（无机化学专业论文）高效液相色谱手性填料的合成、评价及简单化学模拟.pdf

摘要 高效液相色谱手性填料的合成、评价及简单的化学模拟计算 摘要 色谱是手性分离的最主要手段，而液相色谱填料是实现色谱分离 的核心材料，因此具有重要的研究意义。本文主要研究以硅胶为基质 的分离手性化合物液相色谱填料，制备了两种键合型色谱填料，并通 过傅里叶红外光谱、元素分析、核磁碳谱对色谱填料进行表征，对填 料的色谱性能进行了考察。得到如下结果： 1 利用硅胶表面的键合反应制备了键合双手性色谱固定相，以 d l - 苯甲酰氯为衍生化试剂，六亚甲基二异氰酸为连接剂，以三甲基 氯硅烷对键合填料进行封端处理，制备了双手性键合色谱填料。填料 装柱后，对手性化合物分离，获得了较好的分离效果，适合手性化合 物的高效、快速分离。 2 纤维素2 ，3 衍生物应用分子动力学m m + 方法，采用 h y p e r c h e m 软件进行分子模拟，验证了双手性色谱填料合成的可行 性。 3 制备了以3 ，5 一二甲基苯基氨基异氰酸酯为衍生化试剂，六亚 甲基二异氰酸为连接剂，以三甲基氯硅烷对键合填料进行封端处理。 尽管大部分对映体可以在商品化涂覆型色谱填料分离，但这些色谱填 料主要的缺点是容易溶解流动相有一定限制，为了克服这个困难，制 备了键合型液相色谱填料，优化了反应条件。填料装柱后，对手性化 合物分离，获得了较好的分离效果，适合手性化合物的高效、快速分 离。 关键词：手性色谱填料，微晶纤维素，高效液相色谱，计算化学 摘要 p r e p a r a t i o na n dc h r o m a t o g r a p h i c c h a r a c t e r i s t i c so f h i g hp e r f o r m n c e l i q u i dc h r o m a t o g r a p h y c h i r a l s t a t i o n a r y p h a s ea n ds i m p l ech e m i c a lm o d e l i n g c a l c u l a t i o n a b s t r a c t s e p a r a t i o no fc h i r a lc o m p o u n d si su s u a l l yc a r r i e do u tb yh i g h p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) i - i p l cs t a t i o n a r yp h a s e p l a y sm a i nr o l ei nh p l cs e p a r a t i o n i ti sv e r yi m p o r t a n tt os y n t h e s i z e h p l cs t a t i o n a r yp h a s e i nm yr e s e a r c hw o r k ，s i l i c ag e ls t a t i o n a r yp h a s e a ss e p a r a t i n gm e d i af o rs e p a r a t i o no fc h i r a lc o m p o u n d sw a ss t u d i e d t w o t y p e so fc h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e s ( c s p ) a r ep r e p a r e d ，w h i c hw e r e c h a r a c t e r i z e db ym e a n so fm e t h o d ss u c ha s 乙e l e m e n t a la n a l y s i s ， 1 3 c n m r c h r o m a t o g r a p h i cc h a r a c t e r i s t i c so fs t a t i o n a r yp h a s e sa r ea l s o s t u d i e d 1 s i l i c ag e lb o n d e ds t a t i o n a r yp h a s ew i t ht w o - c h i r a lc e n t e rw a s p r e p a r e d ( d l ) 一2 - p h e n y l p r o p i o n y l c h l o r i d e i tw a su s e da sd e r i v a t i v e r e a g e n t ，1 ，6 - d i s o c y a n a t o h e x a n ew a su s e da sac o u p l i n gr e a g e n t ，t h e n t r i m e t h y l c h l o r o s i l a n e ( s i ( c h 3 ) 3c 1 ) w a su s e da si n a c t i v er e a g e n tt o r e s i d u a ls i o h t h i ss t a t i o n a r y p h a s ew a sp a c k e da n da p p l i e d t o m 北京化丁大学学位论文 s e p a r a t i o no fc h i r a lc o m p o u n d s i th a sq u i c ka n dh i g he f f i c i e n ts e p a r a t i o n o fc h i r a lc o m p o u n d s 2 t h ec e l l u l o s e2 ，3 - b i s d e r i v a t i v e ss t r u c t u r em o d e l i n gw i t hs u p p o r t o fh y p e r c h e mm m + m o l e c u l a rd y n a m i c sp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n ss h o w e d t h a tt h es y n t h e s i so fc s pw i t ht w o c h i r a lc e n t e rw a sa v a i l a b l e 3 s i l i c ag e lb o n d e dc h i r a l s t a t i o n a r yp h a s ew a sp r e p a r e d 3 ， 5 - d i m e t h y l p h e n y li s o c y a n a t e w a su s e da sd e r i v a t i v e r e a g e n t ，1 ， 6 - d i s o c y a n a t o h e x a n e w a su s e da sa c o u p l i n gr e a g e n t ，t h e n t r i m e t h y l c h l o r o s i l a n e ( s i ( c h 3 ) 3c 1 ) w a su s e da si n a c t i v er e a g e n tt o r e s i d u a ls i - o h al a r g er a n g eo fe n a n t i o m e r sh a v eb e e ns e p a r a t e do nt h e c o m m e r c i a l l y c s p sw h i c hw e r ea l lc o a t e dw i t h p o l y s a c c h a r i d e s d e r i v a t i v e s h o w e v e r , t h em a i nd r a w b a c k so ft h e s ec h i r a ls t a t i o n a r y p h a s e sh a v eb a ds o l v e n tr e s i s t a n c ea n dl i m i t e dm o b i l ep h a s e s i no r d e rt o o v e r c o m et h e s ep r o b l e m s ，s y n t h e s i so fp o l y s a c c h a r i d e sb o n d e dc s ph a s b e e ns t u d i e d t h er e a c t i o nc o n d i t i o nw a so p t i m i z e d t h i ss t a t i o n a r yp h a s e w a sp a c k e da n da p p l i e dt os e p a r a t i o no fc h i r a lc o m p o u n d s i th a sq u i c k a n dh i g he f f i c i e n ts e p a r a t i o no fc h i r a lc o m p o u n d s k e yw o r d s ： c h i r a l s t a t i o n a r yp h a s e ，c e l l u l o s e ，h p l c ， c o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r y i v 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律后果由本人自己承担。 作者签名：鲜盈 日期：金堂：2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：拯刍日期：地2 ：鉴 导师签名：跹 日期：型2 ：兰：! 墅 北京化工大学学位论文 1 1 前言 第一章绪论 自然界的各个方面，尤其是物理和化学中，都广泛地存在着许多对称的概念： 带负电的电子与带正电的反电子，磁场的南极和北极，以及化学中的分解和化合 反应。就连遥远的河外星系也存在着正旋和逆旋的旋涡结构。2 0 0 1 年度的诺贝 尔化学奖授予三位有机化学家，分别是美国的诺尔斯教授和夏普雷斯教授、日本 的野依良治教授，他们是在手性化合物的合成领域作出的杰出贡献。那么，什么 是手性? 如何检验物质具有手性? 手性物质的性质和意义? 当我们伸出双手，双手手心向上时，可以看出左右手是对称的，但是将双只 手叠合，无论如何也不能全部重叠，总有一部分是不能重合在一起的；象这样左 手和右手看来如同物与像，但又不能叠合在一起，互相成为“镜像 关系，就称 之为“手性一。 有机化合物多是含碳的化合物，一个碳原子的最外层上有四个电子，若以单 键成键时，可以形成四个共价单键，共价键指向四面体的顶点，当碳原子连接的 四个基团各不相同时，与这个碳原子相连接的四个基团有两种空间连接方式，这 两种方式如同左右手，互为“镜像 ，也是不能完全叠合在一起的，因此，这样 的分子叫做“手性分子 。这种构成手性关系的分子之间，把一方叫做另一方的 “对映异构体一。 如何检验物质具有手性? 手性物质具有一特殊性质旋光性，将纯净的手性物质的晶体，或是将纯 净的手性物质配成一定浓度的溶液，用平面偏振光照射，通过手性物质的偏振光 平面会发生一定角度的旋转，这称为旋光性。这种偏振光的平面旋转可左可右， 以顺时针方向旋转的对映体，称为右旋分子，用“+ ”或“d 表示；以逆时针方 向旋转的对映体，称为左旋分子，用“力或“l ；如果将互为对映体的手性物 质等物质的量混合后，以偏振光照射，而偏振光不发生旋转，称为外消旋体或外 消旋混合物，外消旋体是由于左旋分子和右旋分子发生的偏振光旋转相互抵消， 而使通过的偏振光的旋转不能被检出。因此，利用旋光性可以检验物质的手性， 但要注意物质的纯度。 第一章绪论 另外，许多物质分子中并不是只有一个决定手性的碳原子，在分子内也会存 在互为对映体的碳原子，这样的分子如果用偏振光照射，偏振光也不会发生旋转， 称之为内消旋体，因为是分子内部的互为对映镜像原子对偏振光的旋转相互抵 消，而使偏振光的旋转不被检出。 手性物质的性质和意义? 手性物质是互成镜像，从物质的空间结构上看，对映体之间虽然不能重叠， 但分子的组成是相同的，那么，许多物理化学性质也是相同的，手性物质的对映 体之间有许多相同的理化性质，如熔点、溶解度、发生相同类型的化学反应等等， 但也有一些理化性同有极大的差异，如旋光性、气味、与手性物质相互作用产生 不同的产物，特别是许多与生物体密切相关的生化反应中，均和物质的手性相关 联，就是因为生命活动的生化反应与有机物的手性相关性，目前对物质的手性、 物质的手性反应以及物质的手性合成和分离等，对人类来讲具有重大意义。 由于手性物质的不同对映体对生物体的生理活性不同，分离和合成出纯净的 对映体就是人类梦昧以求的事业。但是大自然并没有给予我们现成的恩赐，只给 我们人类一些提示，纯净的手性物质在大自然中含量有限，甚至极其稀有，人类 知道了它们的用途，大量需要时，就得由人工合成，而工业合成的对映体，得到 的是两种对映体的1 ：1 混合物，即是外消旋体，由于对映体之间理化性质的相近， 使我们要真正得到纯净的一种对映体，目前对我们人类来说还有不少的合成和分 离上的难题需要解决。当一种对映体有益的生理活性被发现，并开始使用，就需 要大量生产，而在工业合成中，不能得到单一的对映体，一方面，有一半没有生 理活性将成为废物，浪费原料、增加产品成本，难实现规模化生产，另一方面， 若是有一半在生理活性方面有害，使用时就得不偿失。 据统计，生命、环境和材料科学领域中的分离、分析任务大部分可以单独或 联用液相色谱技术来完成；另一方面，在制药和精细化工的生产中制备色谱已成 为主要分离手段，与其它分离操作相比液相色谱分离效能无以伦比。 本研究课题的研究方向一硅胶基质色谱填料广泛用于液相色谱中，色谱填料 是液相色谱实现组分分离的关键，直接影响到色谱的分离效率和检测数据的准确 性。但是广泛使用的硅胶基质柱填料由于自身化学稳定性不够以及表面酸性等缺 陷，使之不能完全满足需要，或者使用寿命很短，因此柱填料的化学稳定性已成 为制约液相色谱技术的瓶颈，开发和研制优良化学稳定性的柱填料具有广阔应用 前景。因此跟踪国际研究形势，研制我们自己的液相色谱固定相是十分有意义的， 特别是考虑到目前国内手性固定相大多为国外生产的涂覆类型手性固定相，其在 对映体分离时有很多限制，因此合成键合型手性固定相，不仅具有自主知识产权， 应用范围广，能达到快速分离对映体的目的，且成本低，不仅适应了色谱学科本 北京化工大学学位论文 身的发展，而且同生命科学等的发展也有密切联系，它蕴藏着极大的市场需求和 社会经济效益，对国内和国际相关领域都具有重要的科学价值和实用意义。 1 2 外消旋体拆分方法 手性是自然界的一种普遍现象，构成生物体的基本物质如氨基酸、糖类等都 是手性分子。手性分子的重要性不仅表现在与生物相关的领域，在功能材料领域， 如液晶、非线性光学材料、导电高分子方面也显示出诱人前景。随着对手性分子 认识的不断深入，人们对单一手性物质的需求量越来越大，对其纯度的要求也越 来越高。下面对外消旋体的拆分做简要介绍n ： 1 机械拆分法 对于一个外消旋混合物，其两种对映体常自发地以宏观晶体分别析出，如果 这些晶体可以用肉眼区别，那么就可在放大镜的帮助下，用镊子之类的工具将他 们拣出分开，从而达到拆分的目的。这就是所谓的机械拆分法。机械拆分法的缺 点是过于繁琐，不能应用于外消旋化合物和外消旋固体溶液。接种结晶拆分法是 机械拆分法的改进。在一个热的外消旋体混合物的饱和溶液中，加入适量的某一 对映体的晶种，适当冷却，则相当量的这一旋光性的对映体从外消旋混合物中析 出。交替加入两种对映体晶种，可以获得两种对映体分子。对于不生成外消旋混 合物的化合物，将其转化成盐，往往可以满足要求，接种结晶拆分法工艺简单， 成本较低且效果较好；但通常只能间歇生产，一次收率较低。 2 化学拆分法 化学拆分法是广泛使用的一种方法。根据手性试剂与外消旋体反应所得生成 物不同可分为以下两种： ( 1 ) 生成非对映异构体的拆分法 该法利用手性试剂与外消旋体反应，生成两个非对映异构体，再利用它们物 理性质( 如溶解度、蒸汽压、吸收系统等) 的不同，将其拆分，最后再把这两个非 对映异构体分别复原为原来的对映体。通常拆分碱性物质用酸性拆分剂，拆分酸 性物质用碱性拆分剂。常用的拆分剂有溴化樟脑磺酸、苯基乙胺、酒石酸等。此 法反应步骤长、收率低，通常拆分剂价格昂贵，因此，关键是选择好拆分剂。 ( 2 ) 动力学拆分法 对映体a 和a 与一个手性试剂( 拆分剂) b 反应的过渡态分别为a b 和a b ，它们之间已不呈镜像关系，两者的能量也不相同；因此a 和a 分别与b 反 应时，他们的活化能就不同，反应速度也不一样，如果用不足量的拆分剂与外消 第一章绪论 旋体作用，则反应快的对映体将优先完成反应，而剩下反应慢的对映体，从而达 到拆分的目的。 3 生物化学拆分法 某些微生物和霉菌在外消旋体的稀溶液中生长时，破坏其中一种对映体的速 度比另一种快。例如酵母在d l 氡基酸中，易与l 对映体反应而剩下d 对映体， 从而达到拆分的目的。生物化学拆分法可用完整的微生物细胞或从微生物中提取 酶作为生物催化剂。生物催化剂的区域立体选择性强、反应条件温和、操作简便、 成本较低、公害少，且能够完成一些化学方法难以完成的反应。但是生物拆分法 也有菌种筛选困难、酶制剂不易保存、产物后处理工作量大以及通常只能得到一 种对映体等缺点。 4 萃取拆分法 萃取拆分法是将传统的溶剂萃取技术应用于外消旋体的拆分，与传统的溶剂 萃取技术相比，除待拆分的外消旋体外，两互相接触的液相至少有一相要有旋光 性。从理论上讲，两对映体的分离因数只要大于1 ，在足够多的级数下，即可实 现两者的高纯度分离。对于各种外消旋体的拆分，尤其是水溶性外消旋体的拆分， 根据拆分体系的不同，又可分为： ( 1 ) 亲和萃取拆分法 在亲和萃取拆分体系中，外消旋体和拆分剂之间至少分别有两个作用点，这 样一对外消旋体由于构型上的差异，与拆分剂间形成的非对映体配合物稳定性就 不同，其物理性质如溶解度也就有差异；而且，对映体与拆分剂之间的作用点越 多，这种差异就越大，从而使对映体得以萃取拆分。 ( 2 ) 配位萃取拆分法 该法是以手性试剂为配体与中心离子( 多数为过渡元素的离子) 形成的配合 物( 络离子) 作萃取拆分剂，与对映体形成螯合物。由于对映体构型上的差异，所 形成的螯合物的稳定性不同，其物理性质表现出极大的差异，在两相间的分配行 为表现不同，从而实现对映异构体的拆分。由于对映体空间构型上的差异，一对 对映体与萃取剂所形成的螯合物稳定性差别较大，分配行为也表现出较大的差 别，从而成功实现对映体的拆分。 ( 3 ) 形成非对映异构体的萃取拆分法 分子手性相互作用会引起非对映分子物化性质差异，其作用强度与溶剂有 关，这样利用手性试剂使对映体转化成非对映体，依据非对映体物化性质的差异 就可实现对映体的拆分。这也正是形成非对映异构体的萃取拆分法的拆分机理。 萃取拆分法有望成为连续、高效、廉价的大规模拆分方法，但是目前的研究报道 还不多。对不同类型的对映体混合物，关键在于选择合适的拆分体系，开发选择 北京化工大学学位论文 性较高的拆分剂。 5 膜拆分法 氨基酸的生物转移通常是由埋在生物膜中载体蛋白来传递的，这种转移的对 映体选择性很高。很久以来，人们就希望将这种对映体转移体系用于分离技术中， 通过膜分离进行旋光异构体拆分正是这种生物过程的模拟。膜拆分法又可分为液 体膜拆分法和手性固定膜拆分法。前者基于选择性萃取；后者基于对映体间亲和 性的差异。在各种膜技术中，选择性比较好的是适用流动载体的液体膜方法，选 择性的大小取决于所使用的载体分子的性质。载体分子通常为大分子配体化合 物，如冠醚、穴状配体等。膜拆分具有低能耗、连续生产的特点，有良好的应用 前景，但是该技术的研究才刚起步。 6 色谱拆分法 色谱是根据混合物中溶质在互不相容的两相间分配行为的差别，从而引起迁 移速度的不同而进行分离的方法心1 。1 9 0 6 年俄国生物学家t s w e c t 利用吸附剂 分离叶绿素时b 1 ，色谱一词才被正式采用。二十世纪四十年代以后，色谱技术 在各个领域逐步被广大科研人员所接受。 色谱法是目前手性药物分析和分离中应用最广和最有效的方法之一4 1 。这种 方法以现代色谱分离技术为基础，引入不对称中心，实现对映体的直接或间接分 离，并能对拆分后的物质进行相关分析。色谱拆分可以分为直接拆分法和间接拆 分法，直接拆分法是向色谱中引入“手性识别因素 和“手性环境 ，两个对映 体可与这些手性因素形成暂时的非对映体复合物，表现出性质上的差异，从而使 对映体实现分离。间接法则是在分离前先将对映体与高光学纯度衍生试剂进行反 应，形成非对映异构体，然后用非手性的气相色谱( g - c ) 或高效液相色谱( i - 1 p l c ) 来分离混合物。直接法分为手性流动相添加剂法( c m p a ) 和手性固定相法( c s p ) 两种。手性固定相有多糖类、蛋白类、环糊精类、冠醚类等，多糖衍生物是应用 非常广泛的一种，手性识别能力强，方法也较成熟，目前商品化的品种很多。间 接法又称为手性试剂衍生化法( c d f ) 这些方法的差别在于c d f 方法将手性中心引 入分子内，而c m p a 和c s p 法是将其引入分子间5 6 l 。色谱技术在手性药物拆分的 应用中十分广泛，其中具有代表性的有以下几种： ( 1 ) 模拟移动床色谱法 b r o u g h t o n 于2 0 世纪6 0 年代提出了模拟移动床色谱技术，并得到了不断的 发展。所谓模拟移动床( s m b ) 色谱就是在色谱分离中模拟出固定相和流动相相对 于进样口的相对循环流动。这样，两种具有不同保留值的组分就会被固定相和流 动相分别带向进样口两边，从而得到分离。为达到这一目的，模拟移动床色谱由 许多较短的色谱柱首尾相连而成。选择适当的进样位置和分离后两组分的采出位 第一章绪论 置，按适当的切换时间，将各个位置沿着流动相的运动方向，向下一个柱子推进， 如此循环，就模拟出了固定相和流动相间的相对移动。这样，既可以使分离操作 连续进行，又可以获得较大的传质推动力和很高的固定相利用率。 ( 2 ) 薄层色谱法 薄层色谱法作为色谱分析的一个重要分支，具有快速、分离效率高、灵敏度 高( 薄层层析可以检验出0 0 1g 的物质) 以及操作方便，无需任何设备，应用面 广和定性鉴定和定量测定均可等优点，无需对样品进行任何处理即可取得较好发 展。 ( 3 ) 超临界流体色谱法( s f c ) 超临界流体色谱的制备拆分方法是从2 0 世纪8 0 年代中期迅速崛起并发展起 来的一项拆分技术，该方法一般采用超临界状态的二氧化碳作流动相，液态二氧 化碳黏度低，可以迅速将产物洗出。而且二氧化碳无毒，价格便宜，适用于大量 生产，该方法在个别特殊领域里得到了一些应用，但由于条件要求高，应用不是 很广泛刀。 ( 4 ) 高效液相色谱( h p l c ) 高效液相色谱( h p l c ) 是目前使用最广泛的分析方法之一，从二十世纪七十年 代现代液相色谱出现距今在短短的几十年的时间里得到了迅速发展和广泛应用。 这种技术不仅满足了不同组分混合物的分离和制备，而且提供了同时定性和定量 分析，性能优良的液相色谱柱能够在p i t1 1 3 条件下使用，可用于中性、酸性化 合物，尤其适于碱性及含碱性基团化合物的分离，如分离蛋白、多肽、生物碱、 中西药物等。根据m a j o r s 统计，在药物学、生物医学、生物化学和环境分析中 大约8 0 的分离可以通过这种技术实现。近年来生命科学、药物科学、环境科学 和材料科学发展迅速对色谱分离检测提出了更高的要求，也推动了高效液相色谱 的迅猛发展，目前液相色谱在全世界年销售以7 9 的速度增长。 从现代分离科学理论计算得出，色谱和电泳是目前所知最好的两种分离方 法，其塔板数可达百万数量级。但是，因受到电压、发热等因素的限制妫1 ，电 泳法目前很少用于规模化分离与纯化，而液相色谱法一般是在常温下进行的，因 而不会造成对温度耐受性差的样品的分解，在温和溶剂条件下也不会造成生物样 品的构型改变和生物活性的破坏，此外液相色谱具有较高的柱容量，具有发展成 为工业规模分离的巨大潜力，在常规样品分离分析领域应用前景十分广阔。 7 其他方法 旋转带蒸馏技术是一种新型的蒸馏技术，它可以用来分离沸点非常接近的和 具有热敏性的液体物质，它的分离能力非常强，可以分离沸点相差0 5 。c 的混合 物，现在几乎可以将同分异构体分离。如果将一对对映体转化成非对映体复合物， 北京化工犬学学位论文 然后利用该技术拆分必将取得很好的效果。随着该技术的进一步发展，在对映体 的分离方面也将得到很好的应用。9 1 1 3 高效液相色谱手性固定相的类型 从7 0 年代开始，特别是近些年来，h p l c 在手性研究中取得了令人瞩目的进 展n 。它在拆分对映体时通常有3 种方法：一是利用手性试剂与被拆分物进行 衍生化反应生成非对映异构体，从而可被传统的非手性h p l c 所拆分；二是在流 动相中加入手性添加剂，利用非手性固定相h p l c 进行拆分；三是利用手性固定 相( c h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e 简称c s p ) 的h p l c 进行拆分。其中，最简便和最有效的 方法是h p l c c s p 法。h p l c c s p 法之所以能拆分对映体，是因为在c s p 与外消旋 体相互作用时，其中一个对映体与c s p 生成不稳定的短暂的对映体复合物，造成 在柱淋洗时保留时间不同，从而达到拆分的目的。 一个有效的c s p 应当具有能够快速分离对映体，测定对映体的纯度，尽可能 适应多种类型的对映体的分离；应当具有较高的对映体分离选择性( a 1 2 ) 和制备 分离能力。但实际上，能同时满足这些要求的c s p 是不多的。合成的c s p 我们可 以分为“协同型 ( c o o p e r a t i o n ) 和“独立型 ( i n d e p e n d e n t ) 两大类。“协同型 的c s p 手性识别决定于次级结构单元的协同作用，次级结构单元本身也可以是手 性的。如纤维素、蛋白质、合成手性高聚物等。这类c s p 手性识别机理比较复杂， 主要是与其超分子结构有关。“独立型c s p 的每个键合手性分子具有独立手性 识别作用，大多可用“三点作用 规律来解释。目前，国际上发展的高效液相色 谱手性固定相很多，主要有以下8 大类： ( 1 ) p i k i c 型手性固定相：主要是氢键型固定相。 ( 2 ) 配体交换手性固定相：建立在金属配合物的配体交换的基础之上的固定 相。 ( 3 ) 大环手性固定相：主要是用大环分子和环糊精、手性冠醚来形成的固定 相。 ( 4 ) 高分子手性固定相。 ( 5 ) 分子印迹手性固定相：利用分子模板而生成的有机高分子固定相。 ( 6 ) 多肽或蛋白质手性固定相。 ( 7 ) 糖肽类手性固定相：主要是用万古霉素、利福霉素等制成的手性固定相。 ( 8 ) 多糖类手性固定相：主要包括纤维素和淀粉两大类手性固定相。 下面对几种重要的手性固定相做简要介绍n ： 第一章绪论 ( 1 ) p i r k l e 型手性固定相 这类固定相的研究，主要贡献应归功于美国i l l i n o i s 大学的p i r k l ewh 研究 组，因此称为p i r k l e 型或多种作用手性固定相，其商品以b r u s h t y p e ( j 昂l j 型) 著称。 而且，p i r k l e 还运用非对映异构化合物作用的分子模型和对同一系列的各种外消 旋物质的研究，阐明了这类c s p 的手性识别机理，其立体识别基于三点作用原理。 在手性液相色谱领域，p i r k l e 型c s p 是对手性识别机理揭示较深的一类重要 c s p 。它们具有确定的化学结构，其共同结构特征是在手性中心附近至少含有下 列基团之一扣：兀酸或兀碱芳基；极性氢键给体一受体；形成偶极相互作用的极 性基团；大体积非极性基团，提供立体位阻、范德华氏作用或构型控制作用。在 该类c s p 上的对映体分离通常通过以下几种作用而发生：( 1 ) 被分离溶质与c s p 芳环的兀受体和7 【受体之间的7 【- 兀作用；( 2 ) c s p 上的仲胺、羟基基团与溶质的酸 性质子、羟基、氨基之间的氢键作用；( 3 ) 偶极一偶极作用；( 4 ) 大体积非极性基 团靠近c s p 手性中心而产生的空间立体效应。 p i r k l e 型c s p 的优点是柱效和柱容量高，不仅用于对映体分析，也可用于对 映体制备分离。它可以分离很多外消旋光学异构体，例如烷基和芳基醇、芳基取 代乙内酰脲、内酰胺、丁二酰胺、四氯苯酞、亚砜、硫化物、酰胺、酰亚胺等等。 对于含有极性基团( 氨基、羰基、羟基) 的外消旋物质，为避免与固定相的作用过 强，需要先进行衍生化，衍生化包括将氨基转变成酰胺，羟基转化成酯，氨基甲 酸酯。基于立体识别机理，它还可以预测对映体洗脱顺序；确定其构型；测定光 学纯度。其不足是被分离的溶质大部分需衍生化以引入芳基等手性识别所需基 团；多使用非极性溶剂作流动相，如正己烷和异丙醇，溶解度可能限制对某些溶 质的应用。 ( 2 ) 冠醚型手性固定相 冠醚是分子识别( 主一客体化学) 、弱化学作用力和超分子化学的典型体现， 在分析、分离、电化学、分子催化等许多方面已经得到广泛的应用。冠醚衍生物 作为伯胺类化合物的手性选择剂己广泛应用于分析化学，特别是应用于毛细管电 泳、气相色谱和高效液相色谱的手性分离。近来越来越多的注意集中在基于主一 客体分子识别基础上的高效液相色谱手性固定相上“3 - 1 5 】，c r a m 和他的合作者们 发展了通过把手性冠醚键合到聚苯乙烯和硅胶上制备手性填料的方法，并显示出 手性冠醚的填料是分离氨基酸对映体的强有力工具。冠醚最引人注目的性质是能 生成稳定的配合物，在配位时，主体为冠醚，客体可能是盐类中的金属阳离子、 铵离子，也可能是中性分子或阴离子。在高效液相色谱中，冠醚手性固定相主要 是用来分离天然的和非天然的氨基酸对映体及其衍生物。 由于冠醚所具有的独特的配位性质，对各种金属离子、氨基化合物可形成络 北京化工大学学位论文 合物，已广泛地在高效液相色谱领域作为固定相。冠醚作固定相有三种途径：一 是小分子冠醚；二是冠醚聚合物和固定在有机担体上的冠醚；三是硅胶键合冠醚。 实现手性识别的条件是溶液的低p h 值和氨基酸的质子化。只有质子化的氨基酸才 能与富电子云的手性冠醚环腔形成主客体络合物。目前文献报道的手性冠醚已近 三百多种，虽然在色谱中的应用还处于初始阶段，但它无疑是一类很有前途的手 性固定相。 由于涂敷型冠醚手性固定相都涉及到受使用条件的影响，而无法扩大其应用 范围，所用流动相为无机水溶液，所以导致色谱分离时间加长。而通过添加有机 溶剂来改善保留时间，会导致固定相的流失，使色谱柱分离性能降低，柱子寿命 减少，故近些年来，发展出不少化学键合型c s p ，使冠醚手性固定相的应用日益 广泛。 ( 3 ) 环糊精型手性固定相 早在1 8 9 1 年，v i l l i c r s 首次发现了环糊精( c d ) ，这类化合物为d 吡喃葡萄糖单 元以洳l ，4 糖苷键结合而成的环状低聚糖，通常含6 - 1 2 个吡喃葡萄糖单元，用作 色谱分析的环糊精分别含6 ，7 ，8 个葡萄糖单元，即a ，p 爿c d 。环糊精具有疏水 性穴腔，端口有序排列着亲水性羟基，每个葡萄糖单元含5 个手性碳原子，这种 结构使其具有手性识别能力，同时端口羟基的衍生化进一步扩大了c d 应用范围， c d 具有较好的包结能力，有很好的光学纯度和较好的水溶性，且不干扰紫外检 测，因而也被广泛用作手性流动相添加剂，已实现了许多结构异构体、非对映异 构体及对映异构体1 酗的分离。与此同时，应用环糊精固定相以其更高的手性识 别能力和灵便的操作方式得到了更广泛的研究。环糊精高效液相色谱固定相是近 十多年来发展起来的新型固定相，也是研究最多的一类重要的手性固定相1 7 l 。 二十世纪9 0 年代以来，衍生化环糊精键合固定相迅速发展，进一步拓宽c d 的色谱应用范围。对环糊精进行化学修饰，引入可形成g - g ，氢键和偶极一偶极等 相互作用的基团，具有对映体分离能力。c d 键合固定相应用于h p l c ，不同的色 谱体系其保留机理表现出很大的差异。以水一有机溶剂为流动相的反相模式，分 离主要基于包结配合物的形成；以有机溶剂为流动相的正相模式，由于流动相占 据c d 空穴，溶质的保留决定于c d 表面羟基的氢键作用，不涉及包结配合物形成。 保留机理也受固定相结构的影响。 从二十世纪8 0 年代至今，已商品化c d 键合相已超过百余种，最初人们对羟 基的烷基化只是为了降低c d 的亲水性，发展到后来，人们结合p i r k i c 型手性固定 相的特点，有意识地引入具有不同作用位点的衍生化基团。可以预料，在分离更 大范围的光学活性物质方面，通过分子设计制备衍生化c d 固定相仍将有很大的 发展空间。 第一章绪论 ( 4 ) 杯芳烃型手性固定相 杯芳烃( c a l i x a r e n e s ) 是另一类具有穴腔结构的新型主体分子，它是由苯酚单 元通过亚甲基连接起来的一类环状低聚物。这类化合物包括两种基本结构，即杯 【n 】芳( c a l i x n a r e n e s ) 和雷琐杯芳烃( r e s o r c 4 a r e n e s ) 。历史可追溯j ! u 1 8 7 2 年b a e y e r 等对苯酚与甲醛水溶液加聚反应的研究，直至1 j 1 9 7 8 年美国化学家g u t s c h e 等对杯 芳烃合成进行了重大改进，在碱性条件下通过一步反应选择性地制备了杯芳烃 ( c a l i x n a r e n e s ，i 1 - - 4 ，6 ，8 ) ，并研究发现该类化合物具有模拟酶( m i m i c e r m 3 n n e ) 分子 识别潜能。从此，杯芳烃引起化学家广泛关注，杯芳烃的合成、功能及应用研究 成为多个领域的研究热点，逐步形成杯芳烃化学，杯芳烃化学与冠醚化学和环糊 精化学相比，虽起步较晚，但发展迅速。 目前已合成了n 叫1 9 个单元的杯芳烃，一般情况下，n = 4 ，6 ，8 个单元的杯芳 烃易合成，其它杯芳烃产率较低或分离难度大。早在1 9 8 3 年，m a n g i a 等首次将对 一叔丁基杯 8 芳烃和它的甲氧基乙基醚通过t h f 作溶剂涂渍到硅烷化的 c h r o m o s o r bw ( 1 0 ) 上作气相色谱固定相，成功地分离了醇类、氯代烃及芳烃化 合物，开创了杯芳烃在色谱中应用的先河。杯芳烃固定相程序升温起飘温度低， 使用温度高( 3 2 0 。c ) ，柱效高，对多环芳烃及多种芳烃异构体表现出良好的选择 性。研究表明，除杯芳烃包结作用外，其它超分子作用均对色谱分离有重要影响 有关杯芳烃在气相色谱中的应用早有综论评述& 1 9 1 。然而，杯芳烃在液相色谱 中的应用较晚。 ( 5 ) 聚合物型手性固定相 手性聚合物类c s p 主要有两大类，一类是天然聚合物( 如纤维素、淀粉等) ， 另一类是合成的聚合物。聚合物c s p 的手性识别能力来自于手性聚合物高度有序 的分子结构，聚合物单元间相互形成氢键而产生具有不对称的条形螺旋结构链， 两个对映异构体与这些链之间的相互作用是不同的，这种差别正是h p l c 拆分的基 础。在实际中，聚合物本身不是很好的c s p ，而它们的衍生物却是被广泛应用的 具有高度手性识别能力的c s p1 2 0 1 。其中研究较多的是纤维素，由于纤维素衍生 物手性固定相通常有很多不同的手性和非手性结合点，这些结合点与对映体之间 的亲和力也各不相同，使得其手性识别的机理非常复杂，再加上难以精确测定其 固体状态或溶液状态时的结构，更增加了揭示其机理的难度，因此虽然很多学者 在这一方面进行了大量的研究2 ，但到目前为止尚没有令人非常满意的解释。 纤维素是d ( + ) 葡萄糖单元由1 ，4 糖苷键形成的高度有序、呈螺旋型空穴结 构的光学活性天然高分子( 图1 1 ) 。虽然纤维素本身有手性识别能力，但它并不 能用作有效的c s p ，是由于其慢转移和扩散导致了低分辨率和宽峰，并且纤维素 的高极性羟基特性经常会导致溶质与纤维素之间出现非立体选择性，而且，纤维 北京化工大学学位论文 素不耐高压，因此一般都经衍生化用c s p 。纤维素衍生物一般由纤维素和相应的 酰氯或异氰酸酯作用制取。纤维素及其衍生物用作c s p ，有三种方式：a 做成凝 胶颗粒直接装柱；b 涂布在大孔载体如硅胶上；c 化学键合于硅胶表面。 图1 - 1 纤维素的结构图。 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo f c e l l u l o s e 为了降低纤维素的极性，提高对映体选择性，纤维素型c s p 的研究主要集中 在纤维素的羟基衍生化上。纤维素的衍生化( 一般为酯化或醚化) ，提高了这种 c s p 的光学拆分能力。衍生物类型对手性拆分能力有很大影响。酯类衍生物的拆 分性能优于醚类衍生物。以下为几种常见的纤维素衍生物： ( 1 ) 纤维素三醋酸醋( c t a ，c h i r a l c e lo a ，图1 2 a ) ) 1 9 7 3 年，h e s s e 和h a g e l 首先用微晶纤维素( 1 c ) 合成了m c t ，发现有较强的 手性识别能力是由纤维素的微晶结构决定的。在此基础上，他们提出了分离机理： 对映体不是简单地吸着在某一个葡萄糖单元上，而是插入两个单元之间，形成一 种包容复合物，达到分离。将m c t 溶于有机溶剂，吸附在硅胶上，发现得到的 c t a 的手性识别不同于m c t 。一些消旋体如t r o g e r 碱，其对映体的洗脱顺序正相 反，这是由形成三醋酸酯的不同过程引起的。这些结果清楚地表明，聚合物c s p 的光学拆分能力很大程度上依赖于其高度有序的结构。 ( 2 ) 纤维素三苯甲酯( c t b ，c h i r a l c e lo b ) 及其衍生物( 图1 - 2 b ) ) 在纤维素衍生物中引入苯基有利于提高手性识别能力。c t b 具有3 2 螺旋结 构，葡萄糖残基沿着螺旋轴有序地排列。手性空穴有序地排列在主链上，极性的 甲酸酯基处于手性空穴的底部，疏水的芳基处于它的外侧。在对映体分离过程中， 第一章绪论 对映体通过与固定相的甲酸酯基的氢键作用插入这些空穴中。c t b 的手性吸着点 主要是酯基上的羰基，羰基与具羰基的对映体存在偶极一偶极作用，与具羟基或 氨基的对映体存在氢键作用，c t b 中的苯环与芳香族类对映体还存在7 9 - t t 作用。 羰基的极性受苯基上取代基影响极大，取代的是斥电子基团如甲基，比吸电子基 团如卤素有利于分离，但斥电子能力强的o c h 3 由于极性太高，得到的衍生物不 具高光学拆分能力。c t b 衍生物光学拆分能力除决定于苯基上的取代基团硷2 1 和 固定相高度有序结构的制备过程有关。在c t b 衍生物中，纤维素三( 4 - 甲基苯甲 酸酯) ( c t m b ，c h i r a l c e lo j ) 对不同的对映体，包括药物有很高的手性识别能力， 是一个非常有用的c s p 。 ( 3 ) 纤维素三苯基氨基甲酸酯( c t p c ，c h i r a c e lo c ) 及其衍生物( 图1 - 2 c ) ) c t p c 及衍生物与对映体有较强的相互作用，拆分时易受对映体分子形状影 响。x - 衍射分析表明，c t p c 具有3 2 螺旋结构，沿着纤维素结构的主链，存在手 性的螺旋状沟，对映体进入沟中进行多次作用，从而达到手性识别。c t p c 主要 的手性吸着点是极性的氨基甲酸酯基，光学拆分能力受控于- n h c o 基团。胺基、 羰基与样品间存在氢键作用，羰基与样品间还存在偶极偶极作用。取代基的吸 电子性或斥电子性对一n h 基上氢的活性有影响。c t p c 及其衍生物的光学拆分能 力受取代基性质和结构的影响，也与其数目和位置也有关系。由于c t p c 的链较 长，取代基远离手性的葡萄糖单元，当极性较强的取代基( 如一o c h 3 和一n 0 2 ) 与样品作用时，手性单元与样品间的作用受到一定影响，从而使拆分能力下降。 当甲氧基变成乙氧基或丙氧基时，取代基呈大的伞状，阻碍了对映体与取代基上 的醚氧间的相互作用，提高了手性识别能力。o k a m o t o 根据吸电子基与斥电子基 的协同效应，在c t p c 的苯环上同时引入一c h 3 和- - c i ，得到稳定性和拆分能力 均较好的c s p 。同时，他们在改变取代基在苯环上的位置时，发现对映体的洗脱 顺序发生改变，说明光学拆分不仅是立体作用的结果，也与电荷相互作用有关。 择器缓 abc 图l - 2 纤维素三醋酸醋( a ) 、纤维素三苯甲酸酯类衍生物( b ) 和纤维素三苯基氨基甲酸酯类衍生 物( c ) 的结