鄭康妮, 秦該照, 蔣雪菲, 章俊輝, 袁黎明

(云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 云南 昆明 650500)

手性(chirality)一詞源于希臘語(yǔ)中的“cheir”,它類似于人左右手的關(guān)系,即兩者互為鏡像[1]。手性在自然界和生命體中無(wú)處不在,如自然界中的龍卷風(fēng),生命體中的蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖等都是手性物質(zhì)。在藥理性質(zhì)方面外消旋體的R構(gòu)型和S構(gòu)型往往有著不同甚至相反的作用,例如甲狀腺素鈉的右旋體可以作為降血脂藥物應(yīng)用,但其左旋體對(duì)心臟具有嚴(yán)重的副作用,又如三唑類殺菌劑(2R, 3R)構(gòu)型有高殺菌作用和低等植物生長(zhǎng)控制作用,而其(2S, 3S)構(gòu)型則有著相反的作用[1]。可見對(duì)外消旋體的拆分具有極為重要的意義。外消旋體的拆分方法有很多,如色譜法、化學(xué)拆分法等,其中,毛細(xì)管電色譜(CEC)技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為化學(xué)、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用且有效的色譜分離方法[2]。CEC技術(shù)是通過(guò)在毛細(xì)管柱內(nèi)涂覆或鍵合手性固定相,以電滲流為驅(qū)動(dòng)力,根據(jù)對(duì)映體在手性固定相和流動(dòng)相之間分配系數(shù)及電泳淌度的不同實(shí)現(xiàn)分離[3]。CEC的手性固定相種類眾多,其中多孔有機(jī)籠(POCs)就是其中的一種,POCs因其固有的和可接近的空腔,成為一類獨(dú)特的孔狀材料[4]。

POCs有著孔徑均勻、表面積高、熱化學(xué)穩(wěn)定性好的性質(zhì),這使其成為各種功能應(yīng)用的最佳候選者,包括分子氣體分離和手性藥物分離[5]。在固體中呈現(xiàn)多孔的狀態(tài),且空腔必須通過(guò)一維、二維或三維的孔隙網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接,如果沒有這種連通性,固有的空腔是孤立的,客體分子就無(wú)法進(jìn)入[6]。有機(jī)籠在添加和去除客體時(shí)也必須保持形狀,如溶劑的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)因其內(nèi)在腔體的崩潰而受到破壞,籠內(nèi)的內(nèi)在孔隙度也可能因籠間的外部空隙而增大[7-9]。與金屬有機(jī)框架、沸石、多孔聚合物和碳分子篩等多種多孔材料相比,POCs是通過(guò)共價(jià)鍵合自組裝形成的具有三維連通性和均勻孔徑的晶體多孔材料[10-12]。2008年,Gawronski課題組[13]通過(guò)縮合反應(yīng),合成了一個(gè)連接亞胺的[4+6]四面體籠,但他們并沒有研究籠的晶體結(jié)構(gòu)。Yuan課題組[14]在2015年報(bào)道了多孔有機(jī)分子籠CC3-R作為毛細(xì)管氣相色譜手性固定相對(duì)手性物質(zhì)具有很好的分離效果;Kewley等[15]報(bào)道了POCs在氣相色譜和電色譜中的應(yīng)用,證實(shí)了POCs是一種不錯(cuò)的手性材料;2021年,Yuan課題組的唐明華[16]制備了兩種手性POCs,由2-羥基-1,3,5-均苯三甲醛分別與(1R,2R)-二氨基環(huán)己烷和(1R,2R)-二苯乙二胺合成,兩種手性POCs的合成反應(yīng)都是席夫堿反應(yīng)。即用伯胺與醛或者酮發(fā)生席夫堿反應(yīng)獲得有機(jī)分子胺籠[17]。之后把它們用作CEC的手性固定相,拆分了多種手性藥物和位置異構(gòu)體,達(dá)到了預(yù)期的效果。

文章利用席夫堿反應(yīng)原理,通過(guò)溶劑熱合成法將(1R,2R)-二氨基環(huán)己烷和3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚縮合成棱柱形手性POCs。該P(yáng)OCs具有良好的溶解性,可溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑,適合作為CEC的手性固定相。將POCs溶解在二氯甲烷中,用動(dòng)態(tài)涂覆法將溶液均勻地涂覆在石英毛細(xì)管內(nèi)壁上,制成CEC柱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該手性柱拆分了4種手性藥物和2種位置異構(gòu)體,說(shuō)明該手性柱具有一定的手性分離能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CL 1020高效毛細(xì)管電泳儀(北京華陽(yáng)利民儀器有限公司); Bruker DXR 500 MHz核磁共振波譜儀(瑞士布魯克公司); D/Max 2000粉末衍射儀(日本Rigaku公司); Vario EL Ⅲ有機(jī)化學(xué)元素分析儀(北京來(lái)亨科貿(mào)有限責(zé)任公司); SDT-650熱重分析儀(美國(guó)TA儀器); XL 30 ESEM-TMP掃描電子顯微鏡(荷蘭飛利浦公司);純水器(英國(guó)ELGA公司)。

氫氧化鉀、二氯甲烷、乙醇、甲醇、鹽酸、二甲基亞砜、聯(lián)苯二酚、磷酸購(gòu)于天津風(fēng)船化學(xué)試劑有限公司;(1R,2R)-環(huán)己二胺、三氟乙酸、六亞甲基四胺、o,m,p-氯苯胺、o,m,p-甲苯胺購(gòu)于上海試劑有限公司;氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇、1-苯基-1-戊醇購(gòu)于比利時(shí)Acros Organics公司。實(shí)驗(yàn)所用試劑純度除磷酸為85%與(1R,2R)-環(huán)己二胺為98%外,其余均為99%。

1.2 配體3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚的合成

根據(jù)文獻(xiàn)[18]合成3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚:首先稱取4,4′-聯(lián)苯二酚6.85 g (16.11 mmol)和已在真空下干燥2.5 h的六亞甲基四胺51.2 g (182.6 mmol),置于500 mL圓底燒瓶中,加入三氟乙酸(TFA) 120 mL,在油浴鍋中反應(yīng)7 d,溫度為105 ℃。反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫,再加入200 mL濃度為4 mol/L的鹽酸,反應(yīng)2.5 h,再冷卻12 h后過(guò)濾,用超純水、無(wú)水乙醇、環(huán)己烷等有機(jī)溶劑依次洗滌。最后真空干燥,得到2.9 g的黃色固體。為了得到更純的物質(zhì),將黃色固體進(jìn)行兩次重結(jié)晶,得到純凈的3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚?；瘜W(xué)反應(yīng)結(jié)構(gòu)式如圖1所示:

圖1 3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚的合成

1.3 POCs的合成

根據(jù)文獻(xiàn)[18]報(bào)道方法合成了POCs。首先,稱取上述步驟合成的配體3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚0.6 g (0.50 mmol)溶于100 mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,并將2.62 g (1.5 mmol)的(1R,2R)-二氨基環(huán)己烷充分溶解在60 mL甲醇中,分別進(jìn)行超聲,待兩種固體溶解后,一起倒入250 mL的圓底燒瓶中,在無(wú)水無(wú)氧條件下,加入5 mL鹽酸,回流過(guò)夜,過(guò)濾后濾液轉(zhuǎn)移至燒杯中,用濾紙蓋住,4～5天后,有橙色晶體析出,然后用環(huán)己烷、無(wú)水乙醇和高純水洗滌多次,產(chǎn)物在70 ℃的真空干燥箱中進(jìn)行干燥。合成路線見圖2。

圖2 POCs的合成路徑

1.4 POCs開管毛細(xì)管色譜柱的制備

參照文獻(xiàn)[19]制備POCs開管毛細(xì)管色譜柱,處理步驟如下:先截取大約3 m (375 μm o.d.×75 μm i. d.)長(zhǎng)的石英毛細(xì)管,然后對(duì)其進(jìn)行粗糙化,具體步驟為依次用1 mol/L NaOH、蒸餾水和0.1 mol/L HCl沖洗,之后將石英毛細(xì)管柱烘干,處理溫度為120 ℃,烘干時(shí)間為40 min,最后將毛細(xì)管柱烘干,溫度為150 ℃。

稱取30 mg的POCs晶體,溶解于10 mL二氯甲烷溶液中,質(zhì)量濃度為3 mg/mL,超聲20 min,充分溶解后,過(guò)濾掉不溶固體,接著將上述濾液用高純氮?dú)饩徛拇等氪植诨蟮拿?xì)管柱中。待充滿整個(gè)毛細(xì)管柱后,再把氮?dú)獾臍饬髡{(diào)小,持續(xù)吹3 h,直至溶液吹出并繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行老化。

1.5 CEC的實(shí)驗(yàn)條件

截取一段手性POCs開管毛細(xì)管色譜柱(60 cm×75 μm),在毛細(xì)管柱離末端8 cm處進(jìn)行開窗操作,有效分離長(zhǎng)度為52 cm。進(jìn)行測(cè)樣之前,色譜柱需用高純水、磷酸緩沖溶液依次沖洗,直至儀器基線穩(wěn)定,進(jìn)樣時(shí)間為5～10 s。

拆分氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇的最優(yōu)分離電壓均為15 kV,而1-苯基-1-戊醇的最優(yōu)分離電壓為17 kV;氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇、1-苯基-1-戊醇的適宜Tris-H3PO4緩沖液濃度均為0.100 mol/L; 4種手性樣品拆分時(shí)的pH值均為7.5。

2 結(jié)果與討論

2.1 3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚的表征

將配體溶解于0.5 mL的氘代二甲亞砜(DMSO-d6)進(jìn)行核磁共振分析,可以得到配體共有兩種不同環(huán)境的氫,氫面積之比為1∶1,與參考文獻(xiàn)[18]基本一致,表明配體3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚已成功合成。其中核磁數(shù)據(jù)如下:1H NMR (500 MHz, DMSO):δ=8.48 (s, 4H), 10.36 (s, 4H)。

2.2 POCs的表征

2.2.1核磁共振氫譜分析

采用核磁共振氫譜儀對(duì)合成的POCs進(jìn)行了表征,具體數(shù)據(jù)如下:1H NMR (500 MHz, CDCl3):δ=14.12 (s, 1H), 8.53 (s, 1H), 8.47 (s, 1H), 8.13 (s, 1H), 7.59 (s, 1H), 3.47 (s, 2H, CHN), 3.21 (s, 1H, CHN), 2.05～1.47 (s, 8H)。所得數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[18]報(bào)道的相同。

2.2.2碳譜分析

采用碳譜儀對(duì)合成的POCs進(jìn)行了碳譜表征,具體數(shù)據(jù)如下:13C NMR (125 MHz, CDCl3):δ=165.11, 161.56, 157.79, 129.07, 126.53, 124.88, 123.82, 118.51, 72.50, 32.43, 31.74, 29.31, 24.22。所得數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[18]報(bào)道的相同。

2.2.3紅外光譜分析

采用紅外光譜儀對(duì)合成的POCs進(jìn)行表征,如圖3所示,強(qiáng)亞胺鍵在1 635 cm-1處的特征吸收峰證明了POCs形成了C=N鍵,在3 425 cm-1處存在-OH吸收峰伸縮振動(dòng),在2 925 cm-1和2 858 cm-1處的吸收峰分別為N=C-H和C-H拉伸帶,且苯環(huán)吸收峰在約1 446 cm-1和1 383 cm-1處由C=C-H和C=C拉伸振動(dòng)產(chǎn)生。

圖3 POCs的紅外光譜圖

通過(guò)上述核磁共振氫譜、碳譜與紅外光譜的表征及對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析,證明實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功合成出了POCs。

2.2.4質(zhì)譜分析

POCs分子式為C84H90N12O6,理論上:C 74.02%、H 6.59%、N 12.43%。通過(guò)元素分析后得到:C 74.12%、H 6.52%、N 12.37%。文章采用高分辨率質(zhì)譜對(duì)POCs進(jìn)行分析,得到分子離子峰m/z=1 363.7 228(見圖4),可推算出其相對(duì)分子質(zhì)量約為1362,符合氮規(guī)則,進(jìn)一步證明已合成出POCs。

圖4 POCs的質(zhì)譜圖

2.3 熱重曲線分析

為證明POCs有高的化學(xué)熱穩(wěn)定性,對(duì)POCs進(jìn)行了熱重測(cè)試。將POCs放在熱重分析儀中,從25 ℃上升到800 ℃(10 ℃/min)。從圖5可以觀察到,其在300 ℃左右能穩(wěn)定存在,表明POCs具有良好的化學(xué)熱穩(wěn)定性,符合在CEC中的測(cè)試條件,可進(jìn)一步探究其他實(shí)驗(yàn)。

圖5 POCs的熱重曲線圖

2.4 POCs的氮?dú)馕綔y(cè)試

由氮?dú)馕矫摳綄?shí)驗(yàn)得出,合成的多孔POCs材料比表面積為689.39 m2/g,孔徑大小為3.91 nm,孔體積為0.41 cm3/g,如圖6所示。

圖6 POCs的N2吸附脫附等溫線

2.5 POCs開管毛細(xì)管電色譜柱電鏡表征

探究POCs開管毛細(xì)管電色譜柱是否具有良好的分離性能,首先需要對(duì)涂覆好的POCs毛細(xì)管色譜柱進(jìn)行掃描電鏡分析表征。圖7a、b為空的毛細(xì)管柱表征,可觀察到其內(nèi)壁光滑,圖7c、d為涂覆柱表征,可以觀察到毛細(xì)管內(nèi)壁涂有一層POCs材料。

圖7 毛細(xì)管內(nèi)壁的掃描電鏡圖

2.6 POCs毛細(xì)管電色譜柱拆分手性化合物的情況

POCs具有特別的籠分子和四面體結(jié)構(gòu),且是一種手性多孔材料。手性藥物與有機(jī)籠分子之間存在π-π鍵、偶極-偶極作用、立體構(gòu)型匹配作用和氫鍵等作用,在進(jìn)行CEC分離分析時(shí),手性藥物進(jìn)入毛細(xì)管內(nèi)與內(nèi)壁中涂覆的POCs材料充分接觸,在諸多作用下,手性藥物得到了分離。然而,手性藥物分離的過(guò)程十分復(fù)雜,很難完全闡明手性分離的機(jī)理。為了探究該色譜柱對(duì)手性化合物的拆分能力,選用氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇與1-苯基-1-戊醇為樣品,改變實(shí)驗(yàn)中的分離電壓、緩沖溶液的濃度、緩沖溶液的pH值,從而得到拆分4種外消旋體的最佳實(shí)驗(yàn)條件。

2.6.1分離電壓對(duì)手性藥物拆分的影響

影響手性藥物拆分效果的因素有很多,分離電壓就是其中的一種。分離電壓的大小不僅影響著手性藥物的分離度,且對(duì)出峰時(shí)間也有一定的影響。為探究分離電壓對(duì)分離度的影響,選用濃度為0.100 mol/L、pH=7.5的Tris-H3PO4緩沖溶液分別對(duì)氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇4種手性藥物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,從表1數(shù)據(jù)可以看出,分離電壓為15 kV時(shí),氧氟沙星、特羅格爾堿和2-氨基-1-丁醇能達(dá)到最大分離度,1-苯基-1-戊醇在電壓為17 kV的條件下達(dá)到最大分離度。

表1 不同分離電壓下4種外消旋體的拆分結(jié)果

2.6.2緩沖溶液濃度對(duì)手性藥物拆分的影響

在最優(yōu)分離電壓條件下,采用pH值為7.5但濃度不同的Tris-H3PO4緩沖溶液,4種外消旋體的色譜拆分情況如表2所示。實(shí)驗(yàn)得出,當(dāng)緩沖溶液濃度升高到一定程度時(shí),可以增大手性樣品的分離度,一旦超過(guò)適當(dāng)?shù)臐舛确秶?分離度不但不會(huì)增大,反而會(huì)減小。由表2得出,氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇在POCs手性色譜柱的分離中,最優(yōu)緩沖溶液濃度為0.100 mol/L。另外,緩沖液濃度影響著樣品的出峰時(shí)間,樣品的出峰時(shí)間隨著濃度的增大而增加,溶液離子強(qiáng)度的變化對(duì)溶液黏度與Zeta電勢(shì)也有一定的影響。

表2 不同濃度緩沖溶液下4種外消旋體的拆分結(jié)果

2.6.3pH值對(duì)手性藥物拆分的影響

上述實(shí)驗(yàn)得到手性藥物的最佳分離電壓和緩沖液濃度,繼續(xù)對(duì)手性藥物的最佳pH值進(jìn)行優(yōu)化(見表3),緩沖液pH值從6.5升至7.5時(shí),氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇的分離度升高,但當(dāng)pH值升高到8.5時(shí),氧氟沙星、1-苯基-1-戊醇的分離度分別減少至0.62、1.06,特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇沒能得到拆分。pH值過(guò)低會(huì)影響色譜固定相的活性,但pH值過(guò)高則會(huì)增大電滲流,縮短手性樣品的保留時(shí)間,從而影響拆分效果。因此最優(yōu)pH值為7.5。

表3 不同pH值緩沖溶液下4種外消旋體的拆分結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)的研究探討,得到4種手性物質(zhì)在最佳拆分條件下的電色譜圖如圖8所示,氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇的手性分離度分別是1.80、3.33、1.69、1.18,都達(dá)到了較好的分離,表明POCs手性色譜柱對(duì)外消旋體具有良好的手性識(shí)別能力和分離效果。

圖8 POCs手性柱對(duì)4種外消旋體的電色譜圖

2.7 位置異構(gòu)體在POCs電色譜柱上的拆分情況

POCs毛細(xì)管柱對(duì)位置異構(gòu)體o,m,p-甲苯胺、o,m,p-氯苯胺也進(jìn)行了分離研究,分離譜圖見圖9。電色譜分離條件為0.100 mol/L、pH=7.5的Tris-H3PO4緩沖溶液,分離電壓為15 kV。位置異構(gòu)體與POCs固定相間可能存在π-π鍵、偶極-偶極作用、立體構(gòu)型匹配作用和氫鍵等相互作用力,從而使位置異構(gòu)體分離。因位置異構(gòu)體的分子結(jié)構(gòu)、大小各不相同,故與固定相接觸時(shí)產(chǎn)生的效果存在差異。

3 結(jié)論

將合成的多孔有機(jī)籠材料POCs涂覆在毛細(xì)管柱上制成相應(yīng)的毛細(xì)管色譜手性柱。用該手性柱成功拆分了位置異構(gòu)體o,m,p-氯苯胺和o,m,p-甲苯胺以及氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇4種手性藥物。實(shí)驗(yàn)表明,POCs作為CEC的手性固定相可行且具有一定的實(shí)用性,在拆分手性藥物方面具有較大潛力。