Die Trennung von Racematen auf chromatographischem Wege

60 Pages·1956·4.132 MB·German

by  Prof. Dr. rer. nat. H. Krebs (auth.)

FORSCH U NGSB E RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH EIN -WESTFALE N
Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Leo Brandt
Nr.270
Prof. Dr. rer. nato H. Krebs
unter Mitarbeit von
Dipl.-Chem. Dr. rer. nato J. Diewald
Dipl.-Chem. Dr. rer. nato R. Rasche
Dipl.-Chem. Dr. rer. nato J. A. Wagner
Chemisches Institut der Universität Bonn
Die Trennung von Racematen auf chromatographischem Wege
Als Manuskript gedruckt
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GmbH
1956
ISBN 978-3-663-03477-3 ISBN 978-3-663-04666-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04666-0
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
1. Allgemeines über optische Akti vi tät • • • • • • • • • • • • • S. 5
2. Die bekannten Verfahren zur Spaltung von Racematen S. 5
3. Bisher bekannte Versuche zur chromatographischen Trennung
von Racematen • S. 8
4. Die chromatographische Spaltung anorganischer Verbindungen
. .
an Stärke • • • • • • • • • • • S. 13
5. Die chromatographische Spaltung organischer Verbindungen
. . . . . . . . . .
an Stärke • S. 30
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. Schlußwort S. 45
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. Literaturverzeichnis S. 48
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
1. Allgemeines über optische Aktivität
Es gibt eine ganze Reihe sowohl anorganischer wie organischer Verbindun
gen, bei denen die einzelnen MolekeIn keine Spiegelebene enthalten. Es
können sich dann zwei MolekeIn dadurch unterscheiden, daß sie gleichen
Aufbau besitzen aber sich nicht völlig zur Deckung bringen lassen son
dern sich wie Bild und Spiegelbild (rechte und linke Hand) zueinander
verhalten. Die beiden Komponenten einer solchen Verbindung sind chemisch
einander im allgemeinen völlig äquivalent. Auch fast alle ihre physika
lischen Eigenschaften sind identisch. Zu den wichtigsten Ausnahmen ge
hört, daß, wenn solche Verbindungen gelöst werden, die Lösung der einen
Komponente die Ebene des polarisierten Lichtes nach rechts dreht, und die
Lösung der anderen Komponente eine Linksdrehung verursacht. Solche Sub
stanzen, die nur eine Form enthalten und in Lösung die Ebene des polari
sierten Lichtes drehen, nennt man daher optisch aktiv. Stellt man eine
chemische Verbindung her, so entstehen, wenn man nicht besondere Vorkeh
rungen trifft, immer gleiche Teile der rechts- und linksdrehenden Form;
man sagt, man erhält Racemate. Würde die lebende Natur uns nicht in reich
stem Maße optisch aktive Verbindungen zur Verfügung stellen, so würde man
wohl die Tatsache, daß es optisch aktive Verbindungen gibt, nicht so
schnell gefunden haben.
Von den in der Natur vorkommenden Substanzen dieser Art sollen hier nur
die allerwichtigsten aufgezählt werden. In erster Linie wären zu nennen
die Kohlehydrate wie Zucker und die sich daraus ableitenden Substanzen
Zellulose und Stärke. Ferner wären zu erwähnen die für die Lebensfunktio
nen so wichtigen Aminosäuren und die sich daraus aufbauenden Eiweisse. Die
Kohlehydrate und die Eiweisse stellen neben den Fetten die physiologisch
wohl wichtigsten organischen Verbindungsgruppen dar. Auf die Aufzählung
weiterer in der Natur vorkommender optisch aktiver Verbindungen soll hier
der Kürze halber verzichtet werden. Wir möchten aber noch darauf hinweisen,
daß im allgemeinen die Natur nur eine der beiden spiegelbildisomeren Formen
herstellt, und daß auch für die Nahrungsaufnahme und für die Verwendung als
Medikament im allgemeinen nur eine der optisch aktiven Formen geeignet ist.
2. Die bekannten Verfahren zur Spaltung von Racematen
Da die optisch aktiven Substanzen in der Natur so weit verbreitet sind
und bei chemischen Reaktionen Racemate anfallen, so besitzen die Methoden,
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um letztere in die optisch aktiven Komponenten zu zerlegen, ein erheb
liches wissenschaftliches und technisches Interesse. Bei der Darstellung
von Medikamenten benötigt man häufig nur die eine Form und muß sie aus
dem Syntheseprodukt, dem Racemat, abtrennen. Das Problem der technischen
Herstellung von Kohlehydraten und Aminosäuren bleibt, wenn es gelöst
werden sollte, mit dem Problem gekoppelt, die bei diesen Prozessen anfal
lenden Reaktionsprodukte in die optisch aktiven Komponenten zu zerlegen.
Man kennt wohl eine Reihe von Methoden, aber diese sind alle nicht geeig
net, in großtechnischem Maßstab Verwendung zu finden. Die wichtigsten
sollen im folgenden aufgeführt werden.
Eine erste Methode geht auf PASTEUR (1848-53) zurück. Er entdeckte, daß
z.B. das Natrium-Ammoniumsalz der Traubensäure
-0 OH H
'c I I /0
( 1 ) - C - C - C NH+ Na+
O~ I I ~o 4
H OH
in Kristallen anfällt, die sogenannte Hemiederflächen zeigen. Das sind
solche Flächen,'deren Begrenzung und Umgebung sich wie Bild und Spiegel
bild zueinander verhalten. Eine Untersuchung zeigt, daß die eine Sorte
der Kristalle die linksdrehende Form der Verbindung enthält und die andere
die rechtsdrehende. Man hat hier die Möglichkeit, an der äußeren Kristall
form die beiden Komponenten zu erkennen und durch Auslesen die optisch ak
tiven Formen, man sagt "die beiden Antipoden", voneinander getrennt zu
isolieren. Dieses Verfahren besitzt aber nur eine sehr beschränkte Anwen
dungsmöglichkeit, da sich die Racemate bei der Kristallisation im allge
meinen nicht voneinander trennen, sondern als solche auskristallisieren
bzw. auch Kristalle ohne leicht erkennbare Hemiederflächen anfallen.
Mit diesem PASTEUR'schen Verfahren verwandt sind Methoden, die in neuerer
Zeit entwickelt wurden. Es gibt eine Reihe von gerüstartig kristallisie
renden Verbindungen mit groBen Hohlräumen. Dabei können Gerüste entstehen,
bei denen die Bestandteile sich schraubenförmig aneinanderlagern entweder
in Form von Links- oder Rechtsschrauben. In die von diesen Schrauben ge
bildeten röhrenförmigen Hohlräume werden nun leicht andere Substanzen
eingebaut. Die Tendenz zur Einlagerung der Komponenten eines Racemats ist
dann unterschiedlich je nachdem, ob die Gerüstsubstanz linken oder rechten
Schraubensinn besitzt. Am bekanntesten sind hier die Versuche von SCHLENK [1].
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Er verwendet Harnstoff als Gerüstsubstanz:
(2) HN-C-NH
2 o" 2
Durch Animpfen der Lösungen kann man erreichen, daß das Harnstoffgerüst
in der rechten oder linken Form auskristallisiert und dabei den einen
oder anderen Antipoden des Racemats einbaut. Schon seit einiger Zeit wird
diese Methode in der Industrie bearbeitet und weiter ausgebaut, da es
unter Umständen einmal möglich sein wird, auf diese Weise in technischem
Maße Racemate zu Für die technische Verwendung ist hier wichtig,
zerleg~n.
daß man die Aktivierung des Harnstoffgerüstes einfach durch Animpfen der
Lösung erreichen kann.
Gebilde mit röhrenartigem und schraubenartigem Aufbau stellen auch die
Cyclodextrine dar, die uns von der Natur schon in optisch aktiver Form
geliefert werden. Auch dieser Gerüststoff zeigt ein unterschiedliches
Einlagerungsvermögen für die Antipoden eines Racemates. So wird die links
drehende Form des Mandelsäureesters etwas bevorzugt festgehalten ~].
Extrahiert man das Einlagerungsprodukt, so ist der erhaltene Mandelsäure
ester optisch aktiv. Für eine technische Verwendung scheiden die Cyclo
dextrine aber aus, weil sie nur schwierig erhältlich sind. An Stelle des
Harnstoffs und der Cyclodextrine können auch einige andere gerüstartig
DJ.
kristallisierende Verbindungen verwendet werden
In einigen Fällen kann man eine optisch aktive Verbindung dadurch erhal
ten, daß man ein Racemat durch irgendwelche Lebensvorgänge verändert. So
haben manche Mikroorganismen, z.B. Penicillium glaucum, die Fähigkeit,
den einen Antipoden eines Racemates, z.B. der Milchsäure, schneller zu
verzehren als den anderen. Die zurückbleibende Substanz ist dann optisch
aktiv.
Die wichtigste aller Methoden zur Spaltung von Racematen besteht darin,
daß man dieses mit einer optisch aktiven Substanz in Verbindung bringt.
Es ist dann ein Unterschied, ob diese (Symbol: L') mit der rechtsdrehenden
(Symbol: R) oder linksdrehenden Form (Symbol: L) des Racemates reagiert.
Die beiden Verbindungen L L und L'R verhalten sich dann nicht mehr wie
Bild und Spiegelbild zueinander, man nennt die beiden Formen "diastereomer".
Diese sind in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften nicht
identisch. Man kann sie sehr häufig schon durch einfache fraktionierte
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Kristallisation voneinander trennen. Entfernt man dann die optisch aktive
Hilfsverbindung LI, so hat man das Racemat in die Komponenten L und R
aufgespalten. Nach diesem Verfahren werden sowohl bei wissenschaftlichen
Untersuchungen wie auch in der Technik die meisten optisch aktiven Ver
bindungen gewonnen.
Die Methode besitzt vier Nachteile:
1. Die MolekeIn des Racemates müssen funktionelle Gruppen enthalten, die
leicht mit einer optisch aktiven Substanz unter Bildung einer diastereo
meren Verbindung reagieren. Die Bindung muß wieder leicht aufspaltbar
sein, damit die optisch aktive Hilfskomponente nach der Trennung der An
tipoden abgespalten werden kann.
2. Die diastereomeren Formen müssen gut krist~llisieren, eine Vorbedingung,
die bei komplizierter aufgebauten Verbindungen häufig nicht gegeben ist.
3. Die beiden Diastereomeren dürfen bei der Kristallisation keine lockere
Verbindung miteinander eingehen, so daß sie zusammen auskristallisieren.
4. Die Diastereomeren müssen in ihrer Löslichkeit genügende Unterschiede
aufweisen.
Wenngleich man in vielen Fällen erreichen kann, daß die Bedingung 1 er
füllt ist, so kann man bei den Bedingungen 2, 3 und 4 noch immer auf er
hebliche Schwierigkeiten stoßen. Man muß erproben, welche optisch aktive
Verbindung, die uns von der Natur geliefert wird, die diastereomere Ver
bindung mit den richtigen Eigenschaften liefert. Man findet dann häufig,
daß leicht zugängliche Ausgangsstoffe wie z.B. die Weinsäure für den
beabsichtigten Verwendungszweck nicht geeignet sind.
Es besteht daher ein ziemliches Interesse, nach neuen Methoden zur Spaltung
von Racematen zu suchen. So ist in letzter Zeit viel Mühe darauf verwandt
worden, auf chromatographischem Wege optisch aktive Verbindungen zu gewinnen.
3. Bisher bekannte Versuche zur chromatographischen
Trennung von Racematen
In den beiden letzten Jahrzehnten hat man Verfahren entwickelt, Substanz
gemische dadurch zu trennen, daß man ihre Lösung über eine Säule leitet,
die eine pulverförmige Substanz enthält, welche die Eigenschaft hat, fremde
Substanzen an der Oberfläche zu adsorbieren. Das Adsorptionsvermögen ist
nun für die Komponenten der Lösung häufig außerordentlich unterschiedlich.
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Bestimmte Stoffe werden überhaupt nicht adsorbiert, diese findet man so
fort im Filtrat wieder. Andere erscheinen erst, wenn man die Säule nach
wäscht oder, wie man sagt, eluiert. Wieder andere Stoffe werden so fes~
adsorbiert, daß man das Lösungsmittel verändern muß, um überhaupt den
adsorbierten Stoff herauslösen zu können.
Benutzt man als Adsorptionsmittel eine optisch aktive Substanz, wie z.B.
einen Zucker, so sollte man annehmen, daß die beiden Formen eines Racemates
daran unterschiedlich fest adsorbiert werden, sich also chromatographisch
trennen lassen. Es sind daher schon sehr frühzeitig Versuche unternommen
worden, auf diese Weise Trennungen zu erzielen. Man konnte den gesuchten
Effekt auch in einigen Fällen nachweisen, doch bis auf die kürzlich ver
öffentlichten Versuche von GRUBHOFER [~ und die hier in diesem Bericht
geschilderten, war es bisher nicht möglich gewesen, in präparat iv ein
facher Weise ausreichende Trenneffekte zu erzielen. Im allgemeinen wurden
große Mengen an Adsorptionsmittel verbraucht, die Trennwirkung war nur
geringfügig, oder die erhaltene Menge der optisch aktiven Substanz war
gerade zu ihrem Nachweis ausreichend.
[5]
Schon zu Anfang dieses Jahrhunderts kam WILLSTÄTTER auf den Gedanken,
daß man optische Antipoden durch Adsorption an optisch aktivem Material
trennen könne Im Laufe seiner Versuche zur theoretischen Deutung des
Färbevorganges ließ er auch racemische Alkaloide (Atropin und Homatropin)
auf Wolle einwirken. Diese ziehen wie Farbstoffe auf die Faser auf. WILL
STÄTTER konnte jedoch keinen Unterschied im adsorptiven Verhalten der
beiden antipoden Formen feststellen.
Die Wolle blieb auch in den folgenden Jahrzehnten das Adsorptionsmittel,
an dem man Aktivierungsversuche von Racematen nach dieser neueren Methode
durchführte. Es wurde auch über eine ganze Reihe von positiven Ergebnis
sen bei der Trennung von kompliziert gebauten organischen Racemverbindun
gen berichtet; die gefundenen Aktivierungen waren aber so gering, daß BRODE
und ADAMS [6] 1926 behaupten konnten, alle bis dahin an Wolle und Seide
gefundenen Aufspaltungen von Racematen lägen innerhalb der den Versuchen
anhaftenden Fehlergrenzen.
[7]
In neuerer Zeit griffen BRADLEY und EASTY auf Wolle als Adsorptions
mittel zurück, und es gelang ihnen, erfolgreiche Trennungen zu erzielen.
Sie aktivierten in einem gewissen Ausmaße racemische Mandelsäure und einige
ihrer Derivate.
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Man wandte sich auch anderen Adsorbentien zu. Unter Verwendung von Milch
zucker als Adsorbens fanden HENDERSON und RULE [~ eine Aktivierung von
p-Phenylenbisiminocampher,
die nach mehrfach wiederhalten Durchgängen sogar 100 % war. Diesen Autoren
gelang auch eine teilweise Zerlegung der m-~-Naphtol-azo-mandelsäure
SNOH =
~ jJ
C-C-OH
I
OH
in ihre optisch aktiven Formen, wenn sie die benzolische Lösung dieser
Substanz über Laktose leiteten.
War mit diesen Versuchen auch die Möglichkeit einer chromatographischen
Aktivierung von Racematen erwiesen, so konnten doch erst PRELOG und WIE
LAND [~ eine präparat iv auswertbare Zerlegung an der Trögerschen Base
erreichen. Als Adsorptionsmittel benutzten sie 5 kg d-Laktose, die zur
Verbesserung ihrer Adsorptionskraft einer Vorbehandlung mit 10 Ltr. Chloro
form unterzogen worden war. Zum Eluieren wurden dann 35 Ltr. Ligroin be
nötigt. Trotz dieses enormen Aufwandes gelang den Verfassern nur eine
5 %ige Aktivierung von 6 gr Substanz.
Ein neues Prinzip, das unter Umständen einmal für technische Zwecke von
Bedeutung werden könnte, brachten CURTI und COLOMBO ~~ zur Anwendung.
Sie paßten das Adsorptionsmittel dem zu trennenden Racemat an. Dies ge-
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schah folgendermaßen: In einer Natriumsilikatlösung wurde die eine schon
optisch reine Form der später zu spaltenden Racemverbindung gelöst. Durch
Ansäuern dieser Lösung fällte man dann Silikagel aus, welches dabei die
in der Lösung befindlichen optisch aktiven MolekeIn mitriß und in sein
Gerüst einbaute. Wusch man nun das Silikagel gründlich aus, so wurde die
eingeschlossene optisch aktive Substanz herausgelöst, und in dem Gerüst
des Silikagels blieben Hohlräume von der Form dieser MolekeIn zurück. An
dem so gewonnenen Adsorptionsmittel wurde hierauf die racemische Lösung
der gleichen Substanz chromatographiert, und, da die Hohlräume genau die
Form der einen Komponenten des Racemates besaßen, wurde diese stärker ad
sorbiert als die andere und damit eine Zerlegung des Racemates bewirkt.
Nach diesem Verfahren gelang es den Autoren, d,l-Camphersulfonsäure und
%
d,l-Mandelsäure bis zu 30 in die Antipoden zu spalten. Die Methode ist
natürlich nur dann anwendbar, wenn eine optisch aktive Form des zu spal
tenden Racemates auf andere Weise zugänglich ist, da man dieses ja für
die Herstellung des Adsorbens benötigt.
Eine quantitative Trennung der Mandelsäure konnten in neuester Zeit
GRUBHOFER und SCHLEITH [4] erhalten. Als Adsorbens benutzten sie ein
Carbonsäurekunstharz, das mit Chinin verestert war. Dieses Adsorptions
mittel hatte den Vorteil, daß sich die notwendigen Materialmengen in
normalen Grenzen bewegten und dennoch Fraktionen mit optisch reinen Kompo
nenten erhalten werden konnten. Auch wir hatten unabhängig von GRUBHOFER
Kunstharze als gute und leicht zugängliche Adsorbentien für unsere Versuche
vorgesehen, als die oben genannte Arbeit veröffentlicht wurde.
Zur Trennung von anorganischen Komplexracematen scheint erstmals 1936 die
Adsorptionsmethode benutzt worden zu sein. Damals gelang es TSCHUCHIDA
und Mitarbeitern D~, den Kobaltkomplex
(6) [co (Dimethylglyoxim)2 NH3 C~
teilweise in die optischen Antipoden zu zerlegen, indem sie die gesättigte
wässrige Lösung der Substanz einerseits mit links-Quarzpulver und andrer
seits mit rechts-Quarzpulver schüttelten. Dann zeigte sich, daß die Lö
sung, welche mit I-Quarz geschüttelt worden war, Rechtsdrehung zeigte und
umgekehrt. Der Quarz hatte also die ihm gleichartig drehende Form des
Racemates stärker adsorbiert als die entgegengesetzt drehende Komponente.
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