手性化合物色谱分析方法开发(一)

手性化合物色谱分析方法开发(一)
1、概述
首先，这里所说的手性化合物是指含有一个或多个不对称碳手性中心的对映或者非对映异构体，而不包含氮磷等含有孤电子对的手性中心化合物。

不对称性碳原子，需要具有四个不同的取代基，空间上形成不对称四面体，对映异构体之间形成镜面对称，就像人的左右手一样，不能够完全重合，如下图1所示。

Fig.1Diagram for enantiomers
对映异构体具有不同的使偏振光旋转的能力，据此对映异构体可以分为左旋与右旋。

在非手性环境下，对映异构体具有相同的化学性质(化学反应特性)，相同的物理性质(如溶解度、熔点、沸点、熵焓等)以及同样的色谱保留行为等。

但在手性环境中对映异构体之间的某些性质则表现出不同，这也是手性化合物进行拆分的基础。

对映异构体需要对内消旋体与外消旋体进行区分，如下图2所示。

左右两个示意化合物结构的相同点在于均具有两个手性中心，不同点则在于左图的两个手性碳原子之间不存在对称平面或轴，而右图则存在对称平面。

因此在左图中，1S,2R与1R,2S为外消旋体；右图中1S,2R与1R,2S为内消旋体。

Fig.2Name and distinguish between mesomer and racemate
对于手性化合物的拆分，规模比较大的时候，可使用其他手性试剂(如酒石酸钠)与待拆分的化合物形成非对映异构体，然后根据非对映异构体之间具有不同的物理化学性质，进行相应的分离单元操作。

而在分析实验室中，一般是采用色谱法进行拆分，其中包括使用手性固定相法以及在流动相中添加手性流动相形成手性拆分环境的方式。

其中手性固定相拆分法包括气相色谱以及液相色谱。

对于气相色谱拆分手性化合物，其拆分选择性主要取决于所使用的手性固定相的种类以及色谱分离的温度。

一般气相用于低沸点的手性化合物的拆分，对于有机酸碱等极性手性化合物的拆分，一般需要先进行柱前衍生化处理，使之形成相应的酯或者酰胺。

用于气相手性拆分的手性固定相均为环糊精衍生物类，包括β以及γ环糊精，α环糊精比较少；其最高耐受温度不会超过220℃，而且分离温度超过120℃的时候，固定相的手性选择性开始降低；超过200℃的时候，固定相的手性选择性几近与无。

对于液相色谱而言，起主要拆分选择性作用的既包括手性固定相也包括流动相的选择，而且液相色谱可以使用正相洗脱模式，反相洗脱模式，也可以使用极性洗脱以及极性离子洗脱模式；可以等度也可以梯度。

最重要的是，色谱柱的类型要比气相色谱手性固定相多的多，其中就包括多糖类衍生物类手性固定相、环糊精及其衍生物类手性固定相、糖蛋白类手性固定相以及大环内酯抗生素类以及冠醚类手性固定相等。

此外，液相色谱拆分法可以对样品进行回收而且也可以用于对映异构体的制备，气相色谱法则不能方便的对对映异构体进行制备。

2、手性化合物液相色谱拆分方法
手性化合物在液相色谱中进行拆分的时候，从整体上进行分解的话，可以分为3个可控制部分，分别为流动相组成、手性固定相种类以及仪器操作条件。

上述这三个部分，对于手性化合物的拆分均有贡献，一般地，手性固定相的选择性要优先于流动相的组成，流动相的组成要优先于仪器操作条件。

2.1手性化合物拆分的模型
手性拆分的原理模型比较多，但是接受程度最大的是三点相互作用模型，如下图3所示。

也就是说，手性化合物要实现拆分，需要在三个作用力方向上同时发力，而且至少其中一个方向上的力是起到立体性的或对映选择性的。

Fig.3The three point principle model for chiral separation
而这些作用力种类有很多，其中就包括经常讨论的静电相互作用、偶极-偶极相互作用、包含作用、疏水相互作用、π-π相互作用以及氢键相互作用等。

2.1.1包含(Inclusion)作用
包含作用一般需要手性固定相能够形成具有一定空间结构的选择性的腔体，如纤维素衍生物、淀粉衍生物、环糊精及其衍生物以及大环内酯抗生素类的手性选择性腔体。

在拆分的时候，芳香类化合物的苯环或萘环以及其他的五元、六元环或者杂环可被包含与多糖衍生物的螺旋或者环糊精及其衍生物的腔体内，充当一个方向上的作用力。

如下图4所示，是环糊精以及其衍生物的结构及其衍生化位点。

图4中A是β环糊精，由7个D 葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接，其2，3以及6位羟基提供衍生化位点。

在环糊精腔体内部的氧原子
由于含有孤对电子，其腔体内部还可与待拆分化合物的极性部分发生静电相互作用，因而手性碳原子的α或者β位具有卤素取代芳香基的时候，可以尝试使用环糊精及其衍生物类的手性固定相。

Fig.4Structure and deriving points of cyclodextrin
此外，包含作用还比较常见于另外一种手性固定相，多糖衍生物类手性固定相，其中就包含有直链淀粉以及纤维素的衍生物，如下图5所示。

多糖衍生物对于手性化合物的包含作用，不像环糊精那样是一个闭合的环腔，而是一个由一定单糖单位形成的螺旋性腔体。

Fig.53D structure difference between amylose and cellulose
从上图5中，也可以看出直链淀粉相比纤维素而言具有更为均一化的螺旋结构，因此，直链淀粉衍生物类的手性固定相对于化合物的包含作用要比纤维素强一些，此外，包含作用的强弱也与使用的流动相、仪器条件的设置以及化合物的种类有关。

无论环糊精类还是多糖衍生物类手性固定相的包含作用，均对化合物的结构特点具有选择性，如下图6所示。

适用于环糊精以及多糖衍生物类手性固定相分析的化合物，其手性碳原子的α或者β位一般含有芳香基或杂环结构，特别是被卤族元素或其他具有吸电子效应的取代基取代的芳香基团。

Fig.6Structure characteristics of a compound suitable to be separate under polysaccharide columns
2.1.2疏水相互作用
疏水相互作用是手性固定相拆分对映异构体的另外一种主要的作用力的类型，一般在反相液相色谱中最多见。

如下图7所示，手性碳原子附近有苯环也有羰基以及羟基(均是氢键作用位点)，在反相模式下，苯环的疏水作用以及其他两个配基的弱氢键作用可能是该化合物手性拆分的基础。

Fig.7Hydrophobic interaction recognition for chiral separation
一般地，当待分离的对映异构体结构上含有较大的疏水基团的时候，比较适宜于尝试反相液相色谱。

2.1.3π-π相互作用
对于芳香苯环，可以看作是由3个sigma键以及3π键组成，也可认为是由3个sigma键以及一个6电子所形成的大π键环状结构，如下图8所示。

当其上的H被其他吸电子基团或者给电子基团取代之后，而形成相应的π酸或者π碱，如下图9所示。

Fig.8π-πinteraction recognition for chiral separation
在下图9中，苯环上的氢被甲基或者其他给电子基团取代之后，形成相应的π碱，而被硝基等吸电子基团取代之后形成相应的π酸。

π酸与π碱之间可以形成π-π堆叠静电效应，是多种手性色谱柱进行手性拆分的主要作用力类型，其中就包括应用范围最广的多糖衍生物类手性色谱柱。

如Chiralcel OD-H、AD-H、AS-H、OJ-H，属于π-base型手性固定相；ChialpakIC，则属于π-acid型手性固定相。

Fig.9π-πinteraction recognition for chiral separation
2.1.4氢键相互作用
氢键作用更加普遍，基本类型有N-H以及O-H，如下图10-1与10-2所示。

不同的氢键类型以及不同的基团之间所形成的氢键的键能也不一样，主要发生在酮、酯、羧酸、酰胺以及胺类化合物与胺类化合物的氨基以及醇类化合物的羟基之间，是正相色谱拆分手性化合物的主要机理之一。

Fig.10-1Hydrogenbond interaction for chiral separation
Fig.10-2FT-IR for polysaccharide columns
在上图10-2红外谱中，在3300与3400之间，出现明显的W型底形状，说明发生了明显的氢键相互作用，而且这种氢键的相互作用强弱与用于多糖衍生化的配体的种类有很大关系。

3、结论
非手性环境下，对映异构体具有相同的化学性质、物理性质以及同样的色谱保留行为；但在手性环境中对映异构体之间的某些性质则表现出不同，这是手性化合物进行拆分的基础。

使用手性固定相对对映异构体进行拆分，是目前实验室最常用的方法，而起到拆分作用的作用力的类型有很多，其中就包括比较常见的包含作用、疏水相互作用、π-π相互作用以及氢键相互作用等。

究竟哪种作用力起分离的决定性作用，与手性固定相的种类、流动相的组成、添加剂的种类以及添加量，待分析的化合物的特性均有关系。

作者信息
Bruce Lee
作者微信号：Lindaring001
作者公众号：Pharma_Analytical。