【Original】如何測定手性化合物的光學純度(一)

如何測定手性化合物的光學純度——比旋光度(o.p.)的測定

手性分子能夠把平面偏振光旋轉到一定的角度，各對映體使其數值相同但方向相反，這種性質即光學活性。若是消旋體，兩個異構體的量剛好相等，表現出來的卻是無光學活性。同樣，如果一個對映體的量超過了另一個，該手性化合物就有可能顯示出光學活性。測定手性分子各對映異構體的組成（相對含量），對于開展不對稱催化、手性藥物合成等方面的研究具有十分重要的意義。對映體的純度是手性質控的重要指標，可以通過測定旋光度/比旋度來反映對映體的光學純度。

什么是光學純度？

光學純度（optical purity）是衡量旋光性樣品中一個對映體超過另一個對映體的量的量度。若一個純的光學活性物質是100％的一種對映異構體，那么一個外消旋體的光學純度則為0。如某旋光性樣品是由一個對映體R-和S-異構體組成，R-異構體含量為30％，S-異構體的含量為70％，其光學純度則為40％。樣品中有多余40％的S-異構體，而樣品中有60％是外消旋體。

如何測量旋光度？

可以用旋光儀來測定旋光性物質的旋光度和旋光方向。旋光儀主要由一個鈉光源、兩個尼科爾棱鏡和一個盛有測試樣品的盛液管組成(見圖2.28)。普通光先經過一個固定不動的棱鏡(起偏鏡)變成偏振光，然后通過盛液管、再由一個可轉動的棱鏡(檢偏鏡)來檢驗偏振光的振動方向和旋轉角度。若使偏振光振動平面向右旋轉，則稱右旋；若使偏振光振動平面向左旋轉，則稱左旋。


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光活性物質的旋光度與其濃度、測試溫度、光波波長等因素密切相關。但是，在一定條件下，每一種光活性物質的旋光度為一常數，用比旋光度[α]表示：

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其中，α為旋光儀測試值；c為樣品溶液濃度，以lmL溶液所含樣品克數表示；l為盛液管長度，單位為dm；λ為光源波長，通常采用鈉光源，以D表示；t為測試溫度。如果被測樣品為液體，可直接測定而不需配成溶液。求算比旋光度時，只要將其相對密度值(d)代替上式中的濃度值(c)即可：

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除了比旋光度外，還可用光學純度、左旋和右旋對映體的百分含量以及對映體過量值(Enantiomer Excess，縮寫為e．e．)等來反映光活性物質的純度。
若設S為旋光異構體混合物中的主要異構體含量，R為其對映異構體含量，則對映體過量e．e．值用下式計算：

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若設(-)對映體光學純度為X%，則


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光學純度(P)定義為：實測產物比旋光度與光學純標準對照品的比旋光度之比

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例如，已知樣品(S)-(-)-2-甲基丁醇的相對密度 =0.8，在20 cm長的盛液管中，其旋光測定值為-8.10，且其標樣 =-5.8(純)，則有：


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使用旋光儀測定手性分子對映體組成是一種傳統和常規的方法，其突出特點在于：
1.        操作簡便快捷，方法通用性好，可快速反映化合物對映體純度。
2.        結合文獻資料，對于確定化合物R- or S-構型簡潔有效，經濟實惠而不可缺少。
3.        對映體雜質，特別是某些大比旋光度雜質往往能顯著影響旋光度的測定結果。在測定方法一致的情況下，這是判斷藥物純度、監測不對稱合成反應（原料與產物的旋光度差別較大或者方向相反的情況下）的一個直觀而有效的方法。

比旋光度法也有其先天的局限性：
1.        對多手性中心化合物的光學純度尚無法十分準確地測定。
2.        旋光度的測量或光學純度的測定受到諸多因素的影響，如偏振光波長及溶劑、溶液的濃度、溫度等，最重要的是，測量值會受到具有大比旋值的雜質的顯著影響（成也蕭何，敗也蕭何！）；
3.        受溶劑影響：化合物殘留溶劑種類和含量的不同，或者用于測量的溶劑種類不同，有可能對測定結果產生明顯影響；同一旋光性物質用不同溶劑、不同pH測定時，由于締合、溶劑化和解離情況不同而使比旋度變化，甚至改變旋光方向。
4.        需要相對多的樣品量(對于小分子化合物，需用量約20mg），同時化合物的旋光值必須足夠大以獲得可靠的數值。

旋光測定注意事項：
由于旋光儀的測量受到上述諸多因素影響，因此測定時要求：
1、        被測樣品要盡量處理干凈——脫鹽、除溶劑、排除具有較大旋光度雜質存在的可能。
2、        被測樣品需嚴格稱量，定量溶解，盡量獲得純的產物做對照。
3、        測量時室內溫度盡量保持恒定。

特別提醒，用旋光法測定的對映體純度應由另外一種獨立的方法加以確認。手性色譜法測定對映體過量值已經被實踐所證實為最可靠的方法。關于手性色譜法測定e.e.值的攻略，下次詳細講解。哈哈o(∩_∩)o…哈哈