手性药物的制备技术

关于手性药物的制备技术第一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一造成畸胎的原因是代谢转化的产物S-()-沙利度胺的二酰亚胺进行酶促水解，生成邻苯二甲酰谷氨酸，后者可渗入胎盘，干扰胎儿的谷氨酸类物质转变为叶酸的生化反应，从而干扰胎儿的发育，造成畸胎。R-(+)-异构体不易与代谢水解酶结合，不会产生相同的代谢产物。第二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一“反应停”事件第三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一临床药物1850种天然和半合成药物523种化学合成药物1327种非手性6种手性517种非手性799种手性528种以单个对映体给药509种以外消旋体给药8种以单个对映体给药61种以外消旋体给药467种第五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一在分子水平上，生物系统是由生物大分子组成的手性环境。手性药物对映体进入生物体内，将被手性环境作为不同的分子加以识别匹配。对映体在药效学、药物动力学、毒理学等方面均存在立体选择性。各国药政部门规定在申报具手性的新药时，需同时呈报各对映体的药理学、毒理学、药物动力学资料。如果两对映体并存对药物的药效与毒性无明显影响，才可考虑应用消旋体，否则必须应用单一的手性化合物。第九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一美国食品药品管理局（FDA）1992年手性药物指导原则

所有在美国申请上市的外消旋新药，生产商均需提供报告说明药物中所含对映体各自的药理作用、毒性和临床效果。第十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一我国药品管理法也已经明确规定，对手性药物必须研究光学活性纯净异构体的药代、药效和毒理学性质，择优进行临床研究和批准上市。只停留在消旋体药物的研究与开发水平上，已不符合国际与国内药品法规的要求。近数十年来发现了许多特异性的催化剂，使不对称有机合成蓬勃发展，能选择性地导向一种对映体的产生；另外，随着现代分析技术的进步，手性分离方法也不断涌现，技术上使供应单一手性药物成为可能。第十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第一节概述1第十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一由于D/L构型表示法与表示旋光方向的d和l容易混淆，且意义不甚明确，目前多限于糖和氨基酸的立体化学命名。第二十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第二十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第二十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第二十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一对映体在对称的环境中，物理化学性质完全相同；但在非对称的环境中，例如在偏振光中，对映体对偏振光面旋转方向相反；在生物系统中与酶或受体相互作用时，由于蛋白质分子的非对称性，与对映体的识别方向和结合位点不同，导致生物活性的差异。非对映体之间，彼此属于不同结构的化合物，所以物理化学和生物学性质均不相同。第二十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第二十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一手性药物（ChiralDrugs)是指药物的分子结构中存在手性因素，而且由具有药理活性的手性化合物组成的药物，其中只含单一有效对映体或者以有效对映体为主。第二十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第二十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第二十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一手性药物与受体五、手性药物的分类第二十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一1.对映体之间有相同的某一药理活性，且作用强度相近五、手性药物的分类异丙嗪氟卡尼布比卡因第三十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一2、对映体具有相同的活性，但强弱程度有显著差异与靶标具有较高亲和力的对映体，被称为活性体；而与靶标亲和力较低的对映体是非活性体。异构体活性比（ER)越大，作用于某一受体或酶的专一性越高，作为一个药物的有效剂量就越低。阿替洛尔（ER:12）普萘洛尔（ER:130）美托洛尔（ER:270）第三十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一帕罗西汀舍曲林萘普生

布洛芬

环磷酰胺

第三十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一3.对映体具有不同的药理活性（1）一个对映体具有治疗作用，而另一个对映体仅有副作用或毒性。芬氟拉明氯霉素氯胺酮乙胺丁醇第三十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（2）对映体活性不同，但具有“取长补短，相辅相成”的作用。茚达立酮第三十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（3）对映体存在不同性质的活性，可开发成两个药。丙氧芬第三十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（4）两个异构体有完全相反的药理作用依托唑啉第三十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一六、手性药物的制备技术第三十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一六、手性药物的制备技术第三十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一七、影响手性药物生产成本的主要因素（1）起始原料的成本不同的合成路线，不同的制备技术，采用的起始原料不同。这是合成路线设计与选择时首先遇到的问题。（2）拆分试剂，化学或生物催化剂的成本拆分试剂，化学或生物催化剂的回收利用是否方便可行，直接影响手性药物生产的成本。（3）化学收率和产物的光学纯度实验室工艺中常常忽视的一个因素是生成效率，即单位时间、单位体积反应器所得的产物量。总的来说，反应物以较高的浓度参加反应，并以较高的化学收率和光学纯度得到产物，那么，这是一个经济的反应过程。在实际生产中，以牺牲一定的化学收率为代价来提高产物的光学纯度的措施有时是可取的。第三十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（4）反应步骤的数量反应步骤多意味着反应时间长，劳动力消耗多，生产效率低，增加产物成本。三、影响手性药物生产成本的主要因素第四十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（5）拆分或不对称合成在多步合成中的位置在多步合成中，拆分或不对称合成要尽可能早地进行。三、影响手性药物生产成本的主要因素第四十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（6）非目标立体异构体的转化利用非目标对映体能否简便地转化利用，直接影响拆分过程的经济价值。非目标立体异构体的转化利用包括外消旋化和构型翻转两种途径。七、影响手性药物生产成本的主要因素外消旋化通常在强酸或强碱条件下加热完成。例如a-位含氢原子的手性羰基化合物一般用强碱处理可使之外消旋化；伯胺外消旋化的一个好方法是与催化量的羰基化合物形成Schiff碱，经可逆性异构化得到消旋化产物；应用均相或非均相过渡金属催化剂，可制备手性胺和醇的外消旋化合物。第四十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一非目标立体异构体的转化-构型翻转第四十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第二节外消旋体拆分第四十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一适用于外消旋混合物适用于外消旋化合物目前很多重要的手性药物或它们的手性中间体是利用传统的结晶法拆分外消旋体得到的。第四十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一结晶法拆分在手性药物生产中仍发挥重要的作用人们对映异构体与非对映异构体的性质，如相图，有了较为深入和全面的认识，大大提高了结晶法拆分的合理性和有效性；结晶法不仅用于外消旋体的拆分，还可用来提高不对称合成或生物转化等方法制得的立体异构体的光学纯度；结晶法拆分为发展结晶诱导的不对称转化奠定了基础，从而使光学纯异构体的收率超过50%成为可能，非目标异构体的转化利用大大提高了拆分法的价值。第四十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（一）外消旋化合物和外消旋混合物一、结晶法拆分外消旋混合物第四十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一外消旋化合物和外消旋混合物的区分：通过熔点图很容易区别这两种外消旋体；

利用粉末通过X射线衍射或固体红外光谱区别二者，单一对映体的图谱与外消旋混合物的相同，但与外消旋化合物不同。第四十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（二）直接结晶法拆分外消旋混合物在一种外消旋混合物的过饱和溶液中，直接加入某一对映体晶种，即可得到该对映体，这种结晶方法叫做直接结晶法。外消旋体中的一个对映体能否优先结晶析出，依赖于熔点图和溶解性图的相关性。也就是，只有当它具有最低的熔点和最大的溶解度时，才是可利用的外消旋混合物。第四十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一直接结晶法广泛用于工业规模的拆分，工业上常采用以下两种方式进行直接结晶法拆分：同时结晶法（simultaneouscrystallization）将外消旋混合物的过饱和溶液，同时通过含有不同对映体晶体的两个结晶室或两个流动床，同时得到两种对映体结晶。第五十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（1）有择结晶法又称为带走结晶法是指在单一容器中交替加入两种对映体的晶种交替收集两种对映体结晶的拆分方法。

例如，将R-对映体的晶种加到外消旋体的饱和溶液中，通过人工方式提高R-对映体的含量，就可收集到一批纯R-异构体，大约是加入晶种量的两倍。再取与得到的R-构型产物等量的外消旋体，加热溶于滤液形成饱和溶液，加入S型的晶种使其结晶析出，收集S构型产物。理论上，这个过程可无限重复下去。

第五十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一

通过与非手性的酸或碱成盐可以使部分外消旋化合物转变为外消旋混合物，扩大直接结晶法拆分的应用范围。所有天然存在的a-氨基酸，都是直接结晶法或成盐后有择结晶法拆分得到的。又如，DL-多巴（4-1）与盐酸成盐，DL-赖氨酸（4-34）与对氨基苯磺酸成盐后也采用有择结晶法拆分。拆分对象是外消旋混合物，自然可以用直接结晶法进行拆分，但是这种几率不到10%。第五十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一有择结晶法拆分外消旋混合物的过程中，有时会伴随着溶液中过量对映异构体的自发性外消旋化，这种现象被称为结晶诱导的不对称转化。着意味着拆分的理论收率不再是50%，而是100%。自发地发生外消旋化往往是偶然的结果。而在大多数情况下，依靠另外加入催化剂才能发生外消旋化。例如a-氨基酸与催化量的醛形成可逆的Schiff碱，实现外消旋化。

第五十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（三）具有一定光学纯度的立体异构体的纯化直接结晶法不仅用于拆分外消旋混合物，而且可以用于提高某一立体异构体的纯度，也就是对催化不对称合成、酶的动力学拆分等其它方法得到的具有一定光学纯度的立体异构体进行结晶纯化，提高其光学纯度。

这样一个过程的可行性和收率取决于相图的形状。

第五十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一对于外消旋化合物，溶解度最大的低共熔混合物E并不是外消旋体。QA与QR分别代表一定温度下溶解1摩尔（1g）单一异构体或外消旋体所需的溶剂量。对于外消旋化合物，溶解度最大的低共熔混合物E并不是外消旋体。对具有一定对映体过量的混合物进行重结晶，可能得到光学纯异构体，也可能得到外消旋体，主要取决于混合物的组成。第五十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一对一个外消旋混合物来说，一个含有过量的R-异构体的混合物M，所需溶剂量为QB，从M和QB出发分别作垂线和水平线，与溶解度曲线交于点K。QB与QR之间的溶剂量之差Q，意味着一个两相系统，由纯的R异构体结晶和含R-和S-异构体的溶液组成。理论上，只要加入溶解样品中外消旋体所需的溶剂量，即可分离得到纯的光学异构体，实际操作多采用通过加热将整个样品溶解，再冷却使R-异构体结晶析出的方式。

第五十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一相图的形状对收率的影响第五十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一二、结晶法拆分非对映异构体外消旋体与另一手性化合物作用生成非对映异构体混合物，混合物中各组分物理性质的差异较大，可以通过结晶法进行分离，这样的手性化合物被称为拆分剂。最常见的方法是与手性酸（或手性碱）成盐形成非对映异构体，这样的拆分剂易于回收再利用，这种方法被称为经典拆分法。第五十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一经典拆分法已有一百多年的历史，技术含量不高，但仍然是当今应用最广泛的一种拆分方法。随着对这一过程影响因素的深层次了解，且与更有效的操作方法相结合，可以更合理、更有效地运用经典拆分法。第五十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（一）结晶法拆分非对映异构体

非对映异构体混合物的类型

当一个外消旋酸A与一个光学纯的碱B发生反应时，就会形成两种非对映异构体盐的混合物。反应式中，字母p表示旋光性相同的两种异构体形成的一个异构体，字母n表示旋光性不同的两种异构体形成的另一个非对映异构体，这里不考虑不对称中心的绝对构型。第六十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一2.相图与非对映异构体拆分拆分的最高理论收率取决于最低共熔点混合物的组成。如图所示，结晶法拆分非对映异构体的最大收率等于ME/PE，当最低共熔点混合物的组成接近其中一个纯组分时，收率可达到最大理论量50%。图a所示的非对映异构体混合物具有不利的低共熔点组成，而图b所示的混合物具有有利的低共熔点组成。第六十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一就工业化的实际情况而言，通过一次结晶处理得到的光学纯度大于95%的产物，若化学收率大于40%，通常被认为是经济可行的拆分方法。目前存在的主要问题是理论上尚不能预测两个非对映异构体盐的溶解度之差，选择拆分剂的有效方法只能使经验指导下的实践与尝试。第六十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（二）拆分剂

常用的拆分剂常用的拆分剂包括天然拆分剂和合成拆分剂两大类。自然界存在的或通过发酵可大规模生产的各种各样的手性酸或碱是拆分剂两大类。自然界存在的或通过发笑可大规模生产的各种各样的手性酸或碱是拆分剂的主要来源。一些容易合成的手性化合物也可作为拆分剂，工业上大规模生产的光学纯中间体构成了合成拆分剂的重要组成部分。合成拆分剂的特别之处在于两种对映异构体均可以得到。

第六十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第六十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第六十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第六十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一以L-酒石酸为拆分剂，在甲醇溶液中拆分2-氨基丁醇外消旋体得到（S）-2-氨基丁醇，它是抗结核药物乙胺丁醇的重要中间体。第六十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一2.选择或设计拆分剂的原则在总结大量实践经验的基础上，得出选择或设计拆分剂的经验性指导原则：（1）在加热、强酸或强碱条件下，拆分剂化学性质稳定，不发生消旋化。（2）拆分剂结构中若含有可形成氢键的官能团，有利于相应的非对映异构体盐形成紧密的刚性结构。第六十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（3）一般情况下，强酸或强碱型拆分剂的拆分效果优于弱酸或弱碱型拆分剂。（4）拆分剂的手性碳原子离成盐官能团越近越好。（5）合成拆分剂的优点是两个对映体都能得到。（6）拆分剂可回收，且回收方法简单易行。（7）同等条件下应优先考虑低分子量拆分剂，这是因为低分子量拆分剂的生产效率高。第六十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一3.拆分参数一个拆分剂的拆分能力可以用拆分参数S表示，S等于产物的化学收率K(收率50%时，K=1)和光学纯度t（光学纯度100%时，t=1）的乘积。因为拆分的化学收率最大为50%，得到拆分的手性化合物光学纯度最大为100%，所以S最大为1。

Kp和Kn分别是p和n盐的溶解度，C0是起始浓度。第七十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（三）结晶法拆分非对映异构体的新技术

特制的拆分剂第七十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一2.相互拆分Marckwald首次提出一种拆分剂的两个对映异构体对同一外消旋体具有相同的作用。第七十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一Marckwald同一溶液的相互拆分第七十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一3.用少于1当量的拆分剂进行拆分

利用形成非对映异构体进行外消旋体的拆分时，只有其中的一个立体异构体的结晶从溶液中析出。因此有可能利用1/2当量的拆分剂来完成经典拆分，这种改进称为半量方法。

第七十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（四）非对映异构体盐的不对称转化理论上，通过非对映异构体结晶法进行拆分，所得目标对映体的量最多是消旋量的一半，收率低于50%。

若在结晶过程中留在溶液中的非对映异构体自发地发生差向异构化，即发生非对映异构体的互变，整个过程构成了非对映异构体混合物结晶诱导的不对称转化过程，理论收率可能提高到100%。第七十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第七十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一胺或氨基酸与催化量的羰基化合物反应，通过形成不稳定的可逆的Schiff碱发生外消旋化，这一化学反应广泛用于设计非对映异构体盐的不对称转化。实际上，只要少量的游离胺或氨基酸发生外消旋化，即可推进可逆反应平衡的移动。第七十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第七十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一结晶法拆分非对映异构体的发展方向是实现拆分过程的合理设计，也就是将拆分剂的分子结构与拆分能力定量地联系起来。将计算机技术与结晶法拆分技术有机地结合起来，可望从已知的晶体结构推测拆分剂的拆分能力，并定量地表示晶体结构与拆分能力之间的关系。

拆分剂的设计比药物设计还要复杂，这是因为拆分剂的构建必须同时模拟出晶体的排列形式，这在某种程度上要远比模拟药物-受体相互作用复杂。第七十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一三、对映异构体的动力学拆分利用两个对映体在手性试剂或手性催化剂作用下反应速度不同的性质而使其分离的过程，称为动力学拆分。

第八十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一当两个对映体反应速度常数不等（KR≠KS）时，动力学拆分可以进行，反应的转化率在0-100%之间；两个对映体反应速度差别越大，拆分效果越好。例如R异构体反应很快（KR＞＞KS）最初R和S各占50%的混合物，动力学拆分结果是50%的起始原料和50%的产物P。动力学拆分过程与产物的性质没有关系，产物P和Q可以是手性化合物，也可以是非手性化合物。第八十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一动力学拆分的根本点在于两个对映体与手性实体以不同的反应速度反应，如果手性实体为催化剂，则更为实用，成为催化的动力学拆分。

根据手性催化剂的来源不同，催化的动力学拆分又分为生物催化和化学催化两类，生物催化的动力学拆分以酶或微生物为催化剂，而化学催化的动力学以手性酸、碱或配位过渡金属配合物为催化剂。第八十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（一）生物催化的动力学拆分工业上将特异性的L-酰基转移酶用于催化水解N-乙酰氨基酸的外消旋体，达到将氨基酸拆分的目的。第八十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一通过酯酶催化的羧酸酯水解或酯交换反应可以得到一些手性醇。第八十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第八十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（二）化学催化的动力学拆分第八十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第八十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（三）对映异构体比E与动力学拆分效率对映异构体比E，即两种对映异构体假一级反应速度常数的比值，常用于比较和衡量动力学拆分的效率。如果S-对映体选择性反应

ES=KS/KR

第八十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一不同E值条件下，剩余底物的对映体过量（e.e.）与转化率的关系曲线图。对于反应活性低的对映体来说，当反应进行至合适程度，就可获得较高光学纯度的剩余底物。第八十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一只有E>100的反应才能得到光学纯>95%的产物。第九十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一动力学拆分通常用于制备反应活性较低的单一异构体。

如果某一反应E值高（>100），那么该反应转化率达50%时，就可以得到光学纯度较高的剩余底物异构体；E值低，则需要较高的转化率。转化率高，意味着损失剩余底物的收率（最大收率=100%-转化率）。

一般情况下，E值应在20以上；若E值大于100，可以较高收率获得光学纯的单一对映体。

第九十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一动力学拆分的特点一是过程简单，生产效率高；二是可以通过调整转化程度提高剩余底物的对映体过量。实际工作中，损失一点产率以获得高光学纯产物是经常采用的策略。

动力学拆分的不利之处是需要一步额外的反应，完成非目标立体异构体的消旋化。如果动力学拆分过程中实现非目标异构体自动消旋化，动力学拆分的最高产率为100%，而不是50%，那么，动力学拆分可与其它拆分方法以及不对称合成相媲美。

第九十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一第九十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一四、色谱分离与拆分新技术（一）色谱分离从20世纪80年代起色谱法成为立体异构体分离中一个主要方法。

气相色谱（GC）、液相色谱（LC）、超临界流体色谱（SFC）、毛细管电泳（CE）和分子烙印法（MI）等色谱手段在立体异构体分离中均有应用。第九十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一LC分离立体异构体，可分为直接法和间接法。间接法又称手性试剂衍生化法，手性试剂衍生化法指外消旋体与一种手性试剂反应，形成一对非对映异构体，可用普通的正相或反相柱分离，衍生化还可改善色谱性能及增加检测灵敏度。直接法又分为手性固定相法（CSP）和手性流动相添加法（CMPA）第九十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一手性固定相(chiralstationaryphase)法ChiralStationaryPhase两对映体与手性固定相的作用强度不同，据此得以分离两对映体。PulseFeedMobilePhase第九十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一目前已开发和应用的CSPs1.蛋白质类键合相；2.手性聚合物相

；3.环糊精相

；4.氢键和电荷转移类键合相；5.配位基交换相；手性溶质在手性固定相提供的不对称环境中，由于空间构型不同，其与固定相的活性吸附点之间的相互作用强度存在差异，据此实现手性溶质的分离。第九十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一手性识别机理（1）—三点作用原理第九十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一手性识别机理（2）—手性空穴与包容第九十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一操作不连续；固定相利用率低，产率较难提高；流动相消耗大，产品高度稀释，蒸发回收能耗高。手性固定相法的优缺点：拆分范围广，如多糖衍生化手性固定相，可拆分90%的手性物质可实现大量制备，开发速度快。优点：缺点：第一百页，共一百一十页，编辑于2023年，星期一（二）拆分新技术1.模拟移动床色谱2.超临界流体色谱3.逆流提取技术4.