手性材料概述

手性材料概述,目录,手性,手性（chirality，handedness）一词源于希腊词“手” (cheir)，指左手与右手的差异特征。手性及手性物质只有两类：左手性和右手性。有时为了对比，另外加上一种无手性（no chirality）作参照，可称它为“中性手性”。左手性用learus或者L表示，右手性用dexter或者D表示，中性手性用M表示。,让巴蒂斯特毕奥于1815年发现光学活性路易斯巴斯德在1848年发现类酒石酸晶体由两种晶体组成，分别能左旋和右旋现象，类酒石酸晶体则没有，推测出手性现象是源于分子。1875年范霍夫发表了空间化学一文。首次提出了一个“不对称碳原子”的新概念。不对称碳原子的存在，使酒石酸分子产生两个变体右旋酒石酸和左旋酒石酸；二者混合后，可得到光学上不活泼的外消旋酒石酸。范霍夫用他所提出的“正四面体模型”解释了这些旋光现象。,在化学中，组成相同但空间结构上互成镜像（对映体）的分子叫手性分子。,手性材料,手性介孔材料,手性超分子,多个分子通过氢键、范德华力、电荷的库仑作用、- 、共轭等非化学建立的弱作用力而自动结合成有序有组织的聚合系统的过程称为自组装，由此形成的组成复杂的、有组织的聚集体为手性超分子，并保持一定的完整性使其具有明确的微观结构和宏观特性。,沈兴海 , 超分子化学 -概念和展望 ，北京大学出版社 ，2002.,液晶是介于各向同性的液体和完全有序的晶体之间的一种取向有序的流体，它既有液体的流动性，又有晶体的双折射等各向异性的特性。当物质结晶受热熔融或被溶剂溶解后，虽然失去固体物质的刚性，而获得液态物质的流动性，却仍然部分保存着晶态物质的有序排列，周期性错位排列形成的螺旋结构，并且能使偏振光经过液晶时，它的振动方向逐渐地扭转了一个角度，这样的液晶被称为手性液晶，又称作为胆甾相液晶。,手性液晶相,王良御, 液晶化学M. 科学出版社, 1988。,图一：手性向列型液晶和手性近晶液晶中分子的螺旋排列,图二：双重螺旋结构的手性蓝晶液相,手性超分子聚集体,手性超分子聚集体，是数目不定的大量手性分子或非手性分子通过一些非共价的弱相互作用力，自发缔合产生某个特定的相而形成的多分子实体。简单的分子，聚合物，表面活性剂，双性分子，到生物超分子在一定的条件都可以组装成手性超分子聚集体。它既可以由手性分子构筑而成，也可以由手性分子诱导非手性分子组装而成，甚至可以由非手性分子自组装形成。,图三：带有手性集团的盘状分子诱导非手性的盘状分子形成手性聚集体,Smulders, M. M. J .，etc.J. Am. Chem. Soc., 2007, 130 (2): 606-611.,van Gestel, J., etc. J. Am. Chem. Soc., 2005, 127 (15): 5490-5494.,图四：由C3-对称的盘状分子自由组装形成的螺旋聚集体,Pashuck, E. T., etc.J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (26): 8819-8821.,图五：由多肽自组装的手性聚集体过程中在不同时间的形貌,手性介孔材料,根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的定义，纳米尺度的多孔材料可以按照孔径大小区分，孔径小于 2 nm 为微孔（microporous）材料，大于 50 nm 为大孔（macroporous）材料，而介于 2-50 nm 之间的称为介孔（mesoporous）材料。,谢俊杰，手性介孔材料的形成机理及其光学活性的诱导性能，博士论文,手性色谱柱,概念,手性色谱柱（Chiral HPLC Columns）是由具有光学活性的单体，固定在硅胶或其它聚合物上制成手性固定相（Chiral Stationary Phases）。通过引入手性环境使对映异构体间呈现物理特征的差异，从而达到光学异构体拆分的目的。,分类,根据手性固定相和溶剂的相互作用机制，Irving Wainer首次提出了手性色谱柱的分类体系：第1类：通过氢键、-作用、偶级-偶级作用形成复合物。第2类：既有类型1中的相互作用，又存在包埋复合物。此类手性色谱柱中典型的是由纤维素及其衍生物制成的手性色谱柱。,第3类：基于溶剂进入手性空穴形成包埋复合物。这类手性色谱柱中最典型的是由Armstrong教授开发的环糊精型手性柱2，另外冠醚型手性柱和螺旋型聚合物，如聚（苯基甲基甲基丙烯酸酯）形成的手性色谱柱也属于此类。第4类：基于形成非对映体的金属络合物，是由Davankov开发的手性分离技术，也称为手性配位交换色谱（CLEC）。,第5类：蛋白质型手性色谱柱。手性分离是基于疏水相互作用和极性相互作用实现。,但由于市场上可选择的手性色谱柱越来越多，此分类系统有时很难将一些手性柱归纳进去。因此参考Irving Wainer的分类方法，将手性色谱柱分为以下几种,目前市场上常见的色谱柱生产厂家有美国的Waters（沃特世）、Phenomenex（菲罗门）、Agilent（安捷伦）以及日本的岛津公司，国内的有北京迪马、大连依利特、天津博纳艾杰尔等。市场上使用最多的是反相色谱柱，这里就其品牌型号及性能特点做一个简单的介绍。,常用色谱柱的品牌及特点,：WatersXbridge：pH1-12，在高pH条件下，没有能与此色谱柱匹敌的。柱效与一流的硅胶柱相当，甚至尤有过之。在如此宽的pH范围，最大的好处可以在化合物的保留平台区去开发方法，这样可以得到更稳定更容易重现的方法，对酸性、中性尤其是碱性化合物都能得到理想的峰形。：PhenomenexLuna：pH1.5-10，菲罗门公司的主打色谱柱，采用高纯硅胶柱，柱效高，峰形好。而且通用性很好，适用广泛，价格合适，在进口色谱柱市场上占有一定份额。：迪马钻石色谱柱：属于高纯硅胶柱，柱压低，峰形好，通用性好，拥有广阔的市场。,高分子聚合物型手性柱,纤维素型纤维素型手性色谱柱的分离作用包括相互吸引的作用及形成包埋复合物。它们属于Wainer分类中的第2种类型。市售的手性色谱柱为微晶三醋酸基、三安息香酸基、三苯基氨基酸盐纤维素固定相。很多化合物可通过此类型的色谱柱得到分离。这种类型的手性色谱柱种类也很齐全。流动相使用低极性溶剂，典型的流动相为乙醇-己烷混合物。但特别要注意由于氯可以使纤维素从硅胶上脱落，因此要确保流动相中无含氯溶剂。,纤维素固定相的每个单元都为螺旋型，而且这种螺旋结构还存在极性作用、-作用及形成包埋复合物等手性分离因素。目前此类型的柱子能分离80%左右可能面临到的所有手性化合物。此类柱子通常用于正相系统，用正己烷-乙醇，正己烷-异丙醇混合溶剂为流动相。,蛋白质型手性色谱柱属于第5种类型。分离依赖于疏水相互作用和极性相互作用。已经有多种蛋白质用于此类手性色谱柱。目前使用较多的是-酸性糖蛋白（-Acid Glycoprotein，AGP），人血清白蛋白（Human Serum Albumin，HSA），牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin，BSA）和卵类粘蛋白（Ovomucoid，OV）。,蛋白型,蛋白手性色谱柱的载样量均较小。影响了蛋白手性色谱柱在制备色谱中的应用。 蛋白手性色谱柱在所有手性色谱柱中是应用最广的色谱柱，但并不是效果最好的色谱柱。,空穴型手性柱,环糊精型环糊精是环形低聚糖，具有疏水中心和极性外表，空腔的大口边缘具有仲羟基，小口边缘为极性更大的伯羟基，手性化合物可全部或部分进入空腔内，形成酷游不稳定性的可逆包合物，对映体选择性可能与空腔入口由葡萄糖单元外露的羟基产生的手性有关，利用对映体所产生的不同包合物在稳定和保留时间上的差异达到分离目的。,市售的环糊精主要是、三种类型，分别含6、7、8个吡喃葡萄糖单元。环糊精分子成锥筒型，构成一个洞穴，洞穴的孔径由构成环糊精的吡喃葡萄糖的数目决定。,环糊精类型及洞穴的孔径等见下表,环糊精固定相的选择性取决分析物的分子大小；-环糊精只能允许单苯基或萘基进入， -环糊精允许萘基及多取代的苯基进入，-环糊精仅用于大分子萜类。-环糊精手性固定相应用范围最广,冠醚型手性柱冠醚具有亲水性内腔和亲脂性外壳，可键合在硅胶或聚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。,冠醚类固定相用于分离一级胺，一级胺必须质子化方能达到分离。因此必须使用酸性流动相，如高氯酸。最常用的是冠醚类固定相是18-冠-6，已有商品化产品，由Daicel公司制造。无论（+）或（-）型均可达到有效分离，并可通过变化（+）（-）类型而改变分析物出峰顺序。冠醚作为添加剂也用于核磁共振和电泳，但由于其毒性较大，有致癌性，使其应用受到限制。,Pirkle型Pirkle 型手性固定相是有美国学者Pirkle 主持研究的，其通过含末端羧基或异氰酸基手性前体与氨基键合硅胶进行缩合反应，分别形成喊酰胺或脲型结构的手性固定相,刷型手性固定相分为电子接受型和电子提供型两类。最常见的电子接受型固定相是由（R）-N-3，5-二硝基苯甲酰苯基甘氨酸键合到-氨丙基硅胶上的制成。此类刷型手性色谱柱可以分离