1. 手性定义

手性化合物（chiral compounds）是指分子结构完全相同，但左右排列相反，如实物与其镜中的映体。就像人的左右手，它们结构相同，大姆指至小指的次序也相同，但顺序不同，左手是由左向右，右手则是由右向左，所以这种现象称之为“手性”。一对手性分子，它们互为镜像，但不能重叠。所有的手性分子都具有光学活性，同时所有具有光学活性的化合物分子，都是手性分子。化合物分子的手性是产生旋光性的充分且必要条件。旋光性的定义是，当光通过含有某物质的溶液时，如果经过此物质的偏振光平面发生旋转，则称该物质具有旋光性。关于偏振光，将在偏光显微镜的介绍中具体阐述。

手性是宇宙间的普遍特征，体现在生命的产生和演变过程中。例如，自然界存在的糖以及核酸、淀粉、纤维素中的糖单元，都为D-构型；地球上的一切生物大分子的基元材料α-氨基酸，绝大多数为L-构型；蛋白质和DNA的螺旋构象是右旋的；而且人们还发现，海螺的螺纹和缠绕植物也都是右旋的。面对这充满手性的自然界，人们不断发现，生物体内也存在着手性环境。作用于生物体内的药物及农药，其药效作用多与它们和体内靶分子间的手性匹配和手性相关。因此，手性药物和手性农药的研究就尤为重要。在用于治疗疾病的药物中，有许多是手性药物。而手性药物的不同对映异构体，在生理过程中会显示出不同的药效。尤其是当手性药物的一种对映异构体对治疗有效，而另一种对映异构体表现为有害性质时，情况更为严重。

20世纪60年代的“反应停（Thalidomide）”悲剧就是一个突出的例子。之后的研究发现，消旋体“反应停”中，只有它的(R)-异构体有镇静作用，而它的(S)-异构体则是具有致畸作用的。惨痛的教训使人们认识到，手性药物必须对它的两个异构体分别进行考察，慎重对待。一些药物的另一对映异构体，表现有不良作用的例子还很多。因此，手性药物越来越受到人们的关注并在新上市的药物中占有很大比例。2016 年至2017 年8 月31日, 美国FDA 批准的53 个新药中, 新分子实体（new chemical entity，NCE）药物有34 个, 其中22 个为单一光学活性的手性药物。

目前, 获得手性化合物的方法主要有以下三种：手性源合成、手性催化、手性拆分。其中, 手性拆分经济易行、操作简便、易于实现工业化生产。本文主要介绍通过晶体学手段进行手性拆分。在介绍晶体学方法进行手性拆分前，先介绍几个与手性相关的名词定义。

2. 手性相关的几个定义

对映异构体：一对对映异构体（Enantiomer）是一对在空间上不能重叠的镜像异构体，即手性分子。

外消旋体：一对对映体的等量混合物称为外消旋体(racemic mixture 或 racemate)。通常用(±) 或dl 表示。外消旋体是混合物。一对对映体具有相同的熔点、沸点、密度、pKa, 两者的比旋光度大小相等，方向相反。外消旋体的物理性质与单一对映体有些不同，它不具有旋光性，熔点、密度和溶解度等常有差异。但沸点、pKa与纯对映体相同。

非对映异构体：彼此不成镜像关系的立体异构体互为非对映异构体（diastereoisomer）。非对映体具有不同的物理性质，如沸点、溶解度、旋光性等都不相同。两个含有多个手性碳原子的手性化合物，如果它们除一个手性碳原子的构型不同，其他结构完全相同，则它们彼此为差向异构体。差向异构体是一种非对映异构体。

内消旋化合物：部分有机分子虽然有手性中心，但由于手性中心的数量及连接方式不同，作为分子整体来说是非手性的，这样的物质为内消旋化合物（meso compound）。内消旋化合物是纯净物，不具有旋光性。

通常认为，对于一对对映异构体来讲，除了各自的旋光方向相反、强度相等外，其他物理性质应该相同，这也就造成了所构成的外消旋体的物理性质完全相同。但是实际情况并不完全一样，对映异构体之间存在着相互作用的影响，这种影响在稀溶液和气相的情况下可以忽略不计，但在固态、纯溶液、浓溶液的情况下，这种影响还是比较大的。特别是在固态条件下，由于晶态外消旋体分子之间分子间作用力的影响，造成了以下一些特殊的情况。

外消旋混合物:外消旋混合物（racemic mixture）又称为聚集体（conglomerate），指两个相反构型纯异构体晶体的混合物，在结晶过程中外消旋物的两个异构体分别各自聚结、自发地从溶液中以纯结晶的形式析出，如下图所示。产生的主要原因是由于两个不同构型对映异构分子之间的作用力小于同构型分子之间的作用力，结晶时只要其中一个构型的分子析出结晶，在它的上面就会有与之相同构型的结晶增长上去，分别长成各自构型的晶体。形成等量的、两种相反构型晶体的混合物。这种聚集体也具有不对称的习性，各自的结晶体都呈现互为镜像关系。外消旋混合物的性质和一般混合物的性质相似，其熔点低于单一纯对映异构体，溶解度大于单一纯对映异构体。

外消旋化合物：外消旋化合物（racemic compound）指两种对映异构体以等量的形式共同存在于晶格中，形成均一的结晶，如上图所示。产生的主要原因是由于两个不同构型对映异构分子之间的作用力大于同构型分子之间的作用力，结晶时两个不同构型对映异构分子等量析出，共存于同一晶格中。其形成机理与组成方式与共晶极为相似，可以看做是一种特殊的共晶。由于分子间的相互作用增强，其熔点通常比纯的对映体高，有尖锐的熔点。外消旋化合物的其他物理性质也与组成它的纯对映体的物理性质不同，其熔点处于熔点曲线的最高点，当向外消旋化合物中加入一些纯的对映体时，会引起熔点的下降。固态的红外光谱也会有所差异。

假外消旋体：假外消旋体（pseudoracemate）是外消旋化合物的一种特殊情况，在假消旋体中两种对映异构体以非等量的形式存在晶格中，形成的是一种固体溶液，也称为外消旋固体溶液（solid solution）。产生的主要原因是由于同构型分子之间与相反构型分子之间的作用力差别不大，时两种构型的分子以任意比例相互混杂析出。其熔点曲线是凸形或凹形的，理想的情况下是一条直线。假外消旋体的物理性质与纯对映异构体基本相同。但在实际应用过程中，假外消旋体的情况是比较少见的。在绝大多数情况下（90%）得到的是外消旋化合物，少数情况下（5-10%）会得到外消旋混合物，而固体溶液的概率是最低的，低于5%。

区分外消旋化合物、外消旋混合物和假外消旋体的常用方法有：①红外光谱法（IR）；②粉末X射线衍射法（XRPD）；③差热分析法（DSC）。由于外消旋化合物是两种对映异构体以等量的形式共同存在晶格中，因此其红外光谱、XRD衍射峰、DSC曲线与纯对映异构体相比都有较大的差别；而外消旋混合物的晶格中只含有一个构型的分子，其红外光谱、XRD衍射峰、DSC谱图与纯对映异构体无显著差异。特别是外消旋化合物的DSC谱图中，熔化潜热几乎是单一对映异构体的1倍。

利用溶解度曲线和熔点也可以区分外消旋化合物、外消旋混合物和假外消旋体。当将外消旋体和任一纯对映异构体混合时，由于外消旋混合物具有混合物的性质，混合后的熔点会升高；而外消旋化合物混合后的熔点会降低；假外消旋体的混合熔点则没有显著变化。这是由于外消旋混合物具有混合物的特点，而假外消旋体属于外消旋固体溶液的缘故。

在外消旋化合物、外消旋混合物和假外消旋体各自的饱和溶液中，加入任一纯对映异构体结晶后，对外消旋混合物和假外消旋体溶液，结晶不溶解；而外消旋化合物的饱和溶液中结晶会溶解，并产生旋光。

3. 手性表示方法

绝对构型（Absolute Configuration）表示手性分子中各个基团在空间的真实排列关系，即绝对的空间关系。一个化合物，当其结构式按规定所表达的立体结构，与该化合物分子的真实的立体结构一致时，这种立体结构的构型即为绝对构型。绝对构型是对空间的原子排列的手性分子实体（或组）及其立体化学的描述。

当一个构型式按规定表达一个立体异构体时，若确定的立体异构体的真正构型与构型式所表达的构型相同时，则这种构型式所表示的构型称为绝对构型。绝对构型的标记是英果尔和凯恩确立的，以手性碳原子所连接的基团在空间不同方向上的排布为特征的构型标记法，即R、S构型标记法。R、S构型可以通过下面的方法进行判断。

（1）当最小基团投影到横键上时,其他三个基团由大到小的顺序是顺时针为S构型,逆时针为R构型。

（2）当最小基团投影到竖键上时,其他三个基团由大到小的顺序是顺时针为R构型,逆时针为S构型。

（3）基团大小比较方法按照次序规则进行比较.比较直接连接原子的原子序数,原子序数大就是大基团,若直接连接的原子原子序数相同,接着往下比,看与该原子连接的原子的原子序数的大小,若遇到不饱和键,双键就看成两次与该原子连接,三键就看成三次与该原子相连。

（4）对于空间结构来说,最小基团放在视野的最远方,其他三个基团朝向观察者,基团由大到小顺时针为R构型,逆时针为S构型。

相对构型：以甘油醛的构型为参照标准而确定的构型称为相对构型（relativeconfiguration）。相对构型以D−L构型标记法标记(D和L来自拉丁文dexter和laevus，分别表示右和左)。如下图所示，相对构型表示法中指定：左边代表右旋甘油醛，－OH在手性碳原子的右边，这种构型被定为D－型；右边代表左旋甘油醛，－OH在手性碳原子的左边，被定为L-型。因此右边是D-（＋）-甘油醛，左边是L-（－）-甘油醛。D和L分别表示构型，而（＋）和（－）则表示旋光方向。这样的规定，可能完全符合事实，也可能与事实相反。必须注意构型和旋光方向没有一定关系，从上式可以看出，D-甘油醛是右旋的，而D-乳酸却是左旋光的。对于一对对映体而言，如果D-型是左旋体，那么L-型一定是右旋体。反之也如此。通过像上面所说的化学方法确定的构型，是以甘油醛人为指定的构型为标准的，并不是直接测定出来的，所以称为“相对构型”。至于两种甘油醛的“绝对构型”（真正的构型），直到20世纪50年代初才得到解决。1951年，毕育特（Bijvoet）利用特种χ射线结晶法，直接确定了右旋酒石酸铷钠的绝对构型，证实了它的相对构型就是绝对构型。因而也证实了过去任意指定的甘油醛的构型也正是它们的绝对构型。这样一来，相对标准变成了绝对标准。凡用甘油醛为标准所确定的旋光化合物的相对构型，也就是它们的绝对构型。D、L-构型表示法有其局限性，只适用于有一个手性碳原子化合物。对于含多个手性碳原子的化合物就难于表示。但由于习惯的原因，目前在糖和氨基酸类物质中仍较普遍采用。

4. 通过晶体学方法进行手性拆分

（1）通过结晶进行手性拆分

结晶法具有操作简单、产品纯度高、易于实现工业化生产的优点, 缺点是适用于结晶拆分的化合物较少。过去认为, 适合于结晶拆分的化合物应为外消旋混合物(conglomerate), 而外消旋混合物在所有晶体外消旋体中仅占5%～10%。但优先富集现象的发现, 打破了这一传统观念。结晶拆分不依靠外来手性源, 通过外消旋体自发结晶实现拆分, 包括机械拆分外消旋混合物、优先结晶、优先富集、结晶诱导的去外消旋化和消磨诱导的去外消旋化等。其中结晶与手性位点外消旋化的结合, 利于提升拆分效率、节约生产成本, 相信会有巨大的应用前景。

优先结晶（Preferential crystallization）是向外消旋混合物的过饱和溶液中加入单一对映体的晶种，诱导该对映体优先结晶析出, 实现拆分。所以，优先结晶也称之为晶种法。该方法的优点是不需要加入外源手性拆分剂, 易于实现规模化生产。优先结晶拆分的前提条件是底物具备外消旋混合物的性质, 即同手性作用大于异手性作用。因此，若要选择优先结晶拆分方法, 应首先研究底物的理化性质 (熔点、溶解度、晶型等), 判断是否属于外消旋混合物。一般认为外消旋混合物只占所有外消旋晶体的5%～10%, 但Otero-de-la-Roza等通过对晶体数据库中的大量外消旋晶体进行理论计算后, 发现热力学稳定的同手性晶体占总测试样品的19%。这预示着外消旋混合物在所有外消旋晶体中的实际比例可能更高。下图为外消旋混合物和外消旋化合物的相图。

Xinhui Zhou报道了超声以及晶种对DL-glutamic acid手性拆分的影响。实验将0.5 g DL-glutamic acid (DL-Glu) 溶解在10mL去离子水中，加热至65°C直至全部溶解。然后在室温下超声(40 kHz, 50 W)。当溶液有轻微的浑浊，则停止超声。将该混悬液置于30 °C环境下，12h后得到片状晶体。而没有经过超声的溶液得到棱状晶体，如下面左图所示。通过XRPD分析，超声得到的是外消旋混合物，而未超声得到的是外消旋化合物。这表明超声对于手性化合物的结晶方式有很大影响。

通过多次实验发现，通过超声得到的晶体中某一对映异构体过量的几率只有50%，如下面左图所示。而如果在结晶时溶液中加入少量L或D构型的晶种，则ee值可以达到22% - 37%。

优先富集（Preferential Enrichment）是具有外消旋化合物性质的非外消旋体在过饱和溶液中动力学析晶, 形成亚稳态晶体, 在向热力学稳定的晶型转化的过程中, 部分位于不规则排列区域的晶体溶于母液, 使母液具有较高的ee 值。优先富集应满足以下要求: ①单一立体异构体的溶解度远大于外消旋体的溶解度;②结晶过程中发生固−固多晶型转化; ③多晶型转化前后具有不同的晶体结构; ④在晶型转化过程中产生不规则晶体; ⑤热力学稳定的非外消旋晶体能够保留结晶过程中发生的对称性破缺的痕迹。

Rajesh G. Gonnade等人报道了(DL)-Phenylalanine/富马酸共晶在非平衡条件结晶下的优先富集现象。将富含D构型（ee= 0.4%）的共晶在加热条件下溶解于水。将该过饱和溶液放置于5°C的冰箱中数天，得到共晶晶体。通过蒸发结晶得到更高ee值得晶体（48.8% ee）。用同样的方法对富含L构型（2.8% ee）的共晶进行操作。得到的是富含D构型的共晶（3.7%ee），但是母液中的L构型得到富集。蒸发结晶后得到富含L构型（73.5% ee）的共晶。同样的操作进行5次后，分别得到较高ee值得母液（85.2%和84.5%）。

（2）通过成盐进行手性拆分

成盐拆分法利用外消旋体与某一手性试剂(又称为拆分剂) 进行反应所生成的2 种非对映异构体盐或其他复合物的溶解性能方面的差异，实现非对映异构体的分离，最后通过采用化学方法将手性试剂移除，最终获得单一目标对映体。用公式描述上述过程即为: D，L + 2R* = DR* ↓ +LR*溶液中( R* 为手性拆分剂) 。1853 年，Pastrure对该种拆分方法进行了全面概括，同时指出，其在具有酸碱性的外消旋体的拆分方面具有明显的优势，但也存在一定的局限性。拆分过程中使用的手性试剂是拆分成功与否的关键。合适的拆分剂应具备以下条件: ( 1) 必须容易与外消旋体中的2 个对映体结合生成非对映异构体，经拆分后又容易实现原对映体化合物的再生; ( 2) 反应得到的非对映异构体至少其中之一能形成较好的结晶; ( 3) 拆分剂应尽可能具有较高的旋光纯度; ( 4) 拆分剂必须廉价易得，或可易于回收。常见的酸性拆分剂有酒石酸(TA) 及其衍生物，如: 二苯甲酰酒石酸(DBTA)、二对甲苯甲酰酒石酸(DTTA)、扁桃酸、苹果酸等。常用的手性有机碱拆分剂包括辛可宁、辛可尼丁、苯乙胺等。

如下图所示，先通过与L-(+)-tartaric acid成盐对中间体进行拆分，得到单一构型的酒石酸盐。然后再通过与氢氧化钠反应得到游离碱，再与盐酸反应得到盐酸盐。这是比较常规的手性拆分方法，可用于工业化生产。

（3）通过共晶进行手性拆分

通过成盐进行手性拆分是比较常用的手段，但该方法也有一定的局限性。如果化合物不具有能够成盐的位点或者酸性、碱性太弱，则不能成盐。此时，共晶可以作为成盐的补充。通过共结晶（co-crystallization）的方式进行手性拆分有两个策略。手性化合物形成的主体基质，形成的腔体只对目标分子的其中一种对映异构体具有选择性。第二种就是目标化合物的对映异构体和一种对映异构体试剂（如L-malic acid, L-mandelic acid, L-lactic acid, L-tartaric acid等）形成具有两种组分的晶体结构。这样可能会出现两种情况：（1）对映异构体试剂和只和目标化合物的其中一种对映异构体形成共晶；（2）与两种对映异构体都形成共晶。无论是第一种还是第二种情况，得到的共晶的晶格能及物理化学性质（溶解度、熔点等）都会发生变化，这就可以使它们分离。

Praziquantel是一种手性药物，两种构型分别用R-PZQ和S-PZQ表示。PZQ可以和L-malic acid形成共晶。R-PZQ:L-MA和S-PZQ:L-MA具有不同的溶解性。尤其在acetone, ethyl acetate, 和chloroform中它们的溶解度不同。将1.00 g RS-PZQ 和0.43g L-MA加入至沸腾的乙酸乙酯中，得到460 mg R-PZQ:L-MA。因为L-MA是没有毒性的，所以R-PZQ:L-MA共晶也可以用于制剂。而R-PZQ:L-MA在水中打浆可以得到R-PZQ的半水合物，从而将共晶中的L-MA移除，实现手性分离。

溶液法是制备共晶最常用的方法，但是由于溶剂的介入，使问题变得复杂，必须考虑API和Coformer的溶解度。共晶也可以通过机械研磨（Mechanochemical milling）得到。液体辅助的研磨（liquid-assisted grinding, LAG）技术避免了在溶液体系中因拆分剂与底物溶解度的差异而无法得到热力学稳定的共晶, 从而提高了寻找适合形成共晶的拆分剂的效率。如下图所示，外消旋的malic acid (DL-malic acid)和L构型的tartaric acid通过研磨可以得到D-ma: L-ta和 L-ma : L-ta两种共晶的混合物。通过它们之间溶解度的区别，找到合适的溶剂就可以实现它们的分离。而如果是L-malic acid，则不能和DL-tartaric acid通过研磨法得到共晶。这可能是因为DL-tartaric acid具有较高的熔点，具有最低的晶格能，因此不能向共晶转化。而DL-malic acid熔点较低，稳定性低于共晶，所以能够形成共晶。