光學(xué)活性薄荷醇異構(gòu)體的合成、衍生及分離

戈光瓊, 付延明, 沈 昊, 吳 祥, 朱成峰, 李有桂

(合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

L-薄荷醇憑借其獨(dú)特的清涼、殺菌和止癢等多種功效[1-3],在精細(xì)化學(xué)品、香精香料、醫(yī)療衛(wèi)生和食品[4-7]等方面被廣泛應(yīng)用;由于薄荷醇自身的結(jié)構(gòu)特性,還可以用作藥物中間體[8]或者通過不對稱催化反應(yīng)[9]來制備相應(yīng)的旋光性化合物等。

L-薄荷醇分子式中含有3個手性碳中心,對應(yīng)著4對對映異構(gòu)體和8個立體異構(gòu)體[8-9],如圖1所示。當(dāng)薄荷醇六元環(huán)上的取代基所處平伏鍵和直立鍵的位置不同時,會導(dǎo)致每種異構(gòu)體之間的能量存在差異,決定了每種立體異構(gòu)體的特性,其中D/L-薄荷醇具有相對更明顯的清涼功效,這也使其具有更高的工業(yè)價值[4-7]。

圖1 薄荷醇8種立體異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)

對于薄荷醇的合成路線,已有學(xué)者進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10]報道以ZnBr2/SiO2為催化劑,以香茅醛為原料制備L-薄荷醇,但獲得的產(chǎn)物幾乎為異胡薄荷醇;文獻(xiàn)[11]報道了在β-環(huán)糊精存在下,使用Rh-Al2O3催化劑催化百里酚加氫(轉(zhuǎn)化率接近95%),對D/L-薄荷醇具有中等的選擇性;文獻(xiàn)[12]報道了一種實用的Co-PMA-PZ@SiO2-800 MOF催化劑,在150 ℃、50 bar的氫氣氛圍中,百里酚轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到92%,并對D/L-薄荷醇具有較好的選擇性。

以上研究表明,現(xiàn)有方法合成的薄荷醇大多為外消旋體,而通過不對稱催化來選擇性地合成單一構(gòu)型的薄荷醇難度較大,且使用的催化劑價格昂貴并難以合成[13-14]。基于此,本文通過手性液相的方式來研究薄荷醇色氨酸酯的分離情況,并建立一種相對高效地分離和鑒定薄荷醇光學(xué)異構(gòu)體的方法。

在藥學(xué)和生理學(xué)研究領(lǐng)域,手性化合物已引起人們的普遍興趣[15-16],而高效液相色譜手性固定相法(high performance liquid chromatography-chiral stationary phase,HPLC-CSP)在對映體化合物的分離分析和制備方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢[17]。手性固定相(chiral stationary phase,CSP)是整個高效液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,直接決定了分離的效果,使用具有良好手性識別能力的手性固定相進(jìn)行直接分離,可作為一種既適用于制備又適用于分析的簡單實用方法,并已經(jīng)得到了顯著發(fā)展[18-20]。

目前,基于半合成大分子中特有的各種不同分子和超分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開發(fā)出的多糖類手性固定相的適用樣品類型范圍十分廣泛,這使得利用合適的手性固定相以及流動相進(jìn)行對映體的拆分往往具有高效的結(jié)果[21]。

本文采用單一構(gòu)型的手性氨基酸[22]對單一構(gòu)型對映體的薄荷醇進(jìn)行酯化衍生化反應(yīng),不僅有助于增強(qiáng)薄荷醇在紫外波長下的吸收從而極大提高紫外的檢測效果,同時衍生出的酯也具有很好的化學(xué)和光學(xué)穩(wěn)定性。經(jīng)過手性氨基酸衍生后的薄荷酯也是具有立體結(jié)構(gòu)差異的多手性中心非對映異構(gòu)體,根據(jù)非對應(yīng)異構(gòu)體的空間結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)的差異[23],在HPLC-CSP系統(tǒng)中確定合適的分離參數(shù)以達(dá)到合適的分離效果,從而能夠建立一種針對經(jīng)手性氨基酸衍生后的薄荷醇的分離和檢測方法。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

所有HPLC實驗均使用配備有Agilent 1260 Infinity標(biāo)準(zhǔn)自動進(jìn)樣器、Agilent 1260 Infinity柱溫箱、Agilent 1260 Infinity VL型四元泵和Agilent 1260 Infinity VWD可變波長檢測器的Agilent 1260 HPLC儀器(Agilent Technologies, Santa Clara, USA)進(jìn)行操作;Workstation軟件Agilent OpenLAB CDS DESKTOP-TDDMRJ7用于儀器控制,數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理軟件為Agilent OpenLAB Data Analysis(版本2.203.0573)。分離系統(tǒng)中手性柱為新型鍵合型淀粉-三(3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯)手性色譜柱(Chiralpak IA)、新型鍵合型纖維素-三(3,5-二氯苯基氨基甲酸酯)手性色譜柱(Chiralpak IC)、硅膠表面涂敷型直鏈淀粉-三(3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯)手性色譜柱(Chiralpak AD)和硅膠表面涂敷型纖維素-三(3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯)手性色譜柱(Chiralpak OD);正相系統(tǒng)的HPLC分離是在20 ℃下以不同體積比的異丙醇、正己烷混合溶劑作為流動相,并以一定的流動相流速進(jìn)行,紫外檢測在波長為254 nm下進(jìn)行。

本文使用的起始原料D/L-薄荷醇購于安耐吉公司,反應(yīng)中使用的試劑環(huán)己烷、無水硫酸鎂、4-二甲氨基吡啶、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽、二碳酸二叔丁酯等均購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;L-色氨酸、重鉻酸鉀、硼氫化鈉、鹽酸、硫酸、反應(yīng)溶劑四氫呋喃、甲醇以及HPLC級溶劑(如異丙醇和正己烷)等均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司。

1.2 不同構(gòu)型薄荷醇以及色氨酸酯的合成

8種薄荷醇異構(gòu)體的合成線路如圖2所示。首先,分別從已有的單一構(gòu)型的D/L-薄荷醇(3.12 g,20 mmol)出發(fā),通過氧化合成得到單一構(gòu)型的孟酮(3.08 g,99.5%),再與吡咯經(jīng)由烯胺中間體水解后轉(zhuǎn)化為2種不同構(gòu)型的孟酮(0.65 g,21.0%),由此得到4種構(gòu)型不同的孟酮;進(jìn)一步將其還原,并通過柱層析進(jìn)行分離,最終可以合成出其余構(gòu)型的薄荷醇(新薄荷醇0.74 g,24.1%;新異薄荷醇0.15 g,4.56%)。由于D/L-異薄荷醇的結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定而未得到,其余每種醇和酮的化學(xué)結(jié)構(gòu)均由1H NMR和13C NMR表征,且與文獻(xiàn)[24]中的結(jié)構(gòu)一致。8種非對應(yīng)異構(gòu)體薄荷醇色氨酸酯的合成線路如圖3所示。

圖2 8種薄荷醇異構(gòu)體的合成線路

圖3 8種非對應(yīng)異構(gòu)體薄荷醇色氨酸酯的合成線路

將已得到的不同構(gòu)型的薄荷醇(0.78 g,5 mmol),在EDCI(1.05 g,5.5 mmol)和DMAP(0.061 g,0.5 mmol)的作用下分別與Boc-L-色氨酸(1.52 g,5 mmol)發(fā)生縮合反應(yīng),從而得到非對應(yīng)異構(gòu)體薄荷醇色氨酸酯(2.19 g,99.1%),每種酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)由1H NMR和高分辨率質(zhì)譜進(jìn)行表征確認(rèn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 手性分離機(jī)制

直接手性分離的機(jī)制是通過手性固定相與作為分析物的對映體之間發(fā)生相互作用,從而形成瞬時非對映體復(fù)合物而實現(xiàn)分離。復(fù)合物的形成是氫鍵、偶極-偶極相互作用(定向力)、偶極-誘導(dǎo)偶極(誘導(dǎo)力)、誘導(dǎo)偶極-瞬時偶極(分散力)、π-π相互作用、靜電相互作用和包容復(fù)合的結(jié)果[25]。

分析物的分離效果直接由手性固定相決定,對映體在手性柱上的分離依靠溶質(zhì)和手性固定相上的極性氨基甲酸酯基團(tuán)之間的相互作用,而后者則通過利用手性固定相和薄荷醇色氨酸酯中的C=O和N—H基團(tuán)的氫鍵與溶質(zhì)發(fā)生相互作用。此外,手性固定相上的C=O基團(tuán)和薄荷醇色氨酸酯上的C=O基團(tuán)之間還會發(fā)生偶極-偶極作用。

薄荷醇色氨酸酯和螺旋直鏈淀粉衍生物同時具有多個手性中心,因此聚合物所含有的大量手性活性位點(diǎn)與溶質(zhì)發(fā)生相互作用的概率較高,可產(chǎn)生不同的相互作用效果,最終達(dá)到將非對映體分離的效果。

2.2 薄荷醇色氨酸酯的分離條件

2.2.1 手性柱的篩選

將得到的8種經(jīng)過結(jié)構(gòu)表征的酯分別使用Chiralpak IA、IC、AD、OD色譜柱(250 mm×4.6 mm×5 μm),在HPLC-CSP中對分析物進(jìn)行分離和檢測。流動相為異丙醇、正己烷,兩者體積比為1∶9,流速為1.0 mL/min,檢測波長為254 nm,柱溫設(shè)定為20 ℃。混合酯樣品是將8種構(gòu)型酯混合均勻后再進(jìn)行檢測,檢測時每種構(gòu)型酯的樣品注入量為10～20 μL。

將混合后的酯和單一構(gòu)型的酯分別在HPLC-CSP上進(jìn)行分離和檢測,通過比對Chiralpak IC柱中混合酯和單一構(gòu)型酯的出峰保留時間確定分離效果,如圖4所示。

由圖4可知,8種構(gòu)型酯的出峰順序依次為L-薄荷醇色氨酸酯、L-新薄荷醇色氨酸酯、D-新異薄荷醇色氨酸酯、D-新薄荷醇色氨酸酯、L-新異薄荷醇色氨酸酯、D-薄荷醇色氨酸酯、L-異薄荷醇色氨酸酯和D-異薄荷醇色氨酸酯,每個色譜峰的分離度R(resolution)分別為1.556、1.391、0.898、1.143、1.608。但D-新異薄荷醇色氨酸酯、D-新薄荷醇色氨酸酯、D-薄荷醇色氨酸酯以及L-異薄荷醇色氨酸酯這4種混合物之間無法有效完全地完全分離開來。

本文利用Chiralpak IA柱分別對混合酯和8種單一構(gòu)型酯進(jìn)行分離并比對出峰時間,如圖5所示。

圖5 利用Chiralpak IA柱分離8種混合酯和檢測單一構(gòu)型的酯

從圖5可以看出:峰順序依次為L-異薄荷醇色氨酸酯、D-薄荷醇色氨酸酯、L-新薄荷醇色氨酸酯、D-新薄荷醇色氨酸酯、L-新異薄荷醇色氨酸酯、D-新異薄荷醇色氨酸酯、L-薄荷醇色氨酸酯、D-異薄荷醇色氨酸酯,且每個色譜峰的分離度R分別為1.481、0.936、1.778、0.456、1.521;在液相圖譜上顯示出了6個峰,L-薄荷醇色氨酸酯和D-異薄荷醇色氨酸酯在液相圖譜上以單一峰呈現(xiàn);在此條件下,D-薄荷醇色氨酸酯和L-異薄荷醇色氨酸酯同樣也不具有較好的分離效果,這可能是由于這兩對非對映體僅在薄荷醇六元環(huán)五號位甲基位點(diǎn)的構(gòu)型上存在差異,從而使得手性填充物質(zhì)纖維素-三(3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯)與非對映酯的手性位點(diǎn)之間的相互作用力太接近,從而在手性填充柱上無法實現(xiàn)完全分離。

2.2.2 流動相極性和流速的篩選

在篩選了初步的分離條件后,可通過調(diào)節(jié)流動相的極性大小和流速快慢來達(dá)到最佳的分離效果。實際上,流動相決定了分析物和選擇劑互動位點(diǎn)的溶劑化程度以及這些位點(diǎn)能否用于分析物與手性固定相之間的分子接觸,因此,流動相在對映選擇中扮演著重要角色,選擇合適的流動相也是高效分離方法獲取的重要環(huán)節(jié)[21]。此外,流速的變化也能在一定程度上影響上述參數(shù)。

本文采用變換流動相極性和流速的方式(由大到小梯度分離;考慮到程序的設(shè)定終止時間,篩選時的最小流速為0.5 mL/min),先后采用了異丙醇與正己烷體積比為1∶9、8∶92、7∶93、5∶95的流動相組成以及1.0 、0.8 、0. 5 mL/min的流速比較分離效果,根據(jù)篩選分析不同流動相組成以及流速的分離效果發(fā)現(xiàn),流動相的極性越小,流動的流速越慢,混合薄荷醇色氨酸酯的分離效果就越好。

在Chiralpak IA柱中,當(dāng)將流動相異丙醇與正己烷體積比5∶95、流速為0.5 mL/min時,可以發(fā)現(xiàn)液相譜圖中的各色譜峰之間具有較好的分離效果;當(dāng)使用Chiralpak IC柱時,流動相異丙醇與正己烷體積比為1∶9、流速為0.8 mL/min時,液相譜圖中的各色譜峰之間具有較好的分離效果。

3 結(jié) 論

本文研究了經(jīng)過手性氨基酸衍生化后的薄荷醇在HPLC-CSP上的分離效果,并通過使用不同的手性填充柱、改變流動相的組成和流速來改善分離效果。使用Chiralpak IA柱分離時,流動相異丙醇與正己烷體積比5∶95、流速為0.5 mL/min時,可以取得較好的分離效果;當(dāng)使用Chiralpak IC柱時,流動相異丙醇與正己烷體積比為1∶9、流速為0.8 mL/min時可達(dá)到較好的分離效果?；诒緦嶒灥慕Y(jié)果分析,在接下來工作中可通過改變手性衍生試劑進(jìn)一步實現(xiàn)完全分離薄荷醇異構(gòu)體的目標(biāo)。