高效液相色譜法手性分離二茂鐵衍生物

徐　峰,　萬(wàn)曉龍,　王軍鋒,　康經(jīng)武*

(1. 中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所, 生命有機(jī)和天然產(chǎn)物化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200032; 2. 陜西學(xué)前師范學(xué)院化學(xué)與化工系, 陜西 西安 710100)

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高效液相色譜法手性分離二茂鐵衍生物

徐峰1,萬(wàn)曉龍1,王軍鋒2,康經(jīng)武1*

(1. 中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所, 生命有機(jī)和天然產(chǎn)物化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200032; 2. 陜西學(xué)前師范學(xué)院化學(xué)與化工系, 陜西 西安 710100)

摘要:建立了4個(gè)單手性和3個(gè)雙手性(含有手性中心和面手性)的二茂鐵衍生物在Chiralpak IC(纖維素-三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯))和Chiralpak IE3(直鏈淀粉-三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯))手性固定相上的高效液相色譜分離方法。4個(gè)單手性二茂鐵衍生物中有3個(gè)可以在Chiralpak IE3固定相上實(shí)現(xiàn)基線分離,另外1個(gè)則在Chiralpak IC手性固定相上實(shí)現(xiàn)基線分離。3個(gè)雙手性二茂鐵衍生物可在Chiralpak IC手性固定相上實(shí)現(xiàn)基線分離。研究表明,這兩種手性固定相對(duì)二茂鐵衍生物具有較好的手性識(shí)別作用,并且具有互補(bǔ)作用。這一研究結(jié)果可為手性二茂鐵化合物的分離提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞:高效液相色譜;纖維素-三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯);直鏈淀粉-三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯);手性固定相;二茂鐵衍生物;手性分離

二茂鐵于1951年被Kealy等[1]首次報(bào)道。帶有二茂鐵骨架的手性配體在不對(duì)稱催化領(lǐng)域中具有非常重要的作用[2]。當(dāng)二茂鐵的1,2-或1,3-位有兩個(gè)不同的取代基時(shí),這個(gè)二茂鐵衍生物就具有面手性。相對(duì)于1,3-二取代物,1,2-二取代二茂鐵衍生物更加常見(jiàn)。具有面手性的二茂鐵配體的過(guò)渡金屬配合物在不對(duì)稱催化反應(yīng)中表現(xiàn)出很高的催化活性和立體選擇性。迄今為止,已經(jīng)開發(fā)了許多具有面手性的1,2-二取代的手性二茂鐵作為不對(duì)稱催化劑的配體。最具有代表性的是Togni等[3]開發(fā)的JosiPhos型配體((R)-1-[(S)-2-(二苯基膦基)二茂鐵基]乙基二環(huán)己基膦配體),有多種已經(jīng)被成功地應(yīng)用于手性藥物和精細(xì)化學(xué)品的合成。比如PPF-t-Bu2(即將JosiPhos的二環(huán)己基膦基團(tuán)換為二叔丁基膦基團(tuán))被應(yīng)用于(+)-維生素H的生產(chǎn),Xyliphos(即將JosiPhos的二環(huán)己基膦基團(tuán)換為二(3,5-二甲基苯基)膦基團(tuán))被應(yīng)用于農(nóng)藥金朵兒的合成。此外,被成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的二茂鐵類手性催化劑還有TaniaPhos[4]和WalPhos[5](在JosiPhos的一側(cè)鏈中間引入一個(gè)苯環(huán))，Trap[6]和ChenPhos[7](雙二茂鐵基雙膦配體)，Trifer[8](三二茂鐵基雙膦配體)等。手性二茂鐵配體的研究報(bào)道已屢見(jiàn)不鮮,但是對(duì)其系列化合物的高效液相色譜(HPLC)的手性拆分還未見(jiàn)報(bào)道。

自20世紀(jì)70年代以來(lái),直鏈淀粉和纖維素的各種衍生物作為手性固定相相繼被研發(fā)出來(lái),并且在手性化合物的分離中得到了廣泛的應(yīng)用[9]。已經(jīng)有許多商品化的此類手性固定相被成功地應(yīng)用于手性藥物等化合物的拆分[10-14]。按照手性選擇劑在基質(zhì)上的固定方式,手性固定相可分為涂敷型和鍵合型兩類。鍵合型手性固定相因具有更好的穩(wěn)定性和更寬的溶劑選擇范圍而逐步替代涂敷型。此類手性固定相的研發(fā)和用于對(duì)映體的分離已多見(jiàn)報(bào)道[15-18]。其中,Chiralpak IC和Chiralpak IE3手性固定相分別是將纖維素-三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯)和直鏈淀粉-三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯)鍵合到硅膠基質(zhì)上制得。

圖1　手性二茂鐵衍生物的結(jié)構(gòu)Fig. 1　Structures of chiral ferroence derivatives

本文采用Chiralpak IC手性柱和Chiralpak IE3手性柱對(duì)7種二茂鐵化合物的消旋體(結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1)進(jìn)行了拆分研究。研究對(duì)比了兩種固定相對(duì)不同種類的手性二茂鐵化合物對(duì)映體的分離選擇性,發(fā)現(xiàn)這兩種固定相在分離二茂鐵對(duì)映體時(shí)表現(xiàn)出了互補(bǔ)性。我們還討論了二茂鐵骨架上不同取代基對(duì)于手性識(shí)別的影響,分子間相互作用力包括氫鍵相互作用、π-π相互作用和空間位阻作用對(duì)手性識(shí)別的影響。該研究為手性二茂鐵系列衍生化合物的對(duì)映體分離提供了方法參考。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器和試劑

美國(guó)賽默飛公司的U3000高效液相色譜儀;Chiralpak IC色譜柱(250 mm×4.6 mm, 5 μm)和Chiralpak IE3色譜柱(250 mm×4.6 mm, 3 μm)購(gòu)自大賽璐藥物手性技術(shù)(上海)有限公司;正己烷(HPLC純)購(gòu)自韓國(guó)德山藥品工業(yè),異丙醇(HPLC純)購(gòu)自美國(guó)TEDIA公司,二乙胺(純度>99.5%)購(gòu)自SIGMA-ALDRICH公司。二茂鐵樣品由中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所侯雪龍課題組提供。

1.2樣品制備

取2 mg樣品加入100 μL異丙醇,超聲溶解,再加入900 μL正己烷,超聲混勻即得。

1.3色譜條件

色譜柱為Chiralpak IC手性柱和Chiralpak IE3手性柱。流動(dòng)相為不同配比的正己烷和異丙醇,各加入0.1%(v/v)二乙胺,使用前超聲脫氣15 min;流速0.7 mL/min(化合物E為0.5 mL/min);檢測(cè)波長(zhǎng)為254 nm;柱溫25 ℃(化合物E為15 ℃);進(jìn)樣體積5.0 μL。

2結(jié)果與討論

2.1單手性二茂鐵衍生物的分離

由于所研究的二茂鐵衍生物帶有氨基,在進(jìn)行手性分離時(shí)與硅膠上的硅羥基作用引起峰拖尾。在正相色譜條件下,在流動(dòng)相中加入0.1%(v/v)的二乙胺可以抑制峰拖尾,獲得較對(duì)稱的峰形,從而改善分離度。通過(guò)調(diào)節(jié)正己烷-異丙醇的比例獲得4種單手性中心的二茂鐵化合物(圖1中A～D)在Chiralpak IC手性柱和Chiralpak IE3手性柱上最優(yōu)的分離條件。4種單手性中心的二茂鐵化合物的拆分結(jié)果見(jiàn)表1,分離譜圖見(jiàn)圖2。在Chiralpak IC手性柱上,只有與手性中心和相鄰的N原子上均為最小取代基甲基(A)時(shí)化合物才能實(shí)現(xiàn)基線分離。手性中心上由甲基變?yōu)橐一?C)、相鄰N原子上由甲基變?yōu)橐一?B)、相鄰N原子上由甲基變?yōu)榄h(huán)丁基(D)后,Chiralpak IC手性柱對(duì)其選擇性變差;化合物C實(shí)現(xiàn)部分分離,化合物B、D均未能實(shí)現(xiàn)分離。通過(guò)調(diào)節(jié)正己烷-異丙醇的比例,化合物B、C和D在Chiralpak IE3手性柱上均實(shí)現(xiàn)基線分離?；衔顳的分離因子(α)和分離度(Rs)最大,化合物C反而最小,與在Chiralpak IC上的結(jié)果相反。

表 1　4種單手性二茂鐵衍生化合物的手性分離條件和拆分結(jié)果

Detection wavelength: 254 nm. * Compounds A-D are the same as in Fig. 1.** iPrOH: isopropanol; DEA: diethylamine.

圖2　4種單手性二茂鐵衍生物(A～D)在Chiralpak IC和Chiralpak IE3上的手性分離色譜圖Fig. 2　Chromatograms for the enantioseparations of the four ferroence derivatives (A-D) with single chirality on Chiralpak IC and Chiralpak IE3 columns

圖3　3種雙手性二茂鐵衍生化合物(E、F、G)在ChiralpakIC柱上的手性分離色譜圖Fig. 3　Chromatograms of the enantioseparations for the three double chiral ferroence derivatives (E, F, G) on a Chiralpak IC column

2.2雙手性二茂鐵衍生物的分離

在引入面手性后,手性元素的增加對(duì)拆分的要求更高。二茂鐵骨架上鄰位新引入的取代基會(huì)大大增加原手性中心附近的空間位阻,而Chiralpak IC手性柱對(duì)手性中心的選擇性并不是很高,因此新引入的取代基必須和手性固定相具有很好的相互作用,才能實(shí)現(xiàn)雙手性化合物的分離。本文研究了3種具有面手性的雙手性二茂鐵衍生物(圖1中的E～G)在Chiralpak IC手性柱上的分離,拆分結(jié)果見(jiàn)表2,色譜圖見(jiàn)圖3。大量的實(shí)驗(yàn)證明,降低流速和溫度可改善雙手性二茂鐵化合物的分離選擇性,但會(huì)大大延長(zhǎng)分離時(shí)間?；衔顴需要在更低的流速(0.5 mL/min)和更低的溫度(15 ℃)下才能表現(xiàn)出對(duì)映體間的分離選擇性。

對(duì)比化合物F和E在Chiralpak IC手性柱上的拆分,在取代基中引入羰基后,Chiralpak IC手性柱對(duì)4個(gè)立體異構(gòu)體(兩對(duì)對(duì)映體)表現(xiàn)出了很好的選擇性(α≥1.14), 4個(gè)立體異構(gòu)體的分離度(Rs)均≥1.7,最高的分離度達(dá)到4.7。對(duì)比化合物G和F在Chiralpak IC手性柱上的拆分,將與羰基相連的苯基換成環(huán)己基后,分離的選擇性和分離度相似,但是由于π-π相互作用,使化合物F在色譜柱上的保留增強(qiáng)了很多。由此可見(jiàn),在手性識(shí)別作用中羰基對(duì)固定相的手性識(shí)別作用起到了很顯著的作用,這可能是氫鍵相互作用[19]。苯基并沒(méi)有提高分離選擇性。

表 2　3種雙手性二茂鐵衍生化合物在Chiralpak IC柱上的手性分離條件和拆分結(jié)果

Detection wavelength: 254 nm; deadtime: 4.43 min. * Compounds E-G are the same as in Fig. 1.

2.3可能的分離機(jī)理

二茂鐵衍生物中都有兩個(gè)富電子的環(huán)戊二烯芳香環(huán),而手性固定相(三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯))中有帶兩個(gè)吸電子的氯原子的苯基。如果空間位置合適,兩個(gè)芳香環(huán)之間會(huì)存在很好的π-π相互作用。從被拆分的單手性中心二茂鐵衍生物的結(jié)構(gòu)上可以看出,化合物B、D與A在結(jié)構(gòu)上的差異在于與手性碳相連的N原子上的烷基不同,N原子上烷基空間位阻的增加使化合物B和D完全失去了手性分離。對(duì)比化合物C和A,手性中心處由甲基取代變?yōu)橐一〈?固定相對(duì)前者雖仍有手性識(shí)別能力(α>1.05),但由于保留較弱,未能實(shí)現(xiàn)基線分離。因此,在單手性二茂鐵衍生物與Chiralpak IC手性固定相間的相互作用中,手性化合物側(cè)鏈上基團(tuán)的空間位阻對(duì)手性分離選擇性的影響很大。位阻越大,手性分離的選擇性越差。然而化合物B、C、D均在Chiralpak IE3手性固定相上實(shí)現(xiàn)了基線分離。在能夠被分離的化合物中,化合物D的分離最好(α和Rs都最大),化合物C的分離卻是三者中最差的。由此可見(jiàn),單手性二茂鐵衍生物在Chiralpak IE3手性固定相上位阻作用對(duì)手性識(shí)別有利。

三(苯基氨基甲酸酯)類衍生的纖維素手性固定相中,手性拆分的能力主要取決于苯基上取代基的種類、數(shù)目和位置[20]。該類手性固定相最重要的吸附位置是氨基甲酸酯殘基,這個(gè)位置的電子云分布必然會(huì)受到苯基上取代基的影響。含有極性基團(tuán)(如羰基、羥基等)的手性化合物外消旋體與氨基甲酸酯殘基之間的手性識(shí)別可能主要是通過(guò)氫鍵相互作用而達(dá)到[19]。但羰基和羥基與氨基甲酸酯殘基形成氫鍵的位點(diǎn)不同,前者作為質(zhì)子受體和-NH-形成氫鍵,后者作為質(zhì)子給體和酯羰基形成氫鍵。Chiralpak IC手性固定相是纖維素-三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯),在苯基上引入了兩個(gè)吸電子的氯原子,這會(huì)使-NH-基團(tuán)上的氫的正電性更高,使其更易于作為質(zhì)子給體形成氫鍵。而二茂鐵衍生物上引入的羰基很可能與-NH-形成氫鍵,從而實(shí)現(xiàn)手性識(shí)別。通過(guò)對(duì)比化合物F、G和E的結(jié)構(gòu)以及分離結(jié)果,可以證明在引入羰基后二茂鐵衍生物在Chiralpak IC手性固定相上實(shí)現(xiàn)手性識(shí)別的能力大大增強(qiáng)。具有面手性的雙手性二茂鐵衍生物在Chiralpak IC手性固定相上的手性識(shí)別可能是氫鍵相互作用主導(dǎo)的。

3結(jié)論

本文系統(tǒng)研究了7種手性二茂鐵衍生化合物在Chiralpak IC和Chiralpak IE3手性柱上的拆分規(guī)律。Chiralpak IC手性柱對(duì)手性二茂鐵衍生物具有很強(qiáng)的手性識(shí)別能力,Chiralpak IE3手性柱在該類化合物的拆分上可以與Chiralpak IC手性柱起到互補(bǔ)作用。通過(guò)引入和改變二茂鐵骨架上的不同取代基團(tuán),可以使我們對(duì)手性二茂鐵衍生化合物在Chiralpak IC手性柱上的拆分機(jī)理有所認(rèn)識(shí)。這些研究結(jié)果可以為手性二茂鐵衍生化合物,特別是具有面手性的手性二茂鐵衍生化合物的對(duì)映體拆分、對(duì)映體純度測(cè)定以及分離機(jī)理的研究提供參考。

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Enantioseparation of ferroence derivatives with high performance liquid chromatography

XU Feng1, WAN Xiaolong1, WANG Junfeng2, KANG Jingwu1*

(1. State Key Laboratory of Bioorganic and Natural Products Chemistry, Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China; 2. Department of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi Xueqian Normal University, Xi’an 710100, China)

Abstract:The method for the enantioseparation of ferroence derivatives, four derivatives with single chirality and three derivatives with double chiralities containing centre and face chirality, on chiral stationary phases, namely Chiralpak IC (cellulose-tris(3,5-dichlorobenzene carbamate)) and Chiralpak IE3 (amylose-tris(3,5-dichlorobenzene carbamate)), was investigated. We found that the three derivatives of the four chiral ferroence derivatives with single chirality can be baseline separated on Chiralpak IE3; another one can be baseline separated on Chiralpak IC. Meanwhile, the three chiral ferroence derivatives with double chiralities can be baseline separated on Chiralpak IC. The research shows that the both kinds of chiral stationary phases exhibited high enantiomeric recognition capability to the enantiomers of the chiral ferroence derivatives. This two chiral stationary phases exhibited complementary selectivities in the enantioseparation of chiral ferroence derivatives. This study provides a reference method for the enantioseparation of chiral ferroence derivatives.

Key words:high performance liquid chromatography (HPLC); cellulose-tris(3,5-dichlorobenzene carbamate); amylose-tris(3,5-dichlorobenzene carbamate); chiral stationary phase; ferroence derivatives; enantioseparation

DOI:10.3724/SP.J.1123.2015.10002

*收稿日期:2015-10-07

中圖分類號(hào):O658

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-8713(2016)01-0057-05

色譜手性分離?？ぱ芯空撐?/p>

*通訊聯(lián)系人.Tel:(021)54925385,E-mail:jingwu.kang@sioc.ac.cn.