物质的分子在手征性试剂的作用下进行不对称合成,能占优势地生成一种手征性化合物。前手征性分子是指具有羰基、碳碳双键、碳氮双键或在这些基团的相邻碳原子上有两个氢原子的化合物。这类前手征性分子很多,主要有醛、酮、α-羰基羧酸、烯烃、不饱和羧酸、雪夫碱、环己酮以及羧酸等。
手征性试剂种类很多,有手征性格氏试剂、手征性醇铝、手征性醇氢化锂铝、手征性醇、手征性胺、氨基酸(如L-脯氨酸)、手征性肼化物以及蒎烷基硼氢试剂等。当然每种手征性试剂在不对称合成中的不对称诱导作用也是不尽相同的,而且同一个试剂对构型不同的前手征性分子的不对称诱导作用也有显著差异。例如,由(+)-α-蒎烯(2-71)与硼化氢制成的(+)-蒎烷基硼氢试剂(2-72)与顺式丁烯-2进行硼氢化反应,将生成物(2-73)再在碱性下用过氧化氢氧化,可以90%收率得到光学纯度为87%的(-)-2-丁醇(2-74)。
但若用此手征性硼烷试剂((2-72)与反式丁烯-2进行硼氢化反应时,则反应速度很慢,光学收率低。
因此,在应用手征性试剂进行不对称合成时,切不可滥用,必须了解各种手征性试剂的性质和作用,以便选择符合要求的手征性试剂,必要时甚至需要自行研制。
α-羰基羧酸与一种具有手征性中心的α-氨基乙苯作用生成Schiff碱,然后催化氢化可优先生成一种手征性氨基酸。Corey等利用这一原理于1970年发现了光学收率非常高的氨基酸的不对称合成反应
利用分子中具有二个手征性中心的手征性试剂——(S, S)-N-氨基-2-羟乙基吲哚啉的左旋体(2-75)与各种α-羰基羧酸酯(2-79)反应得腙基内酯化物(2-76),然后以铝汞剂进行还原得到肼基内酯(2-77),最后将内酯水解后再通过催化氢化将N-N键切断而得D-氨基酸(2-78)。
用此法可制得D-丙氨酸,D-α-氨基丁酸、D-缬氨酸、D-异亮氨酸等,它们的光学收率高达97%~99%,所得氨基酸的立体构型,主要是由手征性试剂分子中吲哚啉环上的手征性碳原子的立体构型所决定。而且最后通过氢解回收的手征性化合物(2-78)可经亚硝化、还原制成原来的手征性试剂(2-75),再行使用。
(二)利用微生物的手征性合成
在药物合成的某些氧化、还原反应中,往往可以利用微生物的高度选择性,采用生物合成方法以实现用化学方法比较难于做到的不对称合成。这方面的突出例子是作为口服避孕药18-甲基炔诺酮的不对称合成。18-甲基炔诺酮分子中有6个手征性中心,而仅D-型的左旋体(2-76)有效。因自然界中几乎没有18-甲基(或13-乙基)的甾体原料,因此一般都是以β-萘酚为起始原料用全合成方法制得。目前我国生产的18-甲基炔诺酮是消旋体,如为光学活性体,则其剂量还可减半,有些副作用也可相应减轻。对于18-甲基炔诺酮的不对称合成已经完成了工艺研究。
18-甲基炔诺酮的不对称合成是以合成消旋18-甲基炔诺酮的中间体——前手征性二酮(2-77)为起始原料,若用一般化学方法还原时则其分子中的两个羰基都可能被还原,故理论上可能产生四个异构体(2-78~2-81),而17-羟基物(2-78,2-79)可以环合成为天然构型物,14-羟基物(2-80,2-81)环合生成的是不需要的13α-型异构体。
当应用卡尔伯斯酵母(Saccharonlyces Carlebergensis)或啤酒酵母(S.Cerevisiae)发酵进行不对称还原时,则(I)中的羰基只有一个能立体专一地还原成羟基,而不使C14的羰基发生消旋化,所以只得到一个C13及C17的手征性中心属于天然甾体构型的光学活性物,收率可达90%。
17β-羟基物(2-78)用乙酐一吡啶乙酰化,所得粗品在苯中用对甲苯磺酸环合得二烯物(2-82),二步收率为93%。(2-82)经催化氢化得C14符合天然构型的化合物(2-83),经锂-氨还原得C8, C9符合天然构型的化合物(2-84),后者经奥氏(Oppenauer)氧化得(2-85),各步收率均在85%以上。化合物(2-85)用乙炔-丁基锂炔化,所得粗品用盐酸甲醇水解得收率为73.5%的18-甲基炔诺酮(2-76)。
(三)利用手征性催化剂
20世纪70年代以来在利用手征性催化剂进行不对称合成方面有了很显著的进展,主要是新型手征性催化剂过渡金属络合物的研究有了突破性进展。它与酶催化的不对称合成相类似,能获得相当高的光学收率,而仅消耗少量的手征性催化剂。这对于氨基酸以及药物的不对称合成具有十分重要的意义。
以手性膦为配位体的铑络合物一类手征性催化剂,应用于碳碳双键催化氢化具有很多种类,许多获得满意的结果。例如,诺雷斯(Knowles)等应用手征性(R)-甲氧苯基-环己基甲基膦(2-86)为配位体的铑络合物(2-87)作为手征性催化剂,对α-苯甲酰胺基苯丙烯酸衍生物(2-88)进行催化氢化,能得到L-多巴的苯甲酰衍生物(2-89),光学收率90%以上,用酸水解后便得到治疗帕金森病的特效药L-多巴(2-90)。现在此方法已发展成为L-多巴不对称合成的工业生产方法。
(赵静国)