Cryst. Growth Des. | 手性离子液体共混溶剂中外消旋体的直接结晶拆分：实验、统计和QM模拟研究
今天与大家分享一篇发表在Crystal Growth Design上的文章，标题是“手性离子液体共混溶剂中外消旋体的直接结晶拆分：实验、统计和QM模拟研究”。本文的通讯作者为上海工程技术大学化学化工学院的陆杰老师。
在制药工业中，超过50%的活性药物成分是手性的。不同的对映体可能导致不同的临床反应、药理活性和毒性。因此，迫切需要开发获得纯对映体的有效方法。目前，纯对映体可通过不对称合成和外消旋体拆分得到。不对称合成通常需要昂贵的催化剂和复杂的过程，这不利于工业化生产。而外消旋体拆分因其操作简单、收率高而在手性药物制备中占主导地位。结晶拆分是外消旋体拆分中最经济的方法之一，可以获得具有高对映体过量值的产物。此外，定制的手性溶剂、添加剂和成核剂可以提高直接结晶拆分的效率。特别的是，结晶拆分效率取决于合适的手性溶剂。手性溶剂和手性溶质之间的氢键和范德华力等选择性相互作用有助于区分两种对映体，从而实现结晶拆分。
离子液体是由有机阳离子和无机/有机阴离子组成的低熔点盐（<373.15 K），其中一类功能化的离子液体，为手性离子液体（CILs）。与传统的手性溶剂相比，CILs作为一种新型手性溶剂，具有明显的过冷倾向，导致其液相范围大，避免了溶剂熔点高的使用限制。但是，应克服CILs单独作为溶剂时粘度高的问题。手性物质及其衍生物是制备CILs的最佳选择。目前，CILs在高效液相色谱（HPLC）、液-液萃取（LLE）等手性分离中得到了越来越多的关注。
图1、DL-Thr在CCM中直接结晶拆分流程图。
然而，将CILs用于外消旋体直接结晶拆分的研究还比较少。这篇文章将CILs和H2O的二元共溶剂混合物（CM）作为手性溶剂，提高了DL-苏氨酸（DL-Thr）的直接结晶拆分。他们采用反中和法首次制备了1-己基-3-甲基咪唑-L-2-氨基丁酸酯（[Hmim][L-2-AbA]）、1-己基-3-甲基咪唑-D-2-氨基丁酸酯（[Hmim][D-2-AbA]）、2-1-己基-3-甲基咪唑-L-苹果酸酯（[Hmim]2[L-MA]）和2-1-己基-3-甲基咪唑-D-苹果酸酯（[Hmim]2[D-MA]）的CILs，对其进行了表征。他们还测量了不同质量分数（ω）的CILs和H2O二元混合物在不同温度下的粘度。然后，在ω从0到0.7的范围内，他们测定了三种物质在CIL共溶剂混合物（CCM）中的溶解度，并绘制了三元相图。随后，在水和CCM（CCM-0.3）中，测试了Thr对映体的诱导期（tind）。根据经典成核理论（CNT），计算了对映体在283.15 K时的均匀成核速率。通过200个成核实验，统计了DL-Thr在283.15 K和CCM-0.3条件下对映体核的出现概率（P）。将种子与CCM-0.3偶联，得到了不同加成速率下反溶剂结晶直接分离L-Thr产物的产率。同时，通过量子力学模拟（QM），基于Hirshfeld配分（IGMH）分析和结合能（BE）计算的独立梯度模型揭示了CILs与Thr对映体之间的手性识别机制。如图1所示，DL-Thr在CCM中的直接结晶拆分性能得到增强。
表1、CILs的性质。
图2、(a) L-Thr（红点）、D-Thr（绿点）、DL-Thr（蓝点）在[Hmim][L-2-AbA] CM中的溶解度。(b) L-Thr（红点）、D-Thr（绿点）、DL-Thr（蓝点）在[Hmim][D-2-AbA] CM中的溶解度。(c) L-Thr（红点）、D-Thr（绿点）、DL-Thr（蓝点）在[Hmim]2[L-MA] CM中的溶解度。(d) L-Thr（红点）、D-Thr（绿点）、DL-Thr（蓝点）在[Hmim]2[D-MA] CM中的溶解度。
表1为合成的CILs的相关性质。从283.15 K到333.15 K，三种Thr物质（L/D/DL）在CCM中的摩尔分数溶解度（X）如图2所示，ω分别为0、0.1、0.3、0.5和0.7。ω大于0.7的CCM由于其高粘度而不适合作为结晶溶剂。具体来说，随着CILs质量分数的增加，它们在CCM中具有共溶性，最大的增溶现象出现在ω为0.3处。这可能是由于Thr与2-AbA或Thr与MA之间的相似结构，根据“相似相溶”原理增加了三种Thr的溶解度。同时考虑到传质规律，溶剂粘度的增加降低了溶解度。此外，作为簇集晶体，纯对映体的溶解度是相同的。在相同温度下，DL-Thr在水中的溶解度是纯对映体的两倍。有趣的是，两种对映体在CCM中的溶解度是不相等的，其中手性溶质更倾向溶解于相反手性的溶剂中。L-Thr和D-Thr在ω为0.3的CCM中的溶解度差异最大。DL-Thr的溶解度几乎是两个对映体溶解度的总和。此外，三种Thr在[Hmim]2[MA] CM中的溶解度大于在[Hmim][2-AbA] CM中的溶解度，这可能是因为[Hmim]2[MA]与溶质之间存在更大的相互作用。
图3、(a) Thr在[Hmim][L-2-AbA] CM-0.3中的三元相图。(b) Thr在[Hmim][D-2-AbA] CM-0.3中的三元相图。(c) Thr在[Hmim]2[L-MA] CM-0.3中的三元相图。(d) Thr在[Hmim]2[D-MA] CM-0.3中的三元相图。
三元相图可用来说明手性体系的性质。DL-Thr被报道为具有对称三元相图的簇集晶体体系。然而，当非手性溶剂转化为CCM时，作者在三元相图中观察到不对称现象，并伴随着共晶点（eeeut）的ee值变化。在三元相图中，不对称幅度最大对应的ω为0.3，如图3所示。
图4、成核温度为283.15 K时Thr对映体(a) 在水中、(b) 在[Hmim][L-2-AbA] CM-0.3中、(c) 在[Hmim][D-2-AbA] CM-0.3中、(d) 在[Hmim]2[L-MA] CM-0.3中、(e) 在[Hmim]2[D-MA] CM-0.3中tind与S的对比图。
根据三元相图，CCM-0.3在溶解度的热力学研究中表现出最大的对映体差异。因此，单独选择ω为0.3来研究tind的动力学控制。图4描绘了不同的S下Thr对映体tind的散点图。一般来说，当S上升时，tind下降。在水中，L-Thr和D-Thr晶体在同一S下tind几乎是相同的。然而，L-Thr和D-Thr晶体在CCM-0.3中的tind远大于在水中的tind，在同一S下差异很大。整体来看，在同一S下D-Thr晶体在L-IL CM-0.3中的tind大于L-Thr晶体。同样，在同一S下L-Thr晶体在D-IL CM-0.3中的tind大于D-Thr晶体。也就是说，CCM-0.3倾向于抑制相反手性的对映体晶体成核。此外，在较低S下，CCM-0.3中L-Thr和D-Thr晶体的tind差异很大，而在较高S下，L-Thr和D-Thr晶体的tind差异变小。这是因为在高S下，成核驱动力越大，成核速率越快，手性识别的时间越短。即较高的S降低了CCM-0.3对Thr对映体晶体的手性识别作用，抑制了特定对映体晶体的成核。
图5、L-Thr和D-Thr晶体(a) 在水中、(b) 在[Hmim][L-2-AbA] CM-0.3中、(c) 在[Hmim][D-2-AbA] CM-0.3中、(d) 在[Hmim]2[L-MA] CM-0.3中、(e) 在[Hmim]2[D-MA] CM-0.3中ln J与1/ln2S的对比图。
CNT可以计算Thr对映体晶体的成核参数，从而深入研究其在手性溶剂中的成核过程。图5为L-Thr和D-Thr晶体在水中和CCM-0.3中的ln J与1/ln2S的关系图，其中不包括非均相成核数据。如图5a所示，在水中，L-Thr和D-Thr晶体的斜率相同，这意味着界面能（γ）相同。然而，如图5b-e所示，在CCM-0.3中，L-Thr和D-Thr晶体的斜率大于水中的斜率。此外，D-Thr晶体在L-IL CM-0.3中的斜率大于L-Thr 晶体的斜率图，L-Thr晶体在D-IL CM-0.3的斜率大于D-Thr晶体的斜率。即在CCM-0.3中，相反手性的对映体晶体的γ值更大。此外，[Hmim]2[MA] CM-0.3中L-Thr 和D-Thr晶体的γ值大于[Hmim][2-AbA] CM-0.3。在相同的S下，L- IL CM-0.3中对映体晶体的成核速率顺序为L-Thr >D-Thr （图5b，d），D- IL CM-0.3中对映体晶体的成核速率顺序为D-Thr > L-Thr （图5c，e）。此外，与[Hmim][2-AbA] CM-0.3相比，[Hmim]2[MA] CM-0.3表现出更强的抑制对映体晶体成核的能力，根据质量传递控制机制，这可能是因为其具有更高的粘度抑制成核。
图6、(a) 成核物质在水中的ee值（ΔT=10K）。(b) 成核物质在[Hmim][2-AbA] CM-0.3中ee值（ΔT=10K）。(c) 成核物质在[Hmim]2[MA] CM-0.3中的ee值（ΔT=10K）。(d) 成核物质在水中的ee值（ΔT=30K）。(e) 成核物质在[Hmim][2-AbA] CM-0.3中ee值（ΔT=30K）。(f) 成核物质在[Hmim]2[MA] CM-0.3中的ee值（ΔT=30K）。
作者还进行了成核实验的统计研究。DL-Thr溶液在相同成核温度（283.15 K）及CCM-0.3（ΔT为10和30 K）下的晶核出现的统计概率（P）如图6所示。如图6a、d所示，在水中，L-对映体核的P值分别为0.65和0.55，说明对映体核的出现在非手性溶剂中具有很高的随机性。随着ΔT的增加，P逐渐接近0.5。然而，在CCM-0.3中，随机性完全缺失，P为1，同时ee值的绝对值显著增加（图6b、c、e、f）。CCM中ee值的正负是均匀控制的，即在L-IL CM-0.3中，晶核的ee值都大于零，而在D-IL CM-0.3中，晶核的ee值都小于零。结果证实，CCM-0.3可以抑制相反手性的对映体晶体成核，导致相同手性的对映体晶体优先成核。此外，[Hmim]2[MA] CM-0.3中介导的晶核的平均绝对ee值大于[Hmim][2-AbA] CM-0.3，这可能是因为[Hmim]2[MA]和手性溶质之间有更多的选择性相互作用，如氢键和范德华力。
图7、(a) 固体产物在水中随时间变化的ee值。(b) 固体产物在[Hmim][L-2-AbA] CM-0.3中随时间变化的ee值。(c) 固体产物在[Hmim]2[L-MA] CM-0.3中随时间变化的ee值。
在不同甲醇添加速率和种子添加量下，固体在水中和L-IL CM-0.3中的ee值随时间的变化如图7所示。一般在相同添加率下，加入的种子越多，ee值开始下降到99%的时间越长，这是因为L-Thr种子具有手性选择性。因此，种子越多，ee值下降的越慢。与水相比，特别是在L-IL CM-0.3介导下，在相同种子和添加速率下，降低到99%的趋势较慢，时间较长，其中时间最长的是[Hmim]2[L-MA] CM-0.3。
图8、(a) 原料L-Thr的显微图像和热分析。(b) 从水中结晶的产物的显微图像和热分析。(c) 从[Hmim][L-2-AbA] CM-0.3中结晶的产物的显微图像和热分析。(d) 从[Hmim]2[L-MA] CM-0.3中结晶的产物的显微图像和热分析。(e) 上述四种晶体的PXRD图谱。
研究L- IL CM-0.3中Thr的结晶也是十分必要的。在添加率为0.05 mL·min−1、种子含量为20%的最佳条件下，原料L-Thr、从水、[Hmim][L-2-AbA] CM-0.3和[Hmim]2[L-MA] CM-0.3中结晶产物的显微图像、热分析和PXRD谱图如图8所示。四种晶体仍然保持相同的针状形状，表明Thr晶体的形态不受CCM-0.3的影响。[Hmim][L-2-AbA]、[Hmim]2[L-MA]和L-Thr的分解温度分别为475.36、497.97和531.03 K。此外，四种晶体的PXRD图谱一致，这意味着在结晶过程中没有晶型转换。上述结果表明，CCM-0.3既没有吸附在Thr表面，也没有掺入到晶体结构中。
图9、(a) L-Thr的分子结构优化。(b) D-Thr的分子结构优化。(c) [Hmim][L-2-AbA] 的分子结构优化。(d) [Hmim]2[L-MA]的分子结构优化。
图10、(a、b) L-Thr-[Hmim][L-2-AbA]单元的优化结构。(c、d) D-Thr-[Hmim][L-2-AbA]单元的优化结构。(e、f) L-Thr-[Hmim]2[L-MA]单元的优化结构。(g、h) D-Thr-[Hmim]2[L-MA]单元的优化结构。
L-Thr、D-Thr、[Hmim][L-2-AbA]和[Hmim]2[L-MA]的分子结构优化如图9所示。Thr-CIL单元的优化结构和IGMH等值面如图10所示。分子结构的绘制方法为CPK和Licorice样式。IGMH等值面图显示了两个氢键等值面域（蓝色）和范德华力等值面域（绿色）。如图10a、c所示，L-Thr、D-Thr与[Hmim][L-2-AbA]之间有两个氢键，其长度分别为1.69 和2.22 Å，以及1.56和2.02 Å。如图10e所示，L-Thr和[Hmim]2[L-MA]之间有三个氢键，其长度分别为2.01、2.21和2.37 Å。如图10g所示，D-Thr和[Hmim]2[L-MA]之间有四个氢键，其长度分别为1.68、1.92、2.31和2.38 Å。也就是说，氢键的数量越多，氢键的长度越短，说明CILs在相反手性的对映体上具有更强的氢键相互作用。IGMH等面图显示了与上述相同的结果。如图10b、d、f、h所示，D-Thr-[Hmim][L-2-AbA]或D-Thr-[Hmim]2[L-MA]上的蓝色IGMH表面结构域比L-Thr-[Hmim][L-2-AbA]或L-Thr-[Hmim]2[L-MA]上的更丰富，证明了CILs对Thr对映体的手性识别能力。
图11、(a) 不同循环次数下使用L-IL CM-0.3得到的产物产率。(b) 不同循环方式下CILs的回收率。
CILs的可重复使用至关重要。在添加速率为0.05 mL·min−1、种子浓度为20%的条件下，六次循环中CCM-0.3介导的产物产率和CILs的回收率如图11所示。[Hmim][L-2-AbA]和[Hmim]2[L-MA] CM-0.3循环六次后，产率分别从24.36%下降到20.09%，从27.47%下降到23.29%（图11a），CILs的平均回收率接近96.5%（图11b），说明CILs具有持续有效的分离能力，可重复使用。
综上，作者制备了[Hmim][L-2-AbA]、[Hmim][D-2-AbA]、[Hmim]2[L-MA]和[Hmim]2[D-MA]四种新型CILs。用重量法测定了DL-Thr、D-Thr和L-Thr在不同ω的CCM中的摩尔分数溶解度。Thr和CCM的三元相图存在不对称性，其中eeeut值对温度敏感。CCM-0.3更倾向于抑制相反手性的对映体晶体的成核，导致相同手性的对映体晶体优先成核。他们还通过QM模拟、IGMH等面图描述了CILs与Thr之间的相互作用。CCM作为一种新型手性溶剂，对提高外消旋物的直接结晶拆分效果、产率具有重要意义。
文字 孟馨玥
审核 叶曦翀
参考文献：DOI: 10.1021/acs.cgd.3c00364
https://doi.org/10.1021/acs.cgd.3c00364
