手性合成、手性拆分在分析分離科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用*

張來新,朱海云

(寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,陜西寶雞 721013)

手性合成、手性拆分在分析分離科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用*

張來新,朱海云

(寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,陜西寶雞 721013)

簡要介紹了手性合成、手性拆分及應(yīng)用。重點介紹了：(1)手性合成及手性拆分在分析分離科學(xué)中的應(yīng)用；(2)含氧側(cè)鏈三唑類抗真菌活性化合物的合成及在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用；(3)酸性記憶效應(yīng)對環(huán)糊精手性固定相的手性分離及應(yīng)用。并對手性化學(xué)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

手性合成,手性拆分,應(yīng)用

2001年諾貝爾化學(xué)獎授予三位用手性催化劑合成手性藥物的化學(xué)家,這說明手性化學(xué)的重要性和人們對發(fā)展手性催化劑及手性藥物的渴望。用他們的合成方法,可以得到一種或者主要只得到一種手性分子,而不得到或者基本不得到它的手性異構(gòu)體分子,這種獨特的合成方法被稱為手性合成,其對手性異構(gòu)體的分離稱之為手性拆分。而手性化學(xué)是研究手性化合物的合成、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、手性識別、手性分離及應(yīng)用的科學(xué)。手性分子的特殊結(jié)構(gòu)決定了它的特殊性質(zhì)?；槭中缘姆肿邮且粚αⅢw異構(gòu)體,它們的平面結(jié)構(gòu)相同,但立體構(gòu)型不同,互為實物和鏡像的關(guān)系,但它們又有著不同的生理活性和藥理活性,在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域,其中的一個可能具有療效,而另一個可能無效甚至有毒。因此,在醫(yī)藥學(xué)上對一對手性分子對眏體的拆分就顯的尤為重要。不僅如此,手性合成在材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)等眾多領(lǐng)域也彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。隨著人們對手性分子的合成、結(jié)構(gòu)、識別、拆分、性能及應(yīng)用研究的不斷深入,目前已形成為一門新興的熱門交叉邊緣學(xué)科——手性化學(xué)。現(xiàn)今的手性化學(xué)作為一門植根深遠(yuǎn)的新興熱門邊緣學(xué)科,目前已滲透到21世紀(jì)眾多的新興熱門學(xué)科如生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域,并促進(jìn)了這些新領(lǐng)域的形成和發(fā)展,同時在生物化學(xué)、仿生學(xué)、生物物理、立體化學(xué)、分析分離科學(xué)、催化科學(xué)、酶化學(xué)及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航空航天、軍工及醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域均凸顯出廣泛的應(yīng)用前景。

1 手性合成及手性拆分在分析分離科學(xué)中的應(yīng)用

1.1 用非手性分子基塊構(gòu)筑手性超分子及應(yīng)用

手性超分子可以通過非手性分子基塊自組裝構(gòu)筑,手性超分子也有類似Pasteur發(fā)現(xiàn)的手性分子具有的自拆分現(xiàn)象。由于其具有深穴空腔構(gòu)型和立體選擇性識別功能的窩穴體大環(huán)結(jié)構(gòu),故至今等它們的研究仍然方興未艾,且是人們關(guān)注的熱點。為此,北京工業(yè)大學(xué)的于澍燕等人最近設(shè)計合成了一系列杯芳烴二硫代酰胺功能有機(jī)配體(L),在金(I)-金(I)成鍵導(dǎo)向作用下,自組裝出一系列具有超分子螺旋手性的[Au8L2]的分子膠囊。在溶液中,這類“手性分子膠囊”對銀(I)離子有著高靈敏度和高選擇性的識別傳感作用。銀離子與含有金-金成鍵的分子膠囊形成金-銀雜金屬的成鍵作用,導(dǎo)致發(fā)光出現(xiàn)顯著的紅移現(xiàn)象。另外,他們還設(shè)計合成了新型窩穴體(吡唑杯芳烴大環(huán))功能配體,并成功探討了其氫鍵和金屬-金屬成鍵驅(qū)動的超分子自組裝[1]。該研究將在材料科學(xué)、分析分離科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)及生物化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

1.2 固有手性杯芳冠醚羧酸化合物的合成手性識別及應(yīng)用

固有手性是一種因空腔型分子骨架(如杯芳烴)上官能團(tuán)呈不對稱排列而產(chǎn)生的手性現(xiàn)象[2-3],其與經(jīng)典的中心手性、軸手性、螺手性和平面手性等手性因素相比,固有手性具有一定的特殊性,因此研究固有手性化合物的產(chǎn)生、結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)用已彰顯出重要的應(yīng)用價值。為此,華中科技大學(xué)的章文真等人以杯芳冠醚衍生物為原料,設(shè)計合成了1,2-交替構(gòu)型的固有手性杯[4]冠-4羧酸、部分錐形構(gòu)象的固有手性杯[4]冠-4羧酸、錐形構(gòu)象固有手性杯[4]冠-6羧酸、錐形-錐形構(gòu)象固有手性杯[4][5]冠-8羧酸等。其大多數(shù)利用手性輔助試劑實現(xiàn)化學(xué)拆分。他們的1HNMR滴定實驗結(jié)果表明,錐形構(gòu)象固有手性杯[4]冠-6羧酸對于2-氨基-3-甲基-1-丁醇和2-氨基-2苯基乙醇均有明顯的手性識別能力和拆分能力,其對眏選擇性分別可達(dá)到3.64和7.68。近期他們還合成了兼有軸手性和固有手性的杯[5]冠-6羧酸化合物的非對眏體,并利用熒光滴定方法研究了其對手性氨基醇客體的手性識別能力[4]。該研究將在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及分析分離科學(xué)中得到應(yīng)用。

1.3 新型手性配合物[Cd(tsgluo)(2-ampy)(H2O)]n的合成及應(yīng)用

近年來金屬有機(jī)配位聚合物的合成受到了人們的廣泛關(guān)注,其中手性配位聚合物的合成更是人們研究的熱點,這不僅是因為它們具有豐富的空間結(jié)構(gòu),而且在熒光、不對稱催化、吸附和磁性材料上有著潛在而廣闊的應(yīng)用前景,因此已成為配位化學(xué)研究的熱點[5-6]。為此,河北師范大學(xué)的馬寧等人選擇手性配體(+)-N-對甲苯磺酸-L-谷氨酸(H2tsgluo)和輔助配體反應(yīng),合成了一種新型的手性一維雙鏈配位聚合物[Cd(tsgluo)(2-ampy)(H2O)]n,并通過元素分析、紅外光譜、熱重分析和X-射線單晶衍射表征表明,該配合物屬單斜晶系,PZ1空間群。Cd(Ⅱ)采取NO5的六配位模式,形成了扭曲的八面體幾何構(gòu)型[7]。該研究將在不對稱催化、熒光分析、吸附及磁性材料的研究中得到應(yīng)用。

1.4 溶劑調(diào)節(jié)的兩個鎘(Ⅱ)配位聚合物的合成及應(yīng)用

金屬-有機(jī)超分子配位聚合物(MOCPs)在許多方面具有潛在的應(yīng)用價值,故其設(shè)計、合成及性能研究一直是化學(xué)工作者關(guān)注的熱點之一。在MOCPs的合成中,反應(yīng)物料比、pH值、溫度、溶劑體系等因素都會影響到產(chǎn)率和最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。由于芳香氮雜環(huán)類羧酸有機(jī)配體的骨架比較穩(wěn)定,羧基的配位能力強(qiáng)、配位模式靈活多變等優(yōu)點而受到了化學(xué)工作者廣泛的關(guān)注和親睞。4,5-咪唑二酸酸(H3IDC)的配體中含有配位能力強(qiáng)的2個N和4個O,配位方式復(fù)雜多變,其與金屬離子組裝合成配位聚合物的研究早已引起化學(xué)工作者的廣泛興趣。為此,韶關(guān)學(xué)院的劉宏文等人利用剛性的H3IDC和柔性的4,4-雙(咪唑基-1-甲基)-聯(lián)苯(bimp)為混合配體與Cd(NO3)2在不同條件下反應(yīng),在熱水條件下得到了[Cd2(HIDC)2(bimp)1.5]n(1),而在DMF熱溶劑條件下則得到另一種結(jié)構(gòu)不同的{[(CH3)2NH2·[Cd4(IDC)(HIDC)2(HCO2)2bimp)2(H2O)2]·DMF·6H2O}n(2)。單晶X-射線衍射分析結(jié)構(gòu)表明1是具有雙螺旋鏈的柱-層狀三維結(jié)構(gòu),而2是具有二維層結(jié)構(gòu)的MOCPs。在2的合成過程中,溶劑DMF分解生成甲酸根并出現(xiàn)在2的結(jié)構(gòu)組成中[8]。該研究將在催化科學(xué)、材料科學(xué)及分析分離科學(xué)中得到應(yīng)用。

1.5 手性N-?；瘹ぞ厶堑闹苽浼皯?yīng)用

甲殼素是自然界含量豐富的天然多糖,其脫乙酰后生成的殼聚糖有著較為廣泛的應(yīng)用價值,如可以用來制備手性分離材料等。為此,武漢工程大學(xué)的劉建德等人為了探索一種能使殼聚糖完全均-N-?；姆椒?他們將殼聚糖溶于相應(yīng)酸的水溶液,在甲醇存在下與過量的酸酐反應(yīng)后,用氫氧化鉀的乙醇溶液處理反應(yīng)混合物,得到N-酰化殼聚糖?？捎煤舜殴舱褡V確定N-酰化程度,如N-?；煌耆?可將初步N-?；瘹ぞ厶侨苡谶溥虼姿猁}離子溶液中,加入甲醇和酸酐,進(jìn)行二次N-?；?即可制得完全N-?；中詺ぞ厶荹9]。該研究將在材料科學(xué)、分析分離科學(xué)及環(huán)境科學(xué)中得到應(yīng)用。

1.6 pH響應(yīng)性單取代炔類螺旋聚合物的合成及應(yīng)用

聚合物中的氨基酸基團(tuán)不僅可以通過分子內(nèi)或分子間的非共價鍵作用(氫鍵、靜電)使聚合物形成有序的規(guī)整結(jié)構(gòu)、提高聚合物的水溶性,也可以引入其它優(yōu)異性能,例如光學(xué)活性、液晶性、刺激響應(yīng)性等。為此,北京化工大學(xué)的張潔等人將氨基酸基團(tuán)引入聚(3-丁炔-2-醇)主鏈,意在得到一種具有pH響應(yīng)性單取代炔類螺旋聚合物,他們首先合成了具有良好溶解性、室溫下可溶于多種極性與非極性有機(jī)溶劑的含BOC-L-亮氨酸側(cè)基的3-丁炔-2-醇衍生物單體,并以(nbd)Rh+[η-C6H5B-(C6H5)3]作為催化劑單體聚合,得到產(chǎn)率為60%～70%,分子量(2×104～3×104)及分子量分布(1.40～1.80)適中的聚合物,圓二色譜(CD)及紫外-可見吸收光譜表明聚合物在CH2Cl2、CHCl3、MeOH、DMF等有機(jī)溶劑中均能形成穩(wěn)定的單手性螺旋構(gòu)象且其螺旋結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性。用三氟乙酸(TFA)溶液脫除聚合物側(cè)鏈的BOC基團(tuán),所得產(chǎn)物在酸性水溶液中可以形成穩(wěn)定的螺旋構(gòu)象。利用濁度測定法檢測聚合物水溶性對pH值的響應(yīng)性,測試結(jié)果表明脫除BOC基團(tuán)后的聚合物可溶于pH值小于5.8的水溶液,幾乎不溶于pH值大于6.01 的水溶液中。另外他們合成的3-丁炔-2-醇衍生物單體還可與不同單體共聚分別得到具有自組裝性能的螺旋聚合物和pH響應(yīng)性水凝膠,其在藥物運載及手性分離方面具有潛在的應(yīng)用價值[10]。

2 含氧側(cè)鏈三唑類抗真菌活性化合物的制備及醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用

真菌感染特別是深部真菌感染已成為癌癥病人、艾滋病病人及其他免疫喪失病人死亡的主要原因之一,在臨床上迫切需要高效、低毒、選擇性高的新型抗深部真菌感染藥物。三唑類真菌藥物是臨床上應(yīng)用最為廣泛的抗真菌藥物,也是研發(fā)新型抗真菌藥物的主要研究方向。為此,第二軍醫(yī)大學(xué)的李武宏等人已合成了大量的新型三唑類抗真菌活性化合物。在研究中他們的分析對象為自己合成的具有叔丁基和較長含氧側(cè)鏈的新型三唑類抗真菌活性化合物。經(jīng)過環(huán)糊精種類和濃度、背景電解質(zhì)pH值和濃度、電壓和溫度等分析條件考察,最終選用羥丙基-Υ-環(huán)糊精(HP-Υ-CD)為手性選擇劑,使12種活性化合物對眏體均能達(dá)到基線分離,其電泳分離度也大于2.30。通過此類抗真菌活性化合物的拆分研究,為相似結(jié)構(gòu)的三唑類抗真菌活性化合物手性拆分提供了有用的方法,并為下一步計算機(jī)輔助分子模擬研究指明了方向[11]。該研究將被應(yīng)用于癌癥治療、艾滋病治療、免疫力喪失病人的治療中。

3 酸記憶效應(yīng)對環(huán)糊精手性固定相手性分離及應(yīng)用

流動相中酸堿添加劑對手性化合物的拆分影響極大,這種影響在不含酸堿添加劑的流動相中仍然能保留,即為酸堿記憶效應(yīng)?？萍脊ぷ髡咭言谥辨湹矸邸⒋蟓h(huán)糖肽、分子印跡聚合物、替考拉寧、螺旋結(jié)構(gòu)聚合物等手性固定相上發(fā)現(xiàn)了記憶效應(yīng),然而在環(huán)糊精手性固定相上未見報道。為此,華南師范大學(xué)的華江穎等人合成了3,5-二甲基苯氨基甲?；?環(huán)糊精手性固定相(SDMP),他們的研究發(fā)現(xiàn)SDMP對一系列拉唑、洛爾、芳香醇、氨基酸衍生物、安息香、甘草素、莫西沙星等手性化合物表現(xiàn)出良好的分離效果。在SDMP拆分美托洛爾和甘草素時,意外發(fā)現(xiàn)了其酸記憶效應(yīng)。同時發(fā)現(xiàn),在手性化合物的制備分離中,記憶效應(yīng)的存在可以減少流動相中酸堿添加劑的用量,同時避免酸堿添加劑引起的干擾,如樣品變性、背景吸收干擾等問題[12]。該研究將在分析分離科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)及生物化學(xué)中得到應(yīng)用。

4 結(jié)語

綜上所述,手性是生命過程的基本特征,構(gòu)成生命體的有機(jī)分子絕大多數(shù)都是手性分子。人們使用的藥物絕大多數(shù)具有手性,故被稱為手性藥物。手性藥物的“鏡像”稱為它的對眏體,兩者之間在藥力、毒性等方面往往存在較大差異,有的甚至作用相反。20世紀(jì)60年代一種被稱為反應(yīng)停的手性藥物(一種孕婦使用的鎮(zhèn)定劑,已被禁用)上市導(dǎo)致1.2萬名嬰兒的生理缺陷,因為反應(yīng)停的對眏體具有致畸性,因此,對手性的對眏體進(jìn)行拆分顯得多么重要。由于對手性分子研究產(chǎn)生的手性化學(xué)作為一門新興熱門邊緣學(xué)科方興未艾。我們堅信隨著科研工作者對其研究的不斷深入,作為植根深遠(yuǎn)的手性化學(xué)不但在生命科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、仿生學(xué)、生物學(xué)、催化科學(xué)、分析分離科學(xué)、生物物理學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、軍工及醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域彰顯出廣闊的應(yīng)用前景,同時將為人類的長壽、衣食住行及可持續(xù)發(fā)展帶來新的輝煌。

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Chiral Synthesis,Chiral Resolution,and Their Applications to AnalyticalScience,Separation Science and Medicine

ZHANG Lai-xin,ZHU Hai-yun

(Chemistry & Chemical Engineering Department,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721013,Shaanxi,China)

Chiral synthesis,chiral resolution,and their applications were introduced in this paper. Emphases were put on from three parts：(1) chiral synthesis,chiral resolution,and their applications to analytical and separation science；(2) synthesis and applications of oxygen-containing side chain triazole active antifungal compounds to medicine；(3) chiral resolution of acid memory effect to cyclodextrin chiral stationary phase and its applications. Future developments of charal chemestry were prospected in the end.

chiral synthesis,chiral resolution,application

TQ 016.51