外消旋化

外消旋化是指一個純的光活性物質在體系中的一半量發生構型轉化的過程。

基本介紹

• 中文名：外消旋化
• 轉變前物質：旋光物質
• 轉變後物質：不旋光的外消旋體
• 性質：過程
• 學科：化學

定義

這種由純的光活性物質轉變為外消旋體的過程稱為外消旋化。如果構型轉化未達到半量，就叫部分外消旋化。

相關概念

外消旋體

外消旋體是一種具有旋光性（見旋光異構）的手性分子（見手征性）與其對映體的等摩爾混合物。它由旋光方向相反、旋光能力相同的分子等量混合而成，其旋光性因這些分子間的作用而相互抵消，因而是不旋光的。並且，雖然對映體的物理性質一般相同，但外消旋體的物理性質如熔點、溶解度等與對應的對映體性質常常是不相同的。外消旋體常用D，L-標記，如右圖所組成外消旋體的兩種分子除旋光方向相反外，其他物理、化學性質相同，外消旋體是由一個具有潛手性中心的分子在生成一個手性中心時的必然產物。

內消旋體

分子內含有不對稱性的原子，但因具有對稱因素而形成的不旋光性化合物。例如內消旋酒石酸分子內雖然含有兩個不對稱碳原子C，但由於它們具有對稱因素，一半分子的右旋作用被另一半分子的左旋作用在內部所抵消，因此是一個不旋光性化合物。內消旋體和對映體的純左旋體或右旋體互為非對映體。

過程

有些旋光性化合物在適當條件下，可發生50%些的構型轉化，即轉變成外消旋體。在此過程中，有一部分右旋分子轉變成左旋分子，或部分左旋分子變成右旋分子。這種轉變是同時相互進行的，直到原旋光性化合物的半數分子變成其對映體，並建立平衡而成為外消旋體。

舉例

旋光性化合物外消旋化的難易差別很大，有些必須在高溫下處理幾十小時才能發生外消旋化；有些在室溫不用加熱或催化劑，就能自行外消旋化。例如，手性碳原子上連有一個H和C=O的化合物很容易外消旋化，是因為酮型可能變成烯醇型。當酮型變成烯醇型時，分子就失去了手性，變成非手性分子，並且同在一個平面上。這個烯醇型（不穩定）再變成酮型，就有兩種可能性：可以變成原來的構型，也可以變成另外一種構型。這兩種變化的機會是相等的。因此，這種變化經過一定時間後，混合物就變成外消旋體。例如，α-甲基丁酸加熱時，它的旋光性逐漸消失，最後變成外消旋體：

這個平衡體系包括R-和S-異構體以及它們所通過的一個共平面的烯醇型中間體。這個烯醇型中間體是由手性碳原子上的氫轉移到羰基的氧原子上形成的。當氫從氧原子回到碳原子上時，它可以從烯醇型中間體所在平面（紙面）的後面加到雙鍵碳上得到原來的R-異構體。氫也可以從平面的前面加到雙鍵碳上得到S-異構體。氫原子回到原來碳原子上的這兩種途徑的機會是相等的，所以最後得到兩個等量的對映體，即外消旋體。如果手性碳上的氫原子被其他基團取代後，就很難發生外消旋化了。

從中藥（莨菪、曼陀羅等）中提制阿托品時，就要利用外消旋化。現將提制流程簡單說明如下：

2，3-二氯丁酸有兩個手性碳原子，其中只有一個能通過烯醇型發生構型的轉變，而另外一個的構型不變。在這種情況下所得到的就不是外消旋體，而是兩個非對映體的混合物。這兩個非對映體是互為C-2差向異構體，這種轉化過程叫做“差向異構化”（epimerization）。

外消旋體拆分

如果要從外消旋體的一對對映體中分離出其中之一，必須經過拆分的步驟。

1、通過化學反應：拆分劑，如常用的光活性鹼包括奎寧、馬錢子鹼等，光活性酸則包括酒石酸、樟腦磺酸等。

2、酶解

3、晶種結晶

4、柱色譜

用物理、化學或生物的方法將一外消旋體拆分為純的左旋體和右旋體的過程。拆分的方法有：

① 手工或機械法,如果對映體為呈明顯的物體與鏡像關係的半面體結晶時，可用手工方法將這兩種晶體分開，例如外消旋酒石酸鈉銨。

② 播種法，在外消旋體的過飽和溶液中,播入其中一個純的對映體晶種，會導致這一對映體結晶析出，而在母液中留下另一對映體。在工業生產上，這一方法具有工藝簡便、成本低廉的特點。

③生物法,某些微生物能有選擇地將一對對映體中的一個加以破壞或消化掉，從而剩下另一異構體。這也是工業生產中常用的方法，產物的旋光純度很高。

④ 選擇吸附法，利用某些光學活性物質作吸附劑，有選擇地吸附外消旋體中的一個對映體，達到拆分的目的，例如各種色譜法，其中包括離子色譜法，特別是配位離子交換法等。

⑤ 某些物理方法，例如,用一定波長的圓偏振光照射某些外消旋體時，能將其中一個對映體破壞而得到另一對映異構體。

⑥ 消旋歸還拆分法,一些外消旋化合物在某些手性試劑的作用下，能使對映體之間經中間平衡而發生轉化，將不需要的一個異構體轉變為需要的對映體。

⑦ 化學法,這是最重要、最常用的拆分法。它是將一對對映體轉變為非對映異構體，即在一對對映體分子中引入同一的手征性基團，從而生成一對非對映異構體，再根據一對非對映異構體在物理性質上存在的差異而將二者拆分，分開後再把所引入的手征性因素除去，即可得到純的左旋或右旋體。

如一外消旋酸(±)-A與旋光性鹼(-) -B生成一對非對映異構體的(+)-A·(-)-B和(-)-A·(-)-B鹽，將二者分開後再除去鹼(-)-B,即得到純的(+)-A和(-)-A。

其他的拆分法有光學活性膜拆分法、膜電極拆分法、大環多聚醚拆分法，以及利用光學活性溶劑進行萃取或重結晶方法等。此外還有某些特殊的方法，如螺[3.3]-1, 5-庚二烯與氯化鉑和光學活性的α-甲基苄胺形成的非對映異構體絡合物，能在二氯甲烷中被拆分。尿素與外消旋2-氯辛烷能形成兩種不同的籠狀半面晶非對映異構體而被拆分。