1. 手性定義
手性化合物（chiral compounds）是指分子結構完全相同，但左右排列相反，如實物與其鏡中的映體。就像人的左右手，它們結構相同，大姆指至小指的次序也相同，但順序不同，左手是由左向右，右手則是由右向左，所以這種現象稱之為“手性”。一對手性分子，它們互為鏡像，但不能重疊。所有的手性分子都具有光學活性，同時所有具有光學活性的化合物分子，都是手性分子。化合物分子的手性是產生旋光性的充分且必要條件。旋光性的定義是，當光通過含有某物質的溶液時，如果經過此物質的偏振光平面發生旋轉，則稱該物質具有旋光性。關于偏振光，將在偏光顯微鏡的介紹中具體闡述。
手性是宇宙間的普遍特征，體現在生命的產生和演變過程中。例如，自然界存在的糖以及核酸、淀粉、纖維素中的糖單元，都為D-構型；地球上的一切生物大分子的基元材料α-氨基酸，絕大多數為L-構型；蛋白質和DNA的螺旋構象是右旋的；而且人們還發現，海螺的螺紋和纏繞植物也都是右旋的。面對這充滿手性的自然界，人們不斷發現，生物體內也存在著手性環境。作用于生物體內的藥物及農藥，其藥效作用多與它們和體內靶分子間的手性匹配和手性相關。因此，手性藥物和手性農藥的研究就尤為重要。在用于治療疾病的藥物中，有許多是手性藥物。而手性藥物的不同對映異構體，在生理過程中會顯示出不同的藥效。尤其是當手性藥物的一種對映異構體對治療有效，而另一種對映異構體表現為有害性質時，情況更為嚴重。
20世紀60年代的“反應停（Thalidomide）”悲劇就是一個突出的例子。之后的研究發現，消旋體“反應停”中，只有它的(R)-異構體有鎮靜作用，而它的(S)-異構體則是具有致畸作用的。慘痛的教訓使人們認識到，手性藥物必須對它的兩個異構體分別進行考察，慎重對待。一些藥物的另一對映異構體，表現有不良作用的例子還很多。因此，手性藥物越來越受到人們的關注并在新上市的藥物中占有很大比例。2016 年至2017 年8 月31日, 美國FDA 批準的53 個新藥中, 新分子實體（new chemical entity，NCE）藥物有34 個, 其中22 個為單一光學活性的手性藥物。
目前, 獲得手性化合物的方法主要有以下三種：手性源合成、手性催化、手性拆分。其中, 手性拆分經濟易行、操作簡便、易于實現工業化生產。本文主要介紹通過晶體學手段進行手性拆分。在介紹晶體學方法進行手性拆分前，先介紹幾個與手性相關的名詞定義。
2. 手性相關的幾個定義
對映異構體：一對對映異構體（Enantiomer）是一對在空間上不能重疊的鏡像異構體，即手性分子。
外消旋體：一對對映體的等量混合物稱為外消旋體(racemic mixture 或 racemate)。通常用(±) 或dl 表示。外消旋體是混合物。一對對映體具有相同的熔點、沸點、密度、pKa, 兩者的比旋光度大小相等，方向相反。外消旋體的物理性質與單一對映體有些不同，它不具有旋光性，熔點、密度和溶解度等常有差異。但沸點、pKa與純對映體相同。
非對映異構體：彼此不成鏡像關系的立體異構體互為非對映異構體（diastereoisomer）。非對映體具有不同的物理性質，如沸點、溶解度、旋光性等都不相同。兩個含有多個手性碳原子的手性化合物，如果它們除一個手性碳原子的構型不同，其他結構完全相同，則它們彼此為差向異構體。差向異構體是一種非對映異構體。
內消旋化合物：部分有機分子雖然有手性中心，但由于手性中心的數量及連接方式不同，作為分子整體來說是非手性的，這樣的物質為內消旋化合物（meso compound）。內消旋化合物是純凈物，不具有旋光性。
通常認為，對于一對對映異構體來講，除了各自的旋光方向相反、強度相等外，其他物理性質應該相同，這也就造成了所構成的外消旋體的物理性質完全相同。但是實際情況并不完全一樣，對映異構體之間存在著相互作用的影響，這種影響在稀溶液和氣相的情況下可以忽略不計，但在固態、純溶液、濃溶液的情況下，這種影響還是比較大的。特別是在固態條件下，由于晶態外消旋體分子之間分子間作用力的影響，造成了以下一些特殊的情況。
外消旋混合物:外消旋混合物（racemic mixture）又稱為聚集體（conglomerate），指兩個相反構型純異構體晶體的混合物，在結晶過程中外消旋物的兩個異構體分別各自聚結、自發地從溶液中以純結晶的形式析出，如下圖所示。產生的主要原因是由于兩個不同構型對映異構分子之間的作用力小于同構型分子之間的作用力，結晶時只要其中一個構型的分子析出結晶，在它的上面就會有與之相同構型的結晶增長上去，分別長成各自構型的晶體。形成等量的、兩種相反構型晶體的混合物。這種聚集體也具有不對稱的習性，各自的結晶體都呈現互為鏡像關系。外消旋混合物的性質和一般混合物的性質相似，其熔點低于單一純對映異構體，溶解度大于單一純對映異構體。
外消旋化合物：外消旋化合物（racemic compound）指兩種對映異構體以等量的形式共同存在于晶格中，形成均一的結晶，如上圖所示。產生的主要原因是由于兩個不同構型對映異構分子之間的作用力大于同構型分子之間的作用力，結晶時兩個不同構型對映異構分子等量析出，共存于同一晶格中。其形成機理與組成方式與共晶極為相似，可以看做是一種特殊的共晶。由于分子間的相互作用增強，其熔點通常比純的對映體高，有尖銳的熔點。外消旋化合物的其他物理性質也與組成它的純對映體的物理性質不同，其熔點處于熔點曲線的最高點，當向外消旋化合物中加入一些純的對映體時，會引起熔點的下降。固態的紅外光譜也會有所差異。
假外消旋體：假外消旋體（pseudoracemate）是外消旋化合物的一種特殊情況，在假消旋體中兩種對映異構體以非等量的形式存在晶格中，形成的是一種固體溶液，也稱為外消旋固體溶液（solid solution）。產生的主要原因是由于同構型分子之間與相反構型分子之間的作用力差別不大，時兩種構型的分子以任意比例相互混雜析出。其熔點曲線是凸形或凹形的，理想的情況下是一條直線。假外消旋體的物理性質與純對映異構體基本相同。但在實際應用過程中，假外消旋體的情況是比較少見的。在絕大多數情況下（90%）得到的是外消旋化合物，少數情況下（5-10%）會得到外消旋混合物，而固體溶液的概率是最低的，低于5%。
區分外消旋化合物、外消旋混合物和假外消旋體的常用方法有：①紅外光譜法（IR）；②粉末X射線衍射法（XRPD）；③差熱分析法（DSC）。由于外消旋化合物是兩種對映異構體以等量的形式共同存在晶格中，因此其紅外光譜、XRD衍射峰、DSC曲線與純對映異構體相比都有較大的差別；而外消旋混合物的晶格中只含有一個構型的分子，其紅外光譜、XRD衍射峰、DSC譜圖與純對映異構體無顯著差異。特別是外消旋化合物的DSC譜圖中，熔化潛熱幾乎是單一對映異構體的1倍。
利用溶解度曲線和熔點也可以區分外消旋化合物、外消旋混合物和假外消旋體。當將外消旋體和任一純對映異構體混合時，由于外消旋混合物具有混合物的性質，混合后的熔點會升高；而外消旋化合物混合后的熔點會降低；假外消旋體的混合熔點則沒有顯著變化。這是由于外消旋混合物具有混合物的特點，而假外消旋體屬于外消旋固體溶液的緣故。
在外消旋化合物、外消旋混合物和假外消旋體各自的飽和溶液中，加入任一純對映異構體結晶后，對外消旋混合物和假外消旋體溶液，結晶不溶解；而外消旋化合物的飽和溶液中結晶會溶解，并產生旋光。
3. 手性表示方法
絕對構型（Absolute Configuration）表示手性分子中各個基團在空間的真實排列關系，即絕對的空間關系。一個化合物，當其結構式按規定所表達的立體結構，與該化合物分子的真實的立體結構一致時，這種立體結構的構型即為絕對構型。絕對構型是對空間的原子排列的手性分子實體（或組）及其立體化學的描述。
當一個構型式按規定表達一個立體異構體時，若確定的立體異構體的真正構型與構型式所表達的構型相同時，則這種構型式所表示的構型稱為絕對構型。絕對構型的標記是英果爾和凱恩確立的，以手性碳原子所連接的基團在空間不同方向上的排布為特征的構型標記法，即R、S構型標記法。R、S構型可以通過下面的方法進行判斷。
（1）當最小基團投影到橫鍵上時,其他三個基團由大到小的順序是順時針為S構型,逆時針為R構型。
（2）當最小基團投影到豎鍵上時,其他三個基團由大到小的順序是順時針為R構型,逆時針為S構型。
（3）基團大小比較方法按照次序規則進行比較.比較直接連接原子的原子序數,原子序數大就是大基團,若直接連接的原子原子序數相同,接著往下比,看與該原子連接的原子的原子序數的大小,若遇到不飽和鍵,雙鍵就看成兩次與該原子連接,三鍵就看成三次與該原子相連。
（4）對于空間結構來說,最小基團放在視野的最遠方,其他三個基團朝向觀察者,基團由大到小順時針為R構型,逆時針為S構型。
相對構型：以甘油醛的構型為參照標準而確定的構型稱為相對構型（relativeconfiguration）。相對構型以D?L構型標記法標記(D和L來自拉丁文dexter和laevus，分別表示右和左)。如下圖所示，相對構型表示法中指定：左邊代表右旋甘油醛，－OH在手性碳原子的右邊，這種構型被定為D－型；右邊代表左旋甘油醛，－OH在手性碳原子的左邊，被定為L-型。因此右邊是D-（＋）-甘油醛，左邊是L-（－）-甘油醛。D和L分別表示構型，而（＋）和（－）則表示旋光方向。這樣的規定，可能完全符合事實，也可能與事實相反。必須注意構型和旋光方向沒有一定關系，從上式可以看出，D-甘油醛是右旋的，而D-乳酸卻是左旋光的。對于一對對映體而言，如果D-型是左旋體，那么L-型一定是右旋體。反之也如此。通過像上面所說的化學方法確定的構型，是以甘油醛人為指定的構型為標準的，并不是直接測定出來的，所以稱為“相對構型”。至于兩種甘油醛的“絕對構型”（真正的構型），直到20世紀50年代初才得到解決。1951年，畢育特（Bijvoet）利用特種χ射線結晶法，直接確定了右旋酒石酸銣鈉的絕對構型，證實了它的相對構型就是絕對構型。因而也證實了過去任意指定的甘油醛的構型也正是它們的絕對構型。這樣一來，相對標準變成了絕對標準。凡用甘油醛為標準所確定的旋光化合物的相對構型，也就是它們的絕對構型。D、L-構型表示法有其局限性，只適用于有一個手性碳原子化合物。對于含多個手性碳原子的化合物就難于表示。但由于習慣的原因，目前在糖和氨基酸類物質中仍較普遍采用。
4. 通過晶體學方法進行手性拆分
（1）通過結晶進行手性拆分
結晶法具有操作簡單、產品純度高、易于實現工業化生產的優點, 缺點是適用于結晶拆分的化合物較少。過去認為, 適合于結晶拆分的化合物應為外消旋混合物(conglomerate), 而外消旋混合物在所有晶體外消旋體中僅占5%～10%。但優先富集現象的發現, 打破了這一傳統觀念。結晶拆分不依靠外來手性源, 通過外消旋體自發結晶實現拆分, 包括機械拆分外消旋混合物、優先結晶、優先富集、結晶誘導的去外消旋化和消磨誘導的去外消旋化等。其中結晶與手性位點外消旋化的結合, 利于提升拆分效率、節約生產成本, 相信會有巨大的應用前景。
優先結晶（Preferential crystallization）是向外消旋混合物的過飽和溶液中加入單一對映體的晶種，誘導該對映體優先結晶析出, 實現拆分。所以，優先結晶也稱之為晶種法。該方法的優點是不需要加入外源手性拆分劑, 易于實現規模化生產。優先結晶拆分的前提條件是底物具備外消旋混合物的性質, 即同手性作用大于異手性作用。因此，若要選擇優先結晶拆分方法, 應首先研究底物的理化性質 (熔點、溶解度、晶型等), 判斷是否屬于外消旋混合物。一般認為外消旋混合物只占所有外消旋晶體的5%～10%, 但Otero-de-la-Roza等通過對晶體數據庫中的大量外消旋晶體進行理論計算后, 發現熱力學穩定的同手性晶體占總測試樣品的19%。這預示著外消旋混合物在所有外消旋晶體中的實際比例可能更高。下圖為外消旋混合物和外消旋化合物的相圖。
Xinhui Zhou報道了超聲以及晶種對DL-glutamic acid手性拆分的影響。實驗將0.5 g DL-glutamic acid (DL-Glu) 溶解在10mL去離子水中，加熱至65°C直至全部溶解。然后在室溫下超聲(40 kHz, 50 W)。當溶液有輕微的渾濁，則停止超聲。將該混懸液置于30 °C環境下，12h后得到片狀晶體。而沒有經過超聲的溶液得到棱狀晶體，如下面左圖所示。通過XRPD分析，超聲得到的是外消旋混合物，而未超聲得到的是外消旋化合物。這表明超聲對于手性化合物的結晶方式有很大影響。
通過多次實驗發現，通過超聲得到的晶體中某一對映異構體過量的幾率只有50%，如下面左圖所示。而如果在結晶時溶液中加入少量L或D構型的晶種，則ee值可以達到22% – 37%。
優先富集（Preferential Enrichment）是具有外消旋化合物性質的非外消旋體在過飽和溶液中動力學析晶, 形成亞穩態晶體, 在向熱力學穩定的晶型轉化的過程中, 部分位于不規則排列區域的晶體溶于母液, 使母液具有較高的ee 值。優先富集應滿足以下要求: ①單一立體異構體的溶解度遠大于外消旋體的溶解度;②結晶過程中發生固?固多晶型轉化; ③多晶型轉化前后具有不同的晶體結構; ④在晶型轉化過程中產生不規則晶體; ⑤熱力學穩定的非外消旋晶體能夠保留結晶過程中發生的對稱性破缺的痕跡。
Rajesh G. Gonnade等人報道了(DL)-Phenylalanine/富馬酸共晶在非平衡條件結晶下的優先富集現象。將富含D構型（ee= 0.4%）的共晶在加熱條件下溶解于水。將該過飽和溶液放置于5°C的冰箱中數天，得到共晶晶體。通過蒸發結晶得到更高ee值得晶體（48.8% ee）。用同樣的方法對富含L構型（2.8% ee）的共晶進行操作。得到的是富含D構型的共晶（3.7%ee），但是母液中的L構型得到富集。蒸發結晶后得到富含L構型（73.5% ee）的共晶。同樣的操作進行5次后，分別得到較高ee值得母液（85.2%和84.5%）。
（2）通過成鹽進行手性拆分
成鹽拆分法利用外消旋體與某一手性試劑(又稱為拆分劑) 進行反應所生成的2 種非對映異構體鹽或其他復合物的溶解性能方面的差異，實現非對映異構體的分離，最后通過采用化學方法將手性試劑移除，最終獲得單一目標對映體。用公式描述上述過程即為: D，L + 2R* = DR* ↓ +LR*溶液中( R* 為手性拆分劑) 。1853 年，Pastrure對該種拆分方法進行了全面概括，同時指出，其在具有酸堿性的外消旋體的拆分方面具有明顯的優勢，但也存在一定的局限性。拆分過程中使用的手性試劑是拆分成功與否的關鍵。合適的拆分劑應具備以下條件: ( 1) 必須容易與外消旋體中的2 個對映體結合生成非對映異構體，經拆分后又容易實現原對映體化合物的再生; ( 2) 反應得到的非對映異構體至少其中之一能形成較好的結晶; ( 3) 拆分劑應盡可能具有較高的旋光純度; ( 4) 拆分劑必須廉價易得，或可易于回收。常見的酸性拆分劑有酒石酸(TA) 及其衍生物，如: 二苯甲酰酒石酸(DBTA)、二對甲苯甲酰酒石酸(DTTA)、扁桃酸、蘋果酸等。常用的手性有機堿拆分劑包括辛可寧、辛可尼丁、苯乙胺等。
如下圖所示，先通過與L-(+)-tartaric acid成鹽對中間體進行拆分，得到單一構型的酒石酸鹽。然后再通過與氫氧化鈉反應得到游離堿，再與鹽酸反應得到鹽酸鹽。這是比較常規的手性拆分方法，可用于工業化生產。
（3）通過共晶進行手性拆分
通過成鹽進行手性拆分是比較常用的手段，但該方法也有一定的局限性。如果化合物不具有能夠成鹽的位點或者酸性、堿性太弱，則不能成鹽。此時，共晶可以作為成鹽的補充。通過共結晶（co-crystallization）的方式進行手性拆分有兩個策略。手性化合物形成的主體基質，形成的腔體只對目標分子的其中一種對映異構體具有選擇性。第二種就是目標化合物的對映異構體和一種對映異構體試劑（如L-malic acid, L-mandelic acid, L-lactic acid, L-tartaric acid等）形成具有兩種組分的晶體結構。這樣可能會出現兩種情況：（1）對映異構體試劑和只和目標化合物的其中一種對映異構體形成共晶；（2）與兩種對映異構體都形成共晶。無論是第一種還是第二種情況，得到的共晶的晶格能及物理化學性質（溶解度、熔點等）都會發生變化，這就可以使它們分離。
Praziquantel是一種手性藥物，兩種構型分別用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中它們的溶解度不同。將1.00 g RS-PZQ 和0.43g L-MA加入至沸騰的乙酸乙酯中，得到460 mg R-PZQ:L-MA。因為L-MA是沒有毒性的，所以R-PZQ:L-MA共晶也可以用于制劑。而R-PZQ:L-MA在水中打漿可以得到R-PZQ的半水合物，從而將共晶中的L-MA移除，實現手性分離。
溶液法是制備共晶最常用的方法，但是由于溶劑的介入，使問題變得復雜，必須考慮API和Coformer的溶解度。共晶也可以通過機械研磨（Mechanochemical milling）得到。液體輔助的研磨（liquid-assisted grinding, LAG）技術避免了在溶液體系中因拆分劑與底物溶解度的差異而無法得到熱力學穩定的共晶, 從而提高了尋找適合形成共晶的拆分劑的效率。如下圖所示，外消旋的malic acid (DL-malic acid)和L構型的tartaric acid通過研磨可以得到D-ma: L-ta和 L-ma : L-ta兩種共晶的混合物。通過它們之間溶解度的區別，找到合適的溶劑就可以實現它們的分離。而如果是L-malic acid，則不能和DL-tartaric acid通過研磨法得到共晶。這可能是因為DL-tartaric acid具有較高的熔點，具有最低的晶格能，因此不能向共晶轉化。而DL-malic acid熔點較低，穩定性低于共晶，所以能夠形成共晶。
