（应用化学专业论文）溶剂梯度模拟移动床分离奥美拉唑对映体的研究.pdf

激汪犬学疆士学位论文 摘要 模拟移动床( s m b ) 技术应用范围遍及石油、糖类、发酵有机酸和氨基酸 等领域。9 0 年代以来，s m b 技术开始应用于精细化工和药物分离，尤其是手性 药物的分离。s m 8 般在平镶模式下操 乍，帮在s m b 各区中采用相同的温度、 压力和流动相组成等操作条件。但最新研究表明，在s m b 各区适当使用梯度操 作，如温度梯度、压力梯度、溶剂梯度等，优化各区操作条件，可以显著改善分 离性能。 奥美拉唑( a 咖e p r a z o l e ，简称o m e ) 是全世界单药年销售额最大的手性抗 溃疡药物，两异构体有着不同的生理活性，其中( s ) 奥美拽唑的给药形式疗效优 于消旋体形式绘药。 本论文以奥美拉唑对映体为研究对象，依据模拟移动床溶剂梯度模式下的三 角形理论，构建了一个溶剂梯度模拟移动床，对流动相组成、切换时间，进样流 速等操作条件进行优化，戒功拆分了奥美拉螋对映体，使s ，o m 乏纯度和r o m e 分别达到9 5 1l 和9 6 3 2 。 本文一共分为四章。第一章为文献综述，介绍了奥美拉唑对映体的性质、制 备方法：模拟移动床的特点、发展历史、分离原理以及溶翔梯度模拟移动床等。 第二章为固定床分离奥美披唑对映体。制各纤维素三苯基氨基甲酸酯涂敷型 ( t p c c ) 手性填料，使用固定床色谱对o m e 对映体进行拆分，测定0 m e 对映 体的吸附平衡常数与流动相中乙醇正己烷比例的关系。 第三章为溶剂梯度模拟移动床( s 0 1 v e n t g r a d i e n ts i m u l a t e dm o v i n gb e d ，简称 s g s m b ) 的设计和优化。根据模拟移动床溶剂梯度模式下的三角形理论以及 o m 嚣对映体的吸附平衡常数，确定理想状态下分离0 m e 对映体的完全分离区 域，并据此设计实验验证了完全分离区域的有效性；并依据完全分离区域和o m e 在流动相中的溶解度，对流动相组成进行了优化，流动相组成以印= n 六勋= d 为佳。另外还比较了s m b 等度模式与梯度模式下的分离性能，梯度操作模式毙 有效地提高产品的浓度，减少溶剂消耗，增加生产量。 第四章为溶剂梯度模拟移动床分离奥美拉哗对映体，研究了进料浓艘，进料 流速，各区流速和切换时间等操作条件对s g s m b 分离性能的影响，成功拆分 濒荭人学硬奎学攮论文 了o m e 对映体，使s o m e 纯度和r o m e 分别达到9 5 1 1 和9 6 3 2 。此外还 研究了模拟移动床溶剂梯度模式下达到循环稳态所需的时间，大约经过4 个周期 s m b 即达到循环稳态。 关键词：溶剂梯度，模拟移动床，奥美拉唑，完全分离区域 瀵江大学颈l ：擎链论文 前言 近年来，分离科学面临着新的挑战：分离对象越来越复杂，分离难度越来越 大( 如天然产物和手性药物) ，与此阅时对产品纯度的要求则越来越高。间歇制 备色谱作为一种离效分离手段，可在一定程度上顺应这些要求。但由于其固有的 固定相和流动相用量大、固定相利用率低、分离产物浓度低、分离成本过高等缺 点，严重阻碍了它的工业应厢。产生于上世纪6 0 年代的模拟移动床色谱 ( s i m u l a t e dm o v i n gb e dc h f o m a t o 鲜a p h y ，s m b c ) 由于克服了间歇制备色谱的缺 点，日益受到重视。尤其自上世纪9 0 年代以来，因其在手性拆分领域的成功应 用，豳前对模拟移动床的研究十分活跃。 模拟移动床色谱以色谱为搡作单元，将多根色谱柱首尾相接成一闭环，进料 液( f e e d ) 和洗脱液( e l u e n t ) 入口与萃取液( e x t r a c t ) 和萃余液( r a 伍n a t e ) 出口将之分 为嚣区。每隔一定时间，露个进、出口位置分别沿流动相方向移动至下一根柱子 出暖，以此来模拟固定相和流动相之间的逆流移动，实现两种组分的连续分离。 这种模拟逆流操作，一方面保持了固定床间歇制备色谱的优点，设备简单，避免 了实现固定相真正逆流的困难；另一方面则发挥了逆流的特点，可增大液固两相 间的传质推动力，固定相得到充分利用，从而从根本上提高了色谱的分离效率。 目前，模拟移动床色谱多采用等度操作模式，即是说每根色谱柱内的温度和 流动相组成均相等。这种模式下的模拟移动痰色谱分离过程已被深入研究。但对 于某些应用场合，等度模式的模拟移动床色谱分离常常面临两难选择。例如，用 多糖衍生物手性固定相分离手性药物时，流动相组成和洗脱强度对两个对映体的 分离影响很大。当流动相中极性组分含量增加时，虽然吸附平衡常数降低有利于 i 区固定相再生，但因分离因子和分离度也随之降低，组分在i i 区和i l i 区的分 离难度加大，此时不得不降低进样流量来保证产品纯度；丽如果降低极性组分的 含量，分离因子和分离度的增热有利于提高进样流量，僵嚣吸附平衡常数同时增 加，必须增加i 区的流量，使i 区固定相再生完全，这势必将增加溶剂消耗和系 统压力。如果借鉴分析色谱中广泛运用的梯度概念，这一矛盾可能得到解决。例 如晨一个洗脱强度小的溶裁( 弱溶絮) 将原料带入，在洗脱液入团则引入个洗 脱强度大的溶剂( 强溶剂) ，则i 区和i i 区的溶剂洗脱强度大于i i i 区和的溶 瀵江大学颈l ：学缎论文 剂洗脱强度，这样可在保证高纯度、高产率的同时满足i 区流量小的要求，降低 溶剂消耗，并可笺进一步提高产晶浓度。例如，应用反相色谱模式分离缝仡组分 极为复杂的天然产物时，假设目标物最早出峰。如果使洗脱液的洗脱强度大于进 样液的沈脱强度( 例如通过调整水含量) ，则在i i i 区内部，因流动相水含量大， 各个缝分较易分离，有剩于进样流量的增加；焉在i 区内部，困流动楣有机溶剂 含量大，组分洗脱速度快，较低流速的流动相就能将强吸附组分洗脱，使固定相 再生完全。 综上，与常规模拟移动床色谱相比，这种新型操作模式( 溶剂梯度) 强化了 模拟移动床各区功用，更适合于一些难分离体系的分离纯化；但还有两个重要因 素不能忽略：一是样品的溶解度。梯度模式下，降低原料液洗脱能力，虽然有利 于改善l l l 区的分离，提高进样流量，但样品的溶解度也将相应降低，迸样流量 的增加并不一定意味着进样量( 浓度进样流量) 的提高。因而在优化操作条件 时还必须考虑样品的溶解度；二是系统达到循环稳态的时间。由于梯度模式的复 杂憔，系统达到循环稳态的时阆显然也将延长，因而影响产率。这两个方面也是 本项目拟深入研究的部分。 虽然溶剂梯度模式只引入了一个新的操作变量( 流动相组成) ，但流动相组 成进一步影响组分的吸附平衡关系和动力学参数，这使缛原本已十分困难的操 乍 条件优化变得更为困难。梯度模式下的模拟移动床色谱操作条件多( 切换时间、 各区内部流速、流动相组成、进样浓度等) ，且这些操作条件相互影响，牵一发 面动全身，使试验带有很大的誊西性，跌丽加大试验成本。本文选用手矬抗溃疡 药物一奥美啦唑对映体为研究对象，以溶剂梯度模式下的三角形理论为指导，研 究模拟移动床的操作条件的优化。 2 溉江大学硕1 j 学位论文 1 1 奥美拉唑 重熏1 手性药物 第一章文献综述 1 8 7 4 年th o f r 和l eb e l 分别独立提出关于碳原子的四价在空间分布情况 的学说。他销认为碳原子具有鼷面体结构，与碳原子相连的露个原子或原子匿位 于以碳原子为中心的四面体的四个顶点。如果这四个原子或原子团各不相同，则 在碳原子周围有两种不同的排列方式，彼此间的关系是物体和镜像的关系。这种 碳原子称为不对称碳原子或手性碳原子，面与其镜像不能互相重叠的分子称为手 性分子。手性分子与其镜像互为对映异构体。 手性是人类赖以生存的自然界本质属性之一。生命现象中的化学过程都是在 高度不对称的环境中进行的。构成机体的物质大多具有一定的空问构型，如组成 蛋白质和酶的氨基酸为l 构型，糖为d 构型，d n a 的螺旋结构均为右旋。在机 体的代谢和调控过程中所涉及的物质一般也具有手性，在生命过程中发生的各种 生物一化学反应过程均与手性的识别与变化有关。 治疗疾病用的药物参与人体内某一部分的生物化学过程和反应，不同的构型 将产生不同的生理活性与药理作用。当前人们服用的药物有相当部分存在手性现 象，这类药物称为手性药物瑟】。由于手性药物的对映异构体在立体构型上存在差 异，使得手性药物的对映体在人体内的药理活性、代谢过程以及毒性上均存在显 著差异，往往只有某种对映体对疾病有效，瓶其它对映体则疗效低或无效，甚至 有鞠显的毒酗作用。 1 1 2 奥美拉唑 1 1 2 。l 奥美拉唑概述 奥美拉唑( o m e p r a z o l e ) ，即5 一甲氧基- 2 - 【( 4 一甲氧基3 ，5 - 二甲基2 吡啶基) 甲基 亚磺酰基】1 h 。苯并咪唑( 图l - 1 ) ，英文化学名为 5 一m e t h o x y - 2 一【 ( 4 一m e t h o x y - 3 ，5 - d i m e t h y l - 2 一p 蜘d i n y l ) m e t h y l 】s u l 矗n y l 】一lh _ b e n z i m i d a z 游江大学矮l j 学位论文 o l e ，是由瑞典h a e s s e l 公司于1 9 7 9 年合成，瑞典a s 觚公司于1 9 8 8 年上市的一 种掰型质子泵抑制赉| ( p 葑叩l o np 娃攥pi 曲撅嘟，p p l s ) 类抗溃疡药用于治疗十二 指肠溃疡、胃溃疡和反流行性食管炎，并可消除难治性溃疡现象，对卓艾氏综 合症也很有效，且不良反应少。至1 9 8 9 年底，已在2 6 个国家上市，1 9 9 2 年销 售额超过l o 亿美元，占世赛抗溃疡药的1 7 左右，到1 9 9 2 年已有6 5 个国家批 准使用。1 9 9 4 年的销售额为2 2 3 亿美元，按照单一药品销售额，奥美手立唑上升 至第二位【3 】。1 9 9 7 年，奥美拉唑年销售额达5 0 亿美元，成为全世界单药年销售 额最大的畅销药品。 o | | s h 图1 1 奥美拉唑的分子结构式 舆美拉睦抗溃疡机理不同于组胺珏2 一受体拮抗类药物，如西咪替叮和雷尼替 叮，它是一种单烷氧基吡啶化合物，与h + 偶h 腺苷三磷酸酶( h + k 十a t p a s e ) 有两个结合部位，可选择性、非竞争性地抑制壁细胞膜中的h + 瓜+ a t p a s e 而产 生抗溃疡作用【4 ，弱，其搠酸作用强，特异性高，持续时闯长久。奥美拉唑分子由 苯并咪唑通过亚砜基连接吡啶环组成，内含手性硫原子，存在对映异构。用基于 人血清蛋白( h a s ) 和牛血清蛋白( b s a ) 的手性固定相对奥美拉唑的色谱分离 结果表明，两种异构体分子与血浆蛋自的结合程度存在差异【熨。这说明两异构体 有着不同的生物活性，( s ) 奥美拉唑的给药疗效优于消旋体形式给药【6 】。目前， a s t r a 公司已推出( s ) - 型奥美拉唑光学纯对映体( 药物名p r e p r a z o l e ，帕普拉唑) 。 1 1 2 2 奥美拉唑的光学对映体制备方法 奥美拉唑年销售额几年来一直稳居前列，不少研究者对奥美拉唑的拆分进行 了研究，概括起来有如下几种方法。 ( 1 ) 微生物法 微生物法的原理是利用微生物对对映体的专一识别能力，将一种对映体通过 生物还原转化为另一季孛物质，两留下所需要的对映体。例如，枚红菌r 。c 印s u l 抛s 在二甲基亚砜( d m s o ) 还原酶作用下，选择性地将( r ) 奥美拉唑还原为舆美拉唑 4 溪江犬学酸 ：学位论文 前手性化合物( 图1 2 ) ，可得到e e 值达9 9 的( s ) 奥美拉唑，但未对( s ) 奥美拉 唑与翦手性化合物的进一步分离提纯进行报道【羽。 m e 0 m e s c h 2 m e h 图1 2 奥美拉唑前手性化合物 ( 2 ) 不对称合成法 不对称合成法的原理是向反应体系中弓| 入不对称因素，如手牲试剂、手性催 化剂等，从手性化合物的前手性化合物合成得到某一构型占优势的单一对映体。 例如，采用改进的s h a 印1 e s s 不对称氧化法【8 】，用手性氧化剂在碱性条件下于有 机溶剂中对奥美拉唑前手性化合物进行不对称氧化，可制褥具有一定e e 值的奥 美拉唑，进一步用碱金属的氢氧化物处理，并重结晶可得e e 值极高的( 回奥美拉 唑的碱金属盐。例如，5 8 9 奥美季立唑前手性化合物溶于乙酸乙酯，并加入少量水， 予室溢下加入( 己) ( + ) 二乙基淄石酸( ( + ) 彩澎唰三一秘、四异丙氧基钛 ( 7 了细胛f 材聊( j 西叩门叩删娩) 和二异丙基乙基氨f 括印愀砌，肠m 觑e ) ，辩于3 4 下加入氢过氧化桔烯( p h c ( c h 3 ) 2 0 0 h ，q 册8 斑彰缈毋印翻箭娩) ，冷却至室温后可得 含奥美拉唑8 2 的混和物，其中( 研奥美拉唑e e 值达8 7 。若将此混和物加异 辛烷与乙酸乙酯稀释，并用氨水萃取，水相用乙酸中和，再经萃取、蒸发后，在 氢氧化钠溶液中结晶，可得，奥美拉唑的钠盐( 图1 3 ) 3 2 7 9 ，e e 值9 9 。8 ，总产 率4 7 2 网。因奥美拉瞳在酸性条件下不稳定，反应需在碱条件下进行。收率和 e e 值随反应温度升高而提高，假反应温度过高，可能会使( 。奥美拉唑消旋化， 故实施倒中最高反应温度仅为5 0 。 m e o o i i s c n a + 网1 3 奥美拉唑的钠盐 “羹d b e 若1 明等用氯仿萃取( 固( + ) 苯乙醇酸、氢氧化钠和掇丁铵硫酸氢盐 ( 死肌1 6 纱如脚脚d 珂f 姗z 扫删忉s 材缸纪) 的混和液，有机相中加入3 9 9 9 消旋体化合 激江大学硕士学位论文 物( i ) ，并加热至回流。随后蒸发溶剂，残渣在乙腈中重结晶得到2 1 3 9 非对映化 合物( 1 1 ) 。此非对映化合物( 1 ) 2 1 9 溶于乙酸乙酯和乙腈的混和液中，然后用反 相色谱精制，过柱后用二氯甲烷萃取，有机相干燥得7 6 0 m g 亲水性更强的无色 非对映化合物( i i ) 。取此无色亲水物质o 2 3 9 溶于甲醇，并用氢氧化钠溶液处理。 然蜃旋转蒸发，残渣加入等量水和二氯晕烷的混和液中，混和液分层褥番机相， 有机相蒸发去除溶剂，可得o 1 2 9 ( 7 7 ) 的( 研奥美拉唑，e e 值为9 4 。 。u 卜垡一c c h 2 r e 国：呻l l 潍十琶一占拜旬 q o h 图l _ 4 化合物( i ) 和( i i ) 也可利黑微生物高度专一的立体催佬氧化性能，铁奥美拉睦前手性优合物得 到纯度很高的单一对映体化合物。例如，将前手性化合物溶于p h 值7 6 、 5 0 姗o l l 的磷酸钠缓冲液中，使其浓度为l l 。然后加入适量烷烃氧化菌( 如 节杆菌a p e 的l e 叩魏鑫嚣s 、短抒菌8 ，p a f a 箍l 骖i 诣毽等) 、烯烃氧化菌( 如分技 杆菌m y c o b a c t e r i u m ) 或真菌( 如青霉素p 靠e q u e n t a l l s ) 等菌体，使菌体干细胞 质量浓度为5 l o l 。此体系在2 8 下于摇床上处理1 8 2 0 h 后，反应混和物过 滤或离心分离去除菌团，分离焉滤液直接过c 毯您l p 呔a d 柱分李厅。结栗表明，以 上各菌种均可将奥美拉唑前手性化合物选择性地氧化为( s ) ，奥美拉唑，e e 值最高 可达9 9 【l l 】。但未报道( s ) 奥美拉唑的收率及其与前手性化合物的分离。 f 3 ) 结晶法 结晶法是往外消旋混合物的过饱和溶液中加入某一对映体品种进行诱晶，使 该对映体优先结晶出来。而奥美拉唑消旋体的结晶行为与此不同，如将已有一定 e e 值的奥美拉唑对映体混和物溶于乙腈、仲丁醇、丙酮等溶剂中，消旋体仡合 物会优先结晶析出，起始过量的部分则留在溶液中。利用这一特点，可将不对称 合成法或其它方法制得的低e e 值的粗品精制，得到e e 值很高的对映体【1 2 】。 ( 4 ) 包结拆分法 6 游汪大学颈卡学霞论文 包结拆分方法主要利用分子包结现象，引入一种手性主体分子，通过非共价 键相互作用( 如氢键、嚣万相互作用、范德华力等) ，选择性地与欲拆分的客体分 子的某对映体形成包结复合物。将该包结复合物用普通的物理方法分离，可得到 所需的手性客体化合物【1 3 】。例如，用联二萘酚类化合物、联二菲酚或酒石酸衍 生物等手性化合物作为包结主体，与外消旋奥美拉唑溶于混合溶剂( 如甲苯7 正己 烷) 中，包结主体选择性地与某种构型的奥美挝哗形成包结络合物，并以结晶形 式出现，而另一种对映体则留禚溶剂中，然后用层析的方法将包结主体和奥美拉 唑分离，可制得爽美拉唑的两种对映体。固奥美拉哮总收率可达8 8 ，e e 为 l o o ，嘏) 奥美拉唑总收率可达6 8 4 ，e e 值为9 7 5 ，包结主体回收率可达 8 6 6 【。 ( 5 j 色谱法 许多作者选择合适的已商品化的手性色谱柱或自行设计新型手性固定相，用 高效液相色谱拆分奥美拉唑。也有作者通过向流动相中添加生物质( 如血清蛋白 【1 4 】) ，或将生物质f 如纤维素酶嘲) 固定到硅胶上，剩用生物质昀手性识别能力对 奥美拉唑进行拆分，也取得了较满意的结果。表1 1 列举了一些主要的色谱体系。 表1 1 高效液相色谱法拆分奥美拉唑体系 7 濒汪久学繇一t 学像论文 表1 1 所列的手性固定相中，由d a i c e l 公司提供c m r a c e lo c 和c h i r a l p a k a d 对奥美拉唑表现出较好的拆分效果，其中c h i 嘲p a k a d 效果最佳。c 磕a 1 a g p 、 b s a d s c 、c b hl 和u l 们ne s o v m 均为蛋白质物质类固定相。它们有一定的 拆分效果，但这类物质不稳定，溶剂选择范围小。 1 2 溶剂梯度模拟移动床 1 2 1 模拟移动床 l 。2 。1 1 模拟移动床发明起因 b r o u g h t o n 【1 6 1 于1 9 6 1 年首次提出模拟移动床( s i m u l a t e dm o v i n gb e d ，s m b ) 的概念，s m b 是吸取了圜定床和移动床工艺各皇的优点丽设计的工艺。在固定 床色谱柱内，仔细填充颗粒后可减少流动相的返混，提高分离效率，但是间歇操 作、频繁吸附、再生循环，设备利用率低。移动床( n 啪m o v i n gb e d ，t m b ) 吸附分离特点是操作连续、处理量大，便于鸯动控制，稳定并保证了产品的质量。 但是，吸附剂的运动过程使吸附剂颗粒的磨损率增大，吸附剂的消耗使生产成本 加大，磨损的粉尘填满管道阀门，使产品分离困难。例如某些选择性良好的吸附 剂，如合成沸石分子筛，颗粒的机械强度不离，易于磨损，其次吸附剂颗粒不断 移动，使床层的空隙率不断变化，干扰了流动相流速的分稚。在s m b 工艺中， 吸附剂颗粒经装填詹不再移动，而是沿流动相流动方向定期改变物料和解吸剂进 口及各产品出口袋置，模拟嵩豳定相相对予流动相的逆流运动。s m b 吸附分离 技术不仅克服了固定床吸附分离技术存在的间歇操作的缺点，也克服了移动床吸 附分离技术存在的吸附剂磨损过大的缺点，实现了生产过程连续化，同时产品纯 度和回收率可达到较理想的水平。 1 2 1 2 模拟移动床装置介绍 s m b 是一个持续的逆流分离过程( 如图1 5 所示) ，在满足一系列条件后， 等同于真实移动床( t r u em o v i n gb e d ，t m b ) 过程。在s m b 系统中，完全分离 一个二元体系，需要选择合适的流动相和固定相的相对运动速度，以使强保留组 分a 被迁移到e x t 口，弱保留组分b 被迁移到r 蕊n a 纶口。固定楣和流动相 的再生分别在l 、4 区进行。 游江天学矮一学缘论文 圈董。5 模拟移动床示意图 s m b 技术应用遍及石油、糖类、发酵有机酸和氨基酸等领域。7 0 年代到 8 0 年代s m b 主要应用于石油及食品分离，s m b 设备一般在上万吨规模；进入 9 0 年代以来，s m 转技术开始应用于精细化工和药物尤其是手性药物的分离， s m b 装置也进入了小型化阶段。目前，国际上几个主要工业发达国家如美国、 法圜及目本都有提供s m b 分离设备和技术的公司，如美囡的u o p 、a s t ，法德 合建的n o v a s e p ，德国的k n a h e f 及日本的s o l ( e 毪公司【1 7 】。到目静为止，s m b 技 术在我国的发展尚处于起步阶段，主要是引进国外的整套设备，林炳吕【8 自制 了实验室级设备，但是设备并来产业化。 s m b 设备中为实现固相与液相的相对运动，一般采用旋转阀形式，将各进 出物料管线和所有床层管线连接在一个多口旋转阀上，采用旋转阀的最大优点是 系统死体积小和节省材料；新的用于小规模灵活生产的s m b 设备，可以采用一 个旋转阀，也可采用凡个多通转阋或者更多的阀门来完成物料管线和床层的连 接，允许较为自幽地调整各区的段数以满足不同的需要。 s m b 根据其结构特点可分为三区和四区。三区s m b 始终有一根楗子处于 被清洗状态，没有实现溶剂的循环。因此，它实质上是一个周期运动的开环系统。 而四区s m b 中各个串联柱连成一环路，在操作过程中，不但进样口位臀不断向 前更换，出样口位置也同样不断向前更换，既模拟了逆流，又实现了连续。四区 s m b 迸一步实现了溶剂的循环和组分的回流，因此，同时具有逆流与回流的机 制，分离能力更强，而且由于溶剂的循环使用，效率也更高。 s m b 根据泵的分毒情况，般来说，分为4 台和5 台泵两种。4 台泵的情 况即本实验所用到的s m b 装甏：两台泵为进料泵和洗脱液泵，另两台泵用于系 9 瀵i 王天学颈上学後论文 统内部液体的部分循环；5 台泵的情况是：4 台泵为4 个进出口的输液泵，另一 台用于系统内部液体的循环。如图1 6 。 & 积 屹豢黼： m n 辩 教目m ( a )( b ) 图1 6s m b 装置泵的分布形式( a ) 4 台和( b ) 5 台 1 2 。l 。3 模拟移动床分离原理 s m b 是通过旋转阀对各股液料的出入口不断切换来实现液相与网相之间 的相对移动，所以它在旋转阀的两次切换之间呈现固定床冲洗色谱操作特点，只 有在旋转阀不断切换改变的情况下，才接近连续的逆流吸附操 乍。从整个过程来 看，它是连续的，综合了固定床和移动床两者的优点。 ( 1 ) 模拟移动床的启动过程 由于四区s m l j i 主要用于二元组分的分离，为了解s m 转的运行状况，善先 对s m b 的二组分分离过程进行描述。现对一s m b 分离体系，柱子分布为2 2 2 2 ， 从空白开始启动，图1 7 ( a ) 为第一个切换周期术的轴向浓度分布。从图上可知， 进料隧以后的l l l 区和l v 区是一个翦沿色谱过程。强吸附组分a 在柱子孛的移 动速度较慢；弱吸附组分b 在柱子中的移动速度较快。这就使得弱吸附组分b 移向提余液口。 在进出辩霞随着流动相流动方向切换一次詹，见图薹7 b ) ，第一次切换髑期 结束时的轴向浓度分布作为第二次切换周期开始时的初始条件。在第二次切换周 期内，进料口前的i 区和i i 区是冲洗色谱过程，其初始浓度分布开始“变形”， 并沿着流向相方向移动，并显在进料瑟处得浓度也上升了。在第二个周期结束时， 如图1 7 ( c ) ，强吸附组分a 向提取液口。 这种过程重复一些次数以骺，如切换了十次以后，见图1 7 ( d ) ，可以看出： 每经过一次切换两个组份向各国的出口移动，并且浓度峰值不断增加。经过若干 浙菠大学硬 学位论文 次的切换周期后，浓度曲线基本上保持不变，即不再向各囱的出口移动，而且浓 度氆也不再增加，裁时系统达到循环稳态，如图薹一簇0 帮l - 议玲。 r 气 、 、 蛳舳毒埘氮 啭耐孙簪州痨辨g b ，孵 ”一 弋“ ，； 舾e s 哑 ( c ) 差捌群垛娃臼蜊镭| 瞎蠹猎 ：一 、 _ 氏。z ， i x l ；z 、， 7 li y ； 一b i 0 | | ， l ， 目娜8科# 瑶m ， 夕 一。 2蔫 鼍辩m 5 垂f 鞠畦 暑 ， i 毒r 稿 绀 图1 7s m b ( 2 ) 模拟移动寐澎目浓度变纯 n 、 | 喃瓤； b21l盖母 。 l 一 7 ? 蒸 、 、 l t 鼍 ，- 鼍 “ ， ” j j v 一 ， t 叠茹 辞c 霹f # j 孓 。 & f 、； 焱 l ? f t 萎 ； i t | |j t ，n 静帮钾幻确 ，霉 ；) 奎e 瓣t 毒蜘醴事涮耋镕珊 空白启动后轴向浓度分布形成过程 图1 8 显示了提取液和提余液出口浓度随着切换次数增加的变化趋势。由于 l l 嚣2一譬*警廿*m毒#嚣*e毒#2一霪葛p羲obt叠誉n导。 嚣孽臀蕃譬女。鬈瓣*弗cp鞯op葛季一基譬静一藿重_ba基j 芷誊静蕃皆蝣移-，釜嚣“莓m一 浙江大学硕士学位论文 进出口的不断切换，导致了出口的两组份浓度变化曲线呈现锯齿波形状。在其中 任意一个切换时间内，提取液浓度随时间下降，提余液浓度随时间上升。s 实验从空白浓度启动后，出口浓度的振荡幅值就不断变化。当切换到一定次数后， 浓度曲线的振荡幅值基本上不再变化，此时即到达循环稳态。 ( a ) e x 缸狮t ( b ) 倒陆n a t e 图1 _ 8s m b 提取液( a ) 和提余液( b ) 流出曲线 ( 3 ) 模拟移动床内部浓度分布 图1 - 9 为s m b 达到循环稳态后的内部浓度曲线分布。从图上曲线可以看出， 提取液和提余液出口可以得到较纯的两个组份。 图1 - 9s 砌轴向浓度分布图 1 3 溶剂梯度模拟移动床 1 3 1 梯度模拟移动床 目前，模拟移动床色谱多采用等度操作模式，即是说每根色谱柱内的温度、 压力、流动相等组分均相等，溶质在各区的吸附行为一致。这种模式下的模拟移 激江大学颈七学位论文 动床色谱分离过程已被深入研究。然而对于某些应用场合，如手性药物对映体的 分离逶常基于菲常小的选择性，这种情况下，通过梯度操作模式，在各区相对独 立选择操作条件，在l 、2 区减少吸附和保留时间，在3 、4 区增加吸附和保留时 间，可以提高分离效率。梯度s m b 可以分为温度梯度s m b 、溶剂梯度s m b 、 压力梯度s m b 等。它们分别是通过改变各区温度、溶剂缀成、压力或其他因素 改变溶质在各区的吸附强度从而改善色谱的分离性能。 1 。3 2 溶剂梯度模拟移动床 对于某些应用场合，等度模式的s m b 色谱分离常常面临两难选择。例如， 用多糖衍生物手性固定相分离手性药物时，流动相组成和洗脱强度对两个对映体 的分离影响缀大。当流动相中极性组分含量增加时，虽然吸附平衡常数降低有利 于l 区固定相再生，但因分离因子和分离度也随之降低，组分在2 区和3 区的分 离难度加大，此时不得不降低进样流量来保证产品纯度；而如果降低极性组分的 含量，分离因子和分离度的增加有利于提高进样流量，僵熙吸附平衡常数固时增 加，必须需增加l 区的流量，使1 区固定相再生完全，这势必将增加溶剂消耗和 系统压力。 应属分析色谱中广泛运用昀梯度概念于模拟移动床上，雳一个洗脱强度小的 溶剂( 弱溶剂) 将原料带入，在洗脱液入口则引入一个洗脱强度大的溶剂( 强溶 剂) ，则1 区和2 区的溶剂洗脱强度大于3 区和4 的溶剂洗脱强度，这样可在保 证高纯度、高产率酶同时满足l 区流量小的要求，降低溶剂消耗，并可笺迸一步 提高产品浓度。例如，应用反相色谱模式分离纯化组分极为复杂的天然产物时， 假设豳标物最早如峰。如果使洗脱液的洗脱强度大于进样液的洗脱强度( 例如通 过调整水含量) ，煲| j 在3 区内部，因流动褶承含量大，各个组分较易分离，有利 于进样流量的增加；而在l 区内部，因流动相有机溶剂含量大，组分洗脱速度快， 较低流速的流动相就能将强吸附组分洗脱，使固定相再生完全。 相沈常规模拟移动床色谱，这种新型操作模式( 溶尧| 梯度) 强纯了模拟移动 床各区功用，更适合于一些难分离体系的分离纯化。 v a l ld e rw e i l e n 研究小组先用基于假想的移动床( t m b ) 数学模型的“三角 形理论从理论上研究了溶剂梯度模式下的离子交换模拟移动床色谱分离过程 澎泛大学矮l j 学像论交 【1 8 ，19 1 ，然后用离子交换模拟移动床色谱分离蛋白质，但采用的模型过于简单，未 锈得氐最优的操作条件，也未给出具体的实验结果( 如产品纯度、溶剂消耗、产 率等) f 2 0 2 n 。 s e i d e l m o r g e n s t e m 和a m t o s 领导的研究小组单纯从理论上研究梯度模式下 麓模拟移动床色谱分离过程【2 2 以6 】。他们考虑到了流动相的组成变化对溶质吸附 平衡的影响，用平衡缴模型来描述溶质在色谱柱的吸附行为，但将模拟移动床简 化为移动床，因而不能真实的描述流动相组成在各区内部的循环稳态特征，而只 是麓单地认为l 区和l l 区内邦流动相组成相同，僵不同于l l l 区和区的流动相 组成，这种简化处理显然不能真实反应流动相组成对溶质吸附平衡的影响，有效 地指导模拟移动床色谱操作条件的优化工作。 m o 南i d e l l i 研究小组瑟7 2 s 】在他们创建的三角形理论基羲窭上研究了线性吸附和 l a i l 舯u i r 吸附两种情况下的梯度模拟移动床色谱分离过程。他们给出了由周期 性切换进出口位簧导致流动相组成的循环稳态变化曲线，结果表明i 区和i i 区的 流动相组成并非恒定，l l l 区和区的情况也是如此。但他们仍将模拟移动床 视为移动床( t m b ) ，在忽略传质阻力和轴向弥散的理想情况下，利用“三角形 理论给出了分离区域。简化处理的结果是这分离区域只是获得优化操作条件 的必要条俘，丽j 充分条件。 卢建刚【2 9 1 注意到了流动相组成的循环稳态变化对吸附平衡关系的影响，他 将流动相视为一釉溶质，同时还考虑到了轴向弥散系数、液膜传质系数和内扩散 系数等动力学参数对吸附行为的影响，建立了较为全面的数学模型来描述v 雒断 w e i l e n 研究小组【1 9 j 所报导的一组分离体系。在本体系中，流动相组成的变化( 主 要是n a c l 浓度) 可能对动力学参数影响不大，但对于其它体系，这种影响能否 忽略值得商榷。此外，因缺少实验数据，来麓更进一步研究梯度模式下的工程原 理和操作条件的影响。 以上的文献报导已初步显示出了溶剂梯度模式下的模拟移动床分离过程的 优越健：在保证产品纯度的前提下，进一步降低溶剂消耗，提高产率。但还有两 个重要因素不能忽略：一是样品的溶解度。梯度模式下，降低原料液洗脱能力， 虽然有利于改善i i l 区的分离，提高进样流量，但样品的溶解度也将相应降低， 进样流量的增加并不一定意味着进样量( 浓度进样流量) 的提高。嚣丽在优化 1 4 游汪大学矮七学豫论文 操作条件时还必须考虑样品的溶解度；二是系统达到循环稳态的时间。e l j 于梯度 模式的复杂性，系统达到循环稳态的时间显然也将延长，因瑟影响产率。 1 4 课题研究内容 溶骞| l 梯度模式移动床( s g s m b ) 是模拟移动床研究中比较新兴的方囱，可用 来分离一些较难分离的天然产物和药物尤其是手性药物的分离。s g s m b 在我国 的发展尚处于起步阶段。与国外相比，我们的s m b 技术无论是设备还是工艺上 都有较大的差距。为推动s g s m 8 的研究，本论文选择奥美拉唑对映体为研究 对象，研究溶剂梯度模式下的模拟移动床色谱分离过程，以及操作条件的优化策 略。主要研究内容有： ( 1 ) 色谱分离麴基础在予吸附平衡关系，焉溶剂梯度模式下的模拟移动床 分离过程的吸附平衡关系与流动相组成关系密切。在流动相组成( 正己烷乙醇) 的变化范围内，研究溶质( 奥美报唑对映体) 吸附平衡随流动相组成的变化关系， 建立包含流动相组成的吸附平衡模型。 ( 3 ) 理想状态下，即不考虑流动相组成的循环稳态变化特征、传质阻力和 轴向弥散等因素，根据经典的“三角形理论以及吸附平衡模型获得一个完全分 离区域，以此为指导选择s g s m b 的初始操作条件。此外根据完全分离区域帮 o m e 对映体在混合溶剂中溶解度，优化流动相组成。 ( 2 ) 研究模拟移动床溶剂梯度模式下分离奥美拉唑对映体，研究各区内部 流速、切换时间、进祥量，进祥浓度对分离性麓的影响；考察溶剂梯度模拟移动 床达到循环稳态所需的时间。 ( 4 ) 比较等度模式与梯度模式下的模拟移动床的分离性能，揭示梯度模拟 移动床在溶剂消耗和生产量等方面的优越性。 1 5 濒汪大学硕圭学缎论文 第三章固定床色谱分离奥美拉唑对映体 奥美拉唑( o m e p r a z o l e ，简称0 m e ) 是全世界单药年销售额最大的手性抗溃疡 药物。奥美拉唑分子由苯并咪唑通过亚砜基连接毗啶环组成，内含手性硫原子， 存在对映异构。两异构体有着不同的生物活性，其中( s ) 奥美拉唑的给药疗效优 于消旋体形式给药。 制备奥美拉唑光学对映体的方法主要有微生物法啊、不对称合成法【8 】、结晶 法【9 】、包结拆分法【国和色谱澍1 霹，1 翻。其中，色谱法分离效果好，操作简单，易于 实现工业化。 色谱分离的基硝在于吸附平衡关系，丽溶剂梯度模式下的模拟移动床分离过 程的吸附平衡关系与流动相组成关系密切。本章自制纤维素三苯基氨基甲酸酯 ( t p c c ) 涂敷型手性填料为固定相，通过固定床色谱分离奥美拉唑对映体，研 究流动相组成对囊美拉唑对映体的容量因子和分离度的影嚼。 2 1 手性色谱柱的制备 2 。1 1t p c c 涂敷型手性填料的制备 2 1 1 1 实验装置 旋转蒸发仪以b o 爻0 弘4 o 型( 德圈海道尔夫公司) ，循环水式真空泵 s h z d ( 巩义市英峪予仪器厂) ，电子天平a l 2 0 4 ( 梅特勒托利多仪器有限公司) ， 电热恒温鼓风干燥箱g z x 一9 1 4 0 m b e ( 上海博讯实业有限公司) 2 。l 。1 2 实验材料与试剂 硅胶担体选用富士公司产的氨丙基硅胶( a p s ) ，粒径2 0 4 5 岬，平均孔径 8 0 姗，比表面积3 4 2 m 2 绝。t p c c 系本实验室合成，元素分析c 、h 、n 含量为 c 6 0 5 l 、 诲。9 9 、n 8 0 8 。理论值：n 8 。，c 6 2 4 2 ，h 4 8 5 。四氢呋喃( 分 析纯，上海试剂一厂) 。 2 。l 。1 3 实验方法 根据文献泌3 期，采用溶剂蒸除法制备涂敷型手性固定相：称取1 2 5 9t p c c 濒汪入学颈学像论文 溶于3 0 n d 四氢呋哺中，加入5 0 0 2 1 9 经1 2 0 干燥过的氨丙基硅胶，搅拌2 小 时震，周旋转蒸发仪缓慢蒸除里面的四氢呋噙，得到固定褶。多次制备，获褥足 量的固定相。 2 。1 2 色谱柱的制备 2 1 2 1 实验装置 气动泵( 北京创新通恒科技有限公司) ，液相色谱系统( 制各型，德囡k n a u e r 公司) ，电子天平a 我( 梅特勃一托剥多仪器有限公司) ，电热洹温鼓风干燥箱 g z x 9 1 4 0 m b e ( 上海博讯实业有限公司) ，双频超声波清洗机s b 3 2 0 0 d ( 宁波 新芝生物科技有限公司) ，分析型空柱( 1 5 枣4 6 c m ，2 根，大连伊利特科技有限 公司) 。 2 1 2 2 实验材料和试剂 乙醇( 分析纯，杭州长征化工厂) ，自制t p c c 涂敷型手性填料( 粒径2 0 4 5 u m ) 。 2 1 2 3 色谱柱的装填 ( 1 ) 装柱装置 实验室装柱装置是由北京创新通恒科技有限公司生产的气动泵、匀浆管和空 气压缩机组成，如图2 1 。 溶剂储耀空气压缩机 图2 1 色谱柱装柱装置 滋汪人学硬皇拳缎论文 气动泵和匀浆管通过不锈钢管( 2 m mi d ) 连接。为满足装填分析型和制备 型色谱柱的不同需要，匀浆警有嚣种规格，种规格为1 2 漱i d 枣4 5 c 撒l ，其出 口通过3 0 0 锥度收缩，出口内径大小与分析型色谱柱外径一致，为4 6 删靛；另一 种规格为5 。5 c mi d 牛3 5 c ml ，其出口内径和制备型色谱柱外径一致，为2 0 m m 。 气动泵上有两个压力表，分别为气压表和液鹰表。气压表读数为气动泵内气体压 力，液压表读数为装柱时液体压力，液压表显示的压力比气压表显示的大许多， 这是由于气动泵把气压放大到装柱压力，放大倍数大约为8 0 倍。装柱过程一般 在最大压力下进行，为2 2 m 参a 左右。另外冬部件均通过焊接或卡套连接，来解 决高压下的密封问题。 ( 2 ) 装柱过程【 】 ( 1 ) 首先清洗色谱柱和装柱系统。色谱柱戆清洗毖须 良小心，不应伤及内 壁的光洁度，尤其不能造成轴向的划痕。在清洗制备型色谱柱时，由于其内径较 大，可用大团棉花蘸清洁剂洗涤内壁；而在清洗分析型色谱柱时，由于其内径较 小，为此，采用一檄细长的绑裔小团榛花的棉线穿过色谱柱，并将洗洁精蘸在棉 花上，来回抽动棉线，使棉花在柱内往复运动，然后用去离子水清洗，再用乙醇 浸泡淋洗，自然晾于。然后将色谱柱一端连接好柱头，柱头出口亦用封头密封， 加入约乙醇，使色谱柱充满乙醇。最后将色谱柱另一溃连接到匀浆管。 ( 2 ) 固定相2 5 9 分散于2 5 m l 乙醇中( w = l 1 0 ) ，超声波处理l 2 m i n ， 以充分分散固定相并去除空气，超声波处理时间不宜过长，否则可能使填料破碎。 然恁迅速将配好的匀浆加入匀浆管中，旋紧备连接处，开扁气动泵，排空。空气 若不排除干净，一方面会使体系压力上升缓慢；另一方面，高压下空气溶解在液 体中，当装柱完成降压后，气体会重新释放出来，破坏床层结构。最后旋紧匀浆 管上端封头，迅速将压力调至2 0 醚p a 以上。3 蜥珏后，用堵头旋紧柱子下瑞， 再关掉空气压缩机，让压力缓缓降至大气压。 ( 3 ) 当系统压力降至大气压时，手戴橡胶手套，小心的将色谱柱从匀浆管 上拆卸下来，用锋利、于净的剃须刀片沿着色谱柱出日截面将多余的填料刮去， 并小心的清洗柱头锥套的表面，不可留有任何填料。然后将色谱柱头接上，色谱 柱两端封好封头，按装柱时匀浆流向标明色谱柱使用时的流动相流向。上述过程 中，不可直接用手接触色谱柱，否则填料将受热而在出翻胀出。割除柱头多余填 游汪人学硕皇擎绶论文 料时，须特别小心，不可捣动色谱柱出口截面以下的填料，亦不可使填料高出柱 出口截面，应馒填料床层截面与柱出口截厦位于同一平露。 2 1 3t p c c 涂敷型手性填料的评价 2 1 。3 1 实验装置 液相色谱仪系统包括k - 5 0 i 色谱仪( 德国k n a u e r ) ，u vk 。2 5 0 l 紫外检测仪( 德 国量沁a u e r ) ，和e u r o c h r o m 2 0 0 0 色谱工作站。自制纤维素三苯基氨基甲酸酯 涂敷型手性柱( 0 。4 6 c 魅i d 拳1 5 c m ，2 根，串联) 。 2 1 3 2 实验材料与试剂 奥美拉唑对映体( 纯度9 8 ，实验室自制) ，无水乙醇( 分析纯，杭州长征 化工厂) 。 2 1 3 3 实验方法 爨美拉睦对映体焉乙醇溶解，配成1 6 0 9 燃g 勉l 溶液进样。进样体积为2 蚀， 采用六通阀手动进样。用纯乙醇为流动相，流速0 1 龇i n 。检测波长为2 8 0 衄， 柱温为3 0 3 k ( 室温) 。 表2 董不同固定相的色谱条件 1 9 浙江大学硬学使论文 t i - cc - 妞 ( a ) 0l o罅305 05 0 t x _ ti 1 n ( b ) ( c ) 图2 2 奥美拉唑对映体在不同手性柱上的色谱分离图 从鳖可知： ( 1 ) 自制t p c c 涂敷型手性填料对奥美拉唑有一定的拆分效果，假差于文 献吲中固定相拆分能力( 见图2 2 c ) 。这主要是因为固定相粒径为2 0 4 5 岬，大 予l o 耻m 粒径。粒径增大，内扩散影响严重。 2 ) 我们发现当流速增大时，以洗脱体积计算的峰宽增大，两峰重叠严重， 不能拆分奥美拉唑。 考虑到粒径增大的因素，我们认为自制t p c c 涂敷型手性填料的分离效果可 以接受。 2 2 色谱热力学基础刚 色谱过程热力学是色谱理论研究的基本问题，色谱分离的第一个条件是两个 相邻组分保留值存在一定差别。溶质、流动相、固定相的分子结构与相平德常数 和保留体积的关系，溶质的保留值的变化规律是色谱热力学研究的主要课题，它 溉汪大学矮上学黢论文 是发展高选择性色谱体系，探讨色谱分离机理、评价色谱固定相、流动相，建立 色谗定性方法的理论基础。 化合物的色谱保留性质的量度可以用容量因子后来表示，它是一个比较通用 的保留值度量单位。根据容量因子的定义： 露| - ( 一) k 式中：为溶质保留体积，虼为色谱柱的死体积。 k 是吸隧平衡常数，它与容量因子素翻色谱中国定相与流动相之毙芦静 关系为： k = k jf 式中：相比= ( 1 一岛) ， 分离因子q 是种物质与另一种物质的保留值之比，是两种溶质热力学平衡 分配差别的度量，可表示戒： 穰= 毛y 哎 式中掣，心分别为按洗脱顺序第一个溶质和第二个溶质的容量因子。 定量描述两组分在色谱柱内分离情况的指标是分离度，按照表示方式的不同 它又分成峰底分离度、峰