收稿:2006年3月,收修改稿:2006年5月 3国家自然科学基金项目(N o.30160092)、高等学校青年教师教学科研奖励计划(N o.2001298)以及云南省自然科学基金项目(N o.2005E0006Z )资助33通讯联系人 e 2mail :yuan -limingpd @气相色谱手性固定相研究进展3李 莉 字 敏 任朝兴 袁黎明33(云南师范大学化学化工学院 昆明650092)摘 要 本文评述了气相色谱手性分离的发展过程,介绍了氨基酸、二肽、金属配合物、环糊精、多糖、手性离子液体、环肽、键合以及交联类气相色谱手性固定相以及各类型的拆分机理,展望了气相色谱手性固定相的研究前景。
关键词 气相色谱 手性固定相 手性分离中图分类号:O657.7+1 文献标识码:A 文章编号:10052281X (2007)02Π320393211The Development of Chiral Stationary Phase in G as ChromatographyLi Li Zi Min Ren Chaoxing Yuan Liming33(Department of Chemistry ,Y unnan Normal University ,K unming 650092,China )Abstract The development of chiral separation in gas chromatography is briefly described in this paper ,and the advances in chiral stationary phases of G C are reviewed ,including amino acids ,dipeptides ,coordinated metal com plexes ,cyclodextrins ,polysaccharides ,chiral ionic liquids ,cyclopeptides ,covalently bonded and linked chiral group.The prospects of chiral stationary phases are als o discussed.K ey w ords gas chromatography ;chiral stationary phases ;chiral separation1 早期的气相色谱手性分离 利用气相色谱分离手性化合物的研究始于1950年代末期,但真正第一次成功地分离是在1966年,G il 2Av 等首次报道了氨基酸对映异构体的分离,手性固定相为N 2三氟乙酰基2D 2异亮氨酸月桂醇酯[1]。
1967年G il 2Av 等[2]又用填充柱气相色谱实现了氨基酸的半制备分离。
尽管气相色谱较早地应用于手性分离,但其在随后的年代里发展较慢,主要是该类固定相热不稳定性的原因。
直到1977年,Frank 、Nichols on 和Bayer 将二甲基硅氧烷、L 2缬氨酸2t 2丁基胺和(22羧丙基)甲氧基硅烷进行共聚,产生了一种新的固定相。
该固定相远较上述G il 2Av 固定相稳定,可以在175℃的温度下使用[3,4],分析速度较G il 2Av 柱快很多,在此温度下没有观察到固定相的流失。
由于Frank 等聚硅氧烷手性固定相的引入,使气相色谱手性分离获得了真正的新生。
2 气相色谱手性固定相的分类 色谱手性分离的关键是手性固定相的选择。
气相色谱手性固定相的发展过程经历了由作用力简单、单一手性中心的氢键型手性固定相向具有多种作用力和多手性中心的复杂型手性固定相的发展过程,已有一些商品气相色谱手性柱出售。
现使用的手性固定相主要有3类:氢键型手性固定相、形成包合物的手性固定相和金属配体作用手性固定相。
在实践中,还经常将上述3类固定相与聚硅氧烷固定液或毛细管壁进行键合或交联。
除此之外,近年来还出现了少量的新型手性固定相,如环肽、纤维素衍生物和手性离子液体等。
在已有的报道中,很少有第19卷第2Π3期2007年3月化 学 进 展PROG RESS I N CHE MISTRYVol.19No.2Π3 Mar.,2007手性填充柱,绝大多数是各种长度的内径为250μm 至320μm的毛细管柱,还有使用细内径如125μm的毛细管柱的,它可以有更高的柱效和更短的分析时间。
2.1 氢键型手性固定相2.1.1 氢键型手性固定相的主要类型第一个成功分离N2三氟乙酰基2氨基酸烷基酯对映异构体的手性固定相是N2三氟乙酰基2D2异亮氨酸月桂醇酯1涂渍在一根毛细管柱上。
这种固定相由于热不稳定性,使其只能在较低的温度下使用而限制了它的应用范围。
为了改善这种固定相的热稳定性,G il2Av[5]又研究了手性固定相2。
尽管在此固定相中引入了长的烷基链,但该固定相仍然对热不稳定,在该固定相熔点之上其固定液产生严重的流失。
为了提高操作温度,在其研究中考察了二肽型的固定相,他们在一根填充柱上利用N2三氟乙酰基2L2缬氨酸基2L2缬氨酸2环己烷酯3分离了氨基酸的衍生物。
二肽型的固定相的确具有较小的挥发性,具有两个手性中心,增大了固定相的手性选择性。
当增加二肽固定相中手性碳原子上R的长度时,3—4个碳原子长度则达到最高作用力。
接着实验了三肽型的手性固定相,但发现三肽化合物高的熔点严重地影响了它作为手性气相色谱固定相的有效性。
在三肽中,N2端的氨基酸具有高的手性选择性,但C2端的氨基酸中的胺基却很难发生氢键作用。
因此,他们[5]又研究了二酰胺型的固定相4。
该固定相已有商品出售,用于短装柱,拆分N2三氟乙酰基2氨基酸酯显示了最好的拆分性。
经仔细纯化制备的二酰胺相N2二十二烷酰基2缬氨酸2特丁酰胺[6]和有关的二酰胺相[7,8]显示了可达190℃的操作温度。
由于其对一些对映异构体的拆分因子很大,故也可以作小规模的制备性拆分。
脲型的固定相5也成功地对N2三氟乙酰基胺进行了分离[9],但它的使用温度只能在80—100℃之间。
单酰氨型固定相[10]中由于有一个酰亚胺和一个不对称中心,具有代表性的N2月桂酰基2(S)2α2 (12萘基)乙胺为6[9],其也提供了足够的拆分N2乙酰基2α2氨基酸酯、α2甲基2α2氨基酸酯、α2甲基2羧酸酯、α2苯基2羧酸酯对映异构体的能力。
除此之外,也有将均三嗪7用作固定相的报道。
将氢键型物质用作这类固定相必须具有以下性能:第一,要求具有低熔点和高沸点。
3个和3个以上图1 氢键型手性固定相[5—10]Fig.1 Chiral stationary phases of hydrogen2bonding type[5—10] 的多肽的熔点较高,很少有报道;有些氨基酸熔点低,但沸点也低,柱流失严重,也不能使用。
第二,固定相必须具有分子识别性,即满足“三点作用原理”。
第三,柱效要高,否则不能分离手性化合物。
一般情况下,随着温度的升高手性分离因子α减小,极性化合物的分离效果优于非极性化合物。
随着固定相的酯基链的增长α值也在降低,它们的最高使用温度绝大多数最高只能达到150℃左右。
该类固定相主要用于分离氨基酸、羟基酸、羧酸、醇、胺、内酯和内酰胺等化合物的对映体,氢键作用是对映体分离的主要作用力。
除此之外,分子间的相互作用,如偶极相互作用、范德华力和空间阻碍等,也对对映体分离有较大影响。
这类固定相往往要求样品衍生化以增加挥发性,或引入适当的基团来提高氢键作用力。
2.1.2 氢键型手性固定相拆分机理各种不同的手性固定相具有不同的分离模式,理论上,不管选择何种固定相,分离何种对映体,手性分离或手性识别都必须满足同时有3个相互作用・493・化 学 进 展第19卷点,这些作用中至少一个是立体化学决定的。
这个原理1952年首次由Dalgleish 提出,可用图2加以说明。
图2 三点作用原理[11]Fig.2 The principle of three points interactions[11]手性固定相中含有A 、B 、C 3个作用点,能与溶质相应的3个点A ′、B ′、C ′作用。
虽然溶质中两对映体都有两点能与手性固定相作用,但只有其中一种对映体可以同时有三点作用,而另一个不能。
同时三点与手性固定相有作用的对映体被保留的时间较长。
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。
“三点作用”的作用力可以是氢键、偶极2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(相当于溶剂)和流动相中的对映体(相当于溶质)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,使溶质和溶剂之间相互作用所形成的缔合物在稳定性上有差别,在通过多次交换后,达到对映体的分离。
图3是外消旋体的氨基酸与二肽类三点作用的示意图:图3 氨基酸与二肽类三点作用[12]Fig.3 Three points interactions between amino acid and dipeptide[12]有研究表明氢键型的二酰胺和二肽等手性固定相,它们与溶质之间可形成“C 5—C 5”“C 5—C 7”“C 7—C 7”等氢键相互作用。
由于对映体之间在空间排布方式不同,所形成的缔合物的空间阻力不同,稳定性不同,从而使对映体得以分离(图4)。
当溶质的分子构型与溶剂的分子构型相类似时,则溶质分子与溶剂分子之间比较容易吻合和接图4 C 5、C 7的位置示意图[12]Fig.4 The positions of C 5and C 7[12]近,作用力较强,色谱保留时间较长;反之,作用力较弱,色谱保留时间短。
K oenig 等使用N 2三氟乙酰基2L 2脯氨酰2L 2脯氨酸环己酯作手性固定相,分离了N 2三氟乙酰基2L 2脯氨酸酯。
在此情况下,由于氮原子上无氢原子,溶质和溶剂之间没有氢键作用,可以推测偶极2偶极相互作用和色散力等在对映体的手性拆分中,可能具有与氢键作用同样的重要性。
对于单酰胺类手性固定相,Weinstein 等提出了“嵌合机理”,其要点是:固定相即使在液态时仍部分保留了固态时的晶体排布,溶质分子嵌合在两个溶剂分子之间,由于对映体的不同构型造成嵌合物的稳定性有差别,从而达到对映体的分离。
图5 N 2三氟乙酰基2L 2脯氨酰2L 2脯氨酸环己酯和N 2三氟乙酰基2L 2脯氨酸酯[10]Fig.5 N 2trifluoroacetyl 2L 2prolineyl cyclohexate and N 2trifluoroacetyl prolineylate[10]2.2 金属螯合手性固定相2.2.1 金属螯合手性固定相在实际拆分过程中,用氢键型手性固定相去分离不饱和烃、醚、酮等对映异构体常常非常困难。
