Kozma Dávid
Optikai izomerek elválasztása

Tisztelt Elnök Úr, Tisztelt Hallgatóság!
Előadásom címe Optikai izomerek elválasztása, mely alatt jelen előadásban a diasztereomer képzésen alapuló preparatív léptékű elválasztásokat, azaz a reszolválást értem.
Közel 25 éve foglalkozom reszolválással, Fogassy Elemér kutató csoportjában és bár a folyamat többé-kevésbé még ma is a Pasteur által több mint 150 éve kidolgozott utat követi az elmúlt több mint két évtizedben, számos jelentős előrelépés, felismerés történt ezen a területen. Jelen előadásomban ezeket próbálom összefoglalóan bemutatni.
A szén négy vegyértékéből következik, hogy ha négy különböző szubsztituens kapcsolódik hozzá, két elrendezés válik lehetővé és így két egymással tükörképi viszonyban lévő izomer képződik a szimmetrikus szintézisek során. Az élő szervezetek azonban aszimmetrikusak, így különböző képen reagálnak az enantiomerekkel, biológiai hatás rendszerint így csak egyikükhöz kapcsolódik.
A reszolválás a következő fő műveleti lépésekre osztható: a diasztereomer képző ágens kiválasztása, a diasztereomerek létrehozása, elválasztása és a kiindulási anyagok visszanyerése.
A diasztereomer-képzés talán legfontosabb tényezője a reszolváló ágens kiválasztása. Feltételezhető, hogy az optimális reszolváló ágens minden egyes racemáthoz más és más, az ideális szerkezetű reszolváló ágens alkalmazásakor a racemát két enantiomerjével képzett két diasztereomer fizikai tulajdonságai a legnagyobb mértékben eltérőek. Két évtizeddel ezelőtt azt reméltük, hogy a számítástechnika olyan gyorsan fog fejlődni, hogy rövidesen számítható, tervezhető lesz az ideális reszolváló ágens szerkezete. Sajnos ezen a téren nem tudok lényeges előrelépésről beszámolni. De lehetséges, hogy amennyiben az ideális szerkezetű reszolváló ágens képletét meg tudnánk határozni, az sem sokat segítene gyakorlati problémák megoldásában, mert esetleg olyan bonyolult lenne, hogy előállítása többe kerülne, mint a racemát előállítása, illetve esetleg egyéb tulajdonságai, mint pl. bomlékonyság, mérgező hatás tenné lehetetlenné a gyakorlatban használatát.
Mi tehát a megoldás? A reszolváló ágenseket kénytelenek vagyunk a rendelkezésre álló királis vegyületek köréből kiválasztani. A kiválasztás történhet próba-szerencse alapon, kísérleti úton. Ehhez nemcsak hogy nagyszámú reszolváló ágenssel kell rendelkezzünk, de miután miden potenciális reszolváló ágens esetén több potenciális oldószer kipróbálása is célszerű, ezért jelentős a munka és anyagigény.
Hogyan lehetséges kiválasztani a reszolváló ágenst minél kevesebb munka- és anyagráfordítással? Itt el kell választani a kérdést attól függően, hogy rendelkezünk-e a tiszta enantiomerekkel vagy sem.
Amennyiben rendelkezünk a tiszta enantiomerekkel, akkor létre lehet hozni a tiszta diasztereomereket és vizsgálni ezek fiziko-kémiai tulajdonságait.
Amennyiben csak az egyik diasztereomer állítható elő szilárd formában, míg a másik nem kristályos vagy amorf, az jó jelzése a jelentős fiziko-kémiai tulajdonságokban megmutatkozó különbségnek. Amennyiben az egyik diasztereomer szolvatált formájú, úgy akkor is hatékony elválasztás várható, tekintettel a szolvatált és a szolvatálatlan forma közötti nyilvánvaló különbségre.
Amennyiben mindkét diasztereomer szilárd, úgy legcélszerűbb az oldhatóság-különbségüket vizsgálni különböző oldószerekben vagy ennél lényegesen egyszerűbb, gyorsabb az olvadáspont-különbségüket mérni, mely arányos az oldhatóság-különbséggel.
Amennyiben csak a racemáttal rendelkezünk, az abból különböző potenciális reszolváló ágensekkel képzett diasztereomer-keverék DSC-vizsgálatával lehet következtetni a reszolválás eredményességére, mivel hatékony reszolválás akkor várható, ha az itt bemutatotthoz hasonló eutektikus rendszerrel van dolgunk.

Nem teljes mértékben igaz azonban az, hogy feltétlenül a meglévő reszolváló ágensek közül kell kiválasztani a reszolváló ágenst. Racemátok körében megfigyelhető, hogy a két, egymásra szimmetrikus enantiomer legtöbbször 1:1 arányú, rendkívül stabil racém molekulavegyületet képez. Megfigyelhető továbbá az is, hogy a racemáttal rokon szerkezetű reszolváló ágensekkel hatékony reszolválást lehet elérni és mindig az ellentétes kiralitású enantiomerekből képzett diasztereomer a stabilabb. Ez azzal magyarázható, hogy a két hasonló szerkezetű vegyület egy energetikailag kedvező 1:1 racém molekulavegyület képzésére törekszik, melyet ez esetben „quasi racemát”-képződésnek nevezhetünk. Ez a felismerés a gyakorlatban is használható következménnyel jár, nevezetesen: a reszolválás során nem kívánatos izomerből képzett származék alkalmas lehet reszolváló szernek.
A reszolválást legtöbbször frakcionált kristályosítással végzik, tehát a komponenseket oldatban reagáltatják és szilárd-folyadék fázisátmenettel választják szét, pedig számos egyéb lehetőség is kínálkozik. Érdemes ezeket részletesen számba venni, tekintettel arra, hogy a hagyományos módszerhez képest számos előnyt rejtenek. A fenti alternatív elválasztási módszerek közül több igen hatékony elválasztást tesz lehetővé, várható akár ipari alkalmazásuk is.
A reszolválást rendszerint diasztereomer sóképzéssel végzik, de idáig előadásomban próbáltam elkerülni a sóképzés kifejezést, mégpedig szándékosan, tekintettel arra, hogy mára már teljesen egyértelmű, hogy nem a sóképzésen, hanem diasztereomer-képződésen van a hangsúly. Ugyanazok az elválasztási elvek érvényesek mind a diasztereomer sóképzéses, mind a diasztereomer komplexképzéses reszolválásra is.
A komplexképzéses reszolválás elvileg sokkal általánosabb lehetőség, mint a sóképzéses, mivel nem igényel sóképzésre alkalmas csoportot. Egyes diasztereomer sóképzéshez használatos reszolváló ágensek alkalmasak komplexképzéses reszolválásra is, jelezvén, hogy nem az elsődleges, hanem a másod-, harmadrendű kölcsönhatások játszanak döntő szerepet a reszolválások során.

A dibenzoil-borkősav, az egyik leggyakrabban használt reszolváló ágens nemcsak bázisok reszolválására alkalmas sóképzéssel, hanem komplexképzéssel pl. alkoholok reszolválására is. Pl. a mentol eredményesen reszolválható dibenzoil-borkősavas komplexképzéssel. Ezen az ábrán három alternatív úton végrehajtott reszolválást mutatunk be. A transz-jód-ciklohexanol is reszolválható az itt bemutatott módszer szerint akár szilárd fázisú reakció keretében is. Érdekes megfigyelni az egymásra vetített komplex szerkezetekben, hogy a dibenzoil-borkősav konformációja gyakorlatilag változatlan a különböző alkoholokkal képzett komplexekben, az alkoholok hidroxilcsoportja pedig ugyanoda esik, míg hidrofób részeik is azonos térrészt foglalnak el.

Talán a legizgalmasabb kérdés, hogy milyen mechanizmussal megy végbe a reszolválás.
Az alapfeltevés az volt, hogy két tiszta diasztereomer képződik és ezek elválasztását kell csak megoldani. A tiszta diasztereomerek előállítása és vizsgálata választ kellett volna adjon a legfontosabb kérdésekre.
Mi is számos diasztereomer-párt hoztunk létre és vizsgáltunk fiziko-kémiai és szerkezet meghatározási módszerekkel. Még akkor is, amikor sikerült mindkét tiszta diasztereomer szerkezetét meghatározni, a szerkezeti különbségek nem minden esetben voltak összhangba hozhatóak a reszolválás eredményével. Ez alapján nyilván valóvá vált, hogy a tiszta sók szintetikus előállítása nem feltétlenül vezet ahhoz a termékhez, mely a reszolválás során ténylegesen képződik. Ezért áttértünk a reszolválás során keletkezett szilárd fázisok vizsgálatára. Röntgen por- és DSC-vizsgálatok arra a következtetésre vezettek, hogy a reszolválás során kivált – optikailag nem tiszta – diasztereomer-keverékek nem a két tiszta diasztereomer keverékei. Szinte minden reszolválás esetén más-más mechanizmusra utaló jeleket találtunk. Volt ahol nem egy-egy arányú molekulavegyület képződést lehetet feltételezni, máskor meg ettől is eltérő fázisok jelentek meg.

A ß-hidroxi-feniletilamin mandulasavas reszolválásakor kivált sóról sikerült egykristály röntgendiffrakciós felvételt is készíteni. Ami azonban leközölhetetlen lett, tekintettel, arra, hogy a szerkezetben közel azonos helyen a racemát mindkét enantiomerje megfigyelhető volt, amit a röntgendiffrakciós technika rendezetlenségnek lát. Sajnos nem ismerek olyan módszert, mellyel ezen „rendezetlen” képződmények szerkezete vizsgálható lenne.

Ezen tények alapján mindenesetre nyilvánvaló, hogy a reszolválás során nem egyszerűen a két tiszta diasztereomer elválasztása történik, hanem a reszolválás során kiváló szilárd fázisok valamilyen szupramolekuláris képződmények, melyekben nyilvánvalóan úgy kompenzálódik ki az enantiomer és a racemát közötti nem tökéletes illeszkedés, hogy a jelen lévő harmadik komponensből, a másik enantiomerből is épül be meghatározott mennyiség a kiváló szupramolekuláris diasztereomer asszociátumba.

Ez a magyarázata annak, hogy a reszolválás során a kikristályosodott fázis legtöbbször nem az egyik tiszta diasztereomert tartalmazza egymagában. Azt mondhatjuk, hogy a reszolválás során kapott két diasztereomer frakció nem egymással szennyezett két diasztereomer, hanem egy, az adott körülményekhez legjobban illeszkedő szupramolekuláris képződmény.

Holland kutatók azt találták, hogyha a reszolválás során nem egy reszolváló ágenst, hanem szerkezetileg nagyon hasonló reszolváló ágensek keverékét alkalmazzák, akkor a reszolválni kívánt racemát egyik enantiomerjét tiszta állapotban tartalmazó diasztereomer só válik ki, mely a reszolváló ágens keverék alkotó elemeit egy jól meghatározott, az adott racemát szerkezetétől függő összetételben tartalmazza. A szupramolekuláris megközelítés egyszerű magyarázattal szolgál a „holland reszolválásra”: a racemát-reszolválóágens illeszkedés tökéletlenségét a szerkezetileg hasonló reszolválószerek eltérő arányú beépülése kompenzálja, így a reszolválás során kivált só tiszta formában tartalmazza az egyik enantiomert, kapcsolódva az alkalmazott szerkezetileg hasonló reszolválószerek jól meghatározott összetételű csoportjával. Csak szerkezetileg nagyon hasonló vegyületek alkalmasak keverék reszolváló ágensnek, mert nagyobb különbség esetén az optimális térkitöltést adó, szükség szerint egymást helyettesítő elrendeződés már nem lehetséges.
A természet törvényei rendkívül egyszerűek, még akkor is, ha sokszor elveszve a részletkérdések szövevényében ez nem mindig nyilvánvaló.
A reszolválási folyamatok tanulmányozása is hasonló eredményre vezet, mint számos más terület vizsgálata, például a peptideké vagy a DNS-é: néhány alapvető, rokon szerkezetű vegyület kombinációja, együttes hatása beláthatatlan változatosságot, jól működő kémiai rendszert hoz létre.
A természeti törvények általános érvényességét joggal feltételezve, a holland reszolválást továbbgondolva egy biológiai, farmakológiai párhuzamára szeretném végezetül felhívni a figyelmet, mely jelen állapotában csak egy hipotézis, melynek igazát én kipróbálni nem tudom, de remélem, hogy esetleg valakinek felkelti érdeklődését és foglakozik vele.
Tehát, ha egy adott racemáthoz, tökéletesen illeszkedő reszolváló ágenst lehet létrehozni – a nem tökéletesen illeszkedő, egymáshoz nagyon hasonló szerkezetű reszolváló ágensek kombinációjával –, akkor feltételezhető, hogy egy, az élő szervezetben található receptorhoz többé-kevésbé illeszkedő gyógyszermolekula hatékonyságát, biológiai hatását jelentősen lehetne fokozni egymáshoz nagyon hasonló szerkezetű hatóanyagok egyidejű adagolásával. A hipotézis a gyakorlatban könnyen kipróbálható, tekintettel arra, hogy a gyógyszerkutatás során rokon szerkezetű vegyületeket rutinszerűen állítanak elő.