宋佳楓,　馮四偉,　徐曉冬*,　劉立佳,　宋超坤,　溫曉琨,　陳進勇,　李芳坤,　岡本佳男,2

(1. 哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2. 日本名古屋大學(xué), 日本 名古屋464-8603)

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鍵合型聚丙烯酰胺衍生物手性固定相的制備與手性識別性能

宋佳楓1,馮四偉1,徐曉冬1*,劉立佳1,宋超坤1,溫曉琨1,陳進勇1,李芳坤1,岡本佳男1,2

(1. 哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2. 日本名古屋大學(xué), 日本 名古屋464-8603)

摘要:高效液相色譜(HPLC)被廣泛認為是分離制備光學(xué)純單一對映體的最有效方法。在高效液相色譜手性拆分中,手性固定相(CSP)的性能直接影響到色譜柱的手性分離能力。在眾多手性固定相中,鍵合型手性固定相具有溶劑耐受性好,分離模式靈活等優(yōu)點,已經(jīng)發(fā)展成為一類重要的手性固定相。本文通過兩步化學(xué)反應(yīng)合成了新型的光學(xué)活性丙烯酰胺衍生物——(S)-1-丙烯酰-2-(N-苯基甲酰胺基)吡咯烷((S)-APACP),采用核磁共振氫譜表征了(S)-APACP的化學(xué)結(jié)構(gòu);通過3步化學(xué)反應(yīng)制備了鍵合型聚丙烯酰胺衍生物手性固定相,采用熱重分析法表征了聚合物的鍵合量,采用HPLC評價了鍵合型手性固定相的識別能力,分析了影響其手性識別能力的因素。研究結(jié)果表明,APACP聚合物成功地鍵合到硅膠表面制備了具有良好溶劑耐受性的鍵合型手性固定相,其聚合物鍵合量為10.2%～11.8%,該鍵合型手性固定相對若干種對映體顯示了較好的手性識別能力。

關(guān)鍵詞:高效液相色譜;手性固定相;聚丙烯酰胺衍生物;手性識別能力

具有旋光活性的高分子(又稱手性聚合物)基于它的手性結(jié)構(gòu)而具有廣泛的應(yīng)用,其中一個很重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是手性識別,手性聚合物的這種識別能力已經(jīng)應(yīng)用于分子識別、手性拆分以及不對稱催化領(lǐng)域中[1-6]。手性聚合物最實際和廣泛的應(yīng)用是在高效液相色譜(HPLC)中作為手性固定相(CSP)來分離外消旋化合物[7,8]。在眾多的聚合物基手性固定相中,鍵合型手性固定相具有溶劑耐受性好,分離模式靈活等優(yōu)點,已經(jīng)成為一類重要的手性固定相[9]。

聚(甲基)丙烯酰胺衍生物已經(jīng)被證實是一類優(yōu)良的HPLC手性固定相材料,主要用于極性對映體特別是手性藥物的拆分[10,11]。研究表明,聚(甲基)丙烯酰胺衍生物CSP的手性識別能力很大程度上取決于其規(guī)整的高級結(jié)構(gòu)[12-17]。

本文設(shè)計合成了一種新型的光學(xué)活性丙烯酰胺衍生物——(S)-1-丙烯酰-2-(N-苯基甲酰胺基)吡咯烷((S)-APACP),在Lewis酸存在下,通過自由基聚合將其鍵合到硅膠表面,制備鍵合型手性固定相,采用HPLC評價了手性固定相的識別能力,并討論了Lewis酸和流動相組成對其手性識別能力的影響。

1實驗部分

1.1儀器與試劑

Jasco高效液相色譜系統(tǒng),包括Co-2060柱溫箱、PU-2089泵、UV-2070紫外吸收檢測器和CD-2095圓二色手性檢測器等(日本Jasco公司); Avance III 500核磁共振波譜儀(德國Bruker儀器有限公司); PL341旋光自動分析儀(美國PE公司); J-810圓二色光譜儀(日本Jasco公司); Waters Delta 600凝膠滲透色譜儀(美國Waters儀器公司); T50型熱重分析儀(美國TA儀器公司)。

(S)-脯氨酸、丙烯酰氯、1-羥基苯并三唑(HOBt)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、三氟甲磺酸釔(Y(OTf)3)、三氟甲磺酸鐿(Yb(OTf)3)、甲基丙烯酸異氰基乙酯(分析純,上海晶純試劑有限公司);氫氧化鈉、偶氮二異丁腈(AIBN)、三乙胺(分析純,天津光復(fù)精細化工研究所);乙酸乙酯、甲醇、甲苯、苯胺、四氫呋喃、正己烷、異丙醇、氯仿(分析純,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司);正己烷、異丙醇、丙酮、氯仿(色譜純,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司)。

1.2單體(S)-APACP的合成

單體的合成分兩步進行。第一步,以(S)-脯氨酸和丙烯酰氯為原料,在0 ℃冰水浴中,堿性水溶液條件下合成中間產(chǎn)物(S)-1-丙烯酰吡咯烷-2-羧酸((S)-APCA),在乙酸乙酯中進行重結(jié)晶;第二步,以二氯甲烷為溶劑,(S)-APCA和苯胺為原料,HOBt和EDC為偶聯(lián)劑,在0 ℃冰水浴中合成單體(S)-APACP,在正己烷-乙酸乙酯(2∶1, v/v)的混合溶劑中重結(jié)晶,得到純凈的(S)-APACP單體。其反應(yīng)過程如圖1所示。

圖1　單體(S)-APACP的合成路線示意圖Fig. 1　Synthesis route for monomer (S)-APACPEDC: 1-ethyl-3-(3-dimethyllaminopropyl)carbodiimide hydrochloride; HOBt: 1-hydroxy benzotriazole; TEA: triethylamine.

圖2　鍵合型手性固定相的制備反應(yīng)路線圖Fig. 2　Preparation of immobilized-type chiral stationary phasesPAPACP: APACP polymer.

1.3鍵合型手性固定相的制備

鍵合型手性固定相的制備分3步進行(見圖2),第一步——氨丙基硅膠(ASG)的制備:在氮氣保護下,以無水甲苯為反應(yīng)介質(zhì),3-氨基丙基三乙氧基硅烷和硅膠為反應(yīng)原料,于100 ℃下回流反應(yīng)16 h,冷卻到室溫,過濾后用甲苯和甲醇洗滌,于60 ℃真空烘箱干燥,得到氨丙基硅膠;第二步——甲基丙烯酸酯衍生化的氨丙基硅膠(MASG)的制備[13]:在氮氣保護下,以無水甲苯為反應(yīng)介質(zhì),氨丙基硅膠和甲基丙烯酸異氰基乙酯反應(yīng)原料,于90 ℃下回流反應(yīng)5 h,冷卻到室溫,過濾后用四氫呋喃和甲醇洗滌,于60 ℃真空烘箱干燥,得到甲基丙烯酸酯衍生化的氨丙基硅膠;第三步——鍵合型手性固定相(Im-CSP)的制備:將一定量的MASG、單體(S)-APACP、引發(fā)劑AIBN和Lewis酸(若需要)加入到反應(yīng)瓶中,抽真空置換氮氣3個循環(huán)后,在氮氣氣氛下加入一定量的反應(yīng)溶劑甲醇,封閉反應(yīng)管,于60 ℃下聚合反應(yīng)24 h,冷卻到室溫,過濾后用四氫呋喃和甲醇洗滌,于60 ℃真空烘箱干燥,得到鍵合型手性固定相。

1.4單體(S)-APACP的自由基聚合

采用上述方法制備的鍵合型手性固定相因聚合物已鍵合到硅膠表面,無法對其鏈結(jié)構(gòu)進行表征,因此,采用自由基聚合法制備了APACP均聚物(PAPACP),具體操作過程如下:向裝有玻璃三通的10 mL反應(yīng)管中加入一定量的單體和Lewis酸(若需要),抽真空置換氮氣3個循環(huán)后,在氮氣氣氛下加入一定量的反應(yīng)溶劑和AIBN溶液,封閉反應(yīng)管,于60 ℃下聚合反應(yīng)24 h。向聚合物溶液中加入少許反應(yīng)溶劑稀釋后,將聚合物溶液滴入200 mL甲醇中沉淀聚合物,離心分離,所得聚合物沉淀于60 ℃真空烘箱干燥過夜,稱重,計算產(chǎn)率。

圖3　用于手性拆分的對映體Fig. 3　Racemates for chiral separationPh: phenyl; Co(acac)3: cobalt acetylacetonate.

1.5色譜柱的制備

以正己烷-異丙醇(90∶10, v/v)混合溶液為勻漿液和頂替液,在40 MPa壓力下采用勻漿法將所制備的鍵合型手性固定相裝入不銹鋼柱管(250 mm×2 mm)中。

(4)哈拉湖周圍湖泊融區(qū)中K+變異系數(shù)最大，屬于強變異，反映了K+在該類水質(zhì)中含量變化巨大，是受地貌影響最大的敏感因子。

1.6手性識別能力的評價

采用Jasco高效液相色譜系統(tǒng)評價聚合物的手性識別能力，在室溫下,以不同體積比的不同有機溶劑為流動相(經(jīng)超聲脫氣后使用)進行分離,流速為0.1 mL/min。分別用苯和1,3,5-三叔丁基苯測定色譜柱的柱效和死時間(t0),檢測波長為254 nm。用于手性拆分的對映體結(jié)構(gòu)見圖3。

2結(jié)果與討論

2.1單體(S)-APACP的結(jié)構(gòu)表征

圖4　單體(S)-APACP的核磁共振氫譜圖Fig. 4　1H NMR spectrum for monomer (S)-APACPTMS: tetramethylsilane.

圖5　鍵合型PAPACP手性固定相的熱重分析曲線Fig. 5　Thermogravimetric analysis curves of immobilized-type PAPACP chiral stationary phases (CSPs)

2.2鍵合型手性固定相的聚合物鍵合量

本研究通過3步化學(xué)反應(yīng)制備了鍵合型手性固定相,分別在不添加Lewis酸(Im-CSP-1)、添加Lewis酸Y(OTf)3(Im-CSP-2)和Yb(OTf)3(Im-CSP-3)的條件下通過自由基聚合反應(yīng)制備了鍵合型手性固定相,采用熱重分析法表征了聚合物的鍵合量(見圖5)。對于ASG,從室溫到800 ℃沒有明顯的失重,失重率僅為0.8%,主要是硅膠上的少量水分及小分子有機物的失去。對于MASG,在170～260 ℃溫度區(qū)間內(nèi),失重率為1.3%,主要是硅膠上鍵合的有機小分子的失去。對于Im-CSP, 3條曲線的失重趨勢基本一致,其失重可分為3個階段,首先是室溫到325 ℃有較小的失重,主要是少量水分及有機小分子的失去;第二階段為325～465 ℃,失重比例較大,可歸屬為鍵合到硅膠上的聚合物鏈的斷裂;第三階段是465～730 ℃,有一定的失重,可歸屬為剩余聚合物鏈的失去。根據(jù)總失重量可計算鍵合到硅膠上的聚合物量,并將其列于表1中,Im-CSP的聚合物鍵合量分別為11.8%、10.9%和10.2%?？梢?添加Lewis酸作為催化劑時,聚合物的鍵合量有所降低。這是由于在反應(yīng)體系中,除了圖2所示的單體(S)-APACP在硅膠表面的鍵合反應(yīng)外,溶液體系中還存在單體(S)-APACP的均聚反應(yīng),兩者相互競爭。聚合體系中加入Lewis酸后,Lewis酸通過與單體的配位作用使單體活化,加速了聚合反應(yīng)[15],鍵合反應(yīng)與均聚反應(yīng)競爭的結(jié)果是在反應(yīng)體系中生成了更多的均聚物,因此,加入Lewis酸時,聚合物的鍵合量略有降低。

表 1　鍵合型手性固定相在硅膠上的PAPACP鍵合量

[APACP]0=1.0 mol/L; initiator: AIBN, [AIBN]0=0.02 mol/L; [LA]0=0.1 mol/L; solvent: CH3OH; temperature: 60 ℃; time: 24 h.

2.3鍵合型CSP的手性識別能力

表2列出了3種鍵合型CSP在正己烷-異丙醇(90/10, v/v)為流動相條件下的色譜拆分結(jié)果,3種CSP均對7號、9號和10號對映體表現(xiàn)出識別能力,與不添加Lewis酸條件下制備的鍵合型CSP相比,添加Lewis酸條件下手性固定相對7號和9號對映體的識別能力有一定程度的改善,這可能是由于Lewis酸的存在對聚合物的鏈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響,從而影響了其手性識別能力。

對采用自由基聚合法制備的均聚物PAPACP的手性光學(xué)性質(zhì)進行表征。表3總結(jié)了不同反應(yīng)條件下單體(S)-APACP自由基聚合反應(yīng)的實驗結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),在甲醇中,無論是否添加Lewis酸Y(OTf)3或Yb(OTf)3作為催化劑,單體(S)-APACP的自由基聚合均獲得了具有旋光活性的聚合物,添加Lewis酸Y(OTf)3和Yb(OTf)3時,聚合物的比旋光度分別降低了21和26,這表明在Lewis酸存在下,所得聚合物的構(gòu)象發(fā)生了變化。另外,在添加Lewis酸的聚合物反應(yīng)中,聚合物的相對分子質(zhì)量略有增加,相對分子質(zhì)量分布也在一定程度上變寬,這可能與Lewis酸催化下,單體得到活化,聚合速率提高有關(guān)。

表 2　鍵合型PAPACP手性固定相的手性識別能力比較

Mobile phase: hexane/isopropanol, 90∶10 (v/v); column size: 250 mm×2 mm; flow rate: 0.1 mL/min.

表 3　添加或不添加Lewis酸情況下(S)-APACP的自由基聚合反應(yīng)結(jié)果a)

a) [APACP]0=0.5 mol/L; initiator: AIBN, [AIBN]0=0.02 mol/L; solvent: CH3OH; [LA]0=0.1 mol/L; temperature: 60 ℃; time: 24 h. b) Yield: methanol-insoluble part. c) Determined by spectropolarimetry in tetrahydrofuran; sample mass concentration: 1 mg/mL; cell length: 10 cm. d) Tested by gel permeation chromatography (GPC);Mn: number average molecular weight; PDI: polydispersity index.

圖6　甲醇中自由基聚合得到的PAPACP的圓二色光譜圖Fig. 6　Circular dichroism spectra of PAPACPs prepared by the radical polymerization in methanol

圖7　乙酰丙酮鈷對映體(7#)在Im-CSP-3上拆分的色譜圖Fig. 7　Chromatograms for the resolution of racemate 7 Co(acac)3 on Im-CSP-3　Mobile phase: hexane-tetrahydrofuran-isopropanol (90∶10∶1, v/v/v).

圖6為均聚物PAPACP的圓二色光譜(CD譜)圖,可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)自由基聚合獲得的聚合物,其圓二色光譜圖在π-π*電子躍遷區(qū)域出現(xiàn)兩個負的康頓(Cotton)效應(yīng),分別在213 nm和238 nm;添加Lewis酸Y(OTf)3或Yb(OTf)3作為催化劑時,所得聚合物的CD譜圖仍存在上述兩個Cotton效應(yīng),且強度有所增加,同時在257 nm處出現(xiàn)了一個弱的正Cotton效應(yīng)。上述結(jié)果表明,Lewis酸作為催化劑時,聚合物主鏈有可能形成了并不完美的單手螺旋片段,其螺旋構(gòu)象所產(chǎn)生的光學(xué)活性效應(yīng)部分抵消了側(cè)基手性中心對光學(xué)活性的貢獻[18],因此聚合物的比旋光度有所降低。

2.3.2流動相對鍵合型CSP手性識別能力的影響

鍵合型手性固定相的優(yōu)勢在于具有良好的溶劑耐受性,豐富了流動相的選擇空間,并且可以通過提高對映體的溶解性而改善拆分效果。本文嘗試在流動相中添加極性溶劑四氫呋喃和氯仿,采用HPLC評價鍵合型手性固定相Im-CSP-3的識別能力,實驗結(jié)果見表4。當(dāng)流動相中添加約10%(v/v)的四氫呋喃時(流動相2),Im-CSP-3的識別能力發(fā)生了變化,對7號對映體的識別能力有所改善,其拆分的色譜圖見圖7;同時,對1號、3號和10號對映體也表現(xiàn)出了一定的識別能力,但是對9號對映體的識別能力略有下降。當(dāng)流動相中添加約10%(v/v)的氯仿時(流動相3),Im-CSP-3的識別能力明顯變差,僅對9號對映體表現(xiàn)出較好的識別能力,對1號、3號和7號對映體表現(xiàn)出較弱的識別能力。當(dāng)流動相為正己烷-四氫呋喃(70/30,v/v)時,手性固定相的識別能力與正己烷-異丙醇(90/10,v/v)作為流動相相比,略有降低。

表 4　4種流動相組成對鍵合型PAPACP手性固定相Im-CSP-3手性識別能力的影響

Column size: 250 mm×2 mm; flow rate: 0.1 mL/min; mobile phase 1: hexane-isopropanol (90∶10, v/v); mobile phase 2: hexane-tetrahydrofuran-isopropanol (90∶10∶1, v/v/v); mobile phase 3: hexane-chloroform-isopropanol (90∶10∶1, v/v/v); mobile phase 4: hexane-tetrahydrofuran (70∶30, v/v).

3結(jié)論

通過兩步化學(xué)反應(yīng)合成了新型的光學(xué)活性單體(S)-APACP,采用核磁共振氫譜表征了單體的化學(xué)結(jié)構(gòu);通過3步化學(xué)反應(yīng)制備了聚甲基丙烯酰胺衍生物類鍵合型手性固定相,采用熱重分析法表征了聚合物的鍵合量,采用高效液相色譜評價了鍵合型手性固定相的識別能力,分析了影響其手性識別能力的因素。該手性固定相具有良好的溶劑耐受性,這不僅擴展了流動相的選擇范圍,而且還可以通過提高對映體的溶解性而達到良好的拆分效果。

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劉光烜, 路偉, 江黎明, 等. 高分子學(xué)報, 2009(8): 775

Preparation and chiral recognition ability of chiral stationary phase based on immobilized polyacrylamide derivative

SONG Jiafeng1, FENG Siwei1, XU Xiaodong1*, LIU Lijia1, SONG Chaokun1,WEN Xiaokun1, CHEN Jinyong1, LI Fangkun1, OKAMOTO Yoshio1,2

(1. College of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University,Harbin 150001, China; 2. Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan)

Abstract:High performance liquid chromatography (HPLC) has been widely considered as the most effective way for the separation and preparation of optically pure enantiomers. In the resolution by HPLC, the separation ability of a column strongly depends on the properties of a chiral stationary phase (CSP). Among many CSPs, the immobilized CSPs, which are becoming one of the most important kinds of CSPs, have the advantages of good solvent durability and enormous method flexibility. In this work, a novel optically active acrylamide derivative (S)-APACP was synthesized by two-step reactions, and its chemical structure was characterized by1H NMR. The polyacrylamide derivatives were immobilized on silica gel by three-step reactions to prepare immobilized CSPs, and the immobilization amount of the polymers was tested by thermogravimetric analysis. The chiral recognition ability of the immobilized CSPs was evaluated by HPLC, and the effects of Lewis acid and mobile phase on the chiral recognition ability were investigated. The results showed that APACP polymer was successfully immobilized on silica gel to prepare immobilized-type CSP with better solvent durability, and the amount of immobilized polymer was 10.2% to 11.8%. The immobilized-type CSP showed good chiral recognition ability for several enantiomers.

Key words:high performance liquid chromatography (HPLC); chiral stationary phases (CSP); polyacrylamide derivative; chiral recognition ability

DOI:10.3724/SP.J.1123.2015.10036

*收稿日期:2015-10-36

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(51103030);黑龍江省自然科學(xué)基金項目(E201419);哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(2013RFLXJ027);日本大賽璐公司合作研究基金.

中圖分類號:O658

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-8713(2016)01-0074-06

色譜手性分離?？ぱ芯空撐?/p>

*通訊聯(lián)系人.Tel:(0451)82568191,E-mail:xuxiaodong@hrbeu.edu.cn.

Foundation item: National Natural Science Foundation of China (No. 51103030); Natural Science Foundation of Heilongjiang Province of China (No. E201419); Harbin City Scientific and Technological Innovation Talent Fund of China (No. 2013RFLXJ027); Collaborative Research Fund of Daicel Corporation (Tokyo, Japan).