（有机化学专业论文）手性化合物在chirex+3001固定相上的拆分及手性识别机理的研究.pdf

摘要 摘要 对映体的分离、分析在现代药物化学、生物化学、合成化学、农业化学领域的 研究中具有非常重要的意义，手性色谱作为一种方便快捷、准确灵敏的对映体分离、 分析方法，近年来获得了快速发展和广泛应用。p 砌e 型固定相在手性液相色谱领 域中的应用较多，一直是手性拆分及手性识别机理研究的热点。 本文首先利用高效液相色谱法对安息香及其类似物和联萘系列化合物在手性 固定相c h i r e x3 0 0 1 的手性拆分进行了探讨，分别考察了流动相组成及柱温等对保 留及对手性拆分效果的影响，并利用热力学方法对手性拆分机理进行了初步探讨。 得出如下结论： ( 1 ) 当流动相组成为：正己烷：1 ，2 二氯乙烷：乙醇= 8 3 5 ：1 5 ：1 5 ，流速为1 0 m u m m ， 柱温为2 5 ，检测波长为2 5 4n i n 时，a 苯乙醇、安息香及氢化安息香的分离 因子分别为1 0 2 、1 0 4 和1 1 1 。并在此基础上初步利用热力学方法探讨了手 性识别机理，发现衄o 、s o 二者都为负，说明其手性拆分过程受焓的控 制。 、 ( 2 ) 当流动相组成为：正己烷：氯仿：乙醇= 7 8 5 ：2 0 ：1 5 ，流速为1 o r a l r a i n ，柱温为 3 5 ，检测波长为2 5 4l l l t l 时，联萘系列化合物1 4 的分离因子分别为1 2 4 、 1 2 7 、1 1 3 和1 2 0 。并在此基础上用热力学方法对其手性识别机理进行了初步 探讨，发现除化合物4 的a 矿、心为正外，其它二者都为负，说明该系列 化合物的拆分为焓驱动过程。 在实验的基础上运用分子力学方法对安息香及其类似物和联萘系列化合物与 手性固定相c h i r e x3 0 0 1 的手性识别进行分子模拟。发现所述对映体与c s p 之间能 够产生手性识别的主要原因，是手性分子和c s p 之间的堆积叠合、氢键和范 德华等作用出现明显差异，佐证了d a l 酉i e s h 等人提出的“三点作用手性识别理 论。 关键词：手性拆分，分子识别，分子模拟，安息香，联萘酚 a b s t r a c t e n a n t i o m e rs e p a r a t i o nt e c h n i q u e sw e r eu r g e n t l yn e e d e dn o to n l yt os e p a r a t e m i x t u r e so fc h i r a ld r u ga n dt h e i ro p t i c a l l ya c t i v em e t a b o l i t e s ，b u ta l s of o rt h eq u a l i t y c o n t r o lo fe n a n t i o m e r i c a u yp u r ed r u g sa n di nt h ed e v e l o p m e n to fa s y m m e t r i cs y n t h e s i s h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) c n a n t i o m e rs e p a r a t i o no nc h i r a l s t a t i o n a r yp h s a e s ( c s p s ) w a sas i m p l ea n de f f e c t i v em e t h o d ，a n dw a so n eo ft h em o s t s u i t a b l et e c h n i q u e sf o rt h ep u r p o s e r e s o l u t i o no fb e n z o i na n db i p - n a p h t h o l sa n dt h e i ra n a l o g u e sw i mc h i r e x3 0 0 1b a s e d c h i r a ls t a t i o n a r yp h a s ei nt h en o r m a l p h a s ec o n d i t i o n sw a sf i r s t l ys t u d i e du s i n gh p l c t h e e f f e c t so ft h em o b i l ep h a s ec o m p o s i t i o na n dt h ec o l u m nt e m p e r a t u r eo nt h ec h i r a l r e s o l u t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d w h e nn - h e x a n e ：1 ，2 一d i c h l o r o e t h a n e ：e t h n a o l ( v o l u m er a t i o ， 8 3 5 ：1 5 ：1 5 ) w a su s e da sm o b i l ep h a s ea taf l o wr a t eo f1 0m l m i n , t h ec o l u m n t e m p o r a u t r e2 5 c ，d e t e c t i o nw a v e l e n g t h2 5 4 n m ，t h es e p a r a i t o nf a c t o r sw o r e1 0 2 ，1 0 4 a n d1 ii r e s p e c i t v e l yf o ra - p h e n e t h y la l c o h o l ，b e r m i o n a n dh y d r o b e n z i o n a n dw h e n n - h e x a n e ：c h l o r o f o r m ：e t h n a o l ( v o l u m er a t i o ，7 8 5 ：2 0 ：1 5 ) w a su s e da sm o b i l ep h a s ea t af l o wr a t eo f1 0m l m i n , t h ec o l u m nt e m p o r a u t r e3 5 ( 2 ，d e t e c t i o nw a v e l e n g t h2 5 4n m , t h e s e p a r a i t o n f a c t o r sw e r e1 2 4 ，1 2 7 ，1 13a n d1 2 0r e s p e c i t v e l yf o rb i n o l ， m o n o - m e t h y le t h e ro fb r n o l , 1 ，1 - b i 一2 一n a p h t h o lc y c l i ce t h e r sa n db i n a m t h e m e c h a n i s mo fc h i r a lr e c o g n i t i o nw a sd i s c u s s e db yt h e r m o d y n a m i cm e t h o d b a s e do ne x p e r i m e n td a t a , m o l e c u l a rm e c h a n i c ss i m u l a t i o nt e c h n i q u e sw o r eu s e dt o s t u d yt h e 职) - p h e n y l g l y c i n eb a s e dc h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e ( c h i r e x3 0 0 1 ) b e n z o i na n d b i - p - n a p h t h o l sa n dt h e i ra n a l o g u e so ft h ep r o c e s so fc h i r a lr e c o g n i t i o n t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h ei m p e t u so ft h eh o s tm o l e c u l e sa n dt h ec h i r a lm o l e c u l e sc a m ef r o mt h e 竹一靠s t a c k i n g , h y d r o g e nb o n da n dv a nd e rw a a l sf o r c eb e t w e e n t h eh o s tm o l e c u l e sa n d t h eg u e s tm o l e c u l e s k e yw o r d s ：c h i r a lr e s o l u t i o n ；c h i r a lr e c o g n i t i o n ；m o l e c u l a rs i m u l a t i o n ；b e n z o i n ； b i 一1 3 - n a p h t h o l s 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ： 年月 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学 有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版， 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学 位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密( 4 ) ( 请在以上相应括号内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 手性识别概述硬手性拆分 1 1 1 手性厦手性识别是自然界的基本属性 手性( 英文名为c h i r a l i 母，源自希腊文c h a r ，手或h a n d e d n o s s ) 是用来表达化 台物分子结构不对称性的术语。所谓手性是指物质的分子和它的镜像不能重叠， 正如我们的左、右手虽然相像但不能重叠一样( 如图1 - 1 所示) ，具有手性的分 子称之为“手性分子( c h i r a l m o l e c u l e s ) t 卜2 或“手征性分子”。显然，互为镜像 的两个手性分子是不能重叠的，因此，这两个分子又称为“手性异构体”p 】。 + 妈眇 图1 - 1 四面体碳化合物的手性异构体和互为镜像的左右手 在自然界，特别是在生物体中，手性化合物的两个对映体的存在量是不同的， 有的仅是以单一的对映体存在。例如，构成蛋白质的氨基酸都是l 一氨基酸，而组 成多糖和核酸的单糖则是d - 单糖。另外，许多天然存在的手性小分子也主要以对 映体中的一种形式存在，这体现了自然界手性的属性，同时这也是自然界手性选 择发展的结果。自然界的这种手性选择，也就使得作为生命活动重要基础物质的 生物大分子或其组成单元如核酸、蛋白质、酶、多塘等以及分子机器如受体、离 第一章绪论 子通道等具有不对称的性质，当它们与手性的两个对映体作用时，只是选择性地 仅与特定手性的小分子化合物结合，这种选择性作用的现象，称为手性识别。手 性识别现象可以比较形象地用手与手套的关系来比喻：左手能套进左手套，而右 手与左手套就不匹配。手性识别这个命题对于化学、生物学、医学和药学的理论 和实践都有重大的意义【4 】。 1 1 2 对映体分离的意义 。 对映体的存在是自然界的普遍现象，手性原则是自然界一切生命活动的根源。 对映体的分子式和结构式完全相同，只是原子或原子团在空间的取向不同。除了 对映体对偏振光具有大小相等、方向相反的偏转能力之外，通常，在非手性环境 中，对映体具有完全相同的物理化学性质，但其生物活性却往往有重大差别。例 如，d 型青霉素胺是治疗代谢病、慢性病和汞中毒的药物，而l 型异构体则会导 致骨髓损坏、嗅觉视觉衰退和过敏性反应；( + ) 雌素酮是雌性激素，而( ) 雌素酮 则没有活性；皿反应停是安眠药，而孓反应停则有畸胎作用；s - 型普奈洛尔比r - 型对映体的药效高1 0 0 倍m 。为此，1 9 9 2 年，美国食品和药物管理局( f d a ) 公 布了一系列准则以指导手性药物的开发，规定对外消旋体药物，必须提供药物中 的对映体组分的构成，并报告单个对映体的生理作用测定结果1 7 1 。欧共体也有类 似规定。所以，在药物研究中，手性药物的分析、分离对于提高药物活性，减少 毒副作用，深入研究药物的作用机理、毒性、代谢以及药物生产的质量监控，都 是非常必要的。 除了药物之外，现代研究也表明，香料、调料、信息素、除草剂和农药等手 性化合物的对映体，在和生物受体作用时也经常表现出明显的生物、生理活性差 别【昏9 】。所以，在有关这些化合物的合成、表征及应用的现代研究中，测定这些化 合物中的对映体组分变得越来越重要。此外，准确而有效地测定不对称合成反应 产物的光学产率，对于了解不对称反应的机理具有重要的作用。总的来说，快准 确而有效的分离、分析对映体组分在当代药物化学、农业化学、食品化学和生物 化学等领域的研究中具有非常重要的意义，对于进一步了解生命活动的本质也具 有重要的意义。 1 1 3 主要的手性拆分方法 2 第一章绪论 最近几十年来，手性拆分已成为分析化学中的热门课题，取得了很大的进展， 目前已提出以下几种主要的拆分法：直接结晶拆分法、化学拆分法、生物拆分法、 色谱拆分法和手性膜拆分法 1 0 - 1 1 】。 一、结晶法 若外消旋体所形成的晶体是外消旋混合物，则可直接在其过饱和溶液加入单 一对映体晶种进行诱晶得到该对映体。如苦杏仁酸( 羟基苯乙酸) 用这种方法得到单 一对映体【1 2 1 。 二、化学拆分法 通过化学反应的方法，用手性试剂将外消旋体中的两种对映体转化为非对映异 构体，然后利用非对映异构体之间的物理性质和化学性质都不同的原理进行分离， 再将衍生物还原为纯对映体。化学拆分法的操作方法是大多数化学工作者都比较熟 悉，容易操作的，在许多情况是行之有效的，因此，这种方法至今仍然是普遍采用 的重要拆解方法【1 3 】。 三、生物拆分法 生物拆分方法是利用酶具有非常专一性的反应特性，选择性地使外消旋体中 的一个对映体发生反应，从而达到拆分的目的。目前酶法拆分主要用于氨基酸的 大规模生产。 四、手性膜拆分法 又可分为手性液体膜拆分法和手性固体膜拆分法。前者基于选择性萃取，后 者基于对映体间亲和性的差异。从大量制备的角度看，手性膜拆分法具有优势， 但目前选择性和效率还比较差。 五、色谱拆分法 色谱拆分法是指利用手性对映体与固定相之间不同的相互作用力，在流动相 洗脱时具有不同的保留时间这一原理达到分离手性对映体的目的。利用色谱拆分 法分离物质的装置有许多种，例如薄层色谱、气相色谱、高效液相色谱、制备色 谱、模拟移动床色谱、高效毛细管电泳等，它们的基本原理完全一样，只是实现 的方法、分离精度和使用范围等方面有所不同。这里以高效液相色谱( h p l c ) 为 代表，介绍色谱拆分法中几种主要的分离技术。 采用h p l c 拆分的主要方法一般分为两类：间接法和直接法。间接法采用非 手性固定相，用单一对映体试剂将被拆分物衍生化，生成非对映异构体，从而用 3 第一章绪论 常规固定相达到拆分目的。例如以r 氯化酸薄荷醇作为手性衍生化试剂，对只 麻黄碱与孓麻黄碱衍生化后生成一对非对映异构体，可用c 。8 固定相，在反相流 动相条件下实现分离【1 4 1 。直接法则采用手性固定相，或者将手性选择物加入色谱 流动相中，使用常规固定相达到拆分目的。手性固定相法发展较快，应用范围更 广，研究者也较多，一般来说优于后一种方法。以下主要介绍手性固定相的发展。 l 2 高效液相色谱手性固定相研究进展 1 2 1 手性固定相的分类 手性固定相( 简称c s p ) 是h p l c 的关键部件，它直接决定了拆分的结果， 目前的手性固定相已有1 0 0 多种，以固定化的手性选择物的结构特征和手性分离 的机制这两项特征为依据，可将其分为以下几类【1 5 q s ，分别叙述如下。 ( 王) p i r l d e 型手性固定相 这类c s p 是7 0 年代末开始合成并报导的，它是通过共价键连接一个单分子 层的手性有机分子到机械性能良好的载体( 如硅胶) 上而制得。由于它们的光学活 性官能团通过一种间隔基以类似于刷子的刷毛方式直接远离硅胶表面，而被称为 “刷型，或以其主要发明者p i r l d e 命名，称为p i r k l e 型。目前大量的外消旋化合 物已在这类c s p 上得到了拆分，而且不断有新的p i r k l e 型c s p 被合成。 蛋白质手性固定相 蛋白质是由手性单元【广氨基酸组成的手性大分子化合物，是药物对映异构体 的天然识别体。蛋白质型c s p 一般在反相条件下工作，适用于生物医学分析，对 对映体选择性较强，对p h 值、有机调节剂的含量变化十分敏感。在所有的手性 固定相中，蛋白质手性固定相适用范围最广，但拆分效能大都不高，柱容量也很 低，很少用于拆分制备【1 9 1 。 环糊精( c d ) 手性固定相 环糊精的手性识别主要来自环内腔对芳烃或脂肪烃类侧链的包容作用，以及 环外壳上的轻基与药物对映体分子发生氢键作用。一般用含甲醇、乙醇、乙睛作 为有机改性剂的缓冲溶液作流动相。 纤维素和多糖衍生物固定相 4 第一章绪论 主要是纤维素三酯衍生物，该类固定相的手性识别主要来自氨基甲酸酯或酯 的部分与被拆分物之间形成氢键或偶极偶极作用，或通过被拆分物分子进入纤维 素网状腔，导致腔内立体环境改变而实现。常用流动相为甲醇一水、乙醇一水、正 已烷一异丙醇。 手性聚合固定相 该固定相使用最多的有两种：一是在手性条件下不对称聚合；二是用手性单 体。这类手性聚合物可涂渍或键合到硅胶上作c s p ，这类聚合物c s p 柱容量和柱 效都较高，但要求被分离药物须有严格的立体构型。 冠醚类键合固定相 冠醚类化合物具有亲水性内腔和亲脂性外壳，可键合在硅胶或聚苯乙烯基质 上制成手性固定相，根据主客化学原理，用于含有能够质子化的伯胺功能团的药 物对映体的分离，尤其是氨基酸及其衍生物的分离。 流动相多采用过氯酸水溶液中加入一定比例( 5 ) 的甲醇【2 0 1 。 配体交换手性固定相 这类手性固定相分离药物对映体是基于固定相手性配体、金属离子与被分离 溶质形成多元配合物热力学稳定性的差异和动力学上的可逆性。键合的配体分别 为l - 脯氨酸、组氨酸、酒石酸、丙二胺、麻黄酸等。金属离子为c u 2 + 、n i 2 + 等。 主要用于拆分氨基酸对映体。 上述七种手性固定相中，p r i k l e 型c s p 比较广泛地用于多环芳烃，p r i l d e 型 c s p 和对映体之间的相互作用可以用手性识别模型合理的推断。这使得在许多情 况下可预言欲拆分化合物在一个给定的c s p 柱上分离的可能性及根据其绝对构型 预测一对对映体的相对洗脱顺序。因此，我们主要对p r i m e 型c s p 进行研究。 1 2 2p r i k l e 型手性固定相的结构特点及研究进展 p r i m e 型手性固定相是高效液相色谱( h p l c ) 手性固定相中非常重要的一 类，这类c s p 一般通过一定的间隔臂，连接一个单分子层的手性有机分子到硅胶 载体上而制得，因而被称之为“刷型或“束型”c s p e r 7 1 。 “刷型”手性固定相的化学结构特点可归纳为在手性中心附近至少含有下列 功能团之一：一酸性( 带吸电子取代基) 或丌一碱性( 带推电子取代基) 的芳香基 团，在手性识别过程中能发生兀一氕电荷转移相互作用；能形成氢键的原子或 5 第一章绪论 基团；能发生偶极偶极叠合相互作用的极性键或基团；能提供立体排斥、范 德华相互作用和( 或) 构型控制的较大的非极性基团。显然，对映体和c s p 之间的 手性识别是通过上述一种或几种相互作用来实现的。因为这种c s p 是类似于反相 键合的单分子层，所以色谱效率很高，对映体选择性强。在这类c s p 上可拆分大 量的手性化合物【1 7 】。 第个用于高效液相色谱上的“刷型”c s p 是由m i k e s 等 2 l 】报道的手性的一 电荷转移接受体四硝基9 亚芴基氨基氧化丙酸( t a p a ) 键合到氨丙基硅烷化硅胶 上制得的，并用于分离螺烯对映体。b a c u z k 等人是设计合成c s p 的先裂捌，他们 用三聚氯化睛( c n c l ) 3 将l 精氨酸胶连到载体上，获得了第一个合成的手性c s p ( 见表1 1 ) 。并且成功拆分了p 3 ，4 二羟基苯基丙氨酸( d o p a ) 对映体，拆分因 子a = 1 6 。在以后的几年中，其他“刷型 c s p 相继被制备出来，用来拆分手性 螺烯【2 3 】和a 一氨基酬2 4 。2 5 1 。在发展“刷型”手性固定相的过程中，p i r k l e 研究组的 贡献是最显著的。p i r k l e 研究组的工作起始于上世纪七十年代后期，迄今为止，根 据他们提出的“互为相反作用原则” 2 6 1 ，已经制备了三代“刷型 手性固定相。 三代“刷型 手性固定相的载体都是硅胶，手性小分子分别是：2 ，2 ，2 三氟( 1 ，9 ) 蒽 乙醇仃f a e ) 【2 7 1 ，n ( 3 ，5 二硝基苯甲酰) ( d n b ) 氨基酸、醇和胺类衍生物 2 8 - 3 2 】，而 5 芳基乙内酰脲类【3 3 - 3 4 1 、n 酰化1 芳基氨基烷型化合物【3 5 】和n 芳基氨基酸酯型 化合物【3 6 】贝0 是第三代“刷型 手性固定相候选物( 见表1 1 ) 。其中，第二代“刷 型手性固定相由于手性氨基酸大多数可以买到或者由天然提取得到，故这些手 性固定相相对容易制备，而且可以在这一类手性固定相上拆分的化合物类型多， 范围广，因此是理想的制备性拆分用的手性固定相。 6 第一章绪论 表1 各种“刷型一手性固定相的分子结构1 3 7 】 7 第一章绪论 姐2 3p r i k l e 型手性固定相的拆分机理 由于一种手性固定相的成功程度取决于其对给定的被拆分剂的手性识别能 力，因此对手性识别机理的研究不仅可以帮助我们理解手性识别发生的部位及其 主要的影响因素【3 8 】，而且通过建立新的手性识别机理获得的信息丰富了分子之间 相互作用的知识，对分子之间相互作用的深入了解是理解酶催化过程的专一性 和药物同受体相互作用于的专一性的关键所在。因此阐明手性识别的作用机理对 于适当的色谱条件的选择，新型手性固定相的设计合成，药物动力学研究以及药 物分子设计等方面都具有十分重要的意义【2 6 矧。识别剂分子对外消旋化合物中的 两个对映体吸附能力的不同，是由于手性固定相与两个对映体的相互作用不同， 形成稳定性不同，因而存在时间长短不同的非对映异构体关系的化合物所致。早 在1 9 5 2 年，d a l g l i e s h 采用纸层析研究氨基酸对映体的分离，并提出了色谱直接 拆分“三点作用 分离理论。近年来，p i r k l e 等【加】在深入研究手性固定相以及手 性色谱立体识别机理的过程中，发展了d a l g l i e s h 观点，再一次阐述了“三点作用 分离理论：手性识别要求手性固定相和对映异构体之间至少有三个同时存在的作 用力，这些作用力中至少有一个依赖于立体化学。即用其中的另一对映异构体( 不 作任何构象改变) 来替代后，至少有一个作用力不复存在或明显改变其性质。 d a l g l i e s h 的识别理论可以用以下简单的模式( 图1 2 ) 表达：在手性固定相上有三 个作用点a 、b 、c ，与之作用的对映异构体也同样有三个作用点a 、b 、c 。对 映体i 与c s p 形成a a ，、b b7 、c c 三个作用力，对映体则由于立体构型的 不同而使得与c s p 的c - c 作用力不存在，因此，能与手性固定相有三点作用的对 映体i 被保留的时间较长。如果第三点作用不是吸引，而是排斥，被保留的时间 反而短。因此，只有通过固定相与对映异构体的三维空间分子的“三点作用，才 能确立立体的选择性。如果c c ，作用力很小，则对映体i 、i i 不能被色谱拆分。 “三点作用 的作用力可以是氢键，偶极偶极相互作用，范德华力，包合作 用以及立体阻碍等。由于固定相和流动相中的对映体都是光活性的，它们之间的 作用点可以有两点相同，但第三作用点需存在差别，使对映体和固定相之间相互 作用所形成的缔合物在稳定性上有差别，在通过多次地交换后，达到对映体的分 离。利用计算机技术来研究手性识别的机理，可以从分子水平显示出手性识别作 用的模型，便于人们对手性识别过程的理解和认识，所以越来越受到重视【4 1 4 2 1 。 8 第一章绪论 c s p ii i 图1 - 2 三点作用模式，只有一个对映体具有 合适的手征性，因而能与c s p 同时具有三个相互作用点 1 3 手性识别机理的分子模拟研究进展 1 3 1 分子模拟方法 分子模拟法是用计算机来模拟分子的结构与行为，进而模拟分子体系的各种 物理与化学性质。分子模拟法不但可以模拟分子的静态结构，也可以模拟分子的 动态行为( 如分子在表面的吸附行为、分子的扩散等) 。分子模拟法不但可以模拟分 子体系中的物理问题，也可以模拟分子体系的各种光谱。例如分子的晶体、非晶 体的x 射线衍射图，核磁共振的二维与多维谱等。 分子模拟法作为一种计算机实验，可以看作是一种试验仪器。通过人的操作， 可以得到有用的“实验数据 ，从获得试验数据的角度来看，与现代大型物理分析 仪器( ) ( 光衍射、核磁共振、振动光谱等) 相比，它仍然具有价格便宜、结果可信的 优点。 计算机分子模拟法不同于传统的实验方法和理论方法，既不用观测真实的客 观事实，也不用假定数学关系，而是凭借着合理的分子结构模型与物理原理，计 算出客观事物变化的过程与结果，因而可以说是人类认识客观世界的第三种方法 或人类的第三种科学研究的方法。 随着计算机技术的高速发展，分子模拟已经成为除实验、理论研究外的一种 j 全新而独特的研究手段。其结果既可以用于检验统计力学理论的合理性，又可研 9 第一章绪论 究微观作用力对宏观性质的影响，还能分析、预测新的热力学现象，特别是在某 些极端条件如高温高压或低温低压以及实验设备十分昂贵或试剂有剧毒时，分子 模拟就可大显身手【4 3 】。分子模拟的理论和计算方法将在第二章进一步详细的阐述。 1 3 2 手性识别机理的分子模拟研究进展 手性识别机理的分子模拟研究可分为应用理论( a p p l i e dt h e o r y ) 方法和统计 拟合( s t a t i s t i c a lf i t t i n g ) 方法。统计拟合方法应用于手性识别研究的主要是定量结 构一对映体保留关系( q s e r r s ) 方法，q s e r r s 的基本思想是假设手性分子的结 构参数与手性分离色谱参数之间有相关性，由已知的数据库建立模型，并采用多 种数学分析方法建立色谱参数与手性分子结构参数之间的定量关系，然后采用内 推法或外推法应用于同系列未知物的定量结构一对映体保留关系研究或从这种定 量关系中找出影响色谱手性识别的主要因素从而阐明手性识别的机理。q s e r r s 研究的方法和目标( 用途) 1 4 2 见图1 3 所示。 自从n o r i n d e r 和h e r m a n s s o n 报道了q s e r r s 方法【删后，随着计算机技术的 不断发展，分子力学、分子动力学、量子化学等理论的进一步发展，手性分子的 结构参数计算越来越易得，从而使得该方法被广泛的应用于手性识别机理的研究 领域 4 2 4 7 】。近年来，作为对二维定量结构一对映体保留关系研究的补充和扩展，三 维的定量构效研究方法3 d - q s e r r s 也被应用到该研究领域中，但至今为止仅仅 处于起步阶段。 图1 - 3q s e r r s 研究的方法和目标 1 0 第一章绪论 应用理论方法则主要包括分子力学方法，分子动力学、蒙特卡洛方法和量 子力学方法，其中最具有代表性的成果是l i p k o w i t z 研究组的工作【4 8 5 0 】。 l i p k o w i t z 等【5 l 彤】人对p i r k l e 类型c s p 的识别机理作了系统的研究。首先对共 价型p i r k l e 类的3 ，5 二硝基苯甲酰基丙酰胺类固定相c s p l 进行了模型设计， 见图1 - 4 ，分别用分子力学方法( m m 2 ) 、半经验分子轨道方法和量子力学方 法对c s p l 进行多维势能面搜索，以确定分子的低能构象，继与实验结合的构 象分析来确定分子在分离过程中可能的构象分布。此后又扩展到离子型p i r k l e 类手性固定相c s p 2 及第二代p i r k l e 类型手性固定相c s p 3 ，模型化为c s p 3 。 1 9 8 8 年，l i p k o w i t z 小组采用分子轨道理论、分子力学方法对2 ，2 ，2 三氟1 ( 9 蒽基) 乙醇对映体与c s p l ( r - 苯基) 的相互结合作用进行了研究，提出了手性色 谱分离的空间对接方法【5 3 1 ，其计算步骤大体为：首先对r 、孓构型的对映体及固 定相分子的空间构型进行优化，求得最优构象和最低能量值，然后将两者进行空 间对接，对接的方式是使手性分子以其手性中心原子为原点在围绕c s p 的手性中 心为球心以两分子的手性中心为半径的球面上公转的同时进行自转。此模型被成 功的应用到了很多手性识别体系中瞰- 6 2 。1 9 9 2 年，l i p k o w i t z t 删提出新的计算方法， 该方法是将c s p 和手性分子的所有主要构象及两个分子所有主要的作用方向都考 虑在内，计算了统计力学平均作用能左。 h a n a i l 6 3 】研究了衍生化氨基酸对映体在两种p i r k l e 类型c s p 上的分离机理，用 分子力学( m m 2 ) 方法计算了手性分子对映体与c s p 形成的能量。结果表明： d 对映体与l c s p 和l 对映体与d c s p 形成的非对映体络合物的能量都低于d 一 对映体与d c s p 和i 广对映体与l - c s p 形成的非对映体络合物的能量。 t o p i o l 等 6 5 】人用半经验量子力学方法和分子动力学方法模拟n ( 2 萘基) 一 丙氨酸甲酯与僻毋- n ( 3 ，5 二硝基苯甲酰基) 亮氨基- n 丙基酰胺作用时，发现“三 点作用”在两种非对映异构体中都存在，并不只存在于墨孓非对映异构体中，通 过测定非对映体络合物的m m f f 和a m l 理论计算的结构和能量参数，认为非 对映体络合物能量差别是立体效应( 空间匹配) 所致，也就是说，手性分离的驱 动力主要来自范德华力。借此他提出了通过距离矩阵来预测手性识别的方法 ( d i s t a n c e m a t r i xa n a l y s i ss c h e m e ) 。e d g e 等提出了包括立体效应在内的手性识 别分子模拟。c s p 在一个以圆柱体定位的框内，手性分子围绕c s p 移动，并形成 具有不同作用能的非对映体络合物。手性分子将有几千个与c s p 结合的方向，经 第一章绪论 能量最小化，权重平均得到作用能最低的构象，比较对映体的权重作用能可以判 断分离可能性及色谱流出顺序。 c ：s p i ( r - m e ) a n 卜t 摊麓扣叫 耐一嘞一一 图1 - 4 手性固定相模型的简化 1 4 本论文的思路 苯基甘氨酸型手性固定相c h i r e x3 0 0 1 是属于p i r k l e 型固定相( 兀类型) 的一种。这类固定相在手性液相色谱领域中使用量大，适用面广，一直是手性拆 分及手性识别机理研究的热点。本文第一部分的工作是利用高效液相色谱法对安 息香及其类似物和联萘系列化合物在手性固定相c h i r e x3 0 0 1 的手性拆分进行了 探讨，考察了流动相组成及柱温等对保留及对手性拆分效果的影响，利用热力学 方法对手性拆分机理进行了初步探讨。本文第二部分的工作是拟采用分子力学方 法进一步研究固定相c h i r e x3 0 0 1 的手性识别机理，探讨影响手性识别的主要因 素、手性固定相c h i r e x3 0 0 1 的手性识别区域以及什么作用力控制着手性识别、 如何控制等问题。 1 2 第一章绪论 6 7 8 参考文献 冯拇山，有机立体化学，北京：人民教育出版杜，1 9 8 4 叶秀林，立体化学，北京：高等教育出版社，1 9 8 2 陈良，乐美卿，立体化学基础，北京：化学化工出版社，1 9 9 2 尤启冬，林国强，手性药物研究与应用，北京：化学工业出版社，2 0 0 3 ，3 5 l i ，c y ；c h e n g ，s z d ；w e n g ，x ；g e ，j j ；b a i ，f ；z h a n g ，j z ；c a l h o u n ，b h ；h a i r s ，f w 0 c h i e n ，l c ；l o t z ，b l e f to rf i g h t ，i ti sam a t t e ro fo n em e t h y l e n eu n i t ，j a m c h e m s c o 2 0 0 1 ， 1 2 3 0 缈，2 4 6 2 - 2 4 6 3 尤田耙，手性化合物的现代研究方法合肥，中国科学技术大学出版社，1 9 9 3 ， 1 3 1 6 a n o n f d a sp o l i c ys t a t e m e n tf o rt h ed e v e l o p m e n to f n e ws t e r e o i s o m e r i cd r u g s ，u s ，f 0 0 d a n dd r u ga d m i n i s t r a t i o ng u i d n a c e ，w a s h i n g t o n ，d c 1 9 9 2 t m a ，c d ；o l i v e i a r , d ；y u ，s f ；c h i r a li o n i cl i q u i dt h a tf u n c t i o sa sb o t hs o l v e n ta n dc h i r a l s e l e c t o rf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fe n a n t i o m e r i c c o m p o s i t i o n so fp h a r m a c e u t i c a lp r o d u c t s a n a l 幽绷1 2 0 嘶，嬲，1 3 4 9 - 1 3 5 6 f u r u m i ，s ；y o k o y a m a ，s ；o t o m o ，a ；m a s h i k o ，s ；c o n t r o lo fp h o t o n i cb a n d g a p si nc h i r a l l i q u i dc r y s t a l sf o rd i s t r i b u t e df e e d b a c ke f f e c t 刃l 加s o l i df i l m s 2 0 0 6 ，4 9 9 ( 1 - 2 ) ，3 2 2 - 3 2 8 尤启东，林国强，手性药物研究与应用，北京：化学工业出版社，2 0 0 3 ，3 7 安永祥，新型酞胺类手性固定相选择物合成研究，硕士论文，2 0 0 5 吴坚平，杨立荣，手性化合物制备与合成，中国化工信息，2 0 0 2 ，4 5 ，1 7 孙万儒，手性化合物和手性药物的酶法合成，药物生物技术，1 9 9 6 ，3 例，2 3 9 2 4 5 奕燕，陈笑艳，麻黄碱对映异构体的柱前手性衍生化一反相高效液相色谱法拆分，分析测 试学报，2 0 0 1 ，2 0 倒，1 2 1 4 罗维早，李章万，张志荣，手性药物的色谱分离进展，华西医学杂志，2 0 0 0 ，1 5 仰，2 9 5 - 2 9 8 吕湘林，杨宪桂，光学异构体的手性h p l c 拆分法及其药学应用研究的进展( 续) ，药学学 报，1 9 8 8 2 3 ( 1 ) 。6 7 1 9 1 7 侯经国，周志强，高效液相色谱手性拆分中的“刷型”手性固定相，色谱，1 9 9 7 ，删， 2 0 6 2 1 1 1 8 彭清涛，胡文祥，谭生键，药物对映体h p l c 分离测定研究新进展，药学学报，1 9 9 8 ，3 ，口缈， 7 9 3 19 o k a m o t o ，ye t a 1 c h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e sf o rh p l c ：c e l l u l o s et r i s ( 3 ，5 d i m e t h y l p h e n y l c a r b a m a t 毒) a n dt r i s ( 3 ，5 - d i c h l o r o p h e n y lc a r b a m a t e ) c h e m i c a l l yb o n d e dt os i l i c a g e l l q c h r o m a t o g n1 9 8 7 ，1 0 ，1 6 1 3 - 1 6 1 6 2 0 d a n i e l ，、；a r m s t r o n g c h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e sf o rh i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h i c s e p a r a t i o no fe n a n t i o m e r s ：am i n i - r e v i e w j o u r n a lo f t i q u i dc h r o m a t o g r a p h y 1 9 8 4 ，7 。3 5 3 3 7 6 2 1 m i k e s ，f ；b o s h a r t ，q ；g i l a v ，e r e s o l u t i o no fo p t i c a li s o m e r sb yh i g hp e r f o rm a n c el i q u i d c h r o m a t o g r a p h y , u s i n gc o a t e da n db o n d e dc h i r a lc h a r g e t r a n s f e rc o m p l e x i n ga g e n t sa s s t a t i o n a r yp h a s e s zc h r o m a t o g r1 9 7 6 ，1 2 2 ，2 0 5 - 2 0 9 2 2 b a c u k , r ；l a n d r a m ；d u b o i s ，r ；d e h m ，h l i u q i dc h r o m a t o g r a p h i cr e s o l u t i o no f r a c e n f i c b e a t - 3 ，4 一d i h y d r o x y p h e b y l a l a n i n e zc h r o m a t o g z 1 9 7 1 ，6 0 ，3 51 3 6 1 2 3 m i k e s ，f ；b o s h a t t , g ，g i l a v ，e ；h e l i c e n e s r e s o l u t i o no nc h i r a lc h a r g e - t r a n s f e rc o m p l e x i n g “a g e n t su s i n gh i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y zc h e m s o c c h e m c o m m 1 9 7 6 , 9 9 1 0 0 2 4 d 0 b a s h i ，a ；o k a ，i c ；h a m , s o p t i c a lr e s o l u t i o no ft h ed a n dl - a m i n oa c i df a m i l yb y 1 3 9 m n 圪b h 坫坫 第一章绪论 l i q u i d s o l i dc h r o m a t o g r a p h y za m c h e m s o c 1 9 8 0 ，1 0 2 ，7 1 2 2 2 5 h a r a ，s ；d o b a s h i ，a l i q u i dc h r o m a t o g r a p h i cr e s o l u t