Racematspaltung

Grundidee und Bedeutung

Als Racematspaltung bezeichnet man Verfahren, mit denen ein Racemat in seine beiden Enantiomere getrennt wird. Ein Racemat ist ein Gemisch aus gleichen Mengen zweier Enantiomere, also Molekülen, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten und nicht zur Deckung gebracht werden können. Die Trennung ist besonders bei Arznei- und Pflanzenschutzmitteln wichtig, weil die Enantiomere eines Wirkstoffs meist unterschiedliche biologische Aktivitäten besitzen. Ziel ist daher, die einzelnen Enantiomere möglichst rein zu gewinnen. Im Jahr 2000 betrug der Umsatz mit Arzneimitteln, die enantiomerenreine Arzneistoffe enthielten, etwa 150 Milliarden US-Dollar.

Vor der Entwicklung asymmetrischer Synthesemethoden war die Racematspaltung die einzige Möglichkeit, aus den bei chemischen Synthesen meist entstehenden racemischen Produkten reine Enantiomere zu erhalten. Auch heute wird sie industriell häufig eingesetzt. Zu den wichtigsten Ansätzen gehören mechanische Trennung und Kristallisation, die Bildung trennbarer Diastereomere, chirale Chromatographie sowie kinetische und dynamische kinetische Racematspaltung.

Entwicklung der Verfahren

Louis Pasteur gelang 1848 die erste Racematspaltung. Er sortierte unter dem Mikroskop enantiomere Natrium-Ammonium-Tartrat-Kristalle manuell aus, deren Formen sich wie Bild und Spiegelbild verhielten. Dieses Verfahren funktioniert nur, wenn sich bei der spontanen Kristallisation Kristalle bilden, die jeweils ausschließlich eines der beiden Enantiomere enthalten.

1857 führte Pasteur eine Trennung über Diastereomere durch: Er setzte eine racemische Säure beziehungsweise Base mit einer optisch aktiven Base beziehungsweise Säure um. Dadurch entstanden diastereomere Salze, die sich aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften durch fraktionierte Kristallisation trennen ließen. 1858 nutzte er außerdem eine biologische Methode. Der Schimmelpilz Penicillium glaucum wuchs auf racemischer Weinsäure, verstoffwechselte eines der Enantiomere und ließ das andere in der Lösung zurück.

1899 beschrieben Willy Marckwald und A. McKenzie die erste kinetische Racematspaltung. Bei der Veresterung racemischer Mandelsäure mit optisch aktivem (−)-Menthol reagierte das (R)-Enantiomer schneller, sodass sich (S)-Mandelsäure im Reaktionsgemisch anreicherte. Emanuel Gil-Av gelang 1966 am Weizmann-Institut für Wissenschaften in Rehovot, Israel, erstmals die gaschromatografische Trennung racemischer D,L-Aminosäuren mithilfe einer chiralen stationären Phase. Merck meldete 1975 ein Patent zur Herstellung von Methyldopa durch Konglomeratkristallisation an. 2002 begann Degussa mit der Produktion enantiomerenreiner Aminosäuren nach dem Hydantoinase-Verfahren, das auf dynamischer kinetischer Racematspaltung beruht.

Mechanische Trennung und Diastereomere

Pasteurs mechanisches Aussortieren eignet sich nur für Racemate, deren Enantiomere als getrennte, enantiomerenreine Konglomerate kristallisieren. Außerdem können damit lediglich kleine Mengen verarbeitet werden. Leistungsfähiger ist das Animpfen einer übersättigten Racematlösung mit einer kleinen Menge eines reinen Enantiomers desselben Racemats. Nach der fraktionierenden Kristallisation werden die enantiomerenreinen Kristalle durch Filtration oder Zentrifugation von der Lösung getrennt. Das Verfahren wurde industriell eingesetzt, ist aber nur begrenzt anwendbar, weil viele Racemate als racemische Kristalle und nicht als enantiomerenreine Konglomerate auskristallisieren.

Allgemeiner lassen sich Enantiomere durch ein chirales Reagenz oder durch den Kontakt mit einer chiralen Phase in Diastereomere überführen. Diastereomere sind Stereoisomere, die keine Spiegelbilder voneinander sind und deshalb unterschiedliche physikalische Eigenschaften besitzen. Sie können mit gewöhnlichen Methoden wie Chromatographie, Kristallisation oder Destillation getrennt werden. Für ihre Entstehung ist nicht immer eine kovalente Bindung nötig: Auch unterschiedliche diastereomere Übergangszustände, etwa durch Wasserstoffbrückenbindungen in der chiralen Chromatographie, ermöglichen eine Trennung.

Die Trennung muss schneller als eine mögliche Racemisierung ablaufen, sofern keine stabilen Isomere vorliegen. Außerdem werden enantiomerenreine Ausgangsstoffe benötigt, beispielsweise aus dem Chiral pool, also dem Vorrat natürlich oder anderweitig verfügbaren chiralen Verbindungen. Bei der „method of half quantities“ wird nur die halbe Menge des chiralen Reagenzes eingesetzt. Dieses bildet selektiv ein Diastereomer mit wesentlich höherer optischer Reinheit als beim üblichen äquimolaren Ansatz; das andere Enantiomer bleibt optisch angereichert in Lösung. Der Diastereomerenüberschuss liegt dabei stets über 99 %.

Bei der fraktionierten Kristallisation werden häufig mit enantiomerenreiner Weinsäure oder Chinin diastereomere Salze hergestellt und anhand ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften getrennt. Nicht oder nur schwer kristallisierbare Diastereomere lassen sich teilweise destillieren. Dies eignet sich etwa für racemische Säuren oder Alkoholgemische, die zuvor in Ester überführt werden können.

Chirale Chromatographie

Racemate können grundsätzlich mit allen bekannten chromatografischen Methoden getrennt werden, wenn eine chirale Phase verwendet wird. Dazu gehören Dünnschichtchromatographie, Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), Säulenchromatographie und Gaschromatographie. Die Gaschromatographie dient besonders in der Analytik nicht-racemischer Enantiomerengemische zur Bestimmung des Enantiomerenüberschusses, also des Überschusses eines Enantiomers gegenüber dem anderen.

Die chirale Komponente kann die stationäre Phase oder bei der Flüssigkeitschromatographie auch der Eluent, also die mobile Phase, sein. Da die beiden Enantiomere unterschiedlich stark mit dem chiralen Material wechselwirken, werden sie verschieden lange zurückgehalten. Bei einer Säulenchromatographie kann beispielsweise ein enantiomerenreines chirales Auxiliar wie (+)-Weinsäure auf Kieselgel fixiert werden. Wird die racemische Lösung mit einem gewöhnlichen Eluenten durch die Säule geleitet, verlassen die Enantiomere diese zu unterschiedlichen Retentionszeiten.

Der Unterschied beruht auf der Differenz der freien Standardbildungsenergie der diastereomeren Übergangszustände. Es gilt:

Δ_{S,R}ΔG^{≠} = RT ln α

Dabei ist α der Trennfaktor. Die Art der chiralen Erkennung hängt vom Material der Phase ab. Peptidphasen wechselwirken meist über Wasserstoffbrücken und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, chirale Metallkomplexe dagegen über Komplexierung. Besonders intensiv wurde die Gaschromatographie mit Cyclodextrinderivaten untersucht.

Kinetische und dynamische Racematspaltung

Eine kinetische Racematspaltung ist möglich, wenn die Geschwindigkeitskonstanten für die Umsetzung der beiden Substratenantiomere S_R und S_S zu den Produkten P_R und P_S verschieden sind. Die Reaktion wird bei ungefähr 50 % Umsatz beendet, weil das schneller reagierende Enantiomer dann weitgehend verbraucht ist. Das langsamere Enantiomer reichert sich im Reaktionsgemisch an. Anschließend lassen sich beispielsweise S_S und P_R mit herkömmlichen Methoden trennen; P_R kann gegebenenfalls wieder in S_R zurückgeführt werden.

Das klassische Beispiel von Marckwald und McKenzie ist die partielle Veresterung racemischer Mandelsäure mit optisch aktivem (−)-Menthol. Das (R)-Enantiomer reagiert schneller, während sich (S)-Mandelsäure anreichert und abgetrennt werden kann. Die gebundene (R)-Mandelsäure lässt sich durch Hydrolyse zurückgewinnen. Kinetische Racematspaltungen mit Enzymen haben im Gegensatz zur fermentativen Racematspaltung breite Anwendung gefunden. Ein grundsätzlicher Nachteil bleibt jedoch die theoretisch auf 50 % begrenzte Ausbeute des gewünschten Enantiomers sowie die notwendige Aufarbeitung der Reaktionslösung.

Bei der dynamischen kinetischen Racematspaltung wird das langsamer reagierende Enantiomer fortlaufend racemisiert und dadurch wieder in ein Gemisch beider Formen überführt. Das jeweils schneller reagierende Enantiomer kann erneut umgesetzt werden. So lässt sich das gesamte Racemat in ein Produkt mit hohem Enantiomerenüberschuss umwandeln; Ausbeute und Enantiomerenüberschuss können theoretisch jeweils 100 % erreichen.

Ein frühes Beispiel ist die asymmetrische Hydrierung nach Ryoji Noyori aus dem Jahr 1989. Die Enantiomere racemisieren dabei über die Enol-Form. Als Zielprodukt entsteht das geschützte syn-Addukt L-Threonin (2S, 3R) mit 99 % Diastereomerenüberschuss zugunsten des syn-Diastereomerenpaars und 99 % Enantiomerenüberschuss zugunsten des (3R)-Produkts innerhalb dieses Paars. Eine dynamische kinetische Racematspaltung kann auch über einen prochiralen Übergangszustand oder eine meso-Verbindung verlaufen. Die allylische asymmetrische Alkylierung nach Barry Trost erfolgt beispielsweise über einen η³-Palladium-Allylkomplex.

Ein industrielles Beispiel ist das von Degussa entwickelte Hydantoinase-Verfahren zur Herstellung hoch enantiomerenreiner Aminosäuren. Als Substrate dienen Hydantoine, die durch eine Racemase schnell racemisiert werden. Eine D-Hydantoinase spaltet das (R)-Hydantoin zur Carbamoyl-geschützten D-Aminosäure. Anschließend entfernt eine Carbamoylase die Schutzgruppe.