Review Chiral resolutions, asymmetric synthesis and amplification of enantiomeric excess

Université Paul Sabatier, 118 Route de Narbonne, 31062 Toulouse cedex, France.

Abstract

The notion of molecular chilarily is important from both a theoretical standpoint, and a practical point of view. Chemists therefore showed an early interest in :

1. the development of methods for the production of chiral substances, and

2. the origin of optical activity.

This review describes and compares the performance (in terms of enantiomeric excess versus yield) of the main types of chiral resolution and asymmetric synthesis used either in the laboratory or industrially. Mathematical relationships which can be used practically in kinetic studies are also presented.

The role and relative importance of the main natural chiral factors that might have played a role in the origin of optical activity are also discussed. The process of the amplification of enantiomeric excess can be analysed both theoretically and experimentally. Most of the theoretical models consist of general kinetic schemes involving stages of autocatalysis and mutual inhibition. Their kinetic behaviours are analysed in terms of concepts drawn from non-linear chemical dynamics. It is demonstrated that under certain conditions the racemic state is unstable. During a critical period the course of evolution of the system is thus particularly sensitive to small external perturbations.

The experimental studies to date involve either polymerisations (polycondensations) or mutual inhibitions (crystallisation of racemates, steroeselective reactions etc.). Their realm of practical application is thus relatively limited.

Suggestions are made for the integration of some useful theoretical concepts into current laboratory practice. It is to be hoped that they might form a basis for further improvements in the performance of experimental systems.

Résumé

La chiralité moléculaire est une notion particulièrement importante aussi bien dans le domaine pratique qu'au niveau de certaines considérations théoriques. Aussi, les chimistes se sont très tôt intéressés :

1. à la mise au point de méthodes artificielles de production de substances chirales et,

2. à la question de l'origine de l'activité optique.

Cette mise au point décrit et compare en terme de performances (ee % vs rdt %) les principaux types de dédoublements et de synthèses asymétriques connus dans le cadre du laboratoire ou à l'échelle industrielle. Diverses formules et abaques utilisables pratiquement dans des travaux de cinétique sont présentés.

D'un autre côté, les principaux facteurs naturels chiraux susceptibles d'avoir joué un rôle dans l'origine de l'activité optique sont passés en revue, leur importance relative est discutée. L'étude des processus d'amplification des excès énantiomériques peut être abordée soit d'un point de vue théorique, soit d'un point de vue expérimental. La majeure partie des modèles théoriques consiste en des schémas cinétiques formels comportant des étapes autocatalytiques et d'inhibition croisée. Leur évolution temporelle est analysée à l'aide de concepts issus de la dynamique chimique non linéaire.

Il est montré en particulier, que dans ces conditions, l'état racémique est intrinsèquement instable et qu'il existe dans le courant de l'évolution du système une période critique où il est très sensible à de faibles perturbations extérieures.