差向异构

定义

若两个分子的构造式相同、都带有两个或更多手性中心，而它们在其中某一个手性中心的构型彼此相反、其余手性中心的构型完全一致，这两个分子就互称差向异构体^[1][5]。由于二者之间不构成镜像关系，差向异构体被归入非对映异构体，而不是对映异构体^[2][3]。只有单个手性中心的分子例外，例如D-甘油醛与L-甘油醛虽然构型相反，却只能称对映体，不能叫差向异构体^[3]。

差异究竟出现在哪个手性中心，通常需要另行标明，写法是在名称前加上该原子的位置编号，即Cn差向异构体；若不加说明，糖类中一般默认指C2，所以D-葡萄糖的差向异构体常被理解为D-甘露糖^[3]。当构型相反的那个手性原子恰好处在链末端时，这一对异构体特称端基差向异构体^[6]。糖类环形结构中的半缩醛或半缩酮碳也就是异头碳正属于这种情形，α与β两种形式互为端基差向异构体^[6]。

同一个分子可以有多个差向异构体：与D-葡萄糖相比，D-甘露糖在C2、D-阿洛糖在C3、D-半乳糖在C4上与之不同，这几对分子之间都存在差向异构关系^[7]。互为差向异构体的两个分子组成与构造式一致，区别仅在立体构型，因此它们属于构型异构体而非构造异构体^[3]。由一个差向异构体转变为另一个的过程叫差向异构化，转化后物质的旋光度会改变，旋光方向也可能随之改变^[3]。

原理

差向异构化的核心是分子中某一个手性中心发生构型翻转。在碱性条件下，手性碳上的氢可被碱夺去，分子形成烯醇或烯醇负离子中间体；平面化的中间体重新结合质子时可以从原来的一侧或相反一侧进行，后者即得到构型反转的产物^[8][9]。这类构型翻转与外消旋化的机理相似，区别在于差向异构化只涉及多手性中心分子中的某一个中心^[10]。

引发差向异构化的条件并不限于碱，酸、加热以及自由基过程、消除-加成过程都可能带来同样的结果^[9]。以糖为例，其过程可简写作：D-葡萄糖 ⇌ 烯二醇中间体 ⇌ D-甘露糖，中间体同时也是醛糖与酮糖互相转变的通道^[8][11]。

这类转化是可逆的，反应最终趋向平衡，产物比例取决于各组分的相对自由能；D-葡萄糖是自由能最低、最稳定的己糖，因此在平衡混合物中占比最高^[12]。例如把葡萄糖放在饱和石灰水中于35 ℃处理一周，可得到约63.5%的葡萄糖、31%的果糖与2.5%的甘露糖^[11]。各种糖的反应快慢差别明显，甘露糖的转化速率远低于葡萄糖和果糖^[12]。

酶也能催化差向异构化，例如N-乙酰葡萄糖胺与N-乙酰甘露糖胺之间的相互转化由肾素结合蛋白催化^[2]。这类转化可以是缓慢的自发过程，也可以由专一性酶完成，后者在生物体内更为常见^[2]。

发展历程

差向异构现象最早是在研究糖的碱性分解时被注意到的。1885年前后，阿姆斯特丹大学教授洛布里·德·布勒因与荷兰政府糖业实验室的阿尔贝达·范·埃肯斯泰因发现，D-葡萄糖在碱液中除自身之外还生成了D-甘露糖与D-果糖；换用甘露糖或果糖作原料，同样得到这三种糖，由此确认了差向异构化与醛糖-酮糖互变两条并行途径^[12]。1895年，两人在《Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas》上报告了葡萄糖、果糖与甘露糖的相互转化，这一反应后来被称为Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein 转化^[13][14]。

20世纪，糖化学中陆续出现了多种实现差向异构化的手段。比里克发现钼(VI)离子可以催化醛糖的差向异构化，该反应后来以他的名字命名，能够从廉价醛糖一步制取D-甘露糖、D-塔洛糖等稀有糖，并较早走向商业化^[15]。与此同时，吡啶、离子交换树脂以及各类固体碱、路易斯酸催化剂也先后被用于糖的差向异构化与异构化反应^[12]。

术语的规范稍晚完成。国际纯粹与应用化学联合会分别在1994年的物理有机化学术语表和1996年的立体化学基本术语建议中给出差向异构体的定义，此后该词在文献中的用法趋于统一^[1]。随着多肽药物和手性药物数量增加，对差向异构体杂质的检测与控制自20世纪末起成为分析化学与制药领域的常规课题^[4]。

应用

糖工业是差向异构化规模最大的应用领域之一。D-葡萄糖在碱或异构酶作用下部分转化为D-果糖，可用于生产果糖-葡萄糖糖浆^[5]。借助钼酸盐等催化剂使廉价醛糖发生差向异构化，则是D-甘露糖、D-塔洛糖、D-核糖等稀有糖的常用制备路线^[15]。稀有糖D-阿洛酮糖是果糖的C3差向异构体，其工业化制备同样依靠C-3差向异构酶催化的转化实现^[16]。

有些成对药物本身就是差向异构体，例如抗肿瘤药多柔比星与表柔比星，两者都被用作药物^[2]。差向异构体的生物活性可能明显不同，这种差别被用于新药设计与结构优化^[2]。

在制药行业，差向异构化更多被视为需要控制的杂质来源。多肽药物在固相合成和储存期间，部分氨基酸的α-碳手性中心可能翻转生成D-型残基，形成差向肽杂质，进而引起局部空间结构、整体构象乃至生物学活性的改变^[4]。以司美格鲁肽为例，其谷氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸与苏氨酸等位置都容易出现这类杂质^[4]。相关技术指导原则要求对化学合成多肽药物中的差向肽杂质实施质量控制，通行做法是先把多肽水解为氨基酸，再用Marfey试剂等手性衍生试剂衍生，最后进行色谱-质谱分析^[17][18]。

局限

差向异构化很难被彻底抑制。有研究显示，即便采用微波反应器和较低温度等已知可降低反应速率的条件，组氨酸仍会由L-型部分转变为D-型，转化率最多只能压到约1.8%而不能归零。欧洲药典对药物杂质的限度要求为0.1%（质量分数），这意味着分析方法必须能在如此低的水平上识别单个残基的构型变化^[19]。

检测环节本身也存在困难。差向异构体与主成分的理化性质极为接近，在常规反相色谱中往往与主峰重叠，难以分离和准确定量^[18][4]。若先把多肽酸水解成氨基酸再测定构型，水解过程自身又会诱导部分残基发生构型翻转，形成所谓水解伪迹，需借助氘代盐酸与重水的水解体系加以区分^[18]。对含有较多手性中心的较长肽链，一次性给出全部立体异构信息在现有条件下仍难以实现^[20]。

化学法引发的差向异构化同样存在边界。碱催化下的糖转化是可逆平衡过程，常伴随多种副反应与降解，目标产物达到极值后还会因继续反应而减少^[12]。这类反应对底物构型十分敏感，例如D-甘露糖本身倾向于少发生转化，在钙离子与四甲基乙二胺体系中几乎不反应^[15]。当目标差向异构体的自由能明显高于原料时收率很低，文献所载几例以重排为基础的糖合成产率均不足20%，其中包括由廉价的D-半乳糖制取昂贵的D-塔洛糖^[12]。

参见

• 对映异构体 —— 互为镜像的立体异构体，与差向异构体的构型关系不同但常被放在一起讨论

• 非对映异构体 —— 差向异构体是非对映异构体中只差一个手性中心的特例

• 手性 —— 手性中心的构型差别是差向异构体得以区分的前提

• 外消旋化 —— 同样以单个手性中心构型翻转为特征的转化过程，机理与差向异构化相似

• 变旋现象 —— 糖类端基差向异构体相互转化时表现出的旋光度变化