- 中文名
- 手性色譜柱(簡稱:手性柱)
- 外文名
- Chiral HPLC Columns
- 定 義
- 具有光學(xué)活性的單體
- 特 點(diǎn)
- 固定在硅膠或其它聚合物上
要實(shí)現(xiàn)手性識別,手性化合物分子與手性固定相之間至少存在三種相互作用。
這種相互作用包括氫鍵、偶級-偶級作用、π-π作用、靜電作用、疏水作用或空間作用。
手性分離效果是多種相互作用共同作用的結(jié)果。
這些相互作用通過影響包埋復(fù)合物的形成,特殊位點(diǎn)與分析物的鍵合等而改變手性分離結(jié)果。
由于這種作用力較微弱,因此需要仔細(xì)調(diào)節(jié)、優(yōu)化流動相和溫度以達(dá)到最佳分離效果。
迄今為止,尚沒有一種類似十八烷基鍵合硅膠(ODS)柱的普遍適用的手性柱。
不同化學(xué)性質(zhì)的異構(gòu)體不得不采用不同類型的手性柱,而市售的手性色譜柱通常價(jià)格昂貴,因此如何根據(jù)化合物的分子結(jié)構(gòu)選擇適用的手性色譜柱是非常重要的。
根據(jù)手性固定相和溶劑的相互作用機(jī)制,Irving Wainer首次提出了手性色譜柱的分類體系:
第1類:通過氫鍵、π-π作用、偶級-偶級作用形成復(fù)合物。
第2類:既有類型1中的相互作用,又存在包埋復(fù)合物。此類手性色譜柱中典型的是由纖維素及其衍生物制成的手性色譜柱。
第3類:基于溶劑進(jìn)入手性空穴形成包埋復(fù)合物。
這類手性色譜柱中最典型的是由Armstrong教授開發(fā)的環(huán)糊精型手性柱[2],另外冠醚型手性柱和螺旋型聚合物,如聚(苯基甲基甲基丙烯酸酯)形成的手性色譜柱也屬于此類。
第4類:基于形成非對映體的金屬絡(luò)合物,是由Davankov開發(fā)的手性分離技術(shù),也稱為手性配位交換色譜(CLEC)。
第5類:蛋白質(zhì)型手性色譜柱。手性分離是基于疏水相互作用和極性相互作用實(shí)現(xiàn)。
但是,隨著由于市場上可選擇的手性色譜柱越來越多,此分類系統(tǒng)有時(shí)很難將一些手性柱歸納進(jìn)去。
因此參考Irving Wainer的分類方法,根據(jù)固定相的化學(xué)結(jié)構(gòu),將手性色譜柱分為以下幾種:
-
刷(Brush)型或稱為Prikle型
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纖維素(Cellulose)型
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環(huán)糊精(Cyclodextrin)型
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大環(huán)抗生素(Macrocyclicantibiotics)型
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蛋白質(zhì)(Protein)型
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配位交換(|Ligandexchange)型
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冠醚(Crown ethers)型
1、刷型:刷型手性色譜柱的出現(xiàn)和發(fā)展源于Bill Prikle及其同事的卓越工作。
六十年代,Bill Prikle將手性核磁共振中的成果運(yùn)用到手性HPLC固定相研究中,通過不斷實(shí)踐,發(fā)明了應(yīng)用范圍較廣、柱效很好的手性色譜柱。
刷型手性色譜柱是根據(jù)三點(diǎn)識別模式設(shè)計(jì)的,屬于Irving Wainer分類中的第一種類型。
刷型手性固定相分為π電子接受型和π電子提供型兩類。
最常見的π電子接受型固定相是由(R)-N-3,5-二硝基苯甲酰苯基甘氨酸鍵合到γ-氨丙基硅膠上的制成。
此類刷型手性色譜柱可以分離許多可提供π電子的芳香族化合物,或用氯化萘酚等對化合物進(jìn)行衍生化后進(jìn)行手性分離。
π電子供給型固定相常見的是共價(jià)結(jié)合到硅膠上的萘基氨基酸衍生物,這種固定相要求被分析物具有π電子接受基團(tuán),例如二硝基苯甲?;?。醇類、羧酸類、胺類等,可以用氯化二硝基苯甲酰、異腈酸鹽、或二硝基苯胺等進(jìn)行衍生化后,用π電子供給型固定相達(dá)到手性分離。
刷型固定相的優(yōu)勢在于其易于合成。
合成方法在Bill Prikle的著作中有詳細(xì)的說明。
另外,刷型固定相具有高的容量因子,因此具有高的選擇因子。
它的不利之處在于它僅對芳香族化合物有效,有時(shí)不得不進(jìn)行衍生化反應(yīng)。但
值得一提的是,這種衍生化反應(yīng)是非手性衍生反應(yīng),所以不存在手性衍生的問題。
刷型手性色譜使用的流動相基本是極性弱的有機(jī)溶劑,這對于制備色譜來講未必是缺點(diǎn)。
近來,刷型固定相出現(xiàn)了π電子供給和接受基因的混合固定相。
如:WHELK-O和BLAMO,及α-BURKE-Ⅱ固定相。α-BURKE-Ⅱ相十分適用于β-阻斷劑的手性分離。
典型的流動相為二氯甲烷-乙醇-甲醇混合物,比例為85:10:5。
加入10mM醋酸銨可以調(diào)整保留時(shí)間。SS BLAMO Ⅱ,同時(shí)具有π電子供體區(qū)和受體區(qū),形成手性裂縫,因此對于某些分子具有很高選擇性。
2、纖維素型:
纖維素型手性色譜柱的分離作用包括相互吸引的作用及形成包埋復(fù)合物。
它們屬于Wainer分類中的第2種類型。
市售的手性色譜柱為微晶三醋酸基、三安息香酸基、三苯基氨基酸鹽纖維素固定相。
很多化合物可通過此類型的色譜柱得到分離。這
種類型的手性色譜柱種類也很齊全。
流動相使用低極性溶劑,典型的流動相為異丙醇-正己烷混合物。
這類柱子根據(jù)制作工藝,分為涂敷與鍵合兩大類。
但特別要注意由于氯可以使涂敷纖維素從硅膠上脫落,因此要確保涂敷類柱子流動相中無含氯溶劑?! ?br />
3、環(huán)糊精型:
環(huán)糊精是通過BacillusMacerans 淀粉酶或環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶水解淀粉得到的環(huán)型低聚糖。
通過控制環(huán)糊精轉(zhuǎn)移酶的水解反應(yīng)條件可得到不同尺寸的環(huán)糊精。
市售的環(huán)糊精主要是α、β、γ三種類型,分別含6、7、8個(gè)吡喃葡萄糖單元。
環(huán)糊精分子成錐筒型,構(gòu)成一個(gè)洞穴,洞穴的孔徑由構(gòu)成環(huán)糊精的吡喃葡萄糖的數(shù)目決定。
環(huán)糊精類型及洞穴的孔徑等見下表:環(huán)糊精
糖元數(shù)目
洞穴孔徑
可進(jìn)入洞穴的分子類型
手性中心數(shù)目
α
6
4.5-6.0
5-6元環(huán)的芳香族化合物
30
β
7
6.0-8.0
聯(lián)苯或萘
35
γ
8
8.0-10.0
取代芘和類固醇 40
用環(huán)糊精手性固定相產(chǎn)生手性識別要求被拆分物的疏水部分能嵌入環(huán)糊精洞穴中,形成可逆的、穩(wěn)定性不同的包合物,環(huán)糊精洞口的羥基和被拆分物的極性基團(tuán)相互作用。
由于形成包合物速度較慢,因此可能導(dǎo)致色譜峰峰形較差,同樣也影響了其在制備色譜中的應(yīng)用。
環(huán)糊精固定相的選擇性取決分析物的分子大??;α-環(huán)糊精只能允許單苯基或萘基進(jìn)入,β-環(huán)糊精允許萘基及多取代的苯基進(jìn)入,γ-環(huán)糊精僅用于大分子萜類。
β-環(huán)糊精手性固定相應(yīng)用范圍最廣。
Ibuprofen通過β-環(huán)糊精色譜柱得到分離,說明了pH值對氫鍵的影響。
當(dāng)流動相的pH=7時(shí),觀察不到拆分的跡象。
pH=4時(shí),可達(dá)到好的分離效果。通
常分離氨基酸時(shí),常采用低的pH值,以抑制酸性基團(tuán)的離子化,同時(shí)也增強(qiáng)氨基的質(zhì)子化。
磷酸三乙胺鹽、乙酸三乙胺鹽證明對β-環(huán)糊精色譜柱來說是很好的緩沖液。
通常緩沖液是0.1%三乙胺溶液,用磷酸或醋酸調(diào)節(jié)到合適的pH值。
高的流速會降低形成復(fù)合物的能力,低流速分離效果較好,0.5-1ml/min的流速最好。
另外,增加緩沖液的濃度可以克服流速的影響,因?yàn)樗梢栽黾迎h(huán)糊精洞穴和流動相的吸引力。
緩沖液 濃度 目的
TEAA(乙酸三乙胺鹽) 0.01-2%
NH4NO3 10-500mM (用于減小包埋)
檸檬酸鹽 10-200mM (特別適合于酸性化合物)
醋酸銨 10-200mM
pH值選擇見下表:
緩沖液 pH值 目的
醇和胺 pH4 (加強(qiáng)NH的離子化)
酸 pH7
環(huán)糊精的修飾:最近,對環(huán)糊精的修飾使環(huán)糊精型手性色譜柱可以分離更多的化合物,并可用于氣相手性色譜分離。
衍生化是通過將不同的基因鍵合到環(huán)糊精洞穴表面的羥基上。
衍生化反應(yīng)包括乙基化、S-羥基丙基化、生成S或R-萘基乙基氨基甲酸鹽、3,5二甲基苯基氨基甲酸鹽和環(huán)狀對甲苯酰酯。
這些新型的環(huán)糊精固定相有許多優(yōu)點(diǎn),它們可以分離更多化合物,價(jià)格上也有競爭力,由于改進(jìn)了手性識別能力使其更適用于制備色譜。
手性配位交換色譜(Chiral LigandExchange Chromatography,CLEC)由Davankov發(fā)明,是通過形成光學(xué)活性的金屬絡(luò)合物而達(dá)到手性分離,屬于Irving Wainer分類中的第4類手性固定相,主要用于分離氨基酸類。
其它的過渡金屬元素也已用于手性配位交換色譜,但銅離子應(yīng)用最廣。
形成絡(luò)合物的過程十分緩慢,因此有時(shí)需提高柱溫,最佳溫度約50℃。
β- 氨基酸很難用手性配位交換色譜得以分離。
手性配位交換色譜可用于制備,由于流動相中存在銅離子,雖然銅離子能用離子交換柱除去,但增加了樣品處理的困難。
大環(huán)抗生素型手性色譜柱是最近發(fā)展起來的,通過將大環(huán)抗生素鍵合到膠上制成的新型手性色譜柱。
大環(huán)抗生素型手性色譜柱的出現(xiàn)歸功于Dan Armstron 的貢獻(xiàn)。
此類色譜柱常用的大環(huán)抗生素主要由三種:利福霉素(Rifamycin),萬古霉素(Vancomycin),替考拉寧(Ticoplanin)。
利福霉素作為手性添加劑在毛細(xì)管電泳分離手性化合物方面得到了成功運(yùn)用。
萬古霉素和替考拉寧分子結(jié)構(gòu)中存在“杯”狀結(jié)構(gòu)區(qū)和糖“平面” 結(jié)構(gòu)區(qū)。此類色譜柱性質(zhì)穩(wěn)定,可用于多種分離模式。
手性分離基于氫鍵、π-π作用、形成包合物、離子作用和肽鍵等。
酸性基團(tuán)在多肽“杯”/ “裂層”的一端,堿性基團(tuán)在它的另一端。
酸性基團(tuán)和堿性基團(tuán)提供了離子作用點(diǎn)。
糖基在三個(gè)平面上,可折疊起來將化合物分子包埋在多肽“杯”中。
萬古霉素分子量為1449,結(jié)構(gòu)中存在18個(gè)手性中心,3個(gè)環(huán)。
萬古霉素具有“籃狀”結(jié)構(gòu),它的附近還有一個(gè)可彎曲的糖平面,可將分析物分子包埋在“籃子”中。
羧基和仲氨基分布在“籃子”的邊緣,參與和分析物分子產(chǎn)生離子作用。
萬古霉素手性色譜柱可用于反相模式、正相模式和極性模式。
萬古霉素手性色譜柱可以分離胺類、中性酰胺、脂類。
但對于酸性化合物選擇性較低。在反相模式中,有機(jī)相常用四氫呋喃、乙腈和甲醇。
水相常用三乙胺-乙酸緩沖液。
色譜柱適用的pH范圍為4-7。
通常優(yōu)化堿性化合物手性分離條件時(shí),選擇pH=7 為起點(diǎn)比較好。
另外四氫呋喃、乙腈有最好的選擇性。
有時(shí)采用純的甲醇和乙醇作流動相也可達(dá)到好的分離效果。
萬古霉素手性色譜柱也可用正相模式,采用正己烷/乙醇為流動相。
萬古霉素手性色譜柱載樣量可以很大,非常適用于制備色譜。
蛋白質(zhì)型手性色譜柱屬于第5種類型。
分離依賴于疏水相互作用和極性相互作用。
已經(jīng)有多種蛋白質(zhì)用于此類手性色譜柱。
使用較多的是α-酸性糖蛋白(α-Acid Glycoprotein,AGP),人血清白蛋白(Human Serum Albumin,HSA),牛血清白蛋白(Bovine Serum Albumin,BSA)和卵類粘蛋白(Ovomucoid,OV)。
α-酸性糖蛋白分子由181個(gè)氨基酸殘基和40個(gè)唾液酸(sialic acid)殘基構(gòu)成。
α-酸性糖蛋白分子偏酸性,等電點(diǎn)為2.7。含有兩個(gè)二硫鍵,性質(zhì)很穩(wěn)定。
α-酸性糖蛋白分子可以共價(jià)鍵合到硅膠上,制成手性色譜柱,可以分離許多化合物。
α-酸性糖蛋白手性色譜柱使用的流動相通常為pH 4-7的磷酸鹽緩沖液和很小比例的有機(jī)相。
機(jī)相的改變導(dǎo)致蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生暫時(shí)的改變。
色譜柱的負(fù)載量至關(guān)重要,典型的負(fù)載量為0.02mg/ml的濃度樣品,進(jìn)樣20μl。pH 的改變對手性選擇性起關(guān)鍵作用,尤其是胺類化合物。
pH降低導(dǎo)致蛋白質(zhì)負(fù)電荷的降低,引起胺類化合物保留時(shí)間減小,然而這意味著可以減小有機(jī)相比例,使選擇性增加,峰形改善。
通過調(diào)節(jié)有機(jī)相比例仍無法達(dá)到分離效果時(shí),有時(shí)需用電荷調(diào)節(jié)劑。
但這可能引起蛋白結(jié)構(gòu)的永久改變,這些電荷調(diào)節(jié)劑包括丁酸、辛酸、癸酸和二甲基辛胺。有時(shí)也用到1,2 亞乙基二醇,1,2丁醇和氯化鈉。
溫度對分離也有影響,溫度增加保留時(shí)間,減小分離因子。
人血清白蛋白(HSA)分子量為69,000,等電點(diǎn)為4.8。
蛋白中認(rèn)為存在兩個(gè)藥物結(jié)合位點(diǎn):華法令-氮雜普魯帕宗(warfarin-azapropazone)和苯基二氮雜-吲哚(benzodiazapine-indole)結(jié)合位點(diǎn)。
流動相中加入辛酸,采用人血清白蛋白手性色譜柱可以有效分離benzodiazapine。
Warfarin 和oxazepam也用人血清白蛋白手性色譜柱得到了分離,流動相組成為:100mM磷酸緩沖液pH7:乙腈:異丙醇 = 84:10:6。
此蛋白為一個(gè)單氨基酸鏈,通過17個(gè)二硫鍵形成9個(gè)雙環(huán)。
許多化合物通過牛血清白蛋白手性色譜柱得到分離。
牛血清白蛋白不如α-酸性糖蛋白穩(wěn)定,一些有機(jī)溶劑(如乙腈、甲醇)可使蛋白變性,因此使用起來要特別注意。
卵類粘蛋白由蛋清中提取,分子量為55,000。
它可分離大量的胺類和酸類化合物。
蛋白手性色譜柱的載樣量均較小。
影響了蛋白手性色譜柱在制備色譜中的應(yīng)用。
蛋白手性色譜柱在所有手性色譜柱中是應(yīng)用最廣的色譜柱,但并不是效果最好的色譜柱。
冠醚類固定相用于分離一級胺,一級胺必須質(zhì)子化方能達(dá)到分離。
因此必須使用酸性流動相,如高氯酸。
最常用的是冠醚類固定相是18-冠-6,無論(+)或(-)型均可達(dá)到有效分離,并可通過變化(+)(-)類型而改變分析物出峰順序。
冠醚作為添加劑也用于核磁共振和電泳,但由于其毒性較大,有致癌性,使其應(yīng)用受到限制。