（应用化学专业论文）多糖类氨基甲酸酯衍生物的合成研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i w - i 暑r i 摘要 在现代液相色谱中，各种新型高效的色谱固定相已成为研究热点。各种多 糖及其衍生物例如纤维素、淀粉、壳聚糖等，当其用作高效液相色谱手性分 离固定相时，具有良好的手性识别能力，其中对纤维素衍生物尤其是纤维素 苯基氨基甲酸酯及其衍生物的物理化学性质以及其手性分离能力方面都已经 做了很系统的研究。手性色谱的核心是手性固定相，因此设计开发识别能力 强、负载能力大、应用范围广的手性分离固定相( c s p s ) 一直是手性色谱分 离的研究前沿。本文合成的纤维素及淀粉氨基甲酸酯衍生物，可用作手性分 离固定相。 本文的工作有以下三个方面： 简述了手性分离的重要意义及液相色谱在手性分离上的优越性。综述了 高效液相色谱手性固定相的发展过程，特别是多糖衍生物在液相色谱中的应 用，并探讨了纤维素衍生物用于手性拆分的机理。 以三光气法合成了异氰酸酯。在不断探索合成优化取代苯基异氰酸酯方 法的基础上重点合成了异氰酸一9 h 芴2 酯，考察了其合成工艺，对其结构进 行了表征。 合成纤维素及淀粉氨基甲酸酯衍生物。以微晶纤维素和直链淀粉以及自 制的异氰酸酯为原料合成了纤维素及淀粉氨基甲酸酯，对所合成衍生物的结 构进行表征。 关键词：氨基甲酸酯；异氰酸酯；手性分离；纤维素衍生物 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a bs t r a c t m a n yd e r i v a t i v e so f p o l y s a c e h a r i d e ss u c ha sc e l l u l o s e ，a m y l o s e ，c h i t o s a nh a v e b e e ne x a m i n e da sc h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e s ( c s p s ) f o re n a n t i o s e p a r a t i o nb yh p l c a m o n gt h e m ，c e l l u l o s ed e r i v a t i v e s ，e s p e c i a l l yp h e n y l c a r b a m a t ed e r i v a t i v e s ，h a v e b e e nm o s te x t e n s i v e l ys t u d i e da n dm a n y e m p i r i c a lc o r r e l a t i o n sh a v eb e e ne s t a b l i s h - e db e t w e e nt h ep h y s i c a lo rc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n de n a n t i o m e rr e c o g n i t i o na b i l i t i e s o fc s p s t h ep e r f o r m a n c eq u a l i t i e so fc s p si nt e r m so fr e c o g n i t i o na n ds e l e c t i v e c h i r a lr e t e n t i o na r ea tt h eh e a r to f t h e s es e p a r a t i o nt e c h n i q u e s s o ，t h i sf i e l dr e m a i n s o n eo ft h em o s te x c i t i n gi nt h es e p a r a t i o ns c i e n c e s 强em a i nw o r k so f t h et h e s i sa l ea sf o l l o w s ： t h ed e v e l o p m e n to ft h ec h i r a ls t a t i o n a r ya n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ec e l l u l o s e d e r i v a t i v e s a sc h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e si nh i g h - p 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 w e r er e v i e w e d t h es e p a r a t i o nm e c h a n i s mb a s e do nt h ec h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e w a sd i s c u s s e d s y n t h e s i so fi s o c y a n a t e sw i t ht r i p h o s g e n e 9 h - f l u o r e n - 2 - y l i s o c y a n a t e ， 4 - b r o m o p h e n y li s o c y a n a t e ，4 - c h l o r p h e n y l i s o c y a n a t ee t c ，w e r ep r e p a r e df r o m t r i p h o s g e n ea n dc o r r e s p o n d i n ga m i n e su n d e ran i t r o g e na t m o s p h e r e ，t h es y n t h e t i c c o n d i t i o n ss u c ha sr e a g e n tf o r m u l a , r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dr e a c t i o nt i m ew e r e o p t i m i z e d t h e i rs t r u c t u r e sw e r ec o n f i r m e db yf t - i r ( k b rb a c k g r o u n d ) a n d n m c e l l u l o s ea n da m y l o s ed e r i v a t i v e sw h i c hc o u l db eu s e da sc s p sw e r es y n t h e - s i z e df r o mc e l l u l o s e ( a m y l o s e ) a n dc o r r e s p o n d i n gi s o c y a n a t e sb a s e do nt h e l i t e r a t u r e s t h ec h e m i c a ls t r u c t u r e so ft h eo b t a i n e dp r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e d k e yw o r d s ：c a r b a m a t e ；i s o c y a n a t e ；c h i r a ls e p a r a t i o n ；c e l l u l o s ed e r i v a t i v e s i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 ， 作者( 签字) ：洲f 二骋 日期：呷年占月肜日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 曲在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：卅品勇 日期：扣罗年月日 新( 签字) ：别匆 吲月谬日 哈尔滨工程大学硕十学传论文 1 1 概述 第1 章绪论 手性是自然界的一种普遍现象。构成生物体的基本物质如氨基酸、酶、 载体、受体、血浆蛋白和糖类化合物等都是手性分子，手性分子的化学、物 理和生物活性都与手性环境密切相关，任何生命现象离不开手性。如果一个 物体不能与其镜象重合，该物体就称为手性物体。在这种情况下，这两种可 能的形态被称为对映体，彼此是互为对映的。对映异构体很像人的左右手， 它们看起来非常相似，但是不完全相同。当不存在外部手性影响时对映体具 有完全相同的化学和物理性质，这就意味着两对映体具有相同的熔点、溶解 度等。但对映体却有一种性质是彼此不同的那就是它们旋转平面偏振光的方 向( 简称旋光) ，这个现象称为光学活性0 - 3 1 。 据报道，天然或半合成药物几乎都具有手性特征，其中9 0 以上为光学 活性物；在全合成的药物中约有4 0 为手性药物。而且，7 0 0 多种药物有一 半至少含有一个手性中心，其中9 0 为外消旋体。药物通过与体内大分子的 不同立体结合，可产生不同的吸收、分布。目前常用的手性对映体代谢和过 程，从而导致药物动力学参数的变化。由于手性药物的两个对映体的体内药 动力学过程不同，而可能具有不同的药理作用，甚至药效拮抗，也可能一个 对映体是消旋体药物不良反应的根源。因此手性药物的分离和测定，对研究 手性药物的体内动力学过程，确定药动力学参数，药理和毒理作用机制，以 及手性药物质量控制等都具有重要意义。表1 1 列举一些手性药物对映异构 体的不同作用。 在大量的事实面前，使人们不得不对具有光学活性的手性药物给以特别 的重视，美国食品和药物管理肩于1 9 9 2 年做出第一个政策性规定：研制具有 不对称中心的药物，必须对其各个对映体进行测定和评价。在医药工业中， 已知药物中约有3 0 4 0 光学活性的手性药物，销售份额已超过药物总量的 哈尔滨工程大学硕十学位论文 5 0 。在农药工业中，农用天然杀虫剂全为手性，合成杀虫剂中1 7 为手性 杀虫剂。随着生命科学，特别是生物化学和药物化学的发展，对光学活性的 手性药物的需要越来越大，手性对映体的分离和光学纯度的确定已普遍引起 人们的重视，欧洲以及日本等发达国家的一些厂家己把生产高效的光学纯药 物制品作为市场竞争的法宝i 卅。 表1 1 手性药物对映体的不同药理作用 1 2 手性体拆分方法 将一个外消旋体的二个对映体分开，使之成为纯净的状态，称为外消旋 体的拆分，或称为拆解。手性化合物的生产一般通过手性合成和手性拆分两 大途径。虽然手性合成可以直接得到纯度较高的光学纯物质，但其产率普遍 较低。相反，若采用恰当的手性拆分技术，就可以得到较高产量的对映异构 体。本文将针对迄今在实验室或工业领域中使用的手性拆分技术进行简要的 综述。手性拆分技术主要分为两大类，一类为非色谱法，包括直接结晶拆分 法、化学拆分法、动力学拆分法和手性膜拆分法；另一类是色谱法，包括薄 层色谱、气相色谱、高效液相色谱、超临界色谱、毛细管电泳法等，已成为 新药研究和分析化学的研究的重要领域之一，同时也是色谱学中研究最为重 要的分支一手性色谱学。色谱分离手性化合物对映体分可为间接法和直接法。 前者又称手性试剂衍生化法( c d f ) ，后者则可分手性流动相添加剂法 2 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 ( c m p c ) 和手性固定相法( c s p ) 。无论哪一种方法，都是以现代色谱分离 技术为基础，引入不对称中心( 或光活性分子) 。不同的是c d f 法是将其引入 分子内，而c m p c 和c s p 则引入分子间。引入手性环境使药物对映体间呈现理 化特性的差异是色谱拆分的基础【7 , 8 1 。 1 2 1 物理拆分法 1 、晶体机械分离拆分法 1 8 5 8 年，p a s t e u r 借助放大镜，用镊子将酒石酸铵盐的两种对映异构体的 晶体进行分离。从这个例子可以看出，晶体机械分离拆分法的要求生成的晶 体较大，并且在宏观上能直接辨别。因此符合这些要求的例子很少，即使能 适合此方法操作也很繁琐，效率十分低下，故实际应用很少协1 。 2 、手性溶剂结晶法 在适宜的条件下，成核与晶体的生长并不一定需要特定对映异构体的晶 种。手性溶剂拆分就是利用外消旋体的两个对映体与手性溶剂的溶剂化作用 力的差异。许多实验证明，用离子型的金属有机络合物在含羟基的光学活性 溶剂中进行结晶时，能观察到溶解度的差别。w y n b e r y 等用( 一) a 蒎烯作 溶剂，通过直接结晶法拆分了类似七环杂螺烯的外消旋体。但这种方法需要 寻找特殊的手性溶剂，且适于拆分的外消旋混合物的范围相当狭窄，故实际 工业生产的意义不大。 3 、接种晶体析解法 此法一般在一个外消旋混合物的热饱和溶液中加入纯对映体之一的晶 种，然后冷却，则同种对映体将附在晶体上析出，滤去晶体后，母液重新加 热并补加外消旋混合物使之饱和，然后加入另一种对映体的晶种，冷却使另 一种对映体析出。由于此种方法工艺简单、成本低、效果好，因此是比较理 想的大规模拆分方法。目前，该法已经应用在大规模生产氯霉素、( 一) 薄荷 醇以及抗高血压药甲基多巴等手性药物上。但是在生产过程中，为了使外消 旋混合物饱和，必须采用间断式结晶，这无疑延长了生产的周期，增加了生 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i 宣i i i i i i i i i i i - - _ _ i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 产成本1 9 - ) 。 1 2 2 化学拆分法 1 、经典成盐拆分法 化学拆分法是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，然后利用非对映体之间物理性质和化学性质的不 同将两者分开。拆分成功的关键是选择合适的拆分剂。合适的拆分剂应该易 与对映体生成非对映体，且溶解度差别较大，经拆分后又易再生还原为原来 的对映体。虽然，这种方法一直被作为重要的拆分方法，但其局限性也很明 显：拆分剂和溶剂的选择较为盲目；拆分的产率和产品的旋光纯度不高；适 用于手性拆分的化合物的类型不多。近年来，随着主客体化学的深入研究而 开发出来的包结拆分和组合拆分等新型手性拆分技术在一定程度上解决了经 典成盐拆分方法的不足【1 2 l 。 2 、包结拆分法 包结拆分与经典成盐拆分相比，所拆分的化合物不再局限于有机酸或者 有机碱。此法主要利用主一客体分子之间存在很强的分子识别作用，而使得手 性化合物通过氢键及分子间次级键作用，选择性地与某一个对映异构体形成 稳定的包结络合物( i n c l u s i o nc o m p l e x ) 而析出，从而实现对映体的分离。由 于主一客体分子之间不发生任何化学反应，因而很容易通过溶剂交换过程，以 及逐级蒸馏等手段实现主体与客体的分离，使得溶剂可以重复使用，因此包 结拆分操作简单、成本低廉、易于规模生产，具有很高的生产价值。光学纯 的联二苯酚的制备一直是一个难题，但最近m e r c k 公司的c a i 等采用乙腈为 拆分溶剂，使用略过量的氯化n _ 苄基辛可尼定作为手性主体，与r ( + ) 联二苯酚形成包结晶体留在母液中的s ( 一) 联二苯酚的光学纯度可以达到 9 9 ，包结晶体通过甲醇萃取不但可交换得到手性主体，还可以进一步提高 r ( + ) 联二苯酚的光学纯度( 9 9 8 ) 。这种方法极易放大，具有良好的工 业应用前景1 1 3 1 l 。 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 2 3 动力拆分法 经典动力学拆分是基于两个对映异构体对于某一反应的动力学差异。在 不对称反应环境中的反应进行到一定程度时，两个对映异构体的剩余反应底 物和产物的量不同，可以分别进行回收或分离。从上述，可见通过经典动力 学得到的光学纯产物的最大产量为5 0 ，且在许多情况下有一个异构体几乎 没用。因此，为了克服以上缺点，人们开始采用动态动力学拆分方法，就是 在拆分过程中伴随着底物的现场消旋化，从而使消旋的起始原料更多地转化 为单一对映体。如果立体异构化速度相对于反应速度足够快时，从起始消旋 原料得到纯对映体产物的产率可大于5 0 ，理论上可以达到1 0 0 。根据所 使用的手性试剂或催化剂的不同，可将反应分为酶法和化学法。 1 、酶法 由于酶本身就是一个手性催化剂，能选择性地作用于对映异构体中的某 一异构体，而对另一异构体则不起作用，从而起到拆分作用。另外酶催化的 副反应很少、产率高、反应的条件也较为温和，而且酶无毒、易降解、不会 造成环境污染，这些都使得用酶拆分外消旋体成为理想的选择。消炎止痛药 酮酪酸，其s ( 一) 异构体的药效比r ( + ) 异构体强。在碱性条件下，由于 烯醇化作用很容易消旋化，用从灰色链霉菌中提取的蛋白酶进行动态动力学 拆分可得到高效产物s ( 一) 异构体，收率为9 2 ( 光学活性= 8 5 ) 。尽管 酶法拆分外消旋体在实验室制备或工业生产手性化合物中都已取得长足的进 步，但是仍然存在不少局限，比如可利用的酶制剂品种有限、酶易被破坏、 容易失活等。但随着生物技术的迅猛发展，尤其是基因工程、蛋白质工程的 发展，已为新酶开发、酶产量和酶活性提高开辟了新的途径。美国g e n e t e c h 公司以具备技术使t 4 溶菌酶第3 位的异亮氨酸变成半胱氨酸，因而可和9 7 位的半胱氨酸形成一对二硫键，使酶在高温下的稳定性大大增加【1 5 1 6 1 。 2 、化学法 当外消旋体与某一手性试剂反应或在手性助剂存在下反应时，由于反应 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 中生成的过渡态( 非对映体) 不同而导致对映异构体反应速度的不同，因此 通过选择手性试剂和控制反应进程可以使其中的一个对映体转化成产物，而 另一对映异构体则不发生反应，从而达到分离的目的。化学动力学拆分方法 可采用等当量的手性助剂加反应试剂的方法，也可直接使用手性催化剂。最 近，利用手性助剂对a 卤代胺或a 卤代羰基化合物进行动态动力学拆分引起 了人们的普遍关注。用手性助剂和a 卤代羰基化合物形成的非对映异构体混 合物与不同的亲核试剂反应，表现出不同的立体选择性1 1 7 l | l 。 1 2 4 手性膜拆分法 膜分离由于具有低能耗、稳定性强、易于连续操作等优点，是进行大规 模手性拆分工艺中比较有潜力的方法之一。手性拆分的膜系统可以分为3 类： 第一类为用于专一性底物催化的膜系统；另外两类膜系统是以非专一性反应 为基础的，一类为支撑液膜，另一类为致密固膜【1 9 , 2 0 1 。 1 、支撑液膜法 支撑液膜( s u p p o r t e dl i q u i dm e m b r a n e 简称s l m ) 是膜拆分法中最早使用 的膜拆分方法，但其稳定性较差。不过，随着近年来手性固膜的发展其稳定 性有所提高。在支撑液膜中，具有手性选择能力的载体溶解于一定的液体溶 剂之中，通过与某个对映异构体特异性的结合，将其从上相运输到下相，从 而实现手性分离。在支撑液膜中，环糊精、酒石酸的衍生物、冠醚等都是常 用的特异载体。由于支撑液膜的稳定性较差，其工业应用一直受到很大限制。 支撑液膜的不稳定性主要表现在两个方面，其一是流量下降，这主要是因为 载体的流失；其二是膜两侧的上下两相可以通过支撑膜较大的孔道接触。为 了提高支撑液膜的稳定性，应尽量采用不溶于水的溶剂与载体，支撑膜的孔 径和溶剂的流量都尽可能的小，从而有效防止载体的冲失。 2 、致密固膜 为了克服液膜的不稳定性，致密固膜得到了很大的发展。在固膜中，不 同的异构体是通过选择性的吸附或扩散过程来完成穿膜过程的。因此，可以 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将用于手性拆分的固膜分为：扩散性选择固膜及吸附性选择固膜。 扩散性选择固膜的形式一般有：由带选择性并能自身支撑的高聚物组成， 包括带有大型手性侧链基团的聚合物( 聚甲硅烷丙炔、聚降冰片二烯等) 、具 有手性主链的聚合物( 手性多聚氨基酸、手性多聚苯基乙炔等) 。国外有报道 ( + ) p o l y 2 - d i m c t h y l ( 1 0 - p i n a n y l ) s i l y l n o r b o m a d i e n e ) 膜可拆分( d l ) 一心得 安。另一种形式是由不能自身支撑但具有选择性的高聚物涂抹在非选择性的 支撑体表面。扩散选择性固膜一般都不带有特殊的手性选择剂，扩散性选择 形成的原理是一种对映体比另一种对映体在固膜中更容易扩散。 吸附性选择固膜主要是利用嵌在聚合物母体中的手性选择剂来进行手性 拆分的。其手性拆分是基于待分离物与手性选择剂之间特殊的分子间作用。 通常一种异构体较多地被选择性吸附在手性选择剂上，而另一种异构体则较 多地游离在聚合物母体之中。吸附性选择固膜的制备方法大致分为两类，一 种采用了分析分离中常用的手性选择剂，包括环糊精、冠醚、p r i k l e 型选择 剂等。另一种则利用了新兴发展起来的分子印记技术。小牛血清蛋白( b s a ) 和卵糖蛋白具有对某些氨基酸衍生物和药物异构体的识别位点，可作为手性 选择剂来制备手性拆分膜。用此膜进行d l 一1 砷的手性拆分，分离因子达到 1 2 ，并且稳定性很好，具有较大的工业应用前景。由于选择性与透过通量之 间的反相关系，扩散性选择固膜的应用受到了限制，只有通过扩大膜面积或 者增加平衡级数来弥补，但这在实际的应用中是很不经济的。而吸附性选择 固膜比扩散性选择固膜具有更大的工业应用前景，可以在选择性和透过通量 两方面同时提高，从而使吸附性选择固膜在手性拆分工业中的大规模应用成 为可能。 1 2 5 色谱拆分法 1 、薄层色谱( 1 r i ) 拆分法 t l c 是最简便的色谱技术之一，其分离方式有手性试剂衍生化法( c d r ) 、 手性流动相添加剂法( c m p a ) 和手性固定相法( c s p ) ，用的较多的是c s p 。 7 哈尔滨工程大学硕士学 = 7 ：论文 c s p 的技术关键在于制备不同的手性薄层板，常用的有：( 1 ) 纤维素板及预 涂纤维素的薄层板可用于拆分氨基酸及其衍生物，二肽等对映体。用非均相 乙酰化方法制得的纤维素三醋酸( m ) 制备成的薄层板可用于拆分氨基 酸衍生物、镇痛剂的苯酯、黄酮类化合物及一些具有重要生理活性的手性药 物对映体。( 2 ) 浸渍手性选择剂的手性薄层板，主要是浸渍有1 氨基酸烷 基衍生物的铜( i i ) 复合物的薄层板。( 3 ) 分子印记法是制备具有高选择性 的合成高分子的方法，常用的载体有硅胶及氨基、氰基、二醇基修饰的硅胶 等，对氨基酸、糖及其衍生物、一些手性药物都表现出亲和力，但是有些用 做印记分子的物质溶解性差，对手性分离不利。( 4 ) 将手性选择剂化学键合 到载体上，进行对映体分离的化学键合的手性薄层板主要有b 环糊精( b c d ) 键合相薄层板、p r i c k l e 型手性薄层板、萘乙基脲型薄层板。最近朱全红将b c d 健合相用苯基异氰酸醋及3 ，5 一二硝基苯甲酰氯进行衍生化，制备了衍生化的 b c d 键合相薄层板，在反相色谱条件下分离了氨基酸对映体及一些临床常用 的手性药物对映体如氧氟沙星等1 2 1 - 2 q 。 2 、高效液相色谱( h p l c ) 法 h p l c 分离手性药物对映体的方法可分为间接法和直接法两大类，前者又 称为手性试剂衍生化法( c d r ) ，后者又可分为手性固定相法( c s p ) 和手 性流动相添加剂法( c m p a ) 。 间接法是利用手性药物对映体混合物在预处理中进行柱前衍生组成一对 非对映体，根据其理化性质的差异，应用液相色谱在非手性柱上得以分离。 直接法的分离原理是手性药物对映体之一与手性固定相或手性流动相添 加剂发生分子间的三点作用，形成暂时的非对映体的结合物质，前者较后者 稳定，通过洗脱使两个对映体分离。直接法分手性流动相和手性固定相两种 方法。手性流动相是手性药物对映体与加入到流动相中的手性添加剂间形成 非对映体复合物，再用非手性柱分离。手性固定相则是直接与手性药物消旋 物相互作用，其中一个生成具有稳定的暂时的对映体复合物，在色谱洗脱时 保留时间不同因而得以分离1 2 5 - 3 0 l 。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 、毛细管电泳( c e ) 拆分法 c e 以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品各组分之间淌 度和分配行为的差异而实现分离，具有高效、快速、简便等特点而被广泛应 用于手性分离。 w r e n 和r o w e 对该法的分离机制进行了研究。按照毛细管电泳的操作模 式、分离方式可分为毛细管区带电泳、毛细管凝胶电泳、胶体电动色谱和毛 细管点色谱体系。毛细管区带电泳分离效果很高，一些位置异构体如反式丁 烯二酸( 富马酸) 和顺式丁烯二酸( 马来酸) 等可用其直接分离。胶体电动 色谱m e c e 是毛细管电泳的一种操作方式，特别适用于脂性化合物的分离。毛 细管点色谱体系是在毛细管壁上键合涂渍基内填充固定相进行电泳的方式， 目的是希望将h p l c 发展的各种固定相能用到c e 中去，但又保持c e 的固有特 点，这种方式在对映体分离中也取得了成功1 3 “3 q 。 4 、超临界流体色谱( s f c ) 拆分法 s f c 在手性药物拆分中具有一定的优越性。超临界流体的粘度近于气体， 比液体低得多，可减少过程阻力。采用细长色谱柱可以增加柱效。b e o g e r 将1 1 根2 0 c m 硅胶填充柱串联起来，在s f c 条件下获得了2 2 0 0 0 0 的塔板数。s f c 色谱柱通常有两种类型，一类为填充柱，内径4 6 m ，长度1 5 0 2 5 0 m m ，这 类柱具有高选择性，为强柱性手性分子的拆分提供了可能性。另一种为开管 毛细管柱，用于s f c 手性分离的开管毛细管柱一般内径为5 0 1 0 0 t m ，长度为 2 5 2 0 m ，料粒度为0 1 5 加2 5 1 m ，这类手性柱具有高的柱效，温和的操作条 件，可以使用多种类型的检测器嘲。 5 、气相色谱( g c ) 拆分法 用g c 拆分手性化合物对映体，需要有手性固定相。自1 9 8 8 年环糊精衍生 物用做毛细管g c 固定相成功拆分了对映体以来，已有几十种改性的环糊精相 继合成，成为新一代高选择性的手性色谱固定相。1 9 8 6 年e g i t a v 等在涂有低 分子量含氢键的性活性固定相的玻璃毛细管柱分离了9 对1 8 种消旋蛋白质氨 基酸的三氟酰酐( t f a ) 衍生物，1 9 7 1 年又采用活性金属配位化合物作为手 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1i1i 性选择剂分离对映体，从而扩大另外气相色谱对映体分离的范畴。手性固定 相气相色谱拆分手性药物的步骤为：( 1 ) 合成手性试剂。丁玉强等人以b 环糊精( b c d ) 为原料合成了具有较高立体选择性的全甲基化羟丙基b 环糊 精；( 2 ) 制柱。弹性石英毛细管柱清洗吹干处理后，将手性试剂溶液以适当 方法( 如静态法) 涂柱，吹干，老化即得；( 3 ) 样品衍生化。多数药物样品 需衍生化后可满足g c 条件要求，如将醇类药物酰化，将酸类药物酯化等；( 4 ) 设定恰当的色谱条件，包括检测器、汽化室温度、检测室温度等i 蚓。 1 2 6 各种手性拆分技术比较及发展现状 以研究发展的先后顺序排列，手性拆分技术主要分为直接结晶、化学拆 分、酶法拆分、色谱拆分、手性膜拆分五大类。它们有各自的特点和缺陷。 直接结晶法是应用最早的手性拆分技术，距今已有近1 5 0 年的历史，有多种 体系己完成了工业化，但是，其操作繁琐，流程过长，热量消耗大等缺陷直 接制约了直接结晶法的发展。 化学拆分法是目前应用最广的拆分法，从简单的化工原料到结构复杂的 手性药物都有化学拆分法的报道，其中部分已得到了工业化应用，但是现有 化学拆分试剂，如乙氰、酒石酸等，都是有毒物质，以现有较低手性试剂回 收率，不但成本高，而且对环境有相当大的破坏作用，在环保意识越来越强 的今天，化学拆分法的应用范围在不断缩小。 特别指出的是酶法拆分技术使用了无毒，易降解，不会造成环境污染的 酶拆分剂，而且反应条件温和、收率高；但是仍有可利用的酶制剂品种有限、 酶易被破坏、容易失活等缺陷。如今生物技术的迅猛发展，尤其是基因工程、 蛋白质工程的发展，已为新酶开发、酶产量和酶活性提高开辟了新的途径。 膜分离技术由于具有能耗低、稳定性强、易于连续操作等优点，正为广 大分离工程研究者所青睐，应用涂覆有手性固定相的膜系统，不但可以有效 拆分手性物质，同时可建立反应耦合系统，不断把反应生成物移出反应体系， 使反应不断向正向进行，提高收率，加快宏观反应速度。但是，国内外对于 1 0 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 膜拆分技术的研究处于起步阶段，膜的寿命远不能达到工业化要求，目前， 国际上对此种技术的研究进展十分迅速。 色谱拆分法在对手性物质的分析级分离方面具有决定性优势，特别是与 高效液相色谱技术联用，几乎所有已知的手性物质都可以通过此法进行分离， 而且几乎没有运行成本，但是目前此法的处理量有限，仅有少数报道的处理 量超过公斤级；而且，应用高效液相色谱法，操作不连续，不易完成工业化； 通过应用模拟移动床技术，可以实现操作的连续化，同时节省约七成的溶剂、 五成的时间，但是，现有的模拟移动床技术还不尽成熟，对设备及控制系统 的要求较高，目前仍未有工业化的报道。但可喜的是，美国等国家己有成功 的范例，实现了吨年级的工业化装置。 以上是对一般体系进行宏观上的比较，但是对于特定的体系应用以上几 种方法拆分效果大相径庭，所以，我们应当因势利导，针对现有的体系，合 理选择拆分方法，达到节能、经济、高效的目的。 1 3 液相色谱手性固定相的分类 1 3 1刷型手性固定相 1 9 6 6 年，美国i l l i n o i s 大学的p i r k l ewh 研究组，以2 ，2 ，2 三氟( 1 ( 9 葸) ) 乙醇( t f a e ) 作为手性溶剂，研究2 ，4 - 二硝基苯基甲基亚枫( p 酸) 外消旋体n m r ，发现在t f a e 作用下，由于两对映体的立体构型不同， 导致其化学位移不同。t f a e 是一个p 一碱。可与吸电子芳香基p 一酸发生p - p 电荷转移作用。 随后在色谱工作者的共同努力下，又相继得到了第二代、第三代p i f f l e c s p 。其中第一代用于分离芳基亚砜，第二代可有效分离含有芳基的胺、醇、 氨基酸、亚砜、氨基麟酸等多种类型手性化合物及其衍生物，第三代c s p 一 般具有富电子( p 碱或p 一给予体) 的萘基和较长的键合烷基键，除酰型结构 外，还有脲型结构，具有更高的立体识别能力和适用范围。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 u _iiii 该类c s p 是目前使用量大，适用面广的类重要c s p ，它们具有确定化 学结构，其共同结构特征在手性中心附近至少含有下列基团之一：( 1 ) p 酸 或p 碱芳基具有给体受体相互作用能力( 电子转移络合物) 。( 2 ) 极性氢键 给体受体。( 3 ) 形成偶极相互作用的极性基团。( 4 ) 大体积非极性基团，提 供立体位阻、范德华力或构型控制作用l a l 3 9 l 。 1 3 2 配体交换色谱( l e c ) 手性固定相 所谓配体交换色谱是指在形成离子络合物的空间内形成络合键的同时， 固定相与被拆分的分子之间发生了一种内部相互作用，这种相互作用是通过 金属络合物的络合空间来完成的，是连于中心金属离子上的配位体的交换过 程。l e c 手性固定相分离对映体是基于固定相手性配体，金属离子被分离溶 质对映体形成多元配合物热力学稳定性的差异和动力学的可逆性。适当的对 映配体能给出电子到过渡金属的d 空轨道，且占据有利空间，形成定构型 的配合物，其配合物稳定性差异与过渡金属有关，即不同的中心离子所产生 的拆分结果的差别往往会很大，常见中心离子拆分能力的顺序是c u ( i i n i ( i i ) z n ( i i ) c d ( i io 故c u ( i i ) 常作为络合金属。对映体的选择和溶质洗脱 顺序主要决定于键合配体的结构和金属离子。除配合物形成外，一些附加作 用力如氢键、偶极、疏水作用亦有影响。此外通过改变手性配体的间隔臂亦 可以达到不同的拆分能力。氨基酸常被用作键合的手性配基，其中l 脯氨酸 和l 轻脯氨酸是最常用的1 4 0 l 。 1 3 3 蛋白质手性固定相 蛋白质手性固定相能分离广泛的不同类型外消旋体，是手性药物h p l c 分离中最具吸引力的c s p 之一。蛋白质c s p 研究最多的是牛血清蛋白和a 酸性糖蛋白。a l l e n m a r k 等将b s a 键合到微粒硅胶上制成能应用于h p l c 的 b s a c s p ，特别适用于分离氨基酸及其衍生物的对映体。此后还报道了几种 硅胶键合b s a - c s p 。人血清蛋白( 蟠) 也是种球蛋白，已通过二醇键合到 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 硅胶上，对酸性药物和仅芳基丙酸非甾体消炎药具有高对映体选择性。0 【酸 性糖蛋白( a g p ) 是一种人血清转运球蛋白。h e r m a n s s o n 制备了第一个硅胶 键合a g p c p s ，并取得了一系列碱性药物的分离结果，也可分析许多酸性外 消旋体。a g p c s p 是当今应用最广的c s p 之一，也是临床和药物学研究中 最出色的c s p 。多种外消旋体包括许多药物至今只能在蛋白质c s p 上分离 【4 1 4 2 】。 1 3 4 大环类手性固定相 这类手性固定相主要包括环糊精和手性冠醚。 与金属离子、氨阳离子等形成主客体包容络合物是冠醚的主要对特征。 诺贝尔化学奖获得者c r a m 在1 9 7 8 年用手性冠醚作液相色谱固定相，开创了 “主客”体作用色谱原理。其手性识别主要是基于c s p 的“空穴 主客体络合 和氢键作用。冠醚主体一般是取代联萘衍生物，它们可以键合硅胶或聚苯乙 烯基质上，其应用研究远不如环糊精广泛，主要用于分离胺和氨基酸及其衍 生物的对映体。 1 9 8 4 年由a r m s t r o n g 的研究组首次把环糊精键合到二氧化硅上用作 i - 王p l c 的手性分离固定相。环糊精( c y c l o d e x t r i n ) 简称c d ，可与各种有机 分子形成包容络合作用，分子整体上具有光学活性和立体识别能力。分子中 的羟基为其衍生化、改性、键合提供了结构基础。c d 是当前主客体化学、 超分子化学、生物模拟酶化学及分析化学等领域广泛研究的对象。c d 键合 固定相可用于正相和反相两种色谱体系。正相色谱常用的溶剂是正已崩异丙 醇混合物，其它烃、卤代烃、醇类亦可选用反相体系流动相主要是水溶性有 机溶剂如甲醇、乙腈、d m f 、t h f 与各种缓冲液的混合物。c d c s p 除用于 分离芳香族有机酸、醇、酯、氨基酸、糖类及其衍生物外，其应用研究最多 的是各种手性药物对映体的分离 4 3 删。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 3 5 分子印迹聚合物色谱固定相 早在1 9 4 9 年就有人提出，有可能利用在网状高分子化合物中形成个手 性腔而产生手性别能力。到2 0 世纪7 0 年代，w f l f f 等人将旋光化合物( 如氨 基酸) 加入到大分子单体中( 如甲基丙烯酸和乙烯基吡啶) 经交联聚合形成 高聚物，再用溶剂除去聚合物中的未参与聚合的模板化合物，形成手性印迹， 以产生手性识别能力。此后，在发展新型分子印迹手性识别材料方面取得了 不少进展【4 5 】。 1 3 6 环抗生素手性固定相 1 9 9 4 年a r m s t r o n g 把大环抗生素用作h p l c 的手性固定相，他的研究组 工作最多，其中利福霉素可以分离多种对映体，万古霉素是一种高效的手性 固定相，适于分离含有羧基的化合物。最近他又提出一个新的大环家族，二 ( 苄基异喹啉) 生物碱中的d - ( + ) 管箭毒碱盐酸盐( d t c ) ，分离了1 8 个 异构体m 。 1 3 7 多糖类手性固定相 该类手性固定相包括天然多糖以及衍生物，如纤维素，淀粉等以及合成 的手性聚合物如纤维素、淀粉等的衍生物。淀粉和纤维素都具有手性识别能 力，但它们没有直接实用价值一般需通过化学衍生制备出具有手性实用价值 的c s p 。 在己经商品化的1 0 0 多种c s p 中，多糖( 尤其是纤维素和淀粉) 衍生物类 c s p 是用途最为广泛的c s p 之一。纤维素是自然界中大量存在的具有光学活 性的天然生物聚合物，它是葡萄糖以l ，4 糖苷键相连形成的线性聚合物， 直链淀粉是葡萄糖以l ，4 糖苷键结合而成的链状化合物。由于葡萄糖单元 具有手性，聚合物又具有高级有序的螺旋结构，因此纤维素和直链淀粉是具 有光学活性的聚合物，它们本身表现出一定的手性识别能力，但作为液相色 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 谱固定相，实际应用的可能性不大。通过化学衍生，可以增加手性作用点的 数目，提高手性识别能力，所以它们的衍生物是具有实际应用价值的固定相， 具有广泛的手性识别拆分能力【4 。 1 4 多糖类手性固定相 在过去l o 年中，用于直接分离对映体的各种新型高效液相色谱手性固定 相( f i p l c c s p ) 不断被制备，使得h p l c 不仅成为测定对映异构体纯度的 有用的分析工具，而且也成为获得光学纯异构体的十分有效的方法。而用纤 维素、淀粉等多糖衍生物制备的手性固定相( c s p ) 是i - i p l c 手性拆分中使 用最广泛的手性固定相之一。 多糖类手性固定相中最主要的是纤维素和淀粉及其衍生物。纤维素是自 然界中最丰富的天然手性物质之一，是p d 葡萄糖以糖苷键在l 4 位相连形 成的线性聚合物，价廉易得。由于葡萄糖单元具有手性，因此纤维素可直接 或经衍生化后用作c s p s 。5 0 年代初就有人利用微晶纤维素拆分了氨基酸外 消旋体，但直接用微晶纤维素作c s p s ，其色谱性能往往欠佳，难以得到理想 的拆分结果。经化学改性后，即可大大提高手性拆分能力，可以分离范围极 广的手性化合物。多糖类衍生物的合成主要是通过酯化或醚化的方法来完全 取代葡萄糖结构单元上的轻基，从而引入具有不同分子结构的官能团。其衍 生物主要可分为苯基氨基甲酸醋和苯甲酸酯两大类盼s 6 1 。 1 4 1 纤维素的结构特征 纤维素是由d ( + ) 一吡喃型葡萄糖为组成单元，通过p 1 ，4 糖苷键连接 而成的线状聚合物。纤维素结构高度有序，且呈螺旋型空穴结构。组成纤维 素的每个葡萄糖单元具有5 个手性碳原子，故由n 个葡萄糖单元构成的纤维 素分子将有5 n 个手性中心。因而作为主体分子能够提供客体分子一个良好而 易得的手性环境，而且纤维素2 ，3 ，6 位上的3 个羟基，易被衍生成纤维素 酯和醚类，从而降低纤维素的极性，提高手性识别能力，制备大量的衍生物 哈尔滨工程大学硕七学位论文 c s p ，而更具实用价值【5 刀。纤维素结构如图1 2 所示： o hh 1 4 2 纤维素的拆分机制 图1 2 纤维素结构 hh 由于纤维素及其衍生物的独特结构，作为手性固定相选择性地作用于对 映异构体达到拆分。其拆分机制一般认为t 对映体不是简单地吸附在某一葡 萄糖单元上，而是插入两个单元之间的手性空腔中，形成一种包含复合物而 达到拆分。纤维素类的微晶结构对光学拆分起主要作用，被测物的保留与被 测物手性空腔之间的匹配有关。另外其衍生物( 如纤维素氨基甲酸酯) 的部 位与被拆分物之间形成氢键或偶极偶极作用，或通过被测物分子进入纤维素 空穴腔，导致腔内主体环境的改变而实现。可见，纤维素c s p 的光学分辨能 力在很大程度上依赖于它们的高级结构。规整的高级结构有利于获得高的手 性识别能力，具有芳环的化合物特别易于拆分。如对纤维素三苯基氨基甲酸 酯的x 射线分析结果表明，带有极性氨基甲酸酯的手性螺旋沟槽存在于其主 链上，如果某一消旋体可进入沟槽，则消旋体就可被有效地拆分。为了达到 有效拆分，螺旋结构必须具有高度规整性，且给电子基团( c h 3 ) 可以对上 述螺旋构象起稳定作用【s 删。 1 4 3 纤维素固定相衍生物的种类 1 4 3 1 纤维素酯类衍生物 纤维素三苯甲酸酯( c t b ) 及其衍生物是一大类用作c s p s 的纤维素酯 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 类，由于苯环的引入，提高了c s p s 的手性识别能力，此类衍生物的手性识 别能力一方面来自手性吸附点羰基和苯环，它们能分别与对映异构体的极性 部分和芳环部分发生氢键作用、偶极偶极相互作用以及x - x 相互作用，两个 单一对映体与手性吸附点的作用力不同，通过反复作用达到手性分离；另一 方面来自对映异构体在c s p s 手性空腔中的空间适应性，不同的制备条件如 涂敷溶剂影响着c t b 及其衍生物的超分子结构的有序程度和手性空腔的空 间适应性，从而影响了手性识别能力。不同的衍生物这种手性空腔的空间适 应性不同，因而手性识别能力各不相同。其中纤维素三( 4 甲基苯甲酸酯) ( c 册) 对许多手性化合物显示出很高的手性识别能力，包括药物和一些 非芳香族化合物，因此被广泛使用。o k a m o t o 等用纤维素和相应的苯甲酰氯及 其衍生物反应制备了一系列此