（有机化学专业论文）分子模型方法用于液相色谱手性识别机理的研究.pdf

摘要 本文分为两部分: 第一部分:在 s g i图形工作站上，采用计算机辅助分子设计软件 s y b y l 6 .2 2 开 发了 基于理论 计算的 计 算机辅助 分子 模型设计 手性识别 机 理的方法。该方法包括分子力学计算( m m 2 ) 、能量优化( m i n i m iz e ) 、 系 统搜寻( s y s t e m a t i c s e a r c h ) 、 分子对接( d o c k i n g ) 等程序， 计算对映体与手 性固定相的相互作用能 ( t e )， 通过比较其差别 ( a t e )来预示手性分 离的可能性及色谱洗脱顺序。 第二部分: 采用已建立的分子模型方法研究了液相色谱条件下四个 系列光学异构体在手性固 定相( c s p ) 上分离的识别机理。 分别为( 1 ) 乙 酞 氨 基酸甲 酷系 列 化合 物 ( a c a a m ); ( 2 ) 3 , 5 一 二 硝基苯甲 酞 氨基酸甲 酷系列化合物 ( d n b a a m) ; ( 3 ) 六种n 一 乙 酞氨基酸酷系列1 8 个化合 物 ( a c a a m) ; ( 4 ) o 一 乙基一 。 一 芳基- n - 异丙 基一 硫代麟酸酷系列3 9 个 磷 手 性化合物 ( p s e r i a l ) 关键词:分子模型方法， 手性识别机理， 诊 口 对映体， 夕/ 手性固定相， 高效液相色谱 i n v e s t i g a t i o n o f h p l c c h i r a l r e c o g n i t i o n me c h a n i s m b y mo l e c u l a r mo d e l i n g ab s t r a c t t h i s p a p e r h a s t w o p a r t s : p a r t i , a c o m p u t e r - as s i s t e d m o l e c u l a r m o d e l i n g d e s i g n m e t h o d w a s d e v e l o p e d t o i n v e s t i g a t e t h e c h i r a l r e c o g n i t i o n m e c h a n i s m o n t h e s g i g r a p h ic w o r k s t a t i o n b a s e d o n t h e o r e t i c a l c o m p u t a t i o n a n d c o m p u t e r - a s s i s t e d m o l e c u l a r d e s i g n s o ft w a r e s y b y l 6 .2 2 . t h i s m e t h o d i n c l u d e s m o l e c u l a r m e c h a n i c s c o m p u t a t i o n ( mm2 ) , e n e r g y o p t i m i z a t io n ( m i n i m i z e ) , s y s t e m a t i c s e a r c h , m o l e c u l a r d o c k ( d o c k i n g ) p r o g r a m m o d u l e s a n d s o o n . t h e i n t e r a c t i v e e n e r g y ( t e ) b e t w e e n t h e e n a n t i o m e r s a n d c h i r a l s t a t i o n p h a s e s ( c s p s ) w e r e c a l c u l a t e d a n d t h e e n e r g y d i ff e r e n c e b e t w e e n t w o e n a n t i o m e r s w as a l s o c a l c u l a t e d t o p r e d i c t t h e p o s s i b i l i t y o f c h i r a l s e p a r a t i o n a n d t h e c h r o m a t o g r a p h i c e l u t i o n o r d e r . p a rt i i , t h e c h i r a l r e c o g n i t i o n m e c h a n i s m s o f t h e s e p a r a t i o n o f f o u r s e r i e s o f o p t i c a l i s o m e r s o n c s p s b y h p l c w e r e i n v e s t i g a t e d u s i n g t h e m e t h o d w e d e v e l o p e d . t h e f o u r s e r i e s o f o p t i c al i s o m e r s a r e n - a c e t y l a m i n o a c i d m e t h y l e s t e r s , n - 3 , 5 - d i n i t r o b e n z o y l a m i n o a c i d m e t h y l e s t e r s , s i x t y p e s o f n - a c e t y l a m i n o a c i d e s t e r s ( s u m t o 1 8 c h i r a l c o m p o u n d s ) a n d t h e s e r i e s o f o - e t h y l - o - a ry l - n - i s o p r o p y l p h o s p h o r a m i d o - t h i o a t e s ( s u m t o 3 9 c h i r a l c o m p o u n d s ) . k e y w o r d s :m o l e c u l a r m o d e l i n g ， e n a n t i o m e r s ， c s p s c h i r a l r e c o g i t i o n m e c h a n i s m， h p l c 南开大学硕士学位论文 第一部分 引言 众所周知，对映体 ( 又称手性异构体，旋光异构体)的存在是自 然界的普遍 现象，其生物活性有着显著的立体特异性。自 从 1 8 4 8年 p a s t e u r 借助显微镜从外 消旋体酒石酸钱钠盐中分离出对映体，首次实现光学异构体的分离，光学异构体 的 研究就引 起了 人们的广泛兴趣。随着生命科学特别是生物化学和药物化学的发 展，在医药、农药、香料及天然产物等许多研究领域对光学纯物质的需要越来越 大， 手性生物活性物质和手性药物分离越来越重要，已 成为分离科学研究的热点。 据1 9 9 。 年统计， 5 2 3 种天 然及半合 成药 物的8 0 % 是 手性 化合物p 1 ， 但由 于 分离 测 定技术上的困难，其中 大部分对映体的药效及药物动力学的差别还远未被深入研 究。 1 9 9 0 年， 美国 食品 与 药 物 管 理 局( f d a ) 作出 政 策 性 规 定: 今 后 凡 研 制 具 有 不 对称中 心的 药物， 必须 对其各个 对映 体进 行测定 和评 价2 1 。 在过去的 十年中， 人 们对于用高效液相色谱( h p l c ) 拆分对映体的兴趣与日 俱增， 而发展新型高效的 手 性固 定 相( c s p s ) 成为 这一 领域最活跃的部 分。 对于手 性识别 机理的 研究 相 对来说 比 较少， 许多基本的问 题还未能解释清楚。 然而， 研究拆分的 机理又是非常重要的， 这有利于获得对手性识别更深入的理解， 可以指导人们去研制新型高效的c s p s 及 预示手性拆分的可能性。通过计算机辅助分子模型设计建立分子模型 ( 微观模 型)，用理论计算模拟手性识别，在分子水平认识手性识别发生的位置，确定并 定量表达手性识别作用力3 ) ， 不仅对新的c s p s 的设计， 而且对手性药物的药理及 药 物设 计、 生 命化学中 的 立 体化学问 题等4 ,5 1 都 有重要 意义。 一、液相色誉手性分离 1 9 5 2 年， d a l g l i e s h 采 用 纸层析 分离 氨 基酸 对映 体， 发 现了 色谱 技术分 离 手性 化合物的巨 大潜力16 1 . 近1 0 年来， 高效液相色谱分离科学技术的发展， 导致与有 机立体化学相关的手性药物学、分子生物学、材料化学、地球化学、天然有机化 学等前 沿 领域取 得许多 突破性 发现4 1 。目 前， 高 效液相 色谱方 法 ( h p l c )已 是公 认的直接、快速、高效、简便和适用范围广的理想的对映体分离方法，而且能够 实 现 对 映 体 的 制 备 性 分 离 17 1 分子模型方法用于液相色谱手性识别机理的 研究 ( 一) 方法概述 液相色谱手性分离可分为两大类: 间 接分离法和直接分离法8 1 。 直接分离法是 基于手 性固 定相或 含手性流 动相添加 剂的 色谱体系分离 对映 体 9 . 1 0 1 。 采用 色谱法直 接分离对映体，目 前已 分离出 几十类，上万种手性化合物对映体 川。 特别是手性 固 定 相( c s p s ) 技 术 发 展 很 快， 8 0 年 代以 来， 已 有1 0 多 种 不 同 结 构1 0 0 多 种c s p 问 世 1 1,1 2 ,13 1 ( 二)基本理论 早在1 9 5 2 年， 英国 科学家d a l g l i e s h 采用纸层析研究氨基酸对映体的分离时就 提出了“ 三点作用” 分离理论6 1 0 8 0 年代， p i r k l e 在深入研究手性色谱立体识别机 理的 过程中， 再一次阐述了 三点作用分离理论 1 2 1 .“ 手性识别要求手性固 定相 ( c s p s ) 至少与对映体之一同时存在三个相互作用， 且三者中至少有一个与立体 化学因素有关”。以图1 . 1 . 1 加以说明。 ( a ) ( b ) c h i r a l s e l e c t o r 图 3 . 1 . . 1 e n a n t i o m e r s ( a ) a n d ( b ) “ 三点作用原理， 如图所示，手性固定相有三个作用点a , b , c ，外消旋体也同样有三个作用 点a , b , c ， 对映体( a ) 与c s p 形成a - a , b - b ， 和c - c 三个作用力， 对映 体( b ) 则不存在c - c作用力， 若c - c ， 作用力使非对映体络合分子稳定， 则对映体( b ) 先流 出， 若c - c 作用力很弱， 则对映体( a ) , ( b ) 不能被手性固定相识别。 液相色谱手性固 定相法直接拆分对映体， 在色谱柱内 存在如下平衡 1 4 1 . c s p r + a r 二 奋 二 二 二 巴 二 c s p ra r ( 1 ) 南开大学硕士学位论文 c s p s + a s 二 产 = = 全 c s p s .a s p ir k l e 1 s l 和 d a v a n k o v 1 6 都给出了分离因子a r s ( 2 ) 和非对映分子络合物自由能 ( a g )差别 ( a g ) 之间的关系 1、ee 行j月马 .了 a r s尧 e x p ( 一 g r / r t ) / e x p ( 一 g s / r t ) a ( a g ) =- r t 1 n a r s b o e h m等人 u l 用统计热力学方法推导出手性分子在化学键合固定相模型上的保留 与分离的统计热力学理论公式: k = e x p ( - r a a )( 5 ) 其中k 为 容量因子， p a a为 溶质由 流动相到固定相转移过程的h e l m h o l t z 自 由 能， 因此有; “=k r / k s=e e x p ( - e i,r / r t ) / y- e x p ( - e , ,s / r t ) ( 6 ) 其 中e ;,r 和耳 s 分 别 为r 一 体 和s 一 体 在固 定 相 上以 第i 种和 第_1 种 保留 模 式 的 作 用能。 ( e)手性固定相类型 具有不对称中心或手性识别能力的 c s p的研制，是手性色谱发展的前沿领 域，也是手性色谱发展的关键和核心。一个有效的c s p 应具备四个方面的特征: 能快速、准确测定对映体纯度;适应多种结构类型对映体分离;对一系列结构类 似的手性化合物，其对映体洗脱顺序基本不变，能提供绝对构型信息:有较高的 对映体分离选择性 a 1 .2 ) 和柱容量， 具有制备分离能力。 c s p s 可分为“ 协同型” 和“ 独立型” 两大 类 1 2 1“ 协同 型” c s p s 手性识 别决定于 次级结构 单元协同 作 用， 次级结构单元本身具有或不具有手性， 但c s p s 整体结构具有手性。 如纤维素、 蛋 白 质、 环糊精、合成手性高分子等。 这类固定相手性识别机理复杂，与其超分子 结构 有关o e 1 “ 独立型” c s p s 的 每 个 键合手 性分子具 有 独立识 别能 力， 多 数可以 用三点作用理论解释，对映体洗脱顺序一般可以从理论推测，井可以提供溶质绝 对 构 型 的 有 关 信 息 i s 。 其中“ 刷 型 ， (b r u s h ty p e ) 即p ir k l e 类 型c s p : 是 典 型 的 独 立 型 c s p s ， 其立体识别基于三点作用原理。 其主要贡献归功于美国i l l i n o i s 大学的 p i r k l e 研究组。 这是h p l c 手性固 定相中 非常重要的一 类， 一般通过一定的间 隔臂， 连接一个单分子层的手性有机分子到硅胶载体上而制得d 9 1 。 其化学结构特点是在 手 性中 心 附 近 至 少 含 有 下 列 官 能 团 之 一 2 0 1 : ( 1 ) 7 r一 酸 性( 带 吸电 子 取 代 基) 或 二 一 碱 分子模型方法用于液相色谱手性识别机理的研究 性 ( 带推电 子取代基) 的芳香基团， 在手性识别中发生 二 一 二 电 荷转移相互作用: ( 2 ) 能 形成氢 键的 原子或基团; ( 3 ) 能发生偶 极一 偶极相 互作 用的 极性 键或 基团 ; ( 4 ) 能 提供立体排斥、范德华相互作用或构型控制的较大的非极性基团。 二、分子模型方法 d a l g l e i s h 建立和p i r k l e 发展的 手性识别三点作用原理广泛用于研究c s p s 与 对 映 体 之间 的 作 用， 但 更 确 切 地 描 述 这 些 作 用却 很 困 难。 d o r s e y 等 人 2 1,2 2 1 提出 如 下 疑问: “ 是否有必要合成如此多的手性固定相?能否设计十或二十种的手性固定 相来完成所有手性分离工作?”通过计算机辅助分子模型设计， 在分子水平上研 究对映体的识别机理已经成为该领域的前沿课题，具有十分重要的意义。 ( 一)理论墓础 目 前， 用于 手性 识别机理 研究的 方 法有 三种 12 3 1 0 1 ， 色 谱学 研究， 这是评 估一 种c s p s 的 特 性 的 最 通 用 的 实 验 方 法 : 2 . 光 谱 学 研 究 ， 包 括 核 磁 共 振 ( n m r ) 2 4 1 , x 一 光 衍 射 2 5 1 、 荧 光 分 析 2 6 和 红 外 光 谱 ( i r ) 2 3 ,2 7 1 均已 用 于 研 究 手 性固 定 相的 性 质: 3分 子 模 型方法， 这是一种基于计算机技术的 方法2 8 ,2 9 ,3 0 1 简言之，色谱学方法通过拆分对映体而得出手性拆分过程最基本的 信息，但 该方法并未研究 c s p s 本身的性质:光谱学方法是最直接地研究手性分离的技术， 但此方法要求的条件非常严格: 分子模型方法研究了c s p s 与对映体形成的非对映 络合物的性质，该方法直观地显示出手性作用的模型，更利于人们对于手性识别 机理的认识与理解。 对于色谱中手性选择作用发生的部位及如何作用的正确认识是非常重要的， 这有利于人们去设计和改进色谱系统，提出手性识别的新概念。虽然对于分子间 力 ( 包括h - 键、范德华力、二 一 二 相互作用、空间位阻、 疏水相互作用等)的研究己 比较深入而全面，但是这些作用力如何协同作用而增加或减弱非对映体络合物的 稳定性却并不很清楚。 对于手性识别机理研究的困难之一是手性分子与c s p s 间的 作用对于两个对映体来说往往是相同的，我们需要一种方法不仅能确定哪一种分 子间力起主要作用，而且能将这些作用力定量化，使我们能确定两对映体间的区 南开大学硕士学位论文 别。基于这种考虑，分子模型方法可以达到上述的目的。 化学 模型 分为 两种2 8 ,2 9 1 : 宏观模型与微 观模型。 宏观模型描述了 体 系和过 程 中大粒子的特征、传递的速率，而不考虑单个分子的结构。微观模型有时亦称为 分子模型，它考虑体系的全部原子。分子模型研究可通过两种方式进行:统计计 算或模型设计。统计计算是假设分子结构和物理、 化学性质有相关性 ( 结构一 性质 定量关系， q s p r ) 或结构与生物活性有相关性 ( 结构一 活性定量关系， q s a r ,)， 用已 知的 数 据建立q s a r或q s p r 方 程， 例如j u l i a n - q rt i z t 等人 3 1 采用分 子 拓朴方 法， 建立了色谱分析中容量因子k 值与对映体分离因子a 值的定量关系。 分子模型 设计方法通过计算分子描述因子建立模型来预示色谱的行为。 分子模型设计中采用的计算方法和技术有: 1 . 量子力 学 方法 ( q u a n t u m m e c h a n i c s , q m) 量子力学的目的是描述电 子及原子核的平面位置，其中最普通的工具是分子 轨道理论 ( mo t )，该理论中电子绕核转动直到形成自洽场 ( s c f )为止，即引 力与斥力达到平衡，通过自 洽场计算而得到体系最小的能量，这称为能量最小化 或 几 何 优 化 。 根 据 量 子 力 学 原 理， 分 子 的 所 有 性 质 可以 通 过 解s c h r o d i n g e : 方 程 3 2 1 来获得: h l y =e qj ( 7 ) 其中h为哈密顿算符，qj 为波函数， e为体系的能量或称为本征值。量子力学方 法分为以下两种:量子化学从头计算 ( a b i n i t i o ) 方法和半经验量子化学计算方法 . a b i n it i o 方法将分子轨道表示成原子轨道的线性组合 ( a o l c m o )， 用自 洽 场方法解 h a r tr e e - f o r c k - r o o t h a a n ( h f r ) 方程， 得到体系波函数。 再计算体系的 各种性质，不需任何经验参数，缺点是计算的体系较小。半经验量子化学计算方 法的原理与a n i n i t i 。 方法相同，只是在解h f r方程时，或忽略一些双电子积分， 在一些积分值的选择上使用实验拟合的参数，或在计算时只计算价电子， 蒋内层 电子加入到有效势能中去， 其计算速度比a b i n i t i 。 方法快 1 0 0 倍以上。 常见的半经 验量子力学方法有a ml , m n d o , p m3 等3 2 1 2 . 分子力学方法 ( mo l e c u l a r m e c h a n i c s , m m) 分子力学方法是一种非量子力学的计算分子结构、能量与性质的方法2 8 ,2 9 1 分子模型方法用十液相色谱手性识别机理的 研究 m m方法应用经验势能函数，即经验力场方法模拟分子的结构， 计算分子的性质。 根据经验势能函数的形式及拟合体系方法的不同，可得到不同的力场参数。分子 力学方法计算量小，概念简明，可给出分子三维结构、生成热、偶极矩等。在该 方法中，电子效应被隐含地处理，因此该方法要比半经验量子力学方法还要快很 多 ， 更 适于 研 究诸 如 生 物 聚 合 物等 大 分 子 化合 物。 y a s h i m a 等 3 3 】 以 下 式 计 算 总 作 用能e总: e,p = ejv 伸 展 出+ e iff 角+ e二 而 角+ e扭 转+ e 静 电 力十 e范 德 化 力( 8 ) 常 用 的 计 算 有 机小 分 子 与 生 物 大 分 子 的 力 场 有m m 2 , c h a r m m , t r ip o s 等 3 2 1 分子力学方法可以 进行分子的结构优化，构象分析、给体一受体相互作用计算等 工作。 3 . 分子动力学方法 ( m o l e c u l a r d y n a m i c s , m d ) 分子动力学方法的理论基础是分子在构象变化时，其热力学平衡构象所占的 几率最多。 m d方法是在给定分子势能函数与力场的 情况下， 用解经典力学n e w t o n 方 程 的 方 法研 究 分子 的 运 动 和构 型空 间 3 2 1 。 在m d中 ， 分子 的 运 动情 况 通过 积分 n e w to n 方程来获得: f ;( t) 一 m ; a ;( t ) = - m ; a 2 r i( t ) / a 2 ， i= 1 ,2 , ,n ( 9 ) 其中f ;( t ) , a ;( t ) , r ;( t )， m ; 分别为原子i 在t 时刻所受的 力， 加速度， 位置， 原子 i 的质量， n为分子的原子个数。 m d方法可以 计算分子的结构和热力学性质，可 以模拟分子在溶液中或其它环境中的构象，但只有那些很快的过程如低能键的旋 转才 一 有可能加以研究。 4.mo n t e c a r l o拟合 ( mc ) 这 种 方 法也 采 用在m m和m d中 使 用的 经 验 力 场2 8 ,2 9 1 ， 是一 种 统 计 力 学 方 法。 从粒子的收集开始， 并计算初始构象的能量 e , ， 然后其中一些粒子任意地移动而 产生 第二种构象并计算其能量场， 如果e 2 e i ， 则新的构象可以 被接受， 以此类推，这样获得了大量能量可行的状态 ( 低能态)，再计算其平均能量。这 种方法可用于溶解性研究中对溶剂分子在溶质周围分配情况的确定。 南开大学硕士学位论文 5 . 分子对接技术 ( d o c k i n g ) 在c s p的三维结构基础上进行手性识别作用的研究，首先要将手性分子接合 到 c s p 的 手 性 作 用 部 位上 去， 此 过 程 称为 分 子 对 接 (2 8 ,2 9 ,3 2 。 分 子 对 接一 般根 据 操 作 者的经验，应用实时立体图形技术，在计算机屏幕上进行手工操作，选择各种可 能的 方向 对接， 经能 量 优化得到非对映 体 络合物的 结构， k u n t z 等人3 2 发 展了一 种 自 动分子对接的算法，搜寻刚性配体 ( 手性分子)与c s p 立体作用的方向。 6 .计算机分子图形学 当分子结构的模型建立之后， 就可以 用计算机图形学加以 可视化。这些画面 也许是一些简单的化学结构图， 也许是突出了分子的结构、电子或其它特征的三 维图像，还可以产生动态画面来说明动力学过程。 所有上述的模型设计工具经常是互相结合来计算分子的结构、能量和性质。 这些工具与统计计算程序、相关数据库和其它一些生成数据的方法完整地统一成 为复杂的分子模型设计软件。 ( 二)分子模型设计的方法 根据色谱分离热力学原理，计算两非对映体络合物的结合能即可确定对映体 能 否分离 并预示 在色谱中 的 洗脱 顺序。 在计算时， 需进行如下 假设( 1 4 1 : 非 对映络 合物的形成对于r体和 s 体来说速率相同，且不考虑溶剂、离子和流动相添加剂 的影响 ( 实际上，两非对映体络合物具有不同的溶剂化自由能);计算中可以缩 短c s p 与硅胶表面所连间隔 臂( s p a c e r c h a i n ) 的 长度; 同时忽略c s p 基质 ( 或看 作 介 电 常 数 13 3 的 影 响 。 因 此 ， 所 有目 前 建 立 的 模 型 还 处 于 理 想 状 态 。 建立模型的首要工作是 对c s p 和手性分子 进行构象分析， 确定其各自 能量最 小的构象， 然后将c s p与手性分子接合在一起，计算其作用能，这是模型设计中 最困难的部分。 一种方法是只选取最稳定的c s p构象和分析物构象，将c s p固定作为原点， 将分析物用球面坐标表示( r , 9 ,0 ) ， 使分析物在c s p 的范德华面上滚动， 寻找作用能 量最低的结合区域及最稳定的取向 3 4 在上述研究中进行了众多的假设，仅选取 c s p及分析物的一种优化构象，并 分子模型方法用于液相色谱手性识别机理的研究 且 只 比 较 结 合 焙 而 不 是自 由 能。 与 之 相 对 应 的 ， l ip k o w itz 等 人 14 3发 展了 一 种 克 服 上述缺陷的用于计算c s p与手性分子对映选择作用的方法。该方法中他们试图说 明 所有重要的c s p和分析物的构象，以及两分子间所有重要的取向，计算出统计 力 学 平 均 作 用能e 平 均 ， 并 采 用 概 率形 式 表 示 为 获 得 更多 手 性 识 别 信 息， l ip k o w it z 等 人 3 5 3用 作 用 能 分 割 法( e n e r g y p a r ti t io n i n g s c h e m e ) 考 察c s p s 分 子中 与 手 性中 心 相连的四个碎片基团对手性识别的不同贡献。 ( 三 )分 子 模型 法 在 手性 识 别 机理 研究的 应 用 近十年来分子模型方法已 经在色谱手性识别机理研究中得以开展和应用，目 前这种方法在p i r k l e 类型和环糊精 ( c d ) 类手性固定相的研究中较为集中， 此外 在手性酞胺类固定相、纤维素衍生固定相、冠醚类固定相、蛋白质类固定相和手 性离子交换色谱的研究中也有一些应用。 1 . p ir k l e 类型手性固定相的 模型设计 p i r k l e 类型c s p s 是柔性分子，可以设想，一个c s p s 可能具有至少两种构象， 其中一种能量较低，出现的几率也较大，而其它的构象能量较高，因此出现的几 率较小。 l ip k o w it z 等 人 3 6 .3 8 ,3 对p i r k le 类 型c s p s 的 识 别 机 理 作 了 系 统 的 研 究 。 首 先 对 p i r k l e 型的c s p 1 进行了 模型设计 3 6 3 ， 模型 化为c s p 1 ， 用分子 力学方 法m m 2 计 算了分子势能面，并确定了五种能量较小的构象， 讨论了c s p i 的手性识别能力。 此 后他们 又将这项工作扩 展到离 子型的 模型化为c s p 2 的p i r k l e 型固 定相 (3 7 3 ， 用半 经验分子轨道方法和经验力场确定了 这些c s p s 的 立体动力学特征。 第二代p i r k l e 类型的固定相c s p 3 模型化为c s p s ， 用量子力学和分子力学方法加以 研究3 s 3 在此后的 一篇 文章中 3 ) ， 研究了c s p i 的 类似 物 ( r = 苯基) 与一 系列手 性化 合物的作用情况， 发展了一种能量分解方案， 将总结合焙分到每个c s p s 的分子碎 片上。 南开大学硕士学位论文 cho conh r丫日 h!n 发_ 一丫 o h i c o n 、 / / s i r二丫。 c s p 1 ( r = m e ) csp 1 h ! r+ n 中c o o x ( x = h , n h 3 r = m e ,p h ,i-p r,i-b u ,t-b u !ghi h csp 2 0 - (c h 2 ) - s i- csp 3 图1 . 2 . 1 csp 3 几种手性固定相及其模型 t o p io l 等 人 5 1对n - ( 3 ,5 一 二 硝 基 苯甲 酞 基 ) - 亮 氨 酸 n 一 丙 基 酞 胺 与 ( s ) -n - ( 2 - 蔡 基 ) - 藻酸盐的作用进行了 研究。两个分子的最稳定结构用经验力场方法获得，并且用 一种有限制的搜寻策略得到两个分子在络合物中的相对位置，并用半经验分子轨 道方法来研究对映选择性的本质， 将分子分解成小的实体来估计二 一 二 堆积作用和h - 键作 用能 量 在每 个络合物的 稳定中的 贡献。 在此 后的 一 篇文 章中 3 9 1 ， 采用a m 1 哈 密顿方程的完全几何优化的结果是芳环中心距离变得很大，证实了他们的预示， 即在s s 络合物中存在的三种主要作用在s r络合物中也存在，但相对弱一些。此 外他们还用分子动力学及更精确的量子力学方法研究了 上述体系，也得出相同的 结 论 。 t o p io l 等 人 5 ,3 9 1和l i p k o w it z 等 人 4 0 1均 发 现 两 个 竞 争的 非 对 映 体 络 合 物 中 存 在相同的作用，只是作用的强弱程度上有差别. d a p p e n 等 人 4 1 研 究t 分 析 物 1 与c s p 4 的 作 用， 发 现a 1 的r 体 与c s p 4 结合得比a 1 的s 体更紧。 他们考虑了 两种分子对接策略: 一种采取系统的网 格搜 寻，另外一种使用的对接策略采用了非对映体络合物中已建立的分子间键合主型 ( 包括h 一 键、7t - 7 c 堆积和偶极堆积作用)， 成功地建立了a 1 与c s p 4 对映选择接 分子模型方法用于液相色谱手性识别机理的研究 合的模型。 02 n 一 o 110 hi * -c-nh-i-ch3a 1 h2n 8 0 2 n o ,n h c - c ( c h 3 ) 3 i c 日 3 cs p 4 hin 0 u c , n h - - me csp 5csp 6 图1 .2 .2 几种手性固 定相的 分子模型 其它的一些科研小组也采用分子模型设计方法来预示p i r k l e 型c s p s 的手性分 离 。 h a n a i 等 人 14 2 采用m m 2 方 法 计 算了d ,l - 丙 氨 酸 和d ,l - 苯丙 氨 酸的 分 子 能 量， 结 果表明d - l 氨 基酸能 量 低于d - d及l - l 氨基酸。 p i r k l e 等人 14 3 ,4 4 1 又 提出了 一 种 具 有 面 一 边 作 用的 新的 识 别 机 理。 e d g e 等 人 14 5 提出了 包 括 立体 效 应 ( m a t r i x ) 在内 的 手 性 识 别 分 子 模 型 设 计 。 a r m s t r o n g 4 6 1和s t i l l 14 1 】采 用 简 单 的 分 子 对 接 和能 量 最 小 化 方法准确地预示了 色谱保留 顺序， 他们研究了2 ,2 ,2 一 三氟葱基乙 醇( t f a e ) 与手性固 定相n 一 叔丁氧基拨基一 d - 缘氨酸一 n 一 正丁胺识别的分子模型， 手性分子与c s p s 四种 不 同 的 构象 对 接， 得 到结 果与 实 验一 致。 n o r i n d e r 等 人 14 8 )在 计 算总 能 量中 静电 力 部分时考虑了单极一 单极、 单极一偶极、 偶极一偶极三种作用。 他们将c s p s 作为 c s p 1 的 类 似 物 ( r 二 苯 基) ，c s p 6 作 为c s p 3 的 类 似 物 ( r 二 甲 基 ) ， 采 用 经 验 力场估计了c s p s 类似物与分析物的允许构象态， 具有最低能量的结构作为几何优 化的初始结构系列， 预示的 洗脱顺序与实验结果一致， 但 h值与观察到的分离因 子( a ) 不 相 符， 正 如l ip k o w it z 14 7指 出 的 ， 必 须 考 虑 包 括 嫡 形 式 的 真 实 的自 由 能 。 l i n 等人4 9 ,3 0 研究了 含两个手性中 心的p i r k l e 型c s p s 采用a m i 计算方 法 预示了 氨基酸对映体在此c s p s 上的保留顺序，与色谱结果一致。 南开大学硕士学位论文 2， 环糊精类手性固定相的模型设计 环糊精分子的模型是一个截短了的圆锥状空腔，其一端有三个以上的结合区 域， 还 有 一 个 位置与 硅 胶相 连。 a n n s t r o n g等 人5 1 ,5 2 1采 用分 子图 形 学图 示了 p - c d 如何拆分手性化合物， 发现2 - o h和3 - o h对于手性识别有重要的作用， 手性分子 通过单点、双点和三点作用与环糊精作用的可能性6 0 种， 所有的类型对总作用能 均有贡献， 其中有一些作用对于r 一 体和s 一 体来说不同， 即起手性识别的关键作用。 b e r th o d 等人 5 3 1 不是去 想象可能 存在的 作用， 而是设计了 一种方法来评估不同 的取代基对手性识别的贡献，引入如下公式: a = e x p 攀 ( a g c ， 一 a g c 2 ) / r t ( 1 0 ) 其中， a g c 为两对映体与c s p s 作用的自由能。 他们研究了1 2 6 种手性化合物在两种手性固定相上的分离， 这两种c s p : 分别 为 ( r ) - 1 - ( 1 - 蔡乙 基 关 氨基甲 酸酷化p - c d ( r - n e c - 日 - c d ) 和 s - n e c - p - c d 。 评估了 t r - 7 c 堆积、h - 键和偶极堆积作用对手性识别的影响，预示手性分离的可能性。 n o w a k o w s k i 等 人 5 4 分 析了 环 糊 精的 形 状 并 比 较了 天 然 及 衍 生 化 的 a - , p 一 和 r - c d s 手 性 拆分能 力的 差 异。 l ip k o w it z 等 人 8 4 1采 用 分 子 力 学 模拟的 方 法 来 研 究 分 析 物与c s p s 结合的分子间 作用力及分析物在c s p s 内 或外的的结合部位。 该分子力 学方法采用 c h a r mm 力场，他们预示出正确的保留顺序和分离因子并评估了主 客体间不同的h - 键作用，发现保留较长的r 一 体形成的h - 键数目比s 一 体多，而且 主客体间h - 键的形成是同时的和多点的。另外，他们通过文献检索到c d及纯r - 体和s 一 体的晶体结构， 用分子力学计算了结合焙a h ， 并比较了 两主客体络合物的 分子力学能量，这样计算出 a h 。发现主客络合作用中主要的是短距离的l o n d o n 力， 而对映选择作用力一般为较小的长距离的库仑力，衍生化的c d s 与天然c d s 相比对映选择性提高了，可能是由于衍生化的 c d s与客体的分子间作用发生在 c d s 外 部 ， 而 对 于 天 然 的c d s 则 发 生 在c d s 内 部 。 b e r th o d 等 人 5 5 和l ip k o w i tz 5 6 1 都认c d空腔内 外作用都存在手性识别。 n a h 等 人 (5 7 基于 能 量 线 性 相 关 方 法 研 究了 反 相 下 p - c d 键 合 相的 作 用力( 包 括 偶 极 与h - 键) 对色 谱 保留 的 影 响。 s t a l c u p 等 人 5 a 研究了 硫 酸 化的 环 糊 精c s p s , 认为离子强度与p h值对手性识别有较大影响， 而对映体的手性中心连有芳环有利 于分离。 f e l i x 等人5 9 研究了 天然c d的 色谱特性， 以 及间隔臂长短对识别的 影响。 分子模型方法用于液相色谱手性识 别机理的研究 v e n e m a 等人6 0 研究了改性c d的作用机理， 认为最主要的因素是疏水相互作用和 c d 包容 客体分 子的 能 力。 v r i e s 等人6 1 1 采用m m与m d结 合的 方 法 研究了 多 种改 性c d固定相的识别机理，计算了分子的热力学参数。 k o b o r 等人6 2 用分子模型设计方法研究气相色谱中极性和非极性分析物如何 与衍生化环糊精的作用。同时制备了t b c d ，与更常见的p mc d进行比 较分子 模型设计采用mo n t e c a r l o 对接法则来生成主客体络合物， 然后用分子力学方法几 何优化， 预示结果与实 验结果相紊合。 r e i n h a r d t 等人6 3 1 采用计算机模拟法研究了 p m c d与对映体的分子间相互作用， 系统研究了 给定的构象空间。 b l a c k等人16 4 1 采用分子模型方法研究了 o - 旅烯在p m c d及a - c d上 的 分离机理，使用c v f f 力 场，进行了 系统网格对接搜寻结合能量优化，预示结果令人满意，而未进行优化 的能量差与实验结果不一致。 3 .其它类型手性固定相的分子模型设计 w e i n s t e i n 等 人6 5 采用分子 模型设计 研究了 手 性酞 胺类固 定 相， 他们 建立的 是 一种插入模型， 实验发现当分析物的构型与c s p s 的构型一致时保留较长， 分子间 及分子内能量等值线图均证实了假设的模型。 i s a k s s o n 等人( 6 6 1 用统计方法研究了 分析物与纤维素三乙酸醋 ( c t a ) 的 接合， 估计了手性识别与分析物的对称性之间的相关性，认为对称的分子 ( 含有适当的 旋转轴 c)比 不对称分子获得较好的分离度的 概率大，而且对称轴越多，分离效 果 越 好。 l ip k o w it z 等 人 (6 7 研究了c t a的晶 体 结 构， 用不同 的 力 场( m m 3 , a m b e r ) 得出了相类似的结果。他们通过m d模拟确定了c t a单体的平均结构 特征、微晶的几何学与动力学性质，并试图了 解分析物键合的区域。f r a n c o t t e等 人 6 8 研究了c t a 超分 子 结 构 对识 别的 影 响。 o k a m o t o 等 人 (6 9 】在 纤 维素 及 淀 粉的 三 ( 3 , 5 一 二甲 基 苯基氨基甲 酸酷5 上直 接分离了 梭酸 类 手性化合 物。 b o o t h 等 人7 0 采 用q s e r r方法研究了 淀粉的 三 ( 3 , 5 一 二甲 基苯基氨基甲 酸酷) 类c s p : 的识别机 理， 认为 保留 值与h - 键能 力 及溶 质的 芳香 性有关。 c h a rt o n 等人 7 1 1 对 扁桃酸甲 醋 对 映体在纤维素相上的吸附和保留行为进行了模型设计，预示与实验达到惊人的一 致。 w a in e r 等 人 7 2 ,7 3 开 展了 对p ir k l 。 类型 和 纤维 素 类c s p s 识 别 机理的 研 究， 发 现 空间排斥与电子效应是影响手性识别的主要因素。 南开人学硕士学位论文 b r a d s h a w等 人 17 4 1合 成了 毗 咤 - 1 8 一 冠 一 6 - 聚 醚， 并 测 定了 与 手 性 烷基 取 代 钱盐 的 溶剂 化自 由 能， 采用m m方法计算出 了1 9 种对映 体的 h 值。 g e h i n 等人 1 7 5 1对冠 醚 类c s p s 也进行了分子模型设计。 n o r i n d e r 等人 1 7 6 和k a i l s z a n 等 人7 7 研究了 蛋白 质类c s p s 的结 构与 对映 选择 性 保留 定 量 关系 ( q s e r r ) o l u t h m a n 等 人 17 8 】采 用m m x方 法 计 算、 手 工 对 接 和自 动 m c 方 法 搜寻 得到了 非 对映 体 络 合 物 模型。 h a n a i 等 人 17 9 1研究了 铜 ( i 1 ) 配 位 络 合 物 的 手性识别， 采用m m 2 方法计算的结果与色谱保留 顺序一致。 三、论文意义及研究成果 分子模型方法是在分子水平上认识对映体分离的识别机理，是当今国际上手 性色谱基础理论研究的前沿课题。南开大学元素有机化学研究所国家重点实验室 购置了s g i 图形工作站及s y b y l 6 ,2 2 分子设计软件， 为手性识别机理研究起步于国 际先进水平提供了必备条件。 本文开发了的基于理论计算的分子模型方法用于研究手性识别机理。该方法 利用计算机辅助分子设计软件s y b y l 6 .2 2