（化学工程专业论文）色氨酸对映体的手性拆分及过程模拟.pdf

摘要 色谱过程动力学是研究物质在色谱过程中运动规律的科学。其主要研究目的 是解释色谱流出曲线的形状，探究影响色谱区域宽度扩张的因素和机理，从而为 获得高效色谱柱系统和选择色谱分离条件提供理论指导。色谱分离过程的动力学 研究是通过建立合适的色谱模型来对某一分离单元的分离过程进行模拟，通过优 化模型参数达到理论值与实验值的最佳拟合，有助于研究色谱分离过程中的质量 传递动力学和吸附过程。 本文首先介绍了手性物质的拆分原理和方法，对高效液相色谱手性固定相的 研究进行了概括性总结，并介绍了近年来常用色谱模型的分类、发展和研究应用， 以及各种模型的优缺点。 采用羰基咪唑活化法制备牛血清白蛋白手性固定相，以磷酸盐缓冲溶液为流 动相，对色氨酸对映体具有很好的拆分效果，并且具有很好的稳定性。通过研究 浓度对结合常数的影响确定了色氨酸对映体与牛血清白蛋白固定相的结合机理， 方便了模型的选择。 分别采用前沿分析法和逆向法确定色氨酸对映体的竞争型吸附等温线。根据 结合机理和拟合结果，发现竞争型双朗格缪尔吸附等温模型和平衡扩散模型可以 较好的描述该吸附过程，并通过对不同浓度下对映体混合物色谱分离峰形的拟合 得到了相应的模型参数。实验结果表明：采用前沿分析法和逆向法确定的吸附等 温线与吸附数据吻合很好，验证了所选模型的合理性。 关键词：手性拆分：吸附等温线；前沿分析法；逆向法；色氨酸；双朗格 缪尔模型；平衡扩散模型 a b s t r a c t t h es t u d yo fa d s o r p t i o nb e h a v i o ra n dm a s st r a n s f e rk i n e t i c si st h et h e o r e t i c a l b a s i sf o rd e v e l o p i n gh i 曲p e r f o r m a n c ec h r o m a t o g r a p h yt e c h n i q u e s t h i sm e t h o do f s i m u l a t i o nr e q u i r e st h ep r i o rd e t e r m i n a t i o no ft h ep r o p e rc o l u m nm o d e l t h e r e f o r e ， t h ef o u n d a t i o no f c h r o m a t o g r a p h ym o d e li sm u c h h e l p f u l i nt l l i ss t u d y w ei n t r o d u c e dt h em e t h o da n dm e c h a n i s mo fc h i r a ls e p a r a t i o n , s u m m a r i z e dt h ec h i r a ls t s f i o n a r yp h a s ef o rh p l c ，a n dp r e s e n t e dt h e o r yr e s e a r c h a b o u tt h ec h r o m a t o g r a p h ym o d e l so f k i n e t i cs t u d yi nr e c e n ty e a r s t h e r ew a sag o o dc h i r a ls e p a r a t i o ne f f e c tf o rt h ee n a n t i o m e r so ft r y p t o p h a ni n w h i c ht h es t a t i o n a r yp h a s ew a ss i l i c a - i m m o b i l i z e db o v i n es e r u ma l b u m i nf b s a ) p r e p a r e db yc d im e t h o da n dt h em o b i l ep h a s ew a sap h o s p h a t eb u f f e r t h es t a t i o n a r y p h a s ea l s oh a dag o o ds t a b i l i t y t h em t e r a e t i o nm e c h a n i s mw a sd e t e r m i n e db y r e s e a r c h i n go nt h ei n f l u e n c eo fc o n c e n t r a t i o no nt h er e t e n t i o nf a c t o r ，w h i c hw a sv e r y c o n v e n i e mf o rm o d e is e l e c t i o n c o m p e t i t i v ea d s o r p t i o ni s o t h e r md a t af o rt h et w oe n a n t i o m e r so ft r y p t o p h a n w e r em e a s u r e db yf r o n t a la n a l y s i sa n di n v e r s em e t h o d t h ec o m p e t i t i v eb i l a n g m u i r i s o t h e r mm o d e la n de q u i l i b r i u m d i s p e r s i v em o d e lw e r es e l e c t e db yc o m p a r i s o no f t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s m t h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s w e r e g a i n e db ys i m u l a t i n g t h ec h r o m a t o g r a mo fr a c e m i cm i x t u r ea td i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dag o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h ei s o t h e r md e t e r m i n e d b yf r o n t a la n a l y s i sa n di n v e r s em e t h o d ，a n dt h ea d s o r p t i o nd a t aw h i c hc o n f i r m e dt h e v a l i d a t i o no f t h em o d e ls e l e c t e d k e y w o r d s ：c h i r a ls e p a r a t i o n ；a d s o r p t i o ni s o t h e r m ：f r o n t a la n a l y s i s ；i n v e r s e m e t h o d ；t r y p t o p h a n ；b i l a n g m u i ri s o t h e r mm o d e l se q u i l i b r i u m - d i s p e r s i v em o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫空盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：永硐签字日期：弘昭年f 月咖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：诹日导师签名： 歹毒矾易 签字日期：伽o 年f 月p 日签字日期：记o o 缉，月，口日 第一章文献综述 1 1 手性含义 第一章文献综述 分子结构互为镜像但又不能重合的两个化合物称为对映体，它们彼此不能重 合的性质称为手性，手性分子有光学活性；能与镜像体重合的称无手性分子，无 光学活性。手性对映体偏振光的旋转方向不同，故又称为光学对映体，按其对偏 振光的旋转方向不同分为左旋体和右旋体。手性对映体的存在是自然界的一种普 遍现象，在药物化学领域尤为突出。据报道，天然或半合成药物几乎都有手性， 其中9 8 以上为光学活性物；半合成药物中4 0 为手性药物；目前常用的7 0 0 多 种药物有一半至少含有一个手性中心，其q b 9 0 为外消旋体【1 卅。手性也是生物 体系的一个基本特征，很多内源性大分子物质，如酶、载体、受体、血浆蛋白和 多糖等都具有手性特征。手性对映体在吸收、分布、代谢与排泄过程中，通过与 体内大分子的不同立体结合，产生不同的药理作用和反应。因此，手性对映体的 分离测定，对研究生命科学、药物化学以及人类健康都具有十分重要的意义。 1 2 手性的制备 由于许多手性药物各对映体的生物活性有显著差别，所以对手性药物的深入 研究必须将其所有的光学对映体在相同条件下同时对照进行生物学评价试验，在 此基础上再确定是以外消旋体( 含有等量对映体的混合物) 还是以其某一光学活 性体作为所要上市的新药。要完成这样的研究首先需获得纯对映体，可见对映体 的制备十分重要。制备纯对映体主要途径有：( 1 ) 不对称合成；( 2 ) 酶法转化 l ，j ；( 3 ) 外消旋体拆分1 6 1 。 不对称合成方法指选用所需构型的手性骨架通过不对称反应立体定向合成 单一对映体，是获得手性药物最真接的方法。虽然许多不对称合成方法可直接获 得纯对映体，但是却很少用于大规模的工业化生产，特别是在新药发展的早期阶 段，这是由于不对称合成对映体的方法成本很高，且非常耗时。 工业生产用得较普遍的选择性催化剂是酶。酶属于生物催化剂，是化学手性 合成的强有力工具。用酶进行手性合成目口称为酶法转化。 不考虑工业生产，仅从获得纯对映体以供生物学评价的角度来考虑，通过外 第一章文献综述 消旋体的拆分来制备纯对映体是最合适的方法。因为它可以同时获得两个纯对映 体。 1 3 手。睦对映体的拆分 1 3 1 手性分离原理 对映体的物理化学性质极其相似，因此手性分离的难度较大。对映体的拆分 和测定在化合物分离领域曾被认为是最困难的工作之一。分离对映体的办法很 多，主要可分为两大类：一类为非色谱法，另一类为色谱法。其基本原理大多是 基于把对映体的混合物转换成非对映体，然后利用它们在化学或物理性质上的差 异使之分丌。常用的菲色谱分离法主要是分步结晶法和非对映体的选择结晶法， 也包括微生物或酶的消化，但是这些方法耗时较长，过程繁复而且也不能制得较 纯的对映体，因此难以被现代工业所普遍接受。从2 0 世纪8 0 年代开始，色谱法已 经成为对映体分离中的一个主要工具，包括气相色谱法、液相色谱法、超临界流 体色谱法、毛细管电泳法和分子印迹法等在内的几乎所有色谱和准色谱手段都已 涉足到对映体分离这一领域。 不论何神色谱，为了使对映体转化为非对映体，通常是提供一个手性源，使 待分离的对映体( 样品) 、手性作用物( 固定相) 和手性源之间形成一个非对映 体分子的复合物。为了形成这样一种分子复合物，要有一种同时存在的分子间作 用力，以保持分子的空间定位。d a l g l i e s h l 7 】认为，这种情况下，至少要有三个作 用力，其中一个具有立体选择性，可以是吸引的，也可以是排斥的。这就是在对 映体分离原理论述中著名的“三点手性识别模式”。不少研究者从这一理论出发 合成了一系列手性固定相，证明了三点作用理论的合理性，对手性药物发展起了 很大的推动作用p 1 。 1 3 2 手性分离方法 目前用于手性分离的方法主要有毛细管电泳法( c e c ) 、薄层色谱法( t l c ) 、 亚临界及超临界流体色谱法( s f c ) 、气相色谱法( g c ) 和高效液相色谱法( h p l c ) 【g 】。其中发展最快、应用最广的是高效液相色谱法，由于其具有分离效能高、选 择性高、检测灵敏度高、分析速度快和应用范围广的特点，特别适合于高沸点、 大分子、强极性和热稳定性差的化合物的分离分析。近年来，高效液相色谱法取 得了令人瞩目的进展，已成为对映体分离分析和制备的强有力手段之一。 采用h p l c 分离手性对映体是以现代高效液相色谱技术为基础，引入不对称 中心( 或光活性分子) ，使药物对映体间呈现物理特征的差异。h p l c 拆分通常 2 第一章文献综述 分为问接法和直接法两大类。间接法又称为手性衍生化试剂法( c d r ) ，即对映 异构体先与一种光学纯的试剂反应生成非对映异构体，然后在非手性环境下分 离，仍j 如以r 一氯化酸薄荷醇醋作为手性衍生化试剂，将r 一麻黄碱与s 一麻黄碱 衍生化后生成一对非对映异构体，可用c 1 8 固定相，在反相流动相条件下实现分 离；直接法是通过待分离的对映体与色谱中的手性选择器可逆地形成暂时的非对 映异构复合物，利用它们之间稳定性不同引起保留时间的差异，从而达到分离的 目的。间接法涉及样品的转化、分离等预处理过程，容易造成组分的外消旋化和 损失，而直接法简便、快捷，可以避免不必要的实验误差，因而直接法在应用中 更受欢迎。 高效液相色谱法直接分离手性药物系统中的手性选择器可以是手性固定相 ( c h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e ，简称c s p ) ，也可以是手性流动相添加剂( c h i r a lm o b i l e p h a s ea g e n t ，简称c m p a ) 。手性流动相添加剂法常应用于常规非手性液相色谱 柱，例如用夕一环糊精作手性流动相添加剂可拆分杂环上有一个手性碳原子的化 合物或分离侧链上有一个手性碳原子的化合物【9 】。然而手性流动相添加剂由于存 在一些诸如价格过高、难以去除以及检测方式对其选择范围的限制等缺陷，使得 这种分离方法的应用受到了一定程度的限制。因此，当用高效液相色谱对手性药 物进行分离时，人们常常青睐于采用手性固定相法。这也使得近2 0 年束h p l c 丁 性固定相法在手性药物研发领域得以蓬勃发展而成为最重要和最有效的方法【1 0 1 。 c s p 是整个h p l c 系统的关键部件，它直接决定了拆分的效果。因此，具有 良好手性识别能力的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1 1 q o 一个有效的c s p ，应能快速、准确测定对映体纯度；尽可能 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d ，l 或s 对映体洗脱顺序基本不变，可提供绝对构型信息；应有较高对映体分离选择性( n 1 2 ) 和柱容量，具有制备分离能力【1 2 1 。因而，具有普遍适用性的高效手性固定 相的研制，成为当今手性色谱分离领域的难点和热点。 以前在药物领域，手性h p l c 多是被人们作为一种手段来进行手性药物的分 离、分析和纯度测定以及小规模的制备拆分。近年来，随着越来越多高性能手性 固定相的合成和各项新型色谱技术的应用，手性h p l c s t j 备拆分手性药物研究获 得了长足的发展【1 3 j 。例如以w h e l i 【一o l 为固定相，可以快速地进行2 0 0 m g ( ) 一 华法林样品的拆分【1 4 1 。而模拟流动床色谱( s m b ) 是近年迅速发展起来的可用 于大规模制备手性药物的一个强有力的工具，其拆分能力可以达到成吨级的水平 【1 5 ，i6 1 。 第一章文献综述 1 4 手性固定相的分类 虽然液相色谱常被分为不同的分离模式，但实质上所有的分离模式都基于两 个最基本的因素，即固定相的结构和组成，以及决定分离机理的固定相与流动相 相互作用的性质。c s p 法的研究始于2 0 世纪7 0 年代后期，发展异常迅速，大量 的各种类型c s p 研制成功，使手性固定相法在手性药物中的应用日趋广泛。c s p 是由载体键合高光学纯度的手性对映体制备而成，目前所研究的h p l c - - c s p 主 要可分为下列几类i 】”。 1 g 1 蛋白质手性亲和固定相 多数蛋白质c s p 的分离机理目前尚不十分清楚，但是蛋白质c s p 的手性识 别能力可以归结为它们独特的空间立体结构特征【1 7 1 。尤其是在对映体的手性识别 过程中，三级结构所造成的疏水性口袋、沟槽或通道对手性拆分具有十分重要的 意义。 目前用于h p l c - - c s p 的蛋白质尚为数不多，按其来源可分为：1 自蛋白类 ( a l b u m i n ) ，如牛血清白蛋白( b s a ) 、人血清白蛋白( h s a ) ：2 糖蛋白类 ( g l y c o p r o t e i n ) ，如a 一酸糖蛋白( a - - a g p ) 、类粘蛋白( o v m ) 、抗生物素 蛋白( a v i d i n ) 和核黄素结合蛋白( r f b p ) 等；3 酶( e n z y m e ) 类，如纤维素酶 ( c e l l u l a s e ) 、胰蛋白酶( t r y p s i n ) 、a 一胰凝乳蛋白酶( a - - c h y m o t r y p s i n ) 、胃 蛋白酶( p e p s i n ) 、溶菌酶( 1 y s o z y m e ) 及淀粉葡萄糖苷酶( a m y l o g l u c o s i d a s e ) ； 4 其它类蛋白。目前已商品化的品种有：b s a 、h s a 、a g p 、o m c h i 、a v i 、 c b h 及p e p s i n 。 七十年代初已有人将牛血清白蛋白键合在琼脂糖上，制成液相色谱用手性填 料，拆分了d ，l 一色氨酸。八十年代初，a l l e 脚a r k 【1 8 】和h e r r n a n s s o r t l 9 j 分别将b s a 和一a g p 键合到微粒硅胶上制成h p l c 用的c s p ，商品名为e n a n t i op a c 和 r e s o l v o s i l 。h c r m a n s s o r 2 0 1 和s c h i l l 等以e n a n t i op a c 柱拆分了酸、胺和口一氨基醇 类药物如萘普生、双异丙毗胺、麻黄素、可卡因、阿托平等几十种药物，拆分效 果良好，分离系数a 可达1 1 4 o ，柱的稳定性好，对温度和有机溶剂有较好的 耐受性，保存在异丙醇中1 2 个月，对拆分效果无明显影响。r e s o l v o s i l 柱可用于 拆分氨基及其衍生物、芳香亚砜、二苯乙醇及多种药如安定、华法林等。在国内， 周华1 2 ”等用l 一脯氨酸衍生物作为高效液相色谱手性固定相，用于对四种n 一3 ， 5 一二硝基苯甲酰一d l 一氨基酸甲酯对映体的拆分，结果显示对映体选择性在 1 0 扣1 1 8 之间。兰州化学物理研究所的候经国瞄1 在这一方面也做了深入研究。 蛋白质手性固定相用于手性分离对映体时，流动相在绝大多数情况下是含有 4 第一章文献综述 低浓度的有机溶剂缓冲液。当蛋白质手性固定相的柱效很好时，与蛋白质亲和力 差剐很小的对映体都可以得到良好的分离。蛋白质手性固定相的另一优点是通过 色谱参数的测定可以推断蛋白质与手性药物之间相互作用的信息。这类手性固定 相的缺点是样品柱容量低，价格昂贵，且比较容易失活，故一般只用于色谱分析 中，而不适于大规模制备色谱。 1 4 2 环糊精型手性固定相 手性固定相拆分对映体的另一途径是将手性空穴键合到固定相表面，由此产 生的客体受体间的相互作用决定对映体的拆分效果。最常用的是环糊精手性 固定相，环糊精手性固定相的分离机理主要基于包含型络合过程，这一机理表示 分子的非极性部分被吸引到非极性空穴中，当被分离的分子存在芳香基团时，由 于芳香基团与耱苷键上氧原子的作用产生立体选择的趋向，而线性或无环的烷烃 以随机方式占据环糊精的空穴。 w a r d 划将口一环糊精( f l - - c d ) 通过6 - - 1 0 碳的间隔基键合到微粒硅胶上， 商品名c y e l o b o n di 。这种c s p 像切去顶端的锥形圆筒，边缘有羟基，内部为疏 水性的内腔，只有当分子的大小正好使非极性部分进入腔内，极性基团与边缘的 羟基产生较强的作用才能拆分。某些具有萘环和双环的化合物可得到良好的拆 分，如丹酰氨基酸、巴比妥类、乙内酰脲、金属茂等。单环化合物如扁桃酸，酪 氨酸、麻黄素等也可拆分。这种c s p 使用范围广，仅次于p i r k l e 型c s p ，但y 一环糊精( y c d ) 则无拆分作用，a 一环糊精( a - - c d ) 仅对小分子有拆分作 用。唐课文【2 4 l 等合成了一种烷基化和硅烷化f l - - c d 手性固定相，用其分离了醇、 酮、烯烃等一些对映体，取得了很好的效果。辛梅华1 2 5 】等人将p - - c d 进行了乙 酰化用于对肾上腺素类对映体的测定，也得到了不错的结果。 1 4 | 3 配体交换型固定相 这类手性固定相是将手性配体键合到固定相基质，其配体分子为具有手性活 性的氨基酸如脯氨酸，金属离子多用c u 2 + 。d a v a n k o v r 6 i 将l 一脯氨酸键合到树 脂上，经吸附c u 2 + 、n i 2 + 或z n 2 + 后，可拆分氨基酸对映体。g u b i t y t 2 7 1 将l 一脯氨 酸和l 一缬氨酸通过间隔基键合到硅胶上，制成h p l c 用c s p ，以c u s 0 4 水溶 液处理后即可用于氨基酸和二肽类的拆分。此类c s p 已有四种商品：c h i r a e e l w h ，w m 和c l l i r a lh y p r o - - c u ，v a l - - c u 。除上述氨基酸外，用于c s p 键合基的 尚有：l l ，2 一二氨丙烷、口羟基氨基酸、l 一麻黄素、l 一组氨酸、l 一苯丙氨 酸、l 一氮杂一2 一环丁烷羧酸、l 一酒石酸、l 一2 一哌啶酸、及( - - ) 一反一l ，2 一环已二胺。拆分化合物包括氨基酸、二肽、a 一羟基酸及有关药物如a 一甲基 5 第一章文献综述 多巴、甲状腺激素等，口值为1 1 8 ，0 ，配位基交换色谱的流动相多为水或磷酸、 乙酸铵缓冲液，有时加入一定量的有机溶剂( 乙腈) 。为防止铜离子的流失，在 流动相中加入适当的c u s 0 4 ，此类c s p 亦可用于制备性分离。 1 4 4 高聚物手- 性固定相 h p l c 聚合物c s p 包括合成的高分子手性聚合物和天然的聚糖类衍生物。 合成的高分子手性聚合物如三苯甲基丁烯酸酯类聚合物，因其螺旋结构而具 手性。聚合物c s p 的手性识别主要是由于手性聚合物的高度有序结构所致，因 此仅从聚合物的单体预测它们的手性识别机理是困难的。三苯甲基丁烯酸酯类聚 合物依靠其单向螺旋链获得旋光性，o k a m o t o 将其涂于硅胶上，得到的c s p 对 刚性平面结构样品有良好的立体选择性，可用于酯类、烃类、酰胺和含磷化合物 的拆分。螺旋结构的固定相可能由于立体效应而产生拆分作用，当对映体依附在 螺旋的不同层次，保留值不同产生手性拆分。 天然的聚糖类衍生物主要包括纤维素、淀粉的衍生物( 乙酯、苯甲酸酯、氨 基甲酸酯) ，广泛应用于对映体手性拆分，特别是苯基氨基甲酸酯衍生物，因其 具有较高的应用价值而受到广泛关注。这类手性固定相的优点除了作为天然的光 学活性物质容易得到外，它们的葡萄糖单元的羟基易被取代和官能团化，且该类 c s p 的载样量大，在大规模制各级色谱应用上有很大潜力【2 引。 1 9 7 3 年，h e s s e 和h a g e l 首先制各了微晶纤维素三醋酸酯( c t a ) ，研究表 明：在多相条件下制备的c t a 具有较好的手性识别能力，这种手性识别能力来 源于纤维素的晶体结构本身。当c t a 溶解于溶剂并涂渍在硅胶上时，其手性识 别能力不同于原来的微晶纤维素，对某些对映异构体的光学拆分洗脱顺序是完全 相反的，比如t r o g e r 碱，这种变化主要是由于在溶剂中的c t a 性能与微晶结构 时的c t a 大不相同所致。 当各种纤维素酯、纤维素三苯甲酸酯及其衍生物涂渍在硅胶上时均显示出较 高的手性识别能力，根据三点作用原理，该类纤维素衍生物中最重要的手性作用 位点是羰基，羰基与具有羰基的对映体通过偶极偶极相互作用，与具有羟基 或氨基的对映体发生氢键作用。通常在纤维素的衍生物中大都引入苯基，这有利 于提高手性识别能力，常见的纤维素三苯甲酸酯的苯环上取代基团有：2 一c h 3 、 3 - - c h 3 、4 一c h 3 、4 - - o c h 3 、4 - - c ( c h 3 ) 、4 - - f 、4 - - c f 3 、3 ，4 - - ( c h 3 ) 2 、3 ，5 - - ( c h 3 0 ) 2 、3 ，5 - - c 1 2 等。 在所有的纤维素衍生物中，3 ，5 一二甲基苯基氨基甲酸酯显示出优越的手性 识别能力。o k a m a t o 2 9 1 等以其作固定相对5 1 0 种旋光物质进行了拆分，这就是说， 大约有6 0 的旋光物质能在3 ，5 一二甲基苯基氨基甲酸酯上进行拆分。 6 第一章文献综述 直链淀粉与纤维素一样也是由a 一葡萄糖单元构成，但直链淀粉被认为因a 一葡萄糖单元吐键上存在一个螺旋结构而使其结构更有序；同时，直链淀粉衍生 物的手性识别能力与纤维素衍生物存在很大的差别。直链淀粉苯甲酸酯手性识别 能力低，而三( 3 ，5 一二甲基苯氨基甲酸酯) 即c h i r a l p a k a d 对绝大部分对映体 显示较高的手性能力，x 一射线结果分析表明，直链淀粉三( 苯基氨基甲酸酯) 有个左端4 折螺旋线。纤维素和直链淀粉手性识别能力不同的原因可能是由于 葡萄糖单元构象不同，结构有序性存在差异。 e n o m o t 0 1 3 0 等采用区域选择性方法，将直链淀粉的3 ，5 一二甲基苯基氨基甲酸 酯衍生物键合到硅胶上制成h p l c c s p ，发现6 一位键合到硅胶上比2 一、3 一 位键合具有较高的手性拆分能力，但键合型比涂敷型c s p 拆分能力低。v i n e g a r 等认为将上述衍生物键合到硅胶上作为c s p ，以四氢呋喃和氯仿作流动相，可克 服涂敷型c s p 在此类流动相中溶解的问题。c h a n k v e t a d z e ”j 等讨论了直链淀粉的 二甲基一、二氯一和氯甲基苯基氨基甲酸酯c s p 的分离性能，表明直链淀粉的5 一氯一2 一甲基苯基氨基甲酸酯比相应的二甲基和二氯衍生物手性识别能力高； 在苯基的2 一位引入甲基，增加键合n h 的比例，意味着增加吸附点的数目，同 时降低了手性聚合物的规则性，但引入氯降低吸附点酸度，减弱n h 基的相互作 用。苯基氨基甲酸酯的2 ，5 一甲基氯基衍生物优于相应的二甲基、二氯基衍生物， 可能是上述作用平衡的结果。2 一氯基与5 甲基比较表明：n h 基的酸度对分子 内的影响比其与对映体的相互作用更重要。 1 4 5 手性固定相的发展趋势 随着人们对手性化合物在医药工业和人体代谢方面重要性的了解，手性对映 体的分离分析将会越来越重要。通过键合或者涂敷于硅胶上而制得的单一的聚合 物作固定相的很少。这是因为一般的有机聚合物虽然耐p h 范围广，化学稳定性 高，但其刚性较差。采用无机微粒作载体，外面包覆聚合物层制得的固定相兼有 普通聚合物的优点，又具有无机载体的刚性，从而使这类固定相得到了广泛研究， 这也是高效液相色谱手性固定相将来发展的一个重要方向。 由于外消旋体主要差异仅仅在于它们的立体化学构型，因此， 玎，l c c s p 对其手性识别能力也直接与对映体本身的几何形状有关，对映体除了同c s p 形 成不稳定的复合物外，固定相的手性空间也是重要因素。手性识别能力除了上述 聚合物本身的结构特征外，其它多种因素如涂层溶剂、溶液p h 值、操作温度等 都会产生较大的影响。 7 第一章文献综述 1 5 常用色谱模型的分类 色谱法作为种重要的分离分析方法已经广泛应用于各个领域。在药物领域 许多分离和纯化过程，例如对映体、合成氨基酸及重组型蛋白质的分离和纯化， 无法利用传统的方法来实现，可用色谱法完成。色谱学理论研究的三个主要问题 是：( 1 ) 色谱过程的热力学基础，它是发展高选择性柱的理论基础：( 2 ) 色谱 过程的动力学研究，它是发展高效能色谱柱与高效能色谱方法的理论基础：( 3 ) 色谱分离条件的选择，它是多元混合物分离的理论基础。 其中，色谱过程动力学( 简称色谱动力学) 是研究物质在色谱过程中运动规 律的科学。其主要研究目的是解释色谱流出曲线的形状，探究影响色谱区域宽度 扩张的因素和机理，从而为获得高效色谱柱系统和选择色谱分离条件提供理论指 导。描述该过程需要建立适宜的色谱模型来对某一分离单元的分离过程进行模 拟，通过优化模型参数达到理论值与实验值的最佳拟合1 3 2 , 3 3 1 。随着计算机技术的 发展，可采用计算机对色谱模型的参数进行辅助优化，计算机的高速运算能力使 得模型的求解时问大大缩短。色谱模型对于研究色谱分离过程中的质量传递和吸 附过程是十分必要的。 在色谱技术的发展过程中，研究者们提出了许多色谱模型用于色谱分离过程 动力学的研究。其中最常用的几种模型包括普遍化速率模型( g r ) 、集总孔扩 散模型( p o r ) 、平衡扩散模型( e d ) 和传递扩散模型( t d ) 3 4 3 5 。下面分别 叙述之。 1 5 1 普遍化速率模型 普遍化速率模型是考虑最全面的模型，它涵盖了所有影响分离过程的热力学 和动力学现象，包括吸附解吸过程、轴向扩散以及所有传质阻力，考虑了颗粒内 外的情况以及吸附等温线非线性和局部非平衡的情况【3 6 - 3 9 。 由于该模型考虑轴向扩散、传质阻力和固定相粒子孔内扩散等因素的影响， 需作如下假设：( 1 ) 色谱过程恒温，操作过程无温度变化：( 2 ) 柱内任意横截 面上流动相线速度相同，径向浓度梯度可忽略，流动相为不可压缩流体； ( 3 ) 多孔粒子为球形，大小均一，装填均匀；( 4 ) 多孔粒子孔内流动相处于静止状 态，没有对流流动，溶质传递仅靠扩散进行；( 5 ) 柱内任意组分在孔表面与孔 内停滞溶液之间处于平衡状态；( 6 ) 扩散系数和传质系数在操作过程中保持不 变 4 0 4 2 1 。 该模型描述如下： f 组分在流动相中的质量平衡： 8 第一章文献综述 岛鲁+ “鼍= t 饥_ 可0 2 c , 母乞k ，a p t c ，一( ，= ) 】 f 组分在固定相颗粒中的质量平衡： 誓+ ( 1 卅鲁咄，7 1 石0 矿争 初始条件： e ( o ，z ) = c ? c p ，( o ，r ，z ) = 。( ，z ) ；g ，( o ，r ，z ) = q o ( r ，z ) 其中0 z 厶0 f 0 , z = o ) ：e ( ，o ) = p 乞，z = o ) ：c a t ，o ) 2 0 出1 3 处( t o ，z = l ) ： 笠：o o z 对于方程( 1 - 2 ) 颗粒表面( t 0 ，r = r 。) ； 掣吨。【c i 一啪，) 】 o r 颗粒中心( t 0 ，= 0 ) ： 坠：! 竺! ：o ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 方程( 1 1 ) 一( 1 8 ) 与吸附等温模型共同构成了普遍化速率模型。 由于模型的复杂性和非线性等因素，难以获得分析解；而数值解的过程又非 常烦琐，即使是用高速计算机来计算也要花费很长的时间：还需要研究者具备很 多预备知识，能够对速率常数、吸附等温常数、传质和扩散系数等进行正确的参 数估算，牵涉到很多半经验公式；加上解的稳定性等方面的困难，使该模型的应 用受到很大限制，许多文献仅限于计算机模拟方面，实际应用很少。 a l b e r t oc a v a z z i n i 等1 3 6 j 对1 一苯基一l 一丙酵对映体在纤维柱中的质量传递及 9 第一章文献综述 吸附过程进行了研究，采用普遍化速率模型对该过程进行了模拟，通过比较四种 不同的吸附等温模型选出了最佳的模型组合。后来又与鼬巧s z t o f k _ c z m a r s k j 等h 2 】 再次对该过程进行了模拟，将普遍化速率模型与广义麦克斯韦尔一斯忒藩方程联 立，采用竞争型t o t h 吸附等温模型，通过优化模型参数取得了更佳的结果。 1 5 2 集总子l 扩散模型 该模型是在普遍化速率模型的基础上加以简化得到，它将流动相分为两个不 同的部分：一是透过填充物微粒孔的部分，二是这些微粒孔内部的停留部分。每 一部分之间都存在质量平衡，需要对两个流动相部分分别列质量平衡方程，并用 传质方程来描述颗粒内部以及停滞溶液与颗粒表面两部分之间的传质过程即】。 当吸附剂材料的有效扩散系数非常大时，集总孔扩散模型可以代替普遍化速 率模型来计算色谱峰的形状m4 5 1 。k a c z m a r s k i h 6 , 4 7 1 等人通过研究证实，当p e 1 0 0 并且& b t 5 时( 例如柱效大于5 0 个理论塔板) ，集总孑l 扩散模型和普遍化速率模 型的数值计算结果基本相同。 该模型可用如下一组方程描述： i 组分在流动相和固定相中的质量平衡分别为： t 鲁+ “鲁= & d l 等川训w c j 一吒) ( 1 删 譬+ ( 1 - s ) 誓嘲 一吒) ( 1 - - 1 0 ) 该模型的初始条件和边界条件与普遍化速率模型基本相同。 由于集总孔扩散模型以颗粒内浓度的平均值代替颗粒内实际的浓度分布，故 其模型的数值计算速度较普遍化速率模型快得多。但该模型需要对孑l 内结构( 颗 粒尺寸、颗粒内部和外部孑l 隙率等) 和颗粒内扩散过程作详尽的描述，同样需要 引入许多模型参数，这在一定程度上也限制了该模型的使用。 周冬梅等4 3 l 用集总孔扩散模型结合几种不同的吸附等温模型对1 ，2 二氢茚 一l 一醇两种对映体在纤维柱中的手性分离过程进行了模拟，通过对比得出，采 用集总孔扩散模型结合竞争型双朗格缪尔吸附等温模型计算获得的结果与实验 结果吻合得最好。a l b e r t oc a v a z z i n i 等【4 7 】在对丁基苯和戊基苯在硅胶键合整体柱 吸附平衡的研究中，分别采用集总孔扩散模型和平衡扩散模型结合反朗格缪尔吸 附等温模型的方式进行模拟，均取得了很好的拟合结果，并对两种模型组合方式 进行了对比。k r z y s z t o f k a c z m a r s k i 等1 4 2 】用集总孔扩散模型结合双朗格缪尔吸附等 温模型对牛血清白蛋白在离子交换色谱中质量传递和吸附过程进行了模拟，取得 了非常满意的结果。 1 0 第一章文献综述 1 5 3 平衡扩散模型 平衡扩散模型可以在集总孔扩散模型的基础上加以简化得到。该模型假设固 定相和流动相之问的平衡是瞬间完成的，相间传质阻力非常小以至于可以忽略不 计f 4 8 啦! ，考虑了有限柱效n 的影响，与理想模弛_ j 5 3 , 5 4 1 相比，包括了轴向扩散与质 量传递阻力，假设传质速率很快，将传质阻力和轴向扩散所产生的影响统一由表 观扩散系数( d l ) 来加以表达【5 5 期，并认为色谱柱内的所有组分都具有相同的表 观扩散系数。k a e z m a r s k i 等p 5 】通过研究证实，当p e 1 0 0 ，s t ( i + b h 5 ) 2 0 0 0 或 p e 5 0 0 ，s t ( 1 + b i 5 ) 4 0 0 0 时，可用平衡扩散模型来代替集总孔扩散模型。 该模型方程为： 对于色谱柱内的每一组分来说有： 莘+ 甜莘+ f 挈：d i 粤( 1 - - 1 1 ) 融 娩融。娩z d l = 等 初始条件：e ( 0 ，z ) = 0 ( 1 1 2 ) 边界条件： 柱子入i ：1 处： 咿伽，2 。! ：o ) 2 q ( 1 - - 1 3 ) 8 勺，z = o ) ：c ：( f ，o ) = 0 出1 ：3 处： ( f 0 ，z ：三) ：莘：0 ( 卜1 4 ) 方程( 1 一1 1 ) 一( 卜一1 4 ) 与吸附等温模型共同构成了平衡扩散模型。 由于平衡扩散模型忽略了相间传质阻力的影响，将传质阻力和轴向扩散所产 生的影响统由表观扩散系数( d l ) 来加以表达，求解过程中只需预先求得表 观扩散系数和总孔隙率即可，大大简化了模型的数学计算过程。又由于现代高效 液相色谱柱的柱效很高，其色谱峰形状主要受平衡等温非线性行为的影响，受传 质动力学的影响非常小，采用平衡扩散模型来模拟高效液相色谱柱内的出峰情况 可以得到非常满意的结果，特别是分离相对较小的分子1 5 8 , 蜘。因此该模型经常作 为色谱柱分离过程的数学模型。 a t t i l af e l i n g e r 等吲在研究l ，2 一二氢茚一1 一醇两种对映体在纤维柱上的分 离过程中，使用平衡扩散模型结合双t o t h 吸附等温模型模拟取得了非常满意的结 果。此外，他还与a l b e r t oc a v a z z i n i 掣5 3 1 对l 一苯基一1 一丙醇对映体在纤维柱中 第一章文献综述 的质量传递进行了研究，采用平衡扩散模型结合四种不同吸附等温模型分别对该 过程进行了模拟，通过对比选出了最佳的模型组合。i g o r q u i n o n e s 等| 5 6 1 对三种基 本药物丁螺环酮( 安定药) 、多虑平舒( 抗抑郁药) 、地尔硫卓( 抗心绞痛药) 在c 1 8 柱上的吸附等温过程进行了研究，采用平衡扩散模型结合理想化吸附模型 ( n s ) 对该过程进行了模拟，通过优化模型参数使模型计算结果与实验结果很 好的吻合。s t e p h e nj a c o b s o n 等【3 3 l 研究y n - 苯甲酰丙胺酸两种对映体在牛血清白 蛋白柱上分离过程的质量传递和吸附解吸过程，采用平衡扩散模型结合双朗格缪 尔吸附等温模型对该过程进行了模拟并取得了非常满意的结果。周冬梅等1 5 l 】结合 平衡扩散模型和双朗格缪尔吸附等温模型，对1 ，2 一二氢茚1 一醇两种对缺体在 三种不同色谱柱上的质量传递及平衡等温过程迸行了模拟，均取得了很好的拟合 结果。 1 5 4 传递扩散模型 传递扩散模型又叫集总动力学模型，该模型在平衡扩散模型的基础上，考虑 了相间传质阻力的影响( 6 0 6 l j ，即假设固定相浓度的变化率与平衡固定相浓度和实 际固定相浓度之差成正比，该过程用固态膜线性推动力模型( l d f ) 来加以描述 1 6 2 6 4 。传递扩散模型假设固定相表面是非均的，存在着两种不同类型的位点： 位点i 考虑固定相表面所有粒子之间的相互作用，该相互作用力不是很大，但由 于位点i 数量众多，使其成为影响非对映体选择性的主要因素。该位点上的相互 作用，如吸附解吸过程具有非常快的动力学作用；位点i i 包括所有与对映体分离 有关的选择性相互作用的位点，由于原子空间排位及相互作用产生的影响，使得 位点i i 质量传递动力学作用比位点i 缓慢得多。由于位点i i 的数量远小于位点i ，其 饱和量也比位点i 低很多p ”。 固态膜线性推动力模型( l d f ) 描述如下： 鲁= k o ( q - g ) ( 1 - 1 5 ) 该模型与平衡扩散模型共同构成传递扩散模型。 求解传递扩散模型需预先求得扩散系数、总传质系数和总孔隙率，这三个参 数只需一些简单的方法即可求得。较之普遍化速率模型和集总孔扩散模型，参数 的简化和模型的简单易解使其应用范围很广。 t o r g n yf o m s t e d t 等【6 萄在研究心得安( 一种口一受体阻滞剂) 在纤维素柱中的 吸附和质量传递方面，采用了传递扩散模型结合双朗格缪尔吸附等温模型进行模 拟，模型计算结果与实验结果吻合的很好。s a a d k h a t t a b i 等1 6 3 】对1 一苯基一1 一丙 醇对映体在纤维柱中的质量传递及吸附过程进行了研究，分别采用传递扩散模型 和平衡扩散模型结合竞争型朗格缪尔吸附等温模型的方式对该过程进行了模拟， 第一章文献综述 都取得了很好的拟合结果，并通过对比选出了最佳的模型组合。k r z y s z t o f k a c z m a r s k i 等1 3 s 】对牛血清白蛋自在离子交换色谱中的质量传递作了详尽的研究， 并用传递扩散模型对该过程进行了模拟，通过优化模型参数取得了非常满意的结 果。 1 5 5 色谱模型的发展趋势 以上四种常用的色谱模型各有其优缺点。前两种模型要求更为严格，考虑的 更为全面，但是大量模型参数的引入使得求解过程更为繁琐，同时这些参数的准 确测量甚至合理估计都十分困难，通常只能用传统的相关性方法来估计，在一定 程度上限制了其应用范围p 2 ，一4 1 。后两种模型虽然在形式上较为简单，忽略了很多 内部和外部因素的影响，但在传质阻力影响较小的情况下可以很好的描述色谱柱 内的工作状况，