Wydział Chemii Uniwersytetu Wrocławskiego ul. F. Joliot-Curie 14, 50-383 Wrocław e-mail: agata.bialonska@chem.uni.wroc.pl
Abstract Wprowadzenie
1. Charakterystyczne motywy strukturalne w kryształach soli czynników rozdzielających
1.1. Sole pierwszorzędowych amin alifatycznych 1.2. Sole drugorzędowych amin alifatycznych 1.3. Sole trzeciorzędowych amin alifatycznych
1.3.1. Sole chininy, cynchonidyny, chinidyny i cynchoniny
1.3.2. Sole brucyny i strychniny
2. Rozpoznanie molekularne
3. Zróżnicowanie diastereomeryczne 3.1. Sole 1-aryloetyloaminy 3.2. Sole brucyny i strychniny 4. Rozdział racemiczny
Uwagi końcowe
A. BIAŁOŃSKA
546
Dr Agata Białońska w roku 2001 ukończyła studia na Wydziale Chemii
Uniwersy-tetu Wrocławskiego. Stopień doktora chemii uzyskała w 2005 r. Obecnie pracuje na Wydziale Chemii Uniwersytetu Wrocławskiego. Jednym z obiektów jej badań jest rozdział racemiczny poprzez krystalizację frakcyjną soli diastereomerycznych bru-cyny i strychniny. Prowadzi również badania skupione na syntezie, właściwościach i zastosowaniu związków koordynacyjnych.
METODA FRAKCYJNEJ KRYSTALIZACJI SOLI DIASTEREOMERYCZNYCH 547
ABSTRACT
Synthesis and isolation of enantiopure compounds remains an important challenge in medicinal, pharmaceutical, alimentary as well as material chemistry. Amongst many methods leading to enantiopure compounds, formation and frac-tional crystallization of diastereomeric salts of an enantiopure resolving agent is the most popular one. Since its discovery many years went by, and yet it has been per-formed by the trial and error method.
Selection of the suitable resolving agent is crucial for racemic resolution effi-ciency. Hence, this review is concerned with common features of crystal structures of salts, in which resolving agents, frequently used for separation of racemic acids, are involved. Among them, there are crystal structures of salts of primary, secondary and tertiary chiral amines (1-arylethylamines, ephedrine, pseudoephedrine, deoxy-ephedrine, chinine, chinidine, cinchonine, cinchonidine, strychnine and brucine). In most of them, cations and anions are involved in characteristic systems of hydro-gen bonds leading to formation of cationic-anionic self-assemblies. In this respect, brucine and strychnine appear as unique, because presence of anions usually does not affect formation of common cationic self-assemblies stabilized by weak hydro-phobic interactions.
Comparison of the common structural motifs indicates different factors being crucial in molecular recognition and in diastereomeric diversification. Formation of common hydrogen bonded cationic-anionic self-assemblies plays a dominant role in molecular recognition of a given acid by most of the studied amines. In turn, for-mation of common cationic self-assemblies stabilized by hydrophobic interaction plays a crucial role in molecular recognition of a given acid by brucine or strychnine.
Diastereomeric diversification can be realized in various ways. In extreme cases, when molecular recognition in crystals of particular diastereomeric salts is similar, diastereomeric diversification is governed by different factors, depending on fac-tors governing molecular recognition. Hydrophobic interactions play an important role in diastereomeric diversification when molecular recognition is governed by hydrogen bonds. In turn, when molecular recognition is governed by hydropho-bic interactions, different hydrogen bond systems in crystals of particular salts are responsible for their diastereomeric deversification.
Keywords: racemic resolution, diastereomeric salts, resolving agent, diastereomeric diversification, molecular recognition
Słowa kluczowe: rozdział racemiczny, sole diastereomeryczne, czynnik rozdziela-jący, zróżnicowanie diastereomeryczne, rozpoznanie molekularne
A. BIAŁOŃSKA
548
WPROWADZENIE
Chiralność zawsze fascynowała i interesowała naukowców, gdyż wiąże się ją z początkiem powstania układów ożywionych. Jest niemal paradoksem, że więk-szość ważnych biocząsteczek, jak białka czy DNA, zbudowana jest z jednostek homochiralnych, podczas gdy jedynie niewielka liczba mieszanin racemicznych wykazuje tendencje do spontanicznego rozdziału. Ważną konsekwencją istnienia homochiralności w układach ożywionych jest zdolność do rozróżniania enancjo-merów danego związku podczas rozpoznania molekularnego, co może prowadzić do różnych doznań zapachowych, smakowych lub też skutkować odmiennym dzia-łaniem farmakologicznym [1–4]. Zapotrzebowanie na związki w formie optycznie czystej jest ogromne biorąc pod uwagę różnorodność ich zastosowań w przemyśle farmaceutycznym, agrochemicznym czy spożywczym [5]. Niejednokrotnie koniecz-ność ich stosowania uwarunkowana jest dyrektywami takich jednostek jak FDA (U.S. Food and Drug Adminitration) czy EMA (European Medicines Agency) [6, 7].
Zdarza się często, że synteza chemiczna enancjomerycznie czystego związku jest niemożliwa lub ekonomicznie nieopłacalna, dlatego konieczne jest rozwijanie metod chromatograficznych, biochemicznych i krystalizacyjnych służących do roz-działu mieszanin racemicznych. Jedną z najczęściej stosowanych metod rozroz-działu kwasów racemicznych lub racemicznych zasad jest metoda tworzenia i frakcyjnej krystalizacji soli diastereomerycznych. Metoda ta po raz pierwszy została zapropo-nowana przez Pasteura ponad 150 lat temu [8] i z biegiem czasu pojawiły się różne jej warianty, takie jak metoda Pope i Peachey’a [9], popularna metoda nazywana „Dutch resolution” odkryta przez holenderskiego naukowca Tona Vriesa [10] oraz metoda rozdziału kontrolowanego dielektrycznie (ang. dielectrically controlled
reso-lution) [11, 12]. W metodach tych cząsteczki racemicznego kwasu (lub racemicznej
zasady) reagują z cząsteczkami czynnika rozdzielającego, którym jest optycznie czy-sta zasada (lub optycznie czysty kwas). Powczy-stałe w reakcji sole diastereomeryczne wykazują zazwyczaj odmienne właściwości fizyczne, a przede wszystkim różną roz-puszczalność, co umożliwia krystalizację frakcyjną i prowadzi do produktu z dużym nadmiarem enancjomerycznym. Pope i Peachey zaproponowali, aby w rozdziale racemicznym ilość użytego czynnika rozdzielającego była równa połowie (w sto-sunku molowym) ilości rozdzielanej substancji [9]. W metodzie „Dutch resolution” zamiast jednego czynnika rozdzielającego używa się kilku spokrewnionych czynni-ków rozdzielających [10]. W rozdziale kontrolowanym dielektrycznie reakcję two-rzenia soli diastereomerycznych prowadzi się w rozpuszczalnikach o różnej stałej dielektrycznej. Zmiana stałej dielektrycznej rozpuszczalnika może spowodować, że sól diastereomeryczna lepiej rozpuszczalna w jednym rozpuszczalniku staje się gorzej rozpuszczalna w innym [11, 12].
Jeżeli warunki rozdziału racemicznego (czynnik rozdzielający, rozpuszczalnik, stężenie, temperatura itd.) są odpowiednie, to najpierw krystalizuje sól trudniej roz-puszczalna, a następnie sól łatwiej rozpuszczalna. Jednak w niektórych przypadkach zdarza się, że sole diastereomeryczne współkrystalizują ze sobą, zamiast tworzyć
METODA FRAKCYJNEJ KRYSTALIZACJI SOLI DIASTEREOMERYCZNYCH 549 oddzielne fazy krystaliczne. W wyniku współkrystalizacji mogą powstać roztwory stałe lub sole podwójne. Roztwory stałe charakteryzują się zmiennym stosunkiem obu soli diastereomerycznych, gdyż wchodzące w ich skład rozdzielane enancjo-mery mogą zajmować w sposób statystyczny ekwiwalentne położenia w sieci krysta-licznej. Natomiast w kryształach soli podwójnych stosunek stechiometryczny obu soli diastereomerycznych jest ściśle określony i rozdzielane enancjomery zajmują w krysztale niezależne położenia [13].
Warto tutaj wspomnieć, że oczyszczanie związków organicznych od zanie-czyszczeń poprzez krystalizację opiera się na ograniczonej tendencji tych związków do współkrystalizacji. Niestety, sole diastereomeryczne zachowują się inaczej i zja-wiska współkrystalizacji i tworzenia roztworów stałych są powszechnie obserwo-wane w próbach rozdziału racemicznego metodą Pasteura [13–15]. Przyczyniają się one do braku efektywności tego typu rozdziałów, dlatego wybór odpowiedniego czynnika rozdzielającego jest w tym procesie kluczowy.
Każdego roku w literaturze naukowej pojawiają się doniesienia o efektywnych oraz nieefektywnych rozdziałach racemicznych, o modelowaniach wspomaganych komputerowo, o szczegółowych badaniach zależności strukturalnych pomiędzy solami diastereomerycznymi, o badaniach różnic energetycznych takich soli, a także doświadczalnych korelacji między nimi [13, 16–23]. Wszystkie te badania dostar-czają coraz więcej informacji o rozpoznaniu molekularnym, enancjospecyficzności oraz enancjoselektywności danego czynnika rozdzielającego i parametrach/czynni-kach odpowiedzialnych za odmienne właściwości fizyczne, w tym różną trwałość i rozpuszczalność pary soli diastereomerycznych. Najbardziej fundamentalnym wymogiem dla efektywnego rozdziału jest to, aby różnica trwałości pomiędzy solami diastereomerycznymi była jak największa. Nadal nie jest jednak do końca jasne, w jaki sposób racjonalnie wybrać czy zaprojektować czynnik rozdzielający, aby taką różnicę osiągnąć [24].
Trwałość poszczególnych soli diastereomerycznych jest odzwierciedleniem struktury krystalicznej, dlatego analiza porównawcza oddziaływań międzycząstecz-kowych w kryształach soli diastereomerycznych może dostarczyć cennych informa-cji, które mogą być pomocne w projektowaniu kolejnych rozdziałów racemicznych. Nieistotne czy czynnikiem rozdzielającym jest naturalnie występujący alkaloid czy inna alifatyczna amina pierwszo-, drugo- lub trzeciorzędowa – w wyniku reakcji z kwasem następuje protonacja aminy i deprotonacja kwasu. Zazwyczaj pomiędzy kationem aminy i anionem kwasu w krysztale obserwuje się silne jonowe wiązanie wodorowe N-H+∙∙∙O–. Ponieważ silne wiązanie wodorowe zazwyczaj występuje w kryształach obu soli diastereomerycznych, tworzenie pary jonowej związanej takim oddziaływaniem nie tłumaczy ani enancjospecyficzności, ani enancjoselektywności danego czynnika rozdzielającego. Sugeruje się, że pewne motywy wiązań wodo-rowych odgrywają ważną rolę w większej stabilizacji soli trudniej rozpuszczalnej. Wśród tych motywów są kolumny o symetrii względem osi dwukrotnej śrubo-wej [25–28], warstwy [29], czy pojedyncze [30] lub podwójne łańcuchy [31, 32].
A. BIAŁOŃSKA
550
W wielu przypadkach enancjoselektywność czy enancjospecyficzność przypisuje się zarówno silnym wiązaniom wodorowym, jak i słabszym oddziaływaniom mię-dzycząsteczkowym. W kryształach soli diastereomerycznych upakowanie kompo-nentów kryształu czy też tworzące się sieci wiązań wodorowych mogą być podobne lub całkiem różne. Zdarza się, że stereochemicznie podobne czynniki rozdzielające tworzą trudniej rozpuszczalne sole diastereomeryczne z różnymi enancjomerami rozdzielanej mieszaniny racemicznej [33, 34]. Rozdział racemiczny może przebie-gać w odmienny sposób przy zmianie temperatury lub/i użytego rozpuszczalnika czy też mieszaniny rozpuszczalników. Zmiana temperatury krystalizacji czy też rozpuszczalnika może prowadzić do powstawania odmiennych form krystalicznych (polimorficznych) lub do krystalizacji różnie solwatowanych soli diastereomerycz-nych. Sól trudniej rozpuszczalna otrzymana w jednych warunkach może być solą łatwiej rozpuszczalną otrzymaną w innych warunkach.
W metodzie rozdziału kwasu racemicznego poprzez krystalizację frakcyjną soli diastereomerycznych czynnikiem rozdzielającym może być dowolna optycznie czy-sta chiralna amina. Niemniej jednak niektóre chiralne aminy są częściej stosowane od innych, co między innymi wynika z ich dostępności i ceny. Często stosowanymi czynnikami rozdzielającymi racemiczne kwasy są alkaloidy izolowane z produktów naturalnych, takie jak brucyna, strychnina, cynchonina, chinina, chinidyna oraz cynchonidyna. Stosuje się również chiralne aminy pierwszo-, drugo- i trzeciorzę-dowe otrzymane na drodze syntezy chemicznej, które dostępne są w obu formach enancjomerycznych, co, zgodnie z zasadą Marckwalda [35], w zależności od użytego enancjomeru czynnika rozdzielającego pozwala na otrzymanie obu enancjomerów rozdzielanego kwasu z trudniej rozpuszczalnej soli diastereomerycznej. Wybór odpowiedniego czynnika rozdzielającego dokonywany jest zazwyczaj metodą prób i błędów. Przy wyborze czynnika rozdzielającego w sposób bardziej kontrolowany pomocne mogą być informacje o tendencjach związanych z rozpoznaniem moleku-larnym i zróżnicowaniem diastereomerycznym, które otrzymuje się z porównania struktur krystalicznych soli amin wykorzystanych w rozdziale kwasów racemicz-nych. Przedstawione poniżej porównanie nie uwzględnia wszystkich czynników rozdzielających, ale pokazuje różnice i podobieństwa strukturalne soli wybranych, często stosowanych amin pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowych.
1. CHARAKTERYSTYCZNE MOTYWY STRUKTURALNE W KRYSZTAŁACH SOLI CZYNNIKÓW ROZDZIELAJĄCYCH
1.1. SOLE PIERWSZORZĘDOWYCH AMIN ALIFATYCZNYCH
Wśród amin pierwszorzędowych stosowanych do rozdziału mieszanin race-micznych kwasów często stosuje się 1-aryloetyloaminy, a do najczęściej stosowa-nych należy 1-fenyloetyloamina. W Strukturalnej Bazie Dastosowa-nych z Cambridge (CSD,