手性药物的制备

手性药物的制备摘要手性化合物对映异构体进入生命体后会表现出不同的药理学立体选择性，进而产生不同的生物活性、毒性及代谢等，因此对手性药物的深入研究必须将其所有的光学对映体在相同条件下同时对照进行生物学评价试验，以确定是以外消旋体还是以其某一光学活性体作为所要上市的新药。手性药物的制备是手性药物研究及应用的基础和关键，手性技术的发展使得制备大量单一对映体成为可能。关键词手性药物制备途径新进展1手性药物按其对映异构体的生理作用一般分成如下几种类型：（1）对映异构体具有完全不同的药理作用。如：其中一个异构体是药物而另一异构体为毒物或另一类药物。乙胺丁醇构型有抗结核菌作用，而其对映（R·R）构型有致盲作用；多巴（Dopa3）（S）—异构体用于治疗帕金森症（S）一异构体有严重的毒副作用。（2）异构体中一个有活性，另一个则没有活性，活性异构体的药理活性是外消旋体的2倍。如氯霉素左旋体有杀菌作用，右旋体无药效。(3)对映体性质类似，但活性强弱不同的药理作用。新型优良的非甾体类抗炎镇痛药荼普生，其（S）—异构体是（R）—异构体活性的35倍；普荼洛尔的两个异构体都有β-阻滞作用，但S（-）异构体比R（+）异构体作用强100倍。（4）两个异构体都具有近似的定性和定量的药理作用。如：异丙嗪二个异构体有相同的抗组织胺的活性和毒性。2获取手性药物的途径一般可从生物体中、酶催化和外消旋体拆分法获取手性药物，近年来，随着合成方法的发展和先进分析技术的出现，越来越多的手性化合物可通过化学合成方法得到，不对称合成已成为获取手性物质的重要手段，也成为最有希望、最具活力的研究领域。2.1从天然物中提取在某些生物体中含有具备生理活性的天然产物，可用适当的方法提取而得到手性化合物，某些手性药物是从动植物中提取的氨基酸、萜类化合物和生物碱。如：具有极强抗癌活性的紫彬醇最初是从紫彬树树皮中发现和提取的，现已实现了不对称合成。2.2酶法转化酶属于生物催化剂，是化学手性合成的强有力工具。酶促反应具有化学选择性、区域选择性和对映体选择性。用酶进行手性合成即称为酶法转化，也称生物转化。1992年Santaniello等评价了在各种反应中所用的酶，表明酶在手性合成中具有广泛的应用前景，绝大多数生物转化反应所需条件温和、产物单纯、易于纯化且不污染环境。酶是具备控制立体构型的生物催化剂，底物在特定酶的作用下可产生单一对异构体。如：Yamada等和Snamprogetti等在微生物中发现了能催化产生:=氨甲酰基=2=氨基酸的海因酶。海因酶用于工业上生产2=苯甘氨酸和2=对羟基苯甘氨酸）。2=苯甘氨酸和2=对羟基苯甘氨酸是生产重要的临床用药半合成。内酰胺抗生素（氨苄青霉素、羟氨苄青霉素、氨苄头孢霉素、羟氨苄头孢霉素）的重要侧链。酶法转化已成为生物催化与有机化学合成交叉学科的新研究热点。目前，生物转化已涉及羟基化、环氧化、脱氢、氢化等氧化还原应，而且在水解、水合、酯化、酯转移、脱水、脱羧、酰化、胺化、异构化和芳构化等各类化学反应中的前景看好[1]。2.3酶法拆分手性药物酶法拆分(enzymaticresolution)是一种比较成熟的生物合成单一对映体的方法。酶的活性中心是一个不对称环境，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生成不同的化合物，从而使两个对映体分开。酶的固定化技术、多相反应器等新技术13趋成熟，大大促进了酶拆分技术的发展，脂肪酶、酯酶、蛋白酶、转氨酶等诸多酶类已能用于外消旋体的拆分。2.4酶催化合成手性药物最近发展的主要是微生物或酶直接转化，或利用氧化还原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羟化酶、环氧化酶等直接从前体化合物不对称合成各种复杂的手性化合物。该法不需制备前体衍生物，可将前体100％地转化为手性目标产物，因此具有更大的工业价值。酶的体外定向进化技术、抗体酶、交联酶晶体、反胶束酶、固定化酶、酶的修饰及非水相酶学等都是当今酶学研究的活跃领域，这些技术的发展与完善必将推动手性药物转化的研究[2]。2.5不对称合成Morrison和Mosherl将不对称合成定义为：“一个反应，其中底物分子整体中的非手性单元由反应剂以不等量生成立体异构产物的途径转化为手性单元。也就是说，不对称合成是这样一个过程，它将潜手性单元转化为手性单元，使得产生不等量的立体异构产物A。不对称合成是获取手性药物最直接的方法。不对称合成包括从手性分子出发来合成目标手性产物或在手性底物的作下将潜手性化合物转变为含一个或多个手性中心的化合物，手性底物可以作为剂、催化剂及助剂在不对称合成中使用，因而，手性合成可分为：手性源合成、手性助剂法、手性试剂法及不对称催化法。2.6手性源合成在手性源合成中，所有的合成转变都必须是高度立体选择性的，通过这些反应最终将手性源分子转变成目标手性分子。碳水化合物、有机酸（如酒石酸、乳酸等）、氨基酸、萜类化合及生物碱是非常有用的手性合成起始原料，并可用于复杂分子的全合成中。如：可以&%半胱氨酸作为手性源合成Biotin（维生素H，eq5）；周维善等利用从天然植物中提取的香茅醛为手性源经近二十步反应合成了青蒿素[3]。2．7手性助剂法手性助剂法利用手性辅助剂和底物作用生成手性中间体，经不对称反应后得到新的反应中间体，回收手性剂后得到目标手性分子。用于控制醇醛缩合产物立体构型的手性口恶唑烷酮（Evan试剂，eq7）就是利用了手性辅助剂来进行不对称合成。以酮类化合物为原料，利用手性助剂———酒石酸酯制备药物（R）—荼普生是工业生产的一个实例（eq8）。缩酮的取代反应主要生成非对映异构体RRS，经重排和水解生成（S）—荼普生[4]。2.8手性试剂法用手性试剂和前手性化合物作用生成新的手性化合物。如；q-蒎烯获得的手性硼烷基化试剂（Ipc）BH（eq9）已用于前列腺素中间体的制备2.9不对称催化反应在不对称合成的诸多方法中，最引入注目的是不对称催化法，它具有手性增殖、高对映选择性、经济，易于实现工业化的优点，是最有希望、最有前途的合成手性性药物的方法。不对称催化最强有力而独特的优势是手性增殖，通过催化反应量级的手性原始物质来立体选择性地生产大量目标手性产物，不需要像化学计量不对称合成那样消耗大量的手性试剂，日本高砂公司利用BINAP-Rh催化的亚胺不对称异构化反应技术，在1983-1996年间已生产了近三万吨薄荷醇及其中间体，而消耗掉的手性配体仅250Kg。另外，不对称催化反应的普遍特点是潜手性底物来源广泛，价廉易得，立体选择性好，即可生成8%异构体也可生成R-异构体，可适用于生产不同需要的目的产物。目前，已进行研究不对称催化氢化、不对称氧化、不对称催化环丙烷化、不对称羰基化、不对称氢转移等多种不对称催化反应。不对称催化发展迅速，20世纪80年代中，获工业应用的不对称催化反应只有5种，至90年代初已增至14种以上，其中有不少反应已用于医药及医药中间体的生产。如何设计新型高效的手性配体、如何解决催化剂的稳定性和回收问题是不对称合成的关键；由手性科学产生的不对称合成方法，如不对称放大、手性活化、手性组合化学、手性毒化、手性固载、手性有机小分子催化等概念也为手性药物的发展提供新的研究方向[5]。3拆分外消旋体不考虑工业生产，仅从获得纯对映体以供生物学评价的角度来考虑，通过拆分外消旋体来制备光学活性体是最合适的方法，因为它可同时获得两个纯对映体。拆分对映体的办法很多，主要分为非色谱法和色谱法两大类，其基本原理大多是把对映体的混合物转换成非对映体，然后利用化学或物理性质上的差异使之分开。常用的非色谱分离法主要有分布结晶法和非对映体选择结晶法，也包括微生物或酶的消化[J]．sI。但是这些方法耗时较长、过程繁复，而且也不能制得较纯的对映体，因此难以被现代化工业普遍接受。从2O世纪8O年代开始，色谱法成为对映体分离的一个主要工具，包括气相色谱、液相色谱、超临界色谱、毛细管电泳和分子烙印法等在内的几乎所有色谱和准色谱手段都已涉足对映体分离这一领域[7].3.1色谱法液相色谱法：20世纪8O年代。随着手性固定相和添加剂研究的加速，以及一些重要机制的阐明、理论问题的初步解决，利用高效液相色谱(HPLC)法对药物对映体进行拆分和测定已取得了令人瞩目的进展，液相色谱逐渐发展成为对映体分离的一种最重要手段，它具有重现性好、分离度较高、检测范围宽、流动相种类多等优点。HPLC法分离药物对映体的方法可分为间接法和直接法两大类，前者又称手性试剂衍生化(CDR)法，后者又可分为手性流动相添加剂(CMPA)法和手性固定相(CSP)法1。两者的共同特点是均以现代HPLC技术为基础，并引入不对称中心(或光活性分子)。引入手性环境使药物对映体间呈现物理特征的差异是其HPLC拆分的基础。CDR法是指药物对映体在用HPLC分离前，先与有高光学纯度的手性衍生化试剂(CDA)反应形成非对映体，再以常规HPLC进行分离测定。目前常用的手性衍生化试剂有酰化试剂、胺类试剂、异(硫)氰酸酯类、氯甲酸酯类、邻苯二醛和手性硫醇等。CMPA法是将手性试剂直接加入到流动相中，然后再使用常规的正相或反相柱对手性物质进行拆分。常用的手性添加剂有环糊精类手性试剂、手性冠醚、手性蛋白质及氨基酸、配位体金属离子交换剂、手性离子对试剂和手性氢键试剂等。手性固定相是由担体键合高光学纯度的手性对映体制作而成，主要分为蛋白质类键合相、Pirkh型手性固定相、环糊精手性键合固定相、纤维素和多糖衍生物手性固定相、冠醚类键合相、配位基交换相等”川。气相色谱(GC)法：是较早用来进行对映体分离的一种色谱方法，可分为直接分离法和间接分离法。间接分离法又称CDR法；直接分离法是通过使用一个具有光学活性的环境，即手性固定相来提供拆分所需要的手性中心，因此称作CSP法“z。一般来说，GC法速度快、简单、灵敏，在分离对映体时分离度的重复性和精密度都很高，对于可挥发的热稳定手性分子优势明显。但GC存在着一些固有的局限性。其中包括要求被分离的样品是挥发性的；操作温度相对较高，因此使非对映异构体之间的相互作用能差别变小，对映体分离困难；柱温高会引起手性固定相消旋，导致对映体选择性降低。一般来说，GC要实现制备比较困难。相比之下，液相色谱则没有上述局限性。超临界流体色谱(src)法：SFC是一种以超临界流体为流动相的色谱法。超临界流体为一种在临界压力和临界温度以上相区的流体，其特性介于液体与气体之间。SFC具有高效、快速、操作条件易于变换等特点，已成为在手性分离方面与HPLC及GC相互补充并独具优越性的一种手段Il。超临界流体的黏度近于气体，可减少传质阻力；其密度与液体相似，因此又有强溶解能力，适于分离难挥发和热稳定性差的物质。与HPLC相比，SFC分析时间缩短，具有单位时间内更高的分离度”。SFC的分离方式主要有手性固定相法和手性流动相添加剂法“i。可作流动相的超临界流体物质较多、易得，对环境的污染及操作人员的毒性较少。SFC法的流动相易于去除，使其成为制备光学纯药物的有潜力的技术。目前手性固定相法的发展最快，几乎所有的HPLC和GC手性固定相都可用于SFC法手性拆分，但SFC需在高压下操作，对设备和技术的要求较高，这也限制了其在手性分离上的应用。3.1.2毛细管电泳(CE)法：CE法是以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，利用样品中各组分之间淌度(或称迁移率)和分配行为的差异而实现分离。作为20世纪80年代以来新兴的一种分离技术，CE法因具有高效、快速、简便等特点而被广泛应用于药物、生物、大分子、临床医学等领域。在手性分离方面，CE法显示了巨大的潜力。按照CE的操作模式、分离方式可分为毛细管区带电泳(CZE)、毛细管凝胶电泳(CGE)、胶束电动色谱(MECC)和毛细管电色谱体系(CEC)。毛细管电泳在准确度、精密度、检测限、线性范围及重现性等方面均已达到甚至超过了HPLC，例如过程控制中可测出0．2％的手性杂质”。但手性CE最大的缺点在于不能达到像HPLC那样规模的制品。其他色谱拆分法：包括薄层色谱(TLC)法快速柱色谱(flashchromatography)模拟移动床色谱(simulatedmovingbedchromatogra．phy，SMB)法逆流色谱(countercurrentchromatography，CCC)法电分离微柱液相色谱(CEC)法等。TLC是最简便的色谱技术之一，先进的TLC采用分子烙印技术，利用其作手性固定相；快速柱色谱法是通过泵产生压力(低压)，加速流动相通过预填充柱子的洗脱速度，是一种快速制备柱层析形式；SMB法实际上是多根色谱柱的串联形成循环回路，从而提高效率、减少损失；CCC法是一种不用固态支撑体或载体的液液分离技术，在分离过程中完全消除了气相、液相色谱中常见的不可逆吸附现象，不会破坏分子，适用于分离极性大的手性化合物及生物大分子；CEC法是近年来综合了HPLC法和CE法的优势而发展起来的技术[8]。3.2非色谱法诱导结晶拆分法：在外消旋体的过饱和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种，于是溶液中该旋光体含量较多，且在晶种的诱导下优先结晶析出，将这种结晶滤出后，则另一种旋光体在滤液中相对较多，再加入外消旋体制成过饱和溶液，于是另一种旋光体优先结晶析出，如此反复结晶，就可以把一对对映体完全分开。应用这种拆分法，消旋体必须是两个对映体独立存在的消旋混合物，消旋体的溶解度应比任何一种对映体大，在一种对映体结晶析出时，消旋体仍留在母液中，才能达到分离的目的。如加入一氨基物拆分氯霉素中间体DL一氨基物，加人D一或一甲基多巴拆分DL一多巴。化学拆分法：化学拆分通常是应用光学纯的拆分试剂与消旋体形成两个非对映体盐，通过分馏、结晶等法将两个盐分开，再将其转化成两个相应的对映体。例如，应用d一酒石酸拆分肾上腺素、苯肾上腺素、对羟基苯甘氨酸和乙胺丁醇中间体?肖旋氨基丁醇，应用d一樟脑磺酸拆分苯甘氨酸和四咪唑等。经典的化学拆分法最适用于酸或碱的外消旋体的拆分，20世纪80年代，日本化学家Toda将主一客化学引入化学拆分，发明了所谓“包结拆分法”(resolutioninclusionmethod)。手性主体化合物通过氢键和分子间的次级作用(如霄一叮r作用)与客体分子中的一个对映异构体形成稳定的包结络合物(inclusioncomplex)而析出。包结络合物的形成在主一客分子之间存在强的分子识别和选择作用，从而实现对映体的分离包结拆分法拆分的化合物不只局限于有机酸和有机碱，它的应用对象更广泛。膜分离技术：氨基酸的生物转移通常由嵌于生物膜中的载体蛋白传递完成，这种传递的对映体选择性非常高。人们模拟这种生物过程，为分离手性药物对映体发明了膜分离技术。1994年，AkzoNebel公司开发了一种先进的膜分离技术”1，借助于单一旋光体有机溶剂(例如￡一酒石酸酯或D一酒石酸酯)的流动，使消旋体药物中的一种旋光体透过薄膜进入相应有机溶媒中，流出液经浓缩、分离即可得到单一旋光性化合物。已报道的膜还包括光学拆分液膜、手性固定膜、纤维素衍生物固体膜、交联复合物手性膜材料。4酶催化不对称定向合成技术的新进展近年来,超临界流体技术在酶催化反应等领域得到了广泛应用。在许多的情下,酶催化反应在有机溶剂中因为反应太慢而不能应用于大规模工化生产。但是在超临界流体中,由于它传质阻力很小,反应速度得以大大加快,而且有机溶剂在超临界流体中的溶解能力很好;同时它的下游处理和溶剂回收也更加方便,对手性化合物的合成和外消旋体拆分是一种很好的反应体系。很多情况下,在临界流体中进行手性药物的合成比在有机溶剂中的合成效果更好,有的ee值甚至达到了99%。如Mase等人指出,丙二酸二乙酯的酶催化反应如果在己烷等6种不同有机溶剂中进行,那么ee值几乎为0,而在CO2超临界流体中,ee值可50%,同时转化率也达到了41%。他解释这是因为酶的活性部位在超临界条件下随着压力的变化发生了结构转变。Hartmann等人也认为在CO2超临界流中的立体选择性要比在己烷中好,他认为在己烷中酶的失活与氨基甲酸盐有一定的关。运用分子生物学技术,通过基因工程中的定位突变技术结合化学修饰对天然酶化学结构进行理性设计和改造,扩大其应用范围是近年来颇受青睐的新技术,这项技术为酶催化定向合成注入了新的活力。以血红素蛋白的分子设计为例,来出现的新思路包括:(1)氨基酸的选择突变与血红素修饰相结合;(2)非天然辅基的引入;(3)非天然氨基酸的引入;(4)辅基与蛋白肽链的共价结合;(5)全新血红素蛋白的设计与构建等。例如,在对肌红蛋白(Mb)的研究中,单独采用辅基的化学修饰方法可以使Mb的催化效提高34倍,单独采用定位突变的方法可以使Mb的催化效