【Original】如何测定手性化合物的光学纯度(一)

如何测定手性化合物的光学纯度——比旋光度(o.p.)的测定

手性分子能够把平面偏振光旋转到一定的角度，各对映体使其数值相同但方向相反，这种性质即光学活性。若是消旋体，两个异构体的量刚好相等，表现出来的却是无光学活性。同样，如果一个对映体的量超过了另一个，该手性化合物就有可能显示出光学活性。测定手性分子各对映异构体的组成（相对含量），对于开展不对称催化、手性药物合成等方面的研究具有十分重要的意义。对映体的纯度是手性质控的重要指标，可以通过测定旋光度/比旋度来反映对映体的光学纯度。

什么是光学纯度？

光学纯度（optical purity）是衡量旋光性样品中一个对映体超过另一个对映体的量的量度。若一个纯的光学活性物质是100％的一种对映异构体，那么一个外消旋体的光学纯度则为0。如某旋光性样品是由一个对映体R-和S-异构体组成，R-异构体含量为30％，S-异构体的含量为70％，其光学纯度则为40％。样品中有多余40％的S-异构体，而样品中有60％是外消旋体。

如何测量旋光度？

可以用旋光仪来测定旋光性物质的旋光度和旋光方向。旋光仪主要由一个钠光源、两个尼科尔棱镜和一个盛有测试样品的盛液管组成(见图2.28)。普通光先经过一个固定不动的棱镜(起偏镜)变成偏振光，然后通过盛液管、再由一个可转动的棱镜(检偏镜)来检验偏振光的振动方向和旋转角度。若使偏振光振动平面向右旋转，则称右旋；若使偏振光振动平面向左旋转，则称左旋。


1.JPG

光活性物质的旋光度与其浓度、测试温度、光波波长等因素密切相关。但是，在一定条件下，每一种光活性物质的旋光度为一常数，用比旋光度[α]表示：

2.jpg
   
其中，α为旋光仪测试值；c为样品溶液浓度，以lmL溶液所含样品克数表示；l为盛液管长度，单位为dm；λ为光源波长，通常采用钠光源，以D表示；t为测试温度。如果被测样品为液体，可直接测定而不需配成溶液。求算比旋光度时，只要将其相对密度值(d)代替上式中的浓度值(c)即可：

3.jpg
除了比旋光度外，还可用光学纯度、左旋和右旋对映体的百分含量以及对映体过量值(Enantiomer Excess，缩写为e．e．)等来反映光活性物质的纯度。
若设S为旋光异构体混合物中的主要异构体含量，R为其对映异构体含量，则对映体过量e．e．值用下式计算：

4.jpg

若设(-)对映体光学纯度为X%，则


5.jpg

光学纯度(P)定义为：实测产物比旋光度与光学纯标准对照品的比旋光度之比

6.jpg

例如，已知样品(S)-(-)-2-甲基丁醇的相对密度 =0.8，在20 cm长的盛液管中，其旋光测定值为-8.10，且其标样 =-5.8(纯)，则有：


7.jpg





使用旋光仪测定手性分子对映体组成是一种传统和常规的方法，其突出特点在于：
1.        操作简便快捷，方法通用性好，可快速反映化合物对映体纯度。
2.        结合文献资料，对于确定化合物R- or S-构型简洁有效，经济实惠而不可缺少。
3.        对映体杂质，特别是某些大比旋光度杂质往往能显著影响旋光度的测定结果。在测定方法一致的情况下，这是判断药物纯度、监测不对称合成反应（原料与产物的旋光度差别较大或者方向相反的情况下）的一个直观而有效的方法。

比旋光度法也有其先天的局限性：
1.        对多手性中心化合物的光学纯度尚无法十分准确地测定。
2.        旋光度的测量或光学纯度的测定受到诸多因素的影响，如偏振光波长及溶剂、溶液的浓度、温度等，最重要的是，测量值会受到具有大比旋值的杂质的显著影响（成也萧何，败也萧何！）；
3.        受溶剂影响：化合物残留溶剂种类和含量的不同，或者用于测量的溶剂种类不同，有可能对测定结果产生明显影响；同一旋光性物质用不同溶剂、不同pH测定时，由于缔合、溶剂化和解离情况不同而使比旋度变化，甚至改变旋光方向。
4.        需要相对多的样品量(对于小分子化合物，需用量约20mg），同时化合物的旋光值必须足够大以获得可靠的数值。

旋光测定注意事项：
由于旋光仪的测量受到上述诸多因素影响，因此测定时要求：
1、        被测样品要尽量处理干净——脱盐、除溶剂、排除具有较大旋光度杂质存在的可能。
2、        被测样品需严格称量，定量溶解，尽量获得纯的产物做对照。
3、        测量时室内温度尽量保持恒定。

特别提醒，用旋光法测定的对映体纯度应由另外一种独立的方法加以确认。手性色谱法测定对映体过量值已经被实践所证实为最可靠的方法。关于手性色谱法测定e.e.值的攻略，下次详细讲解。哈哈o(∩_∩)o…哈哈