雙相(O/W)識(shí)別手性萃取苯基琥珀酸對(duì)映體的動(dòng)力學(xué)研究

李洪建, 唐有根，唐課文，蔣金芝，岳艷枝，張盼良

(1. 中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 湖南理工學(xué)院 化學(xué)化工系，湖南 岳陽，414006)

苯基琥珀酸(PSA)是藥物原料N-甲基-α-苯基琥珀酰亞胺(phensuximid)的重要中間體，S-(+)-PSA是一種很好的撲爾敏藥物手性拆分劑，并可作為手性選擇劑合成液相色譜手性固定相[1?2]，因此，對(duì)PSA對(duì)映體進(jìn)行手性拆分方面的研究顯得非常必要。目前，研究較多的拆分苯基琥珀酸對(duì)映體的方法是色譜法[3?5]，而基于反應(yīng)萃取原理進(jìn)行的雙相識(shí)別拆分 PSA對(duì)映體具有高效性和高選擇性的特點(diǎn)[6?8]。實(shí)驗(yàn)證明，由單相萃取苯基琥珀酸對(duì)映體改進(jìn)為雙相識(shí)別反應(yīng)萃取體系后，分離因子由1.501增至2.862[8]。近年來，對(duì)手性藥物萃取拆分的研究主要集中在萃取平衡上，但獲取準(zhǔn)確的萃取動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)、建立動(dòng)力學(xué)模型不僅對(duì)手性萃取理論具有指導(dǎo)和參考價(jià)值，而且對(duì)工業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)也有很大的意義，目前，萃取動(dòng)力學(xué)的研究主要針對(duì)某些離子及非對(duì)映體[9?13]，僅有少數(shù)針對(duì)手性藥物(氨基酸、氨基醇等)[14]。在此，本文作者在對(duì)雙相識(shí)別反應(yīng)萃取苯基琥珀酸對(duì)映體的萃取平衡研究的基礎(chǔ)上[8]研究其動(dòng)力學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑

試劑為：苯基琥珀酸(PSA)，分析純，襄樊諾爾化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；磷酸二氫鈉，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；羥丙基-β-環(huán)糊精，分析純，淄博千惠精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)；正辛醇，分析純，湖南匯虹化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；L(+)-酒石酸，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；異丁醇，分析純，天津天大化學(xué)試劑廠生產(chǎn)。L-酒石酸異丁酯的合成方法見文獻(xiàn)[13]。

1.2 儀器

儀器為：HP1100高效液相色譜，美國 HP公司制造；SPD-10AV紫外檢測器，德國 Merck公司制造；C18反相柱，φ4.6 mm×250 mm, 5 μm，漢邦科技有限公司制造；SHA-2智能水域恒溫振蕩器，上海浦東物理光學(xué)儀器廠制造；720A型精密pH計(jì)，美國Orion公司制造。

1.3 色譜檢測條件

流動(dòng)相組成為0.1 mol/L NaH2PO4緩沖液與乙腈，兩者體積比為 80:20，pH=2.5，HP-β-CD 濃度為 10 mmol/L；UV檢測波長為254 nm；流速為1.0 mL/min。

1.4 萃取分離方法

雙相識(shí)別反應(yīng)萃取的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)在定做的恒界面池內(nèi)進(jìn)行[9?12]，上下兩相的攪拌速度可通過電機(jī)調(diào)速器改變，兩相接觸面積的改變通過使用不同的界面環(huán)實(shí)現(xiàn)，萃取反應(yīng)的溫度通過恒溫水浴控制。

所有的萃取實(shí)驗(yàn)均在(5±0.2) ℃溫度下進(jìn)行，水相的組成為0.1 mol/L NaH2PO4/H3PO4緩沖液溶解0.05 mol/L羥丙基-β-環(huán)糊精，并溶解5 mmol/L苯基琥珀酸對(duì)映體；有機(jī)相是溶解0.1 mol/L L-酒石酸異丁酯的正辛醇溶液。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先將100 mL水相加入恒界面池中，然后，沿池壁慢慢加入100 mL有機(jī)相，使兩相界面恰好處于界面環(huán)內(nèi)，啟動(dòng)攪拌裝置，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。在實(shí)驗(yàn)過程中，每隔一定時(shí)間抽取0.1 mL水相作為樣品，共取12次，用HPLC分析樣品中苯基琥珀酸對(duì)映體的濃度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為表達(dá)簡潔，以苯基琥珀酸的S型對(duì)映體為例進(jìn)行分析，R型對(duì)映體采用完全相同的處理方法。根據(jù)雙膜理論，雙相識(shí)別體系中水相中被萃取物的濃度是時(shí)間的函數(shù)，以苯基琥珀酸的S型對(duì)映體為例：

其中：JS為 S-PSA 的傳質(zhì)速率，mol/(m2·s)；cS為 S-PSA的濃度，mol/L；A為兩相接觸面積，cm2；V為單相溶液的體積，L；下標(biāo)aq和org分別表示水相和有機(jī)相；t為反應(yīng)時(shí)間，s。

為了消除反應(yīng)的可逆性對(duì)反應(yīng)速率的計(jì)算帶來的影響，通常只研究反應(yīng)的初始速率，它只與正反應(yīng)有關(guān)，并且當(dāng)體系中物質(zhì)的傳遞主要受化學(xué)反應(yīng)控制即物理傳質(zhì)可以忽略時(shí)，傳質(zhì)速率JS近似等于正反應(yīng)速率RS[10,14]，這時(shí)，方程(1)可表示為：

其中：(dcS,aq/dt)t=0表示水相中S-PSA的濃度cS,aq對(duì)時(shí)間 t曲線(見圖1)的初始斜率。將結(jié)果代入方程(2)可以計(jì)算出不同的實(shí)驗(yàn)條件下的RS,0，從而得出各種因素對(duì)反應(yīng)速率的影響。

圖1 水相中S-PSA的濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.1 Concentration of S-PSA in aqueous phase time history plot

2.2 雙相識(shí)別體系萃取拆分 PSA對(duì)映體動(dòng)力學(xué)模型的研究

2.2.1 PSA對(duì)映體萃取速率與攪拌速度的關(guān)系

在兩相接觸面積9.62 cm2下，保持對(duì)映體濃度及兩相中萃取劑濃度不變，逐漸增大轉(zhuǎn)速，考察轉(zhuǎn)攪拌速度對(duì)萃取速率的影響，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出：當(dāng)攪拌速度為60 r/min與125 r/min時(shí)，萃取速率與攪拌速度無關(guān)，根據(jù)Doraiswamy- Sharma提出的萃取動(dòng)力學(xué)分區(qū)理論[15]，該條件下的反應(yīng)屬Ⅰ區(qū)或Ⅲ區(qū)。

圖2 攪拌速率對(duì)PSA對(duì)映體萃取速率的影響Fig.2 Effect of agitation speed on initial extraction rate

2.2.2 PSA對(duì)映體萃取速率與兩相界面積的關(guān)系

圖3 兩相的界面積對(duì)PSA對(duì)映體萃取速率的影響Fig.3 Effect of interfacial area on initial extraction rate

在攪拌速度為95 r/min下，保持各實(shí)驗(yàn)條件不變，只改變界面環(huán)內(nèi)孔的面積，考察兩相接觸面積對(duì)萃取速率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：萃取速率隨著兩相接觸面積的增大而線性增大，根據(jù)萃取動(dòng)力學(xué)分區(qū)理論[15]，雙相識(shí)別反應(yīng)萃取PSA對(duì)映體的動(dòng)力學(xué)類型應(yīng)屬于Ⅲ區(qū)，即擴(kuò)散層中伴隨著快速化學(xué)反應(yīng)的萃取過程。

2.3 水相pH對(duì)PSA對(duì)映體萃取速率的影響

在攪拌速度為95 r/min，兩相接觸面積為9.62 cm2時(shí)，保持各實(shí)驗(yàn)條件不變，只將水相中的 pH由 2.5逐漸增大到7.0，考察水相pH對(duì)萃取速率的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知：萃取速率隨水相pH的增大而減小，由此說明在雙相體系中，水相酸度越大反應(yīng)推動(dòng)力越大，越有利于反應(yīng)的進(jìn)行。這主要是因?yàn)殡p相識(shí)別體系中的萃取劑(羥丙基-β-環(huán)糊精、L-酒石酸異丁酯)只能與分子狀態(tài)的苯基琥珀酸反應(yīng)，而酸性較小時(shí)苯基琥珀酸主要以酸根離子的狀態(tài)存在，相當(dāng)于降低了反應(yīng)物濃度。

圖4 水相中的pH對(duì)PSA對(duì)映體萃取速率的影響Fig.4 Effect of pH on initial extraction rate.

2.4 水相中PSA對(duì)映體反應(yīng)級(jí)數(shù)的確定

為了確定萃取反應(yīng)中PSA對(duì)映體的反應(yīng)級(jí)數(shù)，保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變，將水相中PSA對(duì)映體初始濃度由1 mmol/L逐漸增大到25 mmol/L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。從圖5可以看出：萃取速率與水相中PSA對(duì)映體的初始濃度成正比。第Ⅲ區(qū)萃取速率的表達(dá)式為：

其中：m和n分別為PSA對(duì)映體和L-IBTA的反應(yīng)級(jí)數(shù)；Ds為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；k為萃取反應(yīng)速率；cS,org為有機(jī)相中S型對(duì)映體的濃度，mol/L；cL,0為L-酒石酸異丁酯的初始濃度，mol/L。結(jié)合圖5可知：方程(3)中m=1，即該萃取反應(yīng)對(duì)于PSA對(duì)映體是一級(jí)反應(yīng)。

2.5 有機(jī)相中的萃取劑 L-酒石酸異丁酯反應(yīng)級(jí)數(shù)的確定

為了確定萃取反應(yīng)中萃取劑 L-酒石酸異丁酯的反應(yīng)級(jí)數(shù)，保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變，將有機(jī)相中L-酒石酸異丁酯的初始濃度由0.025 mol/L逐漸增大到0.2 mol/L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。從圖6看出：萃取速率與有機(jī)相中L-酒石酸異丁酯的初始濃度成正比。

圖5 有機(jī)相中PSA對(duì)映體平衡濃度對(duì)萃取速率的影響Fig.5 Effect of H2A concentration on initial extraction rate

圖6 有機(jī)相中的萃取劑L-酒石酸異丁酯的初始濃度對(duì)萃取速率的影響Fig.6 Effect of L-IBTA concentration on initial extraction rate

由于PSA的反應(yīng)級(jí)數(shù)m=1，式(3)可簡化為

利用方程(4)回歸分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到n=2，說明萃取反應(yīng)對(duì)L-酒石酸異丁酯為二級(jí)反應(yīng)。

2.6 水相中的萃取劑HP-β-CD對(duì)萃取速率的影響

由于PSA對(duì)映體最初溶解在水相中，所以，萃取方向總體上是從水相到有機(jī)相，可以推斷兩相中的萃取劑對(duì)PSA對(duì)映體有一種“競爭”關(guān)系，且水相中的萃取劑HP-β-CD濃度越大，將越不利于PSA向有機(jī)相中轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這種猜測，如圖7所示。萃取速率隨著 HP-β-CD初始濃度的增大而減小，說明HP-β-CD在萃取反應(yīng)中起阻礙作用，且HP-β-CD濃度越大，阻力越強(qiáng)。綜合考慮拆分效果及萃取速度，將HP-β-CD的初始濃度選定為0.1 mol/L。

圖7 水相中的萃取劑HP-β-CD的初始濃度對(duì)萃取速率的影響Fig.7 Effect of HP-β-CD concentration on initial extraction rate

3 雙相識(shí)別體系中反應(yīng)萃取苯基琥珀酸對(duì)映體動(dòng)力學(xué)模型的建立

對(duì)于m=1，n=2，式(3)可進(jìn)一步簡化為：

其中：擴(kuò)散系數(shù) Ds通過 Wilke-Chang方程求得，為1.79×10?9m2/s。利用方程(5)對(duì)圖5中的數(shù)據(jù)擬合得到反應(yīng)速率常數(shù)：k12,S為 32.95×10?5m6·mol?2·s?1，k12,R為 16.18×10?5m6·mol?2·s?1。

4 結(jié)論

(1) 雙相識(shí)別體系萃取拆分苯基琥珀酸對(duì)映體的反應(yīng)，對(duì)苯基琥珀酸對(duì)映體為一級(jí)反應(yīng)，L-酒石酸異丁酯的反應(yīng)級(jí)數(shù)為2。

(2) 采用雙相識(shí)別體系萃取拆分苯基琥珀酸對(duì)映體的過程，萃取速率隨著兩相界面積增大而增大，攪拌速度的增大也會(huì)使萃取速率增大，但當(dāng)攪拌速度大于60 r/min時(shí)，攪拌速度對(duì)萃取速率的影響極小，達(dá)到動(dòng)力學(xué)“坪區(qū)”；在苯基琥珀酸的溶解度范圍內(nèi)，萃取速率隨苯基琥珀酸對(duì)映體初始濃度的增大而增大，隨水相pH的增大而減小，隨有機(jī)相中的萃取劑L-酒石酸異丁酯初始濃度的增大而增大，隨水相中的萃取劑羥丙級(jí)-β-環(huán)糊精初始濃度的增大而減小。

(3) 在5 ℃時(shí)，雙相識(shí)別體系萃取分離苯基琥珀酸的 S-、R-型對(duì)映體的萃取速率常數(shù)分別為32.95×10?5m6·mol?2·s?1和 16.18×10?5m6·mol?2·s?1。

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