手性有序無機(jī)介孔硅用作氣相色譜固定相

普 青, 何宇雨, 袁黎明

(云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 云南 昆明 650500)

手性是自然界的本質(zhì)屬性之一。手性表示一種物質(zhì)的對(duì)稱特點(diǎn),就如同人的左手和右手,相互對(duì)稱,并不會(huì)完全重疊,兩者是實(shí)物和鏡像的關(guān)系,這樣的關(guān)系稱為手性[1]。手性這一屬性在大多數(shù)分子中均有體現(xiàn),例如DNA、激素、藥物。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2],目前在約2 000種常用藥物中,有接近500種藥物是以外消旋體形式存在的,并且手性藥物構(gòu)型與其所針對(duì)的細(xì)胞中的受體相匹配是至關(guān)重要的,如果不相匹配會(huì)降低藥物的效力,并且可能對(duì)身體有害。也就是說,外消旋體藥物[1,3,4]中起作用的可能只是其中一種對(duì)映異構(gòu)體,而另外一種異構(gòu)體可能沒有藥效,也有可能有毒副作用[5]。例如,右旋巴比妥酸鹽藥理活性主要使神經(jīng)興奮,而左旋構(gòu)型則抑制神經(jīng)活動(dòng);(+)-甲狀腺素鈉具有降血脂功效,但(-)-甲狀腺素鈉對(duì)人體心臟有較大的毒副作用;天然的(-)-尼古丁[2]會(huì)比(+)-尼古丁具有更強(qiáng)的毒性。所以手性藥物與細(xì)胞內(nèi)受體相匹配[6,7]也就顯得尤為重要。

介孔材料具有高比表面積、大孔容、可調(diào)孔徑、易于將其功能化等特點(diǎn)[8]。Che等[9,10]采用加入助結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑(co-structure-directing agent)的方法,成功合成高度有序的手性介孔硅[11]。該材料與一般的介孔材料相比,除介孔結(jié)構(gòu)高度有序外,其手性來自于手性模板和結(jié)構(gòu)助導(dǎo)劑的印跡,通過高溫?zé)粲袡C(jī)物,所得材料全部由無機(jī)成分組成,而絕大多數(shù)其他手性介孔材料是在介孔材料的孔穴中鍵合上有機(jī)的手性功能團(tuán)。所以該材料能耐高溫,分離選擇性好。目前的氣相色譜手性柱因?yàn)槭中宰R(shí)別位點(diǎn)皆為有機(jī)基團(tuán)[12,13],通常只能在230 ℃以下使用,因此手性有序無機(jī)介孔硅尤其適用于高溫氣相色譜手性柱的制備[14]。本文利用D-苯丙氨酸為手性源,以手性陰離子(C14-D-Phe)為表面活性劑,四乙氧基硅烷為硅源,N-三甲氧基丙基硅烷-N,N,N-三甲基氯化銨(TMAPS)為助結(jié)構(gòu)劑,合成一種以氨基酸小分子為手性源的介孔硅(簡(jiǎn)稱COIMS),將其作為色譜固定相制備毛細(xì)管色譜柱[15],對(duì)手性化合物進(jìn)行拆分,并討論其固定相極性、柱效。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

GC-2014C高分辨氣相色譜儀(日本島津)。

十四烷基酰氯、D-苯丙氨酸、異丙醇、乙酰氯、三氟乙酸酐、四乙氧基硅烷(TEOS)均購(gòu)自上海Adamas-beta公司;N-三甲氧基丙基硅烷-N,N,N-三甲基氯化銨(50%(體積分?jǐn)?shù))甲醇溶液)購(gòu)于北京百靈威科技有限公司;外消旋體纈氨酸、蘇氨酸、1,3-丁二醇、蛋氨酸、1-氨基-2-丙醇、色氨酸、乙酸二氫香芹酯和乳酸乙酯均購(gòu)自美國(guó)Sigma-Aldrich公司;鹽酸購(gòu)自重慶川東化工化學(xué)試劑技術(shù)有限公司;氫氧化鈉購(gòu)買于天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司,用于毛細(xì)管柱的粗糙化;丙酮購(gòu)自云南山電藥業(yè);石油醚購(gòu)自成都科隆化學(xué)有限公司;用于色譜柱性能測(cè)試的正構(gòu)烷烴(壬烷、癸烷、十一烷、十二烷、十三烷、十四烷、十五烷、十六烷)和正構(gòu)醇類(甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇)均購(gòu)自北京化學(xué)試劑有限公司。以上試劑皆為分析純或以上產(chǎn)品。

1.2 COIMS的制備

該手性介孔硅的合成是參照Che課題組[16]的步驟。肉豆蔻基酰氯-D-苯丙氨酸鈉為模板與無機(jī)硅烷作用和自組裝,形成形貌為外螺旋結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅。該合成步驟分為兩步:

(1)手性陰離子表面活性劑(C14-D-Phe)的合成。將0.1 mol D-苯丙氨酸和0.1 mol NaOH在5 ℃下攪拌溶解于純水和丙酮的混合溶液(體積比為3∶2)中,用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH=12左右,然后在保持堿性的情況下不斷加十四烷基酰氯(0.11 mol),期間不斷滴加氫氧化鈉,維持pH=12。反應(yīng)過夜之后再逐漸滴加濃鹽酸,調(diào)節(jié)該體系的pH約為1,攪拌1 h,得到手性表面活性劑C14-D-Phe,用水洗至中性,再用石油醚洗去一些長(zhǎng)鏈羧酸,在50 ℃左右揮干石油醚,將結(jié)塊固體研磨,備用。

(2)手性有序無機(jī)介孔硅的合成以及模板去除。在室溫下,將表面活性劑C14-D-Phe溶于純水和NaOH的混合溶液(體積總和為25 mL)中攪拌1 h,之后在22 ℃下將1.50 g TEOS和0.26 g TMAPS混合后加入上述體系中,攪拌30 min,靜置2 h,在60 ℃水浴攪拌15 h,離心水洗,在60 ℃下真空干燥,待用。

將干燥后的固體放入馬弗爐中,從常溫條件以2 ℃/min的速率升溫至550 ℃,保持6 h去除模板。

1.3 介孔硅固定相毛細(xì)管柱的涂敷

截取15 m×250 μm i.d.的彈性石英毛細(xì)管,用1 mol/L NaOH處理毛細(xì)管內(nèi)壁2.5 h,然后換成純水洗滌,使流出的溶劑呈中性。再用0.1 mol/L鹽酸處理0.5 h,用純水再次處理至流出的溶劑呈中性。最后以氮?dú)獯蹈?將上述處理過的毛細(xì)管空柱接入氣相色譜儀干燥3 h,柱溫設(shè)置在100～120 ℃左右。

采用動(dòng)態(tài)涂敷法將手性固定相均勻涂在毛細(xì)管柱內(nèi)壁[17,18]。首先取0.2 mL的聚硅氧烷OV-1701的乙醇溶液和2 mL溶解有固定相的乙醇溶液混合,超聲15 min,使之分散均勻,靜置30 min,若沒有固體沉淀到玻璃管底部,說明該固定相能夠在乙醇中較好地懸浮,可以進(jìn)行毛細(xì)管的涂敷。將配制好的混合物懸浮液通過氮?dú)獯等朊?xì)管內(nèi),使其完全填充在毛細(xì)管柱內(nèi),再用氮?dú)鈱⑷軇┚徛蹈?使其在內(nèi)壁均勻地涂敷,并形成一定厚度的膜,最后用程序升溫的方式老化柱子,以2 ℃/min的速率從25 ℃升溫至250 ℃,并保持180 min。

1.4 外消旋化合物的衍生

氨基酸通常難揮發(fā),一些醇和胺極性較大,色譜峰容易拖尾,因此需要對(duì)氨基酸以及部分手性的醇類、胺類進(jìn)行衍生化。本文測(cè)定的氨基酸都是經(jīng)過衍生的。具體衍生[14,18,19]方法如下:取50～60 mg左右的氨基酸加入到反應(yīng)釜內(nèi)襯中,取1～2 mL的異丙醇與乙酰氯(3∶1, v/v)混合溶液將其進(jìn)行溶解,并超聲15 min,使其密封反應(yīng)30 min,溫度設(shè)置為110 ℃。待冷卻后用干燥的氮?dú)獯蹈扇軇?加入3 mL的四氫呋喃(THF)將產(chǎn)物進(jìn)行溶解,并向其中緩慢滴加三氟乙酸酐并攪拌,將其密封,并在90 ℃下反應(yīng)30 min,利用減壓來除去溶劑,并用CH2Cl2將產(chǎn)物溶解待用。從而制得三氟乙?；苌铩?/p>

1.5 實(shí)驗(yàn)條件

汽化室溫度:280 ℃;檢測(cè)器溫度:280 ℃;載氣:高純N2;燃?xì)?H2, 65 kPa;助燃?xì)?空氣,50 kPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 COIMS和COIMS毛細(xì)管柱的表征

用COIMS粉末的乙醇懸浮液,測(cè)圓二色譜(CD),圖1a表明該試驗(yàn)合成的介孔硅具有單一手性,其在240～250 nm有較強(qiáng)的響應(yīng)值。將COIMS進(jìn)行SA-XRD(小角X射線衍射)測(cè)試,圖1b圖譜與文獻(xiàn)報(bào)道相似[16]。圖1c為熱重表征圖,結(jié)果表明COIMS具有很好的熱穩(wěn)定性,可以用作高溫氣相色譜固定相。

圖1 COIMS的(a)CD圖、(b)XRD圖和(c)TGA曲線

表1 COIMS涂敷柱在120 ℃下的保留因子及柱效

為了觀察COIMS在毛細(xì)管柱內(nèi)壁的涂敷情況,將手性柱截為長(zhǎng)0.5 cm左右的小段,置于掃描電鏡樣品臺(tái)上,噴金后進(jìn)行SEM分析,圖2a為COIMS毛細(xì)管的截面圖,涂敷的毛細(xì)管厚度約為3 μm,圖2b為COIMS毛細(xì)管柱內(nèi)壁的形貌圖,可知毛細(xì)管內(nèi)壁已涂敷了一層COIMS。通過對(duì)COIMS進(jìn)行SEM測(cè)試,可觀察到形貌如圖2c;通過透射電鏡表征如圖2d所示,具有有序的介孔孔道。

圖2 COIMS涂敷柱截面以及COIMS的SEM圖和TEM圖

2.2 毛細(xì)管柱效和極性的評(píng)價(jià)

氣相色譜柱的柱效通常用理論塔板數(shù)(the number of theoretical plates,n)來表示,如表1所示,表明該毛細(xì)管柱柱效較好。

一般情況下,用McReynolds常數(shù)來測(cè)試固定相的極性[20]。如表2所示,將1-硝基丙烷、2-戊酮、1-丁醇、苯和吡啶這5種物質(zhì)作為測(cè)試物,在120 ℃下測(cè)試McReynolds常數(shù)。COIMS毛細(xì)管柱的McReynolds常數(shù)平均值為671,表明COIMS為強(qiáng)極性固定相。

圖3 在COIMS涂敷柱上進(jìn)行的程序升溫分離色譜圖

2.3 毛細(xì)管柱對(duì)正構(gòu)烷烴和正構(gòu)醇的分離

如圖3所示,對(duì)柱子進(jìn)行了正構(gòu)烷烴混合物(從壬烷到十六烷)、正構(gòu)醇混合物(從甲醇到正辛醇)的分離測(cè)試,結(jié)果表明正構(gòu)烷烴在該柱上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)基線分離,并且該毛細(xì)管柱對(duì)極性較大的醇類的分離也能基本達(dá)到基線分離。

2.4 毛細(xì)管柱對(duì)手性化合物的分離

用COIMS柱對(duì)外消旋體進(jìn)行拆分,拆分?jǐn)?shù)據(jù)列于表3中,拆分譜圖見圖4。結(jié)果表明,纈氨酸、蛋氨酸、色氨酸、蘇氨酸、1,3-丁二醇、1-氨基-2-丙醇、乙酸二氫香芹酯和乳酸乙酯這8種外消旋體在該手性柱上實(shí)現(xiàn)了不同程度的分離。

表3 外消旋體化合物在COIMS涂敷柱上的分離

Table 3 Separation of racemates on COIMS coated column

RacematesT/℃kαRsv/(cm/s)Valine?1201.381.628.5313.80Methionine#901.121.251.4617.60Tryptophan#951.031.060.2716.80Threonine#1001.041.090.2918.701,3-Butanediol1801.191.281.5912.401-Amino-2-propylalcohol1801.021.020.2412.80Dihydrocarvylacetate1201.121.231.9616.50Ethyllactate2001.081.141.8515.20

* Trifluoroacetyl derivative; # trifluoroacetyl isopropyl ester derivative;T: temperature;k: retention factor;α: separation factor;Rs: resolution;v: the linear velocity of the N2carrier gas.

圖4 手性化合物在COIMS涂敷柱上的拆分色譜圖

2.5 毛細(xì)管柱的重現(xiàn)性及穩(wěn)定性

選取1,3-丁二醇和纈氨酸衍生物作為測(cè)試物進(jìn)行測(cè)試,在同一條件下,通過多次進(jìn)樣之后,將使用前和多次進(jìn)樣之后的色譜圖進(jìn)行對(duì)比(見圖5)。用保留時(shí)間計(jì)算它們的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為0.27和0.19,表明該柱的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較好。

圖5 COIMS涂敷柱的重現(xiàn)性色譜圖

3 結(jié)論

本文以D-苯丙氨酸作為手性源制備一種有序介孔二氧化硅,將其用作氣相色譜手性固定相,采用動(dòng)態(tài)涂敷法制備毛細(xì)管柱,用其進(jìn)行手性分離實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明:該手性柱對(duì)8種外消旋體具有手性識(shí)別能力,得到不同程度的拆分效果。該手性柱還對(duì)正構(gòu)烷烴混合物、正構(gòu)醇混合物都具有較好的分離能力。由于其具有耐高溫的特性,因此具有作為高溫手性固定相的潛力。