高效液相色谱中的纤维素衍生物手性固定相

高效液相色谱中的纤维素衍生物手性固定相
李　兵　施介华3　杨根生
(浙江工业大学药学院　杭州　310032)
摘　要　评述了高效液相色谱中纤维素衍生物手性固定相直接拆分对映体的进展。

介绍了纤维素衍生物的主要类型、纤维素衍生物作手性固定相三种不同方式的特点以及新的纤维素衍生物手性固定相应用。

并结合色谱、NMR和分子模型设计和理论计算等方法讨论了纤维素衍生物手性固定相的拆分机理。

关键词　高效液相色谱　手性固定相　纤维素　手性拆分
Cellulose2based Chiral Stationary Phase in H igh Performance
Liquid Chromatography
Li Bing,Shi Jiehua3,Y ang G ensheng
(C ollege of Pharmaceutical Sciences,Zhejiang University of T echnology,Hangzhou310032,China)
Abstract　Devetopments of cellulose2based chiral stationary phases(CSPs)for the direct separation of enantiomers in high per formance liquid chromatography(HP LC)are reviewed together with the results on mechanistic studies by means of chromatography,NMR and com putational methods.Different derivatives and different types of cellulose2based CSPs and the applications of cellulose2based CSPs are als o described.
K ey w ords　High per formance liquid chromatography,Chiral stationary phase,Cellulose,Chiral res olution
随着生命科学和有机立体化学的发展,提供疗效高、毒副作用小的光学纯药物已成为现在药物研究的重要内容。

生命体内的手性环境,如酶、受体、抗体等与药物对映体的生物活性密切相关,药物对映体和它们的代谢物常常表现出不同的药理和药代特性,使用外消旋体药物可能导致错误的药代行为和作用模式。

美国食品和药物管理局已在1992年立法,凡是含有不对称中心的药物,必须以单一对映体为标准登记、同时对各个对映体药物的药理、代谢动力学、生物活性、毒性等进行测定和评价。

近年来,在手性化合物光学异构体的分离技术中发展最快、应用最广的分离技术是色谱手性分离技术,而最简便和最有效的分离技术是采用高效液相色谱手性固定相(CSP)法。

自20世纪80年代以来,人们已研制出100多种CSP。

其中,纤维素衍生物是一类稳定性较好、在手性拆分上使用最广泛的CSP。

现已有商业化的纤维素衍生物手性柱。

本文旨在较全面地介绍纤维素酯类CSP的发展过程以及采用色谱、NMR和计算技术等方法在此类CSP上的手性识别机理的研究进展。

李　兵　男,25岁,硕士生,现从事手性化合物分离研究工作。

　3联系人
浙江省教季资助项目(20000200)
2002203222收稿,2002206211修回
1　纤维素衍生物CSP
111　纤维素三乙酸酯(CTA)CSP
由于纤维素存在手性单元,Dalgliesh[1]曾用纤维素作为手性吸附剂直接分离氨基酸对映体。

而葡萄糖中的三个羟基衍生化后可以提高这类手性固定相的光学拆分能力。

Hesse等[2]首次用微晶纤维素合成了纤维素三乙酸酯(CT A)分离特罗格尔碱(T roger′s base)。

在此基础上,Hesse等提出了分离机理,认为对映体不是简单地吸着在某一葡萄糖单元上,而是插入到两个葡萄糖单元之间,形成一种包容络和物,被测物的保留与被测物和手性空腔之间的匹配有关。

后来人们发现纤维素的微晶结构、聚合度、分子量的大小,纤维素原料及纤维素酯化的完全程度、涂布用的溶剂类型以及硅胶孔径等对CT A的光学拆分能力均有影响。

112　纤维素三苯甲酸酯(CTB)衍生物CSP
在纤维素衍生物中引入苯基有利于提高手性识别能力。

有关纤维素三苯甲酸酯类化合物可采用催化合成法和超声合成法制备纤维素三苯甲酸酯(CT B)及其衍生物。

由于CT B衍生物中羰基的极性受苯环上取代基的影响,因此它们的手性拆分能力和苯环上取代基的性质有关。

22取代衍生物由于立体障碍,手性识别能力较低,42取代衍生物手性识别能力相对较高。

苯环上带有给电子基比带有吸电子基手性识别能力高,因而增加羰基氧原子上的电子云密度可能是很重要的(但给电子能力较强的甲氧基由于其极性较大,所得的衍生物的手性识别能力较低)。

Charkvetadze等[3]比较了涂布型和键合型三(42甲基苯甲酸)纤维素酯CSP得出,正相条件下涂布型三(42甲基苯甲酸)纤维素酯优于键合型CSP;反相条件下由于涂布性CSP在溶剂中易溶解或溶胀,因而键合CSP性能好于涂布性。

K azuhiro等[4]通过聚合反应把三(42乙烯基苯甲酸)纤维素酯键合到用丙烯酰氯修饰的32氨丙基硅胶上,这种手性固定相在二氯甲烷和四氢呋喃等极性溶剂中很稳定,大大扩大了流动相的使用范围。

Francotte等[5]将CT B的甲基衍生物直接制备成颗粒CSP,也取得了良好的手性分离效果,并提出了超分子结构在手性识别过程中的重要性。

Rimbock等[6]制备了粉末微晶纤维素三苯甲酸酯。

王来来等[7]制备了纤维素三苯甲酸酯衍生物的球珠。

113　纤维素三苯基氨基甲酸酯(CTPC)及其衍生物CSP
三苯基氨基甲酸酯(CTPC)及其衍生物类手性固定相的手性识别能力主要受控于—NHC OO—基团。

由于苯环上取代基的性质、数目及位置对氨基甲酸酯的极性有着显著影响,因此,苯环的取代基的性质、数目及位置对手性化合物的拆分影响很大。

一般苯环上具有给电子基团(如烷基,特别是叔丁基)的衍生物和具有吸电子基团(如卤素)的衍生物的手性拆分能力比没有取代基的好,当取代基为给电子基团(如甲基)时,使羰基上氧原子的电子云密度增强,一般拆分吸附在羰基上的极性化合物,如醇、氨基等;而吸电子基团(如氯)增强—NH—的酸性,一般拆分吸附在—NH—的化合物如羰基、醚等。

极性较强的取代基如—OCH
,—NO2易与样品作用而受到影响,从而拆分能力低
3
下。

一般苯环单取代基在3位、4位比2位的拆分能力强;苯环双取代基在3,42位,3,52位比2,62位的拆分效果好,主要是由于立体位置效应的影响。

在苯环上连有双取代基团的CTPC衍生物如3,52二甲基苯基氨基甲酸酯、3,52二氯苯基氨基甲酸酯、3,52氯甲基苯基氨基甲酸酯等中,3,52二甲基苯氨基甲酸酯是一种具有较高的手性拆分能力的CSP,Piras等报道2494种对映体有2363种可以用3,52二甲基苯基氨基甲酸酯中得到很好的拆分[8]。

3,52二氯苯基氨基甲酸酯也是一种很有效的CSP,但它在洗脱液中的溶解度较大,因而作为高效液相色谱CSP的实际应用受到一定限制,Benzhan等[9]发现甲醇和水作流动相可以很好地分离对
映体。

为了增加氯代苯基氨基甲酸酯的稳定性,Okam oto等[10]考察了吸电子基与斥电子基的协同
β2阻断效应,在CTPC的苯环上同时引入—CH
3和—Cl,得到稳定性和拆分能力均较好的CSP,几种
剂药物得到了良好的拆分。

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,说明光学异构体的分离过程中不仅与电荷相互作用有关,还与其立体结构有关。

张欣等[11]认为经典文献中采用CH
Cl2作涂布液不如四氢呋喃作涂布液好。

侯经国等[12]和王
2
来来等[13]发现纤维素衍生物的涂布与担体表面的化学性质有关。

Okam oto等[14]采用4,4′2二苯甲基异氰酸酯或其同系物为原料将纤维素化学键合于32氨基丙基硅胶表面,然后将纤维素衍生化成了3,52二氯取代的CTPC,把这种CSP与相应涂布型的CSP相比较可知,键合型固定相稳定性大大提高,并可以用极性溶剂如CHCl
作洗脱液较好地分离许多手性
3
化合物。

陈小明合成了键合的CTPC[15],但是由于纤维素酯在硅胶表面有序排列有利于对映体拆分,化学键合妨碍了这种CTPC衍生物在硅胶表面形成有序的结构,故而得到的CPT C手性识别能力小于涂布所得的CPT C。

同时还发现拆分能力下降与所用异氰酸酯的量有关,异氰酸酯量的越多,手性拆分能力越低。

3,52二甲基取代的CTPC化学键合CSP经过加热处理后,与涂布得到的CPS几乎有相同的拆分能力。

Y ashima等[16]用4,4′2二苯甲基异氰酸酯将纤维素衍生物有区域地、选择性地化学键合于32氨基丙基硅胶表面,发现键合到葡萄糖的位置对拆分能力影响不大。

Franco等[17,18]比较了102十一碳烯酸酯与取代的苯基氨基甲酸酯衍生物键合到经烯丙基改性的硅胶,石墨、氧化铝和没有处理的硅胶及102十一碳烯酸酯Π苯基氨基甲酸酯不同比例对拆分的影响。

114　混合型纤维素酯和芳烷基氨基甲酸酯CSP
1993年,K aida等[19]首先在纤维素上引入混合取代基,结果表明这些手性固定相对许多对映体具有良好的拆分能力。

Chassaing等[20]比较了氨基甲酰化和苯甲酰化纤维素CSP的分离性能,结果表明6位的取代基对手性识别非常重要,在6位增加手性碳可以增加对映体选择性。

他们还制备出新的纤维素62(R2苯乙基氨基甲酸酯)22,32(3,52二甲基氨基甲酸酯)CSP,其拆分对映体的效果甚至好于相应的Chiracel商品CSP。

Murat等[20]采用区域选择性取代法,合成了纤维素22,32双芳基氨基甲酸酯262O2芳基酯类和纤维素22,32双芳基酯262O2芳基氨基甲酸酯类,它们比纤维素三(3,52二甲基苯氨基甲酸酯)CSP具有更高的对映体选择性。

Okam oto等[21]曾研究了纤维素芳烷基氨基甲酸酯类手性固定相,发现甲基和异丙基衍生物手性识别能力低,而苯基、12苯乙基、12苯丙基、甲基2 12苯丙基、1,12二苯甲基氨基甲酸酯衍生物用作CSP时,苯乙基和苯丙基对光学异构体拆分能力较高。

2　手性识别机理的研究
手性识别机理研究的方法[22]有:(1)色谱法,它是用来评价CSP特性的最通用的实验方法;(2)光谱法,它包括核磁共振(NMR)、荧光和红外光谱(IR)在手性固定相性质和手性识别机理中的应用;(3)分子模型设计和理论计算方法,它是一种计算机辅助技术,主要研究手性分子与手性固定相形成的非对映体配合物的性质,可以直观地显示出手性识别作用的模型。

211　色谱法
V ogt等[23]用X射线分析表明,三苯基氨基甲酸酯衍生物是通过分子内的氢键形成一个左端有三折3Π2的螺旋结构,在它的手性螺旋空穴中沿主链存在一个极性氨基甲酸酯,而极性氨基甲酸酯在里面,疏水性的苯环在外面,如果对映体进入的手性空穴中,能有效地与极性氨基甲酸酯作用形成氢键和C O形成偶极2偶极相互作用。

由于苯环上取代基的性质能影响氨基甲酸酯的极性,从而影响不同的手性拆分能力,除了与极性化合物作用外,溶质和CSP的苯环的π2π作用占有很重要
的作用[24],特别在反相条件下,有几种非极性化合物得到很好的拆分。

现在色谱法机理一般是改变流动相的组成及溶质结构对手性分离的影响[25～28]。

212　核磁共振(N MR)法
CTPC甚至在溶剂中都保持着它的螺旋结构[29],但是,大多数的三苯基氨基甲酸酯衍生物只能在极性溶剂如吡啶、四氢呋喃中有很高的拆分能力,而在这些极性溶剂中由于极性溶剂与极性氨基
甲酸酯有很强的作用力,因而不能用NMR法测定手性识别机理。

但是,有些苯基氨基甲酸酯衍生
物如三(42三甲基硅基苯基氨基甲酸)纤维素酯[30]和三(52氟222甲基苯基氨基甲酸)纤维素酯[31]溶
于氯仿溶剂中,在1H NMR和13C NMR中和HP LC中一样对许多对映体显示出手性识别能力。

三(42三甲基硅基苯基氨基甲酸)纤维素酯存在与否对1,22二苯基氧化乙烯的NMR图谱有很大的影
响[30]。

Okam oto等[32]采用1H NMR和13C NMR研究了2,2′2二羟基联萘和2,2′2二羟基26,6′2二甲基联苯等手性化合物在三(52氟222甲基苯基氨基甲酸)纤维素酯CSP上手性分离机理。

213　计算模拟
计算机模拟涉及到分子力学方法(M M)和分子动力(MD)去计算CSP与对映体之间的相互作
用,特别是Lipkowitz[33]从理论的角度研究手性识别机理。

由于一些苯基氨基甲酸纤维素酯能溶于C DCl3中,可采用NMR技术进行手性识别机理的研究。

但仍有一些苯基氨基甲酸纤维素酯不能溶
于C DCl
,难以采用NMR技术进行手性识别机理的研究。

而用分子力学方法(M M)和分子动力3
(MD)等技术的计算机模拟是一种阐明手性机理和预测对映体的洗脱顺序的有效方法。

W olf等[34]研究了在纤维素三乙酸酯(CT A I)一系列结构相关的外消旋体的保留与计算分子参数之间的定量关系。

Y ashima等[35]采用QuantaΠCharmm方法计算了八聚纤维素三苯氨基甲酸酯与反式氧化二苯乙烯、反式二苯基环丙烷对映体的作用提出了手性识别模型。

3　展望
纤维素类CSP能拆分很多对映体,并能拆分多手性中心的对映体[36]。

一些纤维素的三苯基氨
基甲酸酯及其衍生物、纤维素三苯甲酸酯及其衍生物和纤维素三乙酸酯的手性柱已经商业化。

纤
维素衍生物手性固定相不但可用于对映体的纯度测定[37],还可用于对映体的制备分离。

特别是
S M B法分离手性化合物在工业化制备纯的对映体方面具有很大的潜力。

同时,在分子水平上进行对映体的识别机理研究,为深入理解手性识别发生的位置、作用力及其色谱过程提供了理论依据,手性识别机理研究对研制新的具有不对称手性中心或手性识别能力固定相,解决不同类型手性化合物的分离及药物动力学研究和分子设计都有着十分重要的意义。

参考文献
[1]　C E Dalgliesh.J.Chem.S oc.,1952,137:3940～3942.
[2]　G Hesse,R Hagel.Chromatographia,1973,6:277～280.
[3]　B Chankveladze,Y Y ashima,Y Okam oto.J.Chromatogr.(A),1994,670:39～49.
[4]　K K azuhiro,T M ichiyasu.JP:04202141[92,202,41]
[5]　E Francotte,R M W olf.J.Chromatogr.,1992,595:63～75.
[6]　K H Rimboeck,F K astner,A M annschreck.J.Chromatogr.,1986.351:346～350.
[7]　王来来,高　平,吕士杰等.合成化学,1997,5(3):317～320.
[8]　P Piras,C R oussel,J Pierrot2sanders.J.Chromatogr.(A),2001,906:443～458.
[9]　Y Okamato,M K awashima,K Hatada.Chromatogr.,1986,363:173～186.
[10]　B Chankvetadze,L Chankveradze,S S idam onidze et al.J.Chromatogr.(A),1997,787:67～77.
[11]　张　欣,高连勋.分析化学,2001,29(5):526～529.
[12]　候经国,周宏英,蒋生祥等.高等学校化学学报,1998,19(4):538～542.
[13]　王来来,吕士杰,沈润南等.分子催化,1997,11(6):439～444.
[14]　Y Okam oto,R Aburatani,S M iura et al.J.Liq.Chromatogr.,1987,10:1613～1628.
[15]　陈小明,毛希琴,张曾子等1化学学报,2002,(1):93～97.
[16]　E Y ashima,H Fukaya,Y Okam oto.J.Chromatogr.(A),1994,677:11～19.
[17]　L Oliveros,P Lopez,C M inguillon et al.J.Liq.Chromatogr.,1995,18(8):1521～1532.
[18]　P Franco,C M ingaillon,L Oliveros.J.Chromatogr.(A),1998,793:239～247.
[19]　Y K aida,Y Okam oto.Bull.Chem.S oc.Jpn.,1993,66:2225～2332.
[20]　E Y ashima,M Y amada,Y K aida et al.J.Chromatogr.(A),1995,694:347～354.
[21]　A Murat,K Ernst,B Jurgen et al.Chirality,1998,10:294～306.
[22]　Y K aida,Y Okam oto.J.Chromatogr.,1993,641:267～278.
[23]　高如瑜,陈志远,王琴孙.化学通报,1999,(3):23～27.
[24]　U V ogt,P Zugenmaier.Phys.Chem.,1985,89(1):1217～1224.
[25]　C Bezhan,Y Chiy o,K K oshio.J.Chromage.(A),2001,922:127～137.
[26]　邵保海,徐秀珠,邹　莉等.化学学报,2001,59:1982～1988.
[27]　E Belloli,C F owlon,Y ous S et al.J.Chromatogr.(A),2001,907:101～113.
[28]　H ou J G,Han X Q,Y u H J et al.J.Chromatogr.Sci.,2001,399～392.
[29]　J Danhelka,M Netopilik,M Bohdanechy.J.P olym.Sci.,Part B:P olym.Phys.,1987,25:1801～1815.
[30]　E Y ashima,M Y amada,Y Okam oto.Chem.Lett.,1994,2:579～582.
[31]　E Y ashi,C Y amam oto,B Okamato.P olym.J.,1995,27:856～861.
[32]　E Y ashima,C Y amam oto,Y Okam oto.J.Am.Chem.S oc.,1996,118:4036～4048.
[33]　K B Lipkowitz.J.Chromatogr.(A),1995,694:15～37.
[34]　R M W olf,E Francote,L G lasser et al.M acrom olecules,1992,25:709～720.
[35]　E Y ashima,M Y amada,M K aida et al.J.Chromatogr.(A),1995,694:347～354.
[36]　Y Hassan.J.Chromatogr.(A),2001,906:185～193.
[37]　夏立钧,唐民华,胡　建等.有机化学,2002,22:60～63.
(上接第177页)
[15]　J Choi,S Lee.M ater.Res.Bull.,1999,34(4):551～556.
[16]　D W ang,M W ang.J.M ater.Sci.Lett.,1999,18(18):1433～1435.
[17]　M W ang,D W ang.M ater.Sci.&Eng.(B),1998,57(1):20～25.
[18]　王　东,王民权.材料科学与工程,1998,16(4):40～43.
[19]　Y Pei,X Liu.Nanostruct.M ater.,1996,17(1):52～57.
[20]　P X ie,W Zhang,M Y in et al.J.Inorg.M ater.,1998,13(1):53～58.
[21]　T Igarashi,M Ihara,T K usunoki et al.J.Appl.Phys.Lett.,2000,76(12):1549～1551.
[22]　M Y in,W Zhang,S X ia et al.J.Lum in.,1996,68(4):335～339.
[23]　T M imani.Journal of Alloys and C om pounds,2001,315(1):123～128.
[24]　B M itchell.M ater.Lett.,2001,48(5):316～318.
[25]　K S ong,J K im.C olloid Interface Sci.,1999,212(1):193～196.
[26]　R M endes,E Araujo,H K lein et al.J.M ater.Sci.Lett.,1999,18(23):1941～1943.
[27]　唐浩林,潘　牧,赵修建.陶瓷学报,2002,23(1):22～25.
[28]　王彦起,吴希俊,谭国龙等.材料科学与工程,1999,17(1):12～14.
[29]　谢平波,张蔚萍,尹　民等.无机材料学报,1998,13(1):53～58.
[30]　D W illiams,B Bihari,B T issue.J.Phys.Chem.B,1998,13(6):899～903.
[31]　P X ie,W Zhang,S X ia.J.Uni.Sci.T ech.,1997,27(4):389～394.
[32]　D Duter,W Bauhofer.Appl.Phys.Lett.,1996,69(8):892～894.
[33]　G W akefield,H K eron,P D oos on et al.J.C olloid Interface Sci.,1999,215(1):179～182.
[34]　W Zhang,P X ie,C Duan et al.Chem.Phys.Lett.,1998,292(2):133～136.
[35]　张蔚萍,尹　民.发光学报,2000,21(4):314～319.。