手性拆分技术在药物研发中的研究进展及应用

马玉恒，孙威，唐潇洒，朱淼淼，黄静，杨月，王文龙

（滁州学院材料与化学工程学院制药工程系，安徽 滁州 239000）

在形成有机化合物时，同一个碳原子上由四根共价键连接四个不同的取代基团而形成空间立体结构，可以形成两种分子结构，称为手性分子。1848年，巴斯德通过研究酒石酸晶体发现了分子层次上手性的存在。在药物的发展史上，由于人们对手性药物的认知不足，曾发生过巨大的药害事故。沙利度胺消旋体又称“反应停”，是一种妊娠期妇女使用的药物，引发了数千例的“海豹胎”病例。之后的研究发现，沙利度胺是一种手性分子，其右消旋体具有良好的镇静作用，但其左消旋体却能引起抗坏血管的生成，海豹胎儿的畸形正是由于这种药物导致妊娠初期胎儿血管新生。随着研究的深入，科学家们发现沙利度胺左旋异构体对于抗肿瘤等方面有巨大的疗效，可用于治疗胶质细胞癌、肾癌、转移性黑素瘤，2006年5月美国食品药品管理局（FDA）批准其用于多发性骨髓瘤的治疗[1]。

虽然药物对映体的化学组成以及平面结构都是一致的，但由于它们具有不同的空间和三维结构，导致这些对映体具有不同的生物活性，从而对药物和药物代谢产物的药理作用产生一定的影响，因此为了确保药品使用安全，1992 年美国FDA 明确规定手性新药必须给出左旋体和右旋体的药效学与药动学研究结果，2006 年我国药品监管部门也出台了相应的政策新规[2]。

1 手性分子分离方法

常见的手性分子的分离方法有结晶拆分法、生物拆分法、化学拆分法、色谱拆分法、毛细管电泳法和膜分离法等，其中色谱拆分法又可分为薄层色谱手性拆分法、气相色谱手性拆分法、高效逆流色谱法、超临界流体色谱法和高效液相手性色谱法等。

1.1 结晶拆分法

结晶拆分法是通过物质结晶，使外消旋溶液中的某一种对映异构体结晶析出，而另一种对映异构体仍存在于溶液中，从而达到手性物质分离的目的[3]。结晶拆分法的优点是不需要额外添加手性拆分试剂，但其拆分效果不太好，若严格控制反应条件也能获得较纯的单一对映体[4]。例如，王耀国课题组[5]将吡喹酮的两种对映体与L-苹果酸共结晶，由于两种对映体与L-苹果酸形成的共晶在熔点、溶解度、分子间相互作用等方面有明显差异，据此将吡喹酮的两种对映异构体进行拆分。

1.2 生物拆分法

生物分离工艺的原理很多，最主要的是依靠离心力、分子尺寸（筛分）、浓度相同等各种工艺原理来对物质进行分离或纯化[6]。其中，生物酶分离以及生物膜分离法是生物拆分法分离手性物质最为常见的方法。酶催化反应是一类具有高度专一性的反应，因此，酶催化反应所产生的副反应相对较少，分离和提纯较为简单，产物纯度较高，且一般毒性较小，不会对环境造成污染，适用于各种大规模生产。例如王井玲课题组[7]利用外消旋腈化合物，通过生物拆分法在腈水解酶的催化下合成左乙拉西坦（LEV）。在该反应中，（R）-2-吡咯烷腈可通过再消旋化以实现循环利用。该法与化学催化相比具有更高的原子经济性（atom economy），且能进行温和的SN2反应，从而避免了使用具有危险性的烷基化试剂（见图1）。

图1 腈水解酶用于左乙拉西坦的合成

1.3 化学拆分法

如果外消旋体分子中存在一些活性基团，如羟基、羧基、磺酸基团、酰卤基团，能够与一些具有旋光活性的化合物发生反应，其本身再特性发生变化[8]，由此生成两种具有不同性质的非对映体，利用两个非对映体在物理学或化学属性上的差别把二者分离开来。化学拆分法现在主要面临拆分剂在选择上比较盲目，没有选择指向性，拆分化合物种类受限等问题。例如左西替利嗪的合成中[9]，通过对消旋中间体4-氯二苯甲胺与L（+）-酒石酸成盐的方法得到单一异构体，进一步合成单一构型的左西替利嗪。

1.4 色谱拆分法

下面对常见的五种色谱拆分手性药物的方法优缺点和应用进行介绍。

1.4.1 薄层色谱手性拆分法

通过制作具有手性选择的薄层色谱板固定相，利用不同的展开剂对手性物质进行拆分。该法的优点是操作简单，方便经济，但由于其定量分析的灵敏度不高，现在主要用于定性分析。该法使用的手性源有β-环糊精、手性氨基酸配体、手性离子对试剂等。例如，相比于（R）-美托洛尔，（S）-美托洛尔对β受体亲和度更高，具有治疗心律失常，缓解心绞痛和降血压的作用。在美托洛尔两种构型的拆分中，罗丹课题组[10]用手性流动相添加剂和手性固定相两种薄层色谱法直接拆分美托洛尔，使用美托洛尔片作为原料，在不同种类的展开剂下，通过薄层色谱板法对美托洛尔对映体进行拆分。

1.4.2 气相色谱手性拆分法

气相色谱的手性拆分是通过选择一种合适的手性选择剂作为固定相，以适宜的气体作为流动相载气，利用选择剂对手性物质进行选择性吸附，并与异构体之间产生氢键、偶极结合等作用，实现手性异构体的分离。其优点是灵敏度高、操作简单、分离快速等，例如，拟除虫菊酯是一类杀虫范围广、效率高、低毒且具有生物降解特性的合成杀虫剂，菊酯有4 种光学异构体，其中（+）-反式菊酯与（-）-顺式菊酯杀虫活性最强，在菊酯的手性拆分中，刘爱华课题组[11]用气相色谱法在衍生的β-环糊精手性固定相上分离菊酸乙酯，以顺反菊酸乙酯为原料，用β-CD 的衍生物做手性固定相，在气相色谱柱中拆分出顺式菊酸酯。

1.4.3 高效逆流色谱法

高效逆流色谱法是在螺旋色谱柱中加入互不相容、密度差异较大的两相，利用被分离的对映体在两相之间分配系数不同，通过螺旋色谱柱高速转动时产生的离心力，实现手性对映体的分离。其优点是样品与固定相之间不会发生吸附、变性等问题，且通过螺旋柱的运动，使分离速度、分离效率显著提升。例如，特布他林有预防和缓解支气管哮喘、肺气肿与其他伴有支气管痉挛等功效，其R 构型有受体激动作用而S 构型却无药理作用。在对两种构型的拆分中，陈小明课题组[12]用高速逆流色谱拆分特布他林对映体，以四苯硼钠乙酸丁酯-水相（1∶1）为溶剂体系，其中水相为磷酸盐缓冲溶液含0.1 mol/L 水溶性羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD），实现了特布他林两种对映体的手性拆分。

1.4.4 超临界流体色谱法

超临界流体色谱法采用超临界流体做流动相，利用手性药物在流动相和固定相中不同的溶解度和吸附能力，实现对手性药物对映异构体的拆分。该法的优点是对手性药物的分离效果较好，选择性高。但由于超临界流体自身稳定性不佳，使用条件苛刻，成本高昂等原因，该法的使用受到极大的限制。例如，西酞普兰具有治疗抑郁症、焦虑症等精神疾病的功效，其中（S）-对映体药理活性远大于（R）-对映体。聂小春课题组[13]用超临界流体色谱法在西酞普兰对映体拆分中，以草酸艾司西酞普兰片为原料，以CO2为流动相的主要成分，通过超高效合相色谱仪对西酞普兰的两种对映体进行分离纯化，实现二者的分离。

1.4.5 高效液相手性色谱法

利用具有手性选择的物质作为固定相，采用不同种类的溶剂做流动相，对消旋物质进行手性拆分。相对于一般液相色谱，该法具有更高的选择性、更快的分析速度。高效液相手性色谱法有直接法和间接法两种[4]。直接法是选用不同的手性固定相对物质进行分离。若药物不适合用直接法拆分，为增加色谱系统对映异构体选择性，可选用间接法。例如，阿雷地平有治疗高血压的功效，其（S）-阿雷地平药效远大于（R）-阿雷地平。在阿雷地平的两种手性拆分中，严拯宇课题组[14]用高效液相手性色谱法拆分阿雷地平对映异构体时采用硅胶表面涂敷有纤维素-三（4-甲基苯甲酸酯）填料为固定相，以正己烷-乙醇（75∶25）为流动相，对阿雷地平进行手性拆分。

1.5 毛细管电泳法

由于离子的状态为溶剂，因此扩散层的离子在电场中发生迁移时，溶剂会被离子携带共同移动，形成电渗流，当从毛细管的正极端注入试样时，粒子在电泳力和电渗力两种力的作用下，出峰顺序为正离子、中性分子、负离子。毛细管电泳法分离手性物质是通过不同的亲和力分离出对映异构体，正常实验情况缓冲液中只需添加手性物填充即可[15]。例如，昔萘酸沙美特罗是目前治疗哮喘夜间发作和哮喘维持治疗的理想药物，在昔萘酸沙美特罗对映体拆分中，王利娟课题组[16]用手性非水毛细管电泳法测定沙美特罗替卡松粉吸入剂中昔萘酸沙美特罗对映体，以pH=0.93 的L（+）-酒石酸、硼酸的甲醇溶液为缓冲溶液，对昔萘酸沙美特罗对映体实现拆分。

1.6 膜分离法

通过将手性选择剂固定在膜孔内或接枝改性等化学方法，形成具有手性识别能力的“手性膜”，譬如CD膜、DNA膜、分子印迹聚合物膜等常见的手性固膜。利用手性选择剂对对映体的识别能力，与不同的膜过程相耦合实现拆分。手性选择剂与对映体作用的特异性结合点，以及结合位点数等都会影响消旋体的渗透速率与渗透量[17]，从而影响分离效果。例如，扁桃酸具有抑制表皮葡萄球菌、白色念珠菌等细胞活性，其单一构型的药效比外消旋的药效提高近一倍，且副作用也减少。在扁桃酸的手性拆分中，徐晓林课题组[18]用醋酸纤维素手性固膜对消旋的扁桃酸进行拆分，以扁桃酸作为原料，在CA浓度为30%，DMF浓度为15%，铸膜液挥发5 min，操作压力为0.2 MPa，样品浓度为0.5 mg/mL 时，对扁桃酸对映体进行拆分，其对映体的分离因子达到3.9。

2 总结和展望

单一构型的手性化合物具有药效更高、毒性更小的作用，因此在医药领域有着广阔的应用前景和市场潜力，故此探寻更有效率的获得单一手性化合物的创新思路成为越来越多的学者和药企的重要研究方向。手性分离是分离领域中难以解决并且热度很高的问题，传统的拆分方法各有利弊。同时，一些新兴方法，例如固膜拆分法等具有便于连续操作、耗能低、易于形成规模、装置简洁等优点，正逐渐成为手性分离的重点研究方向。