美研| CMC系列(四)：浅谈手性药物的研究策略

2023-05-24

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21世纪将是手性药物发展的世纪——林国强院士

手性，顾名思义像左右手的性质一样，看似相同却无法镜像重合，如图1所示。手性无处不在，可能是为了方便高效，也可能是化学反应的自然演化，同一类物质往往采用一种手性，如生命的燃料——糖，采用D构型；生命活动的承担者——蛋白质，倾向于右旋；生命遗传信息的载体——DNA，也同样选择了右旋。我们常说，结构决定功能，我们是否深思，这奥妙的生命是否也是因不对称而高效有序运转。

图1-手性混合物三相图.jpg

图1 手性混合物三相图

生命中各种通路的机理阐述与药物设计中常常提及钥锁学说，一把钥匙开一把锁，试问一把左手的掌纹锁有多大几率能用右手开启。因此，相当部分外消旋体药物中有一半是无效成分，甚至引发意想不到的副作用。起初人类对于手性并未给予过多关注，分子式相同，结构式好像也相同，这能有什么差别。可现实确甩了人类一记耳光，利沙度胺也就是反应停事件的代价是惨痛的，尤其是那些事件中的个体，历史的一粒沙，就是一座山。

既然手性如此重要，特别是在关乎生命健康的医药行业，我们该如何把这两兄弟单独拎出来呢？要区分，先找不同吧，好家伙，这两兄弟可比一般的孪生兄弟还像，什么熔点、沸点、溶解度等通通一样，分离有效手段-1、-2、…-2333。好歹捕捉到旋光的差异，可惜无法实施分离操作。

只要功夫深，铁杵磨成针，这不，别看手性化合物的溶解度相同，但还是有少部分能通过结晶的方式分离，这也引出了手性化合物的分类，这是后话了。

原来结晶并不仅仅是依赖于溶解度(当然，你要是给它无限时间就当我没说啦)，由于均相体系成核困难，体系可以维持一段时间的过饱和度，因此为优先结晶法(添加某一构型的晶种以优先析晶)进行分离而争取到操作空间。这种方法仅适用于外消旋混合物，即由于同构型(如：R-R)分子间相互作用大于异构型(如：R-S)分子，同构型分子自组装形成晶体，此类约占外消旋体的5-10%。

还有一种是固溶体，同异构型间相互作用与同构型间相近，因占比低(＜5%)本篇文章先不扩展。我们重点关注外消旋化合物，由于同构型分子间相互作用小于异构型分子，同异构型一一对应，填充晶格，构成晶体。这种通过简单的析晶操作无法实现分离，因为会一同析出。因此我们需要给他们制造不同点，就像双胞胎，我们可以给他们穿不同的衣服以区分。同样，我们可以让他们与手性配体成盐，形成非对映异构体，这样他们的性质差异就大了，比如，溶解度就可能存在比较大的差异，方便我们分离。这是一种化学拆分方式，成本低，但仅适用于有成盐位点的化合物，同时手性配体、溶剂的筛选需要技巧与运气。当然，也有通过共晶拆分的方法，可以克服成盐位点的限制，但难度更高。

超临界流体拆分(SFC)与普通液相类似，固定相由C18等换成了手性物质，也是利用流动相中的待拆分物与固定相的相互作用实现分离，这点又和化学拆分有类似之处。缺点是价格和通量，小规模和早期阶段是不错的选择，期待通量的进一步提高，将大有可为。

回归到生命，既然生命体倾向于利用某一种构型，同样，也可以利用这种特性，消化一种而保存另一种。因此利用酶或者细胞进行拆分也是一条道路。

从源头抓起也是一个不错的思路，通过不对称合成或不对称催化，直接合成自己想要的构型，是比较前沿的方向，但获得的产品一般仍需要通过结晶、化学拆分等方式进一步提高纯度。这里简单介绍通过结晶纯化的热力学原理。我们通过不对称合成或不对称催化获得的产品是部分富集的，即ee值(对映体过量)>0。

若该手性物质为混合物，R、S构型在溶剂中溶解度相同，添加溶剂完全溶解含量低的构型(当然，此时含量高的构型也溶解一部分)，固相即获得单一构型。通过上清液获得构型的溶解度，绘制三相图(R、S、溶剂的三元相图，下同)，如图2所示，可获得理论最佳的溶剂量及收率。若该手性物质为化合物，同样需要上清液获得各构型的溶解度，绘制三相图，获得理论最佳的溶剂量及收率，如图3所示，但需要分两种情况，1)当起始样品ee值小于共晶ee值，可使液相ee值提高到共晶ee值；2)当起始样品ee值大于共晶ee值，可使固相ee值提高到100%。

图2-手性混合物三相图.jpg