【知识分享】探秘自然界的“左右手” -对映异构体的手性拆分

纳谱分析技术(苏州)有限公司

2020/08/06 15:05

手性异构体：

如果一对分子，它们的组成和原子的排列方式完全相同，但如同左手和右手一样互为镜像，在三维空间里不能重叠，这对分子互称手性异构体。

对映异构体：：

互为实物与镜像而不可重叠的立体异构体，称为对映异构体（Enantiomer，简称为对映体），对映异构体都有旋光性，其中一个是左旋的，一个是右旋的，所以对映异构体又称为旋光异构体。

当药物分子中碳原子上连接有4个不相同的基团时，该碳原子被称为不对称碳或手性碳（中心），会导致药物分子存在异构体，如果两个异构体之间的关系如同一个物体的立体结构在照镜子，这个立体结构和它在镜子中的像互为对映异构体（对映体）。下图是手性对映异构体的图示。

对映体具有相同的物理性质（如熔点，沸点，溶解度，折射率，酸性，密度等），热力学性质（如自由能，焓、熵等）和化学性质。除非在手性环境（如手性试剂，手性溶剂）中才表现出差异。对映体对偏振光的作用不同，它们的比旋光度数值相同，但方向相反。对映体的生物活性不相同，化学反应中表现出等速率。

直接法

手性拆分

间接法

手性是宇宙间的普遍特征，体现在生命的产生和演变过程中。首先组成地球生命体的基本结构单元，氨基酸几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸。也就是说，生命最基本的东西也有左右之分。为什么自然界选择左旋氨基酸而不是右旋氨基酸作为生命的基本结构单元一直是个迷。而更加复杂的蛋白质和DNA的螺旋构象都是右旋的。海螺的螺纹和缠绕植物也都是右旋的。因此生物体内存在着手性的环境，使得生物体可以识别常规化学和物理性能完全一样的手性异构体分子。作用于生物体内的手性药物及农药，其药效作用多与它们和体内靶分子间的手性匹配和手性相关。因此，手性药物的不同对映异构体，在生理过程中会显示出不同的药效。甚至会出现一种对映异构体对治疗有效，而另一种对映异构体表现为有害性质这种现象。

1957年10月，一种新型药物沙利度胺（也称“反应停”）风靡欧洲、非洲和拉丁美洲。药品生产厂家称之为“没有任何副作用的抗妊娠反应药物”，是孕妇的理想选择。很快，人们发现服用了“反应停”的孕妇，生出的婴儿很多四肢残缺。

酿成悲剧的就是手性分子，它是有机分子中的一大类，在药物中占比非常高。沙利度胺实际由两种非常相似的手性分子组成，犹如分别向右手方向和左手方向螺旋生长的两株牵牛花，大小一模一样，看似区别微小，却表现出截然相反的特性——其中一种可以抑制妊娠反应，另一种却会导致胎儿畸形。

为了更好更安全更合理的用药，需要通过拆分手段得到手性药物的单一对映异构体，实现外消旋药物中两种纯对映异构体的分离，这就是“手性拆分”。色谱法以其拆分快速、高效，同时获得的对映体纯度高的特点被广泛使用。色谱法以色谱分离技术为基础，引入手性环境（不对称中心），使药物对映体之间呈现理化性质的差异，从而实现拆分。其中直接法是将不对称中心引入分子间，间接法是引入分子内。

药物对映体在分离前，先与具有高光学纯度的手性衍生剂反应，在药物对映体中引入第二个手性中心，形成非对映异构体，溶质分子与流动相和固定相之间的作用力不同，发生差速迁移以常规或手性固定相进行分离称为间接法，也称手性衍生化试剂法（CDR）。

01间接法

02直接法

直接法是在HPLC系统中引入“手性识别器”或手性环境，以形成暂时的非对映体异构体复合物，根据其形成复合物的稳定系数不同而获得分离。直接法分为手性流动相法（CMP）和手性固定相法（CSP）。

手性流动相法（CMP）

在流动相加入手性添加剂（CMPA），与对映体生成一对非对映络合物，在普通色谱柱上进行分离。手性添加剂与溶质生成的络合物虽然不及衍生化法形成的衍生物牢固，但所依据的手性识别作用络合物的非对映异构体性质却基本相同。

手性固定相法（CSP）

手性固定相法是基于样品与固定相表面的手性选择剂形成暂时的非对映体配合物的能量差异或稳定性不同而达到手性分离。是不经过转变成非对映体的直接拆分的方法。

3种方法对比

方法	优点	局限性
CDR	可以使用已有的非手性固定相，花费少，通过选用具有强烈紫外吸收或荧光吸收的手性试剂，可提高检测灵敏度，而且多数的衍生化试剂具有良好的对热及水的稳定性	手性试剂需要有高的光学纯度，各对映体的衍生化速率及平衡常数应一致，要求衍生化反应迅速、彻底。步骤较繁琐、衍生化试剂毒性较大，很难实现分析方法的自动化。
CMP	不必做柱前衍生化，对固定相无特殊要求，样品的非对映异构化络合具有可逆性且利于制备	应用范围有限，某些添加剂不够稳定而且会干扰检测
CSP	能够广泛适用于各类化合物，适用于常规及生物样品的分析测定，制备分离方便，定量分析的可靠性高。	有些样品需要做柱前衍生化，对样品结构有一定的限制。其适用性尚不及高效液相色谱仪固定相那样广泛。

手性色谱柱

手性色谱柱是由具有光学活性的单体，固定在硅胶上制成手性固定相，通过引入手性环境使对映异构体间呈现不同的色谱保留，达到光学异构体拆分的目的。

纳谱分析UniChiral®手性色谱柱产品是以单分散UniSil®大孔径球形硅胶为基质，表面修饰多糖衍生物，提供更高的纤维素或直链淀粉衍生物负载量，批次稳定性好，拆分性能较同类产品更优异，产品包括：CND、 CNJ、CNZ、 CMS、 CMD 系列，适用于多数手性化合物的分离及分析，例如手性药物及化合物的 HPLC 分析、半制备和超临界流体色谱制备。

纳谱产品与国外手性色谱柱在分离手性分子效率的对比图

五款键合相提供不同选择

双手性中心化合物的拆分

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