鄭康妮, 秦該照, 蔣雪菲, 章俊輝, 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(chirality)一詞源于希臘語中的“cheir”,它類似于人左右手的關(guān)系,即兩者互為鏡像[1]。手性在自然界和生命體中無處不在,如自然界中的龍卷風(fēng),生命體中的蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖等都是手性物質(zhì)。在藥理性質(zhì)方面外消旋體的R構(gòu)型和S構(gòu)型往往有著不同甚至相反的作用,例如甲狀腺素鈉的右旋體可以作為降血脂藥物應(yīng)用,但其左旋體對心臟具有嚴(yán)重的副作用,又如三唑類殺菌劑(2R, 3R)構(gòu)型有高殺菌作用和低等植物生長控制作用,而其(2S, 3S)構(gòu)型則有著相反的作用[1]。可見對外消旋體的拆分具有極為重要的意義。外消旋體的拆分方法有很多,如色譜法、化學(xué)拆分法等,其中,毛細管電色譜(CEC)技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為化學(xué)、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用且有效的色譜分離方法[2]。CEC技術(shù)是通過在毛細管柱內(nèi)涂覆或鍵合手性固定相,以電滲流為驅(qū)動力,根據(jù)對映體在手性固定相和流動相之間分配系數(shù)及電泳淌度的不同實現(xiàn)分離[3]。CEC的手性固定相種類眾多,其中多孔有機籠(POCs)就是其中的一種,POCs因其固有的和可接近的空腔,成為一類獨特的孔狀材料[4]。

POCs有著孔徑均勻、表面積高、熱化學(xué)穩(wěn)定性好的性質(zhì),這使其成為各種功能應(yīng)用的最佳候選者,包括分子氣體分離和手性藥物分離[5]。在固體中呈現(xiàn)多孔的狀態(tài),且空腔必須通過一維、二維或三維的孔隙網(wǎng)絡(luò)來連接,如果沒有這種連通性,固有的空腔是孤立的,客體分子就無法進入[6]。有機籠在添加和去除客體時也必須保持形狀,如溶劑的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會因其內(nèi)在腔體的崩潰而受到破壞,籠內(nèi)的內(nèi)在孔隙度也可能因籠間的外部空隙而增大[7-9]。與金屬有機框架、沸石、多孔聚合物和碳分子篩等多種多孔材料相比,POCs是通過共價鍵合自組裝形成的具有三維連通性和均勻孔徑的晶體多孔材料[10-12]。2008年,Gawronski課題組[13]通過縮合反應(yīng),合成了一個連接亞胺的[4+6]四面體籠,但他們并沒有研究籠的晶體結(jié)構(gòu)。Yuan課題組[14]在2015年報道了多孔有機分子籠CC3-R作為毛細管氣相色譜手性固定相對手性物質(zhì)具有很好的分離效果;Kewley等[15]報道了POCs在氣相色譜和電色譜中的應(yīng)用,證實了POCs是一種不錯的手性材料;2021年,Yuan課題組的唐明華[16]制備了兩種手性POCs,由2-羥基-1,3,5-均苯三甲醛分別與(1R,2R)-二氨基環(huán)己烷和(1R,2R)-二苯乙二胺合成,兩種手性POCs的合成反應(yīng)都是席夫堿反應(yīng)。即用伯胺與醛或者酮發(fā)生席夫堿反應(yīng)獲得有機分子胺籠[17]。之后把它們用作CEC的手性固定相,拆分了多種手性藥物和位置異構(gòu)體,達到了預(yù)期的效果。

文章利用席夫堿反應(yīng)原理,通過溶劑熱合成法將(1R,2R)-二氨基環(huán)己烷和3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚縮合成棱柱形手性POCs。該POCs具有良好的溶解性,可溶于大多數(shù)有機溶劑,適合作為CEC的手性固定相。將POCs溶解在二氯甲烷中,用動態(tài)涂覆法將溶液均勻地涂覆在石英毛細管內(nèi)壁上,制成CEC柱。實驗結(jié)果表明該手性柱拆分了4種手性藥物和2種位置異構(gòu)體,說明該手性柱具有一定的手性分離能力。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CL 1020高效毛細管電泳儀(北京華陽利民儀器有限公司); Bruker DXR 500 MHz核磁共振波譜儀(瑞士布魯克公司); D/Max 2000粉末衍射儀(日本Rigaku公司); Vario EL Ⅲ有機化學(xué)元素分析儀(北京來亨科貿(mào)有限責(zé)任公司); SDT-650熱重分析儀(美國TA儀器); XL 30 ESEM-TMP掃描電子顯微鏡(荷蘭飛利浦公司);純水器(英國ELGA公司)。

氫氧化鉀、二氯甲烷、乙醇、甲醇、鹽酸、二甲基亞砜、聯(lián)苯二酚、磷酸購于天津風(fēng)船化學(xué)試劑有限公司;(1R,2R)-環(huán)己二胺、三氟乙酸、六亞甲基四胺、o,m,p-氯苯胺、o,m,p-甲苯胺購于上海試劑有限公司;氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇、1-苯基-1-戊醇購于比利時Acros Organics公司。實驗所用試劑純度除磷酸為85%與(1R,2R)-環(huán)己二胺為98%外,其余均為99%。

1.2 配體3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚的合成

根據(jù)文獻[18]合成3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚:首先稱取4,4′-聯(lián)苯二酚6.85 g (16.11 mmol)和已在真空下干燥2.5 h的六亞甲基四胺51.2 g (182.6 mmol),置于500 mL圓底燒瓶中,加入三氟乙酸(TFA) 120 mL,在油浴鍋中反應(yīng)7 d,溫度為105 ℃。反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫,再加入200 mL濃度為4 mol/L的鹽酸,反應(yīng)2.5 h,再冷卻12 h后過濾,用超純水、無水乙醇、環(huán)己烷等有機溶劑依次洗滌。最后真空干燥,得到2.9 g的黃色固體。為了得到更純的物質(zhì),將黃色固體進行兩次重結(jié)晶,得到純凈的3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚?；瘜W(xué)反應(yīng)結(jié)構(gòu)式如圖1所示:

圖1 3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚的合成

1.3 POCs的合成

根據(jù)文獻[18]報道方法合成了POCs。首先,稱取上述步驟合成的配體3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚0.6 g (0.50 mmol)溶于100 mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,并將2.62 g (1.5 mmol)的(1R,2R)-二氨基環(huán)己烷充分溶解在60 mL甲醇中,分別進行超聲,待兩種固體溶解后,一起倒入250 mL的圓底燒瓶中,在無水無氧條件下,加入5 mL鹽酸,回流過夜,過濾后濾液轉(zhuǎn)移至燒杯中,用濾紙蓋住,4～5天后,有橙色晶體析出,然后用環(huán)己烷、無水乙醇和高純水洗滌多次,產(chǎn)物在70 ℃的真空干燥箱中進行干燥。合成路線見圖2。

圖2 POCs的合成路徑

1.4 POCs開管毛細管色譜柱的制備

參照文獻[19]制備POCs開管毛細管色譜柱,處理步驟如下:先截取大約3 m (375 μm o.d.×75 μm i. d.)長的石英毛細管,然后對其進行粗糙化,具體步驟為依次用1 mol/L NaOH、蒸餾水和0.1 mol/L HCl沖洗,之后將石英毛細管柱烘干,處理溫度為120 ℃,烘干時間為40 min,最后將毛細管柱烘干,溫度為150 ℃。

稱取30 mg的POCs晶體,溶解于10 mL二氯甲烷溶液中,質(zhì)量濃度為3 mg/mL,超聲20 min,充分溶解后,過濾掉不溶固體,接著將上述濾液用高純氮氣緩慢的吹入粗糙化后的毛細管柱中。待充滿整個毛細管柱后,再把氮氣的氣流調(diào)小,持續(xù)吹3 h,直至溶液吹出并繼續(xù)對其進行老化。

1.5 CEC的實驗條件

截取一段手性POCs開管毛細管色譜柱(60 cm×75 μm),在毛細管柱離末端8 cm處進行開窗操作,有效分離長度為52 cm。進行測樣之前,色譜柱需用高純水、磷酸緩沖溶液依次沖洗,直至儀器基線穩(wěn)定,進樣時間為5～10 s。

拆分氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇的最優(yōu)分離電壓均為15 kV,而1-苯基-1-戊醇的最優(yōu)分離電壓為17 kV;氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇、1-苯基-1-戊醇的適宜Tris-H3PO4緩沖液濃度均為0.100 mol/L; 4種手性樣品拆分時的pH值均為7.5。

2 結(jié)果與討論

2.1 3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚的表征

將配體溶解于0.5 mL的氘代二甲亞砜(DMSO-d6)進行核磁共振分析,可以得到配體共有兩種不同環(huán)境的氫,氫面積之比為1∶1,與參考文獻[18]基本一致,表明配體3,3′,5,5′-四醛基-4,4′-聯(lián)苯二酚已成功合成。其中核磁數(shù)據(jù)如下:1H NMR (500 MHz, DMSO):δ=8.48 (s, 4H), 10.36 (s, 4H)。

2.2 POCs的表征

2.2.1核磁共振氫譜分析

采用核磁共振氫譜儀對合成的POCs進行了表征,具體數(shù)據(jù)如下:1H NMR (500 MHz, CDCl3):δ=14.12 (s, 1H), 8.53 (s, 1H), 8.47 (s, 1H), 8.13 (s, 1H), 7.59 (s, 1H), 3.47 (s, 2H, CHN), 3.21 (s, 1H, CHN), 2.05～1.47 (s, 8H)。所得數(shù)據(jù)與文獻[18]報道的相同。

2.2.2碳譜分析

采用碳譜儀對合成的POCs進行了碳譜表征,具體數(shù)據(jù)如下:13C NMR (125 MHz, CDCl3):δ=165.11, 161.56, 157.79, 129.07, 126.53, 124.88, 123.82, 118.51, 72.50, 32.43, 31.74, 29.31, 24.22。所得數(shù)據(jù)與文獻[18]報道的相同。

2.2.3紅外光譜分析

采用紅外光譜儀對合成的POCs進行表征,如圖3所示,強亞胺鍵在1 635 cm-1處的特征吸收峰證明了POCs形成了C=N鍵,在3 425 cm-1處存在-OH吸收峰伸縮振動,在2 925 cm-1和2 858 cm-1處的吸收峰分別為N=C-H和C-H拉伸帶,且苯環(huán)吸收峰在約1 446 cm-1和1 383 cm-1處由C=C-H和C=C拉伸振動產(chǎn)生。

圖3 POCs的紅外光譜圖

通過上述核磁共振氫譜、碳譜與紅外光譜的表征及對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析,證明實驗已經(jīng)成功合成出了POCs。

2.2.4質(zhì)譜分析

POCs分子式為C84H90N12O6,理論上:C 74.02%、H 6.59%、N 12.43%。通過元素分析后得到:C 74.12%、H 6.52%、N 12.37%。文章采用高分辨率質(zhì)譜對POCs進行分析,得到分子離子峰m/z=1 363.7 228(見圖4),可推算出其相對分子質(zhì)量約為1362,符合氮規(guī)則,進一步證明已合成出POCs。

圖4 POCs的質(zhì)譜圖

2.3 熱重曲線分析

為證明POCs有高的化學(xué)熱穩(wěn)定性,對POCs進行了熱重測試。將POCs放在熱重分析儀中,從25 ℃上升到800 ℃(10 ℃/min)。從圖5可以觀察到,其在300 ℃左右能穩(wěn)定存在,表明POCs具有良好的化學(xué)熱穩(wěn)定性,符合在CEC中的測試條件,可進一步探究其他實驗。

圖5 POCs的熱重曲線圖

2.4 POCs的氮氣吸附測試

由氮氣吸附脫附實驗得出,合成的多孔POCs材料比表面積為689.39 m2/g,孔徑大小為3.91 nm,孔體積為0.41 cm3/g,如圖6所示。

圖6 POCs的N2吸附脫附等溫線

2.5 POCs開管毛細管電色譜柱電鏡表征

探究POCs開管毛細管電色譜柱是否具有良好的分離性能,首先需要對涂覆好的POCs毛細管色譜柱進行掃描電鏡分析表征。圖7a、b為空的毛細管柱表征,可觀察到其內(nèi)壁光滑,圖7c、d為涂覆柱表征,可以觀察到毛細管內(nèi)壁涂有一層POCs材料。

圖7 毛細管內(nèi)壁的掃描電鏡圖

2.6 POCs毛細管電色譜柱拆分手性化合物的情況

POCs具有特別的籠分子和四面體結(jié)構(gòu),且是一種手性多孔材料。手性藥物與有機籠分子之間存在π-π鍵、偶極-偶極作用、立體構(gòu)型匹配作用和氫鍵等作用,在進行CEC分離分析時,手性藥物進入毛細管內(nèi)與內(nèi)壁中涂覆的POCs材料充分接觸,在諸多作用下,手性藥物得到了分離。然而,手性藥物分離的過程十分復(fù)雜,很難完全闡明手性分離的機理。為了探究該色譜柱對手性化合物的拆分能力,選用氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇與1-苯基-1-戊醇為樣品,改變實驗中的分離電壓、緩沖溶液的濃度、緩沖溶液的pH值,從而得到拆分4種外消旋體的最佳實驗條件。

2.6.1分離電壓對手性藥物拆分的影響

影響手性藥物拆分效果的因素有很多,分離電壓就是其中的一種。分離電壓的大小不僅影響著手性藥物的分離度,且對出峰時間也有一定的影響。為探究分離電壓對分離度的影響,選用濃度為0.100 mol/L、pH=7.5的Tris-H3PO4緩沖溶液分別對氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇4種手性藥物進行實驗探究,從表1數(shù)據(jù)可以看出,分離電壓為15 kV時,氧氟沙星、特羅格爾堿和2-氨基-1-丁醇能達到最大分離度,1-苯基-1-戊醇在電壓為17 kV的條件下達到最大分離度。

表1 不同分離電壓下4種外消旋體的拆分結(jié)果

2.6.2緩沖溶液濃度對手性藥物拆分的影響

在最優(yōu)分離電壓條件下,采用pH值為7.5但濃度不同的Tris-H3PO4緩沖溶液,4種外消旋體的色譜拆分情況如表2所示。實驗得出,當(dāng)緩沖溶液濃度升高到一定程度時,可以增大手性樣品的分離度,一旦超過適當(dāng)?shù)臐舛确秶?分離度不但不會增大,反而會減小。由表2得出,氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇在POCs手性色譜柱的分離中,最優(yōu)緩沖溶液濃度為0.100 mol/L。另外,緩沖液濃度影響著樣品的出峰時間,樣品的出峰時間隨著濃度的增大而增加,溶液離子強度的變化對溶液黏度與Zeta電勢也有一定的影響。

表2 不同濃度緩沖溶液下4種外消旋體的拆分結(jié)果

2.6.3pH值對手性藥物拆分的影響

上述實驗得到手性藥物的最佳分離電壓和緩沖液濃度,繼續(xù)對手性藥物的最佳pH值進行優(yōu)化(見表3),緩沖液pH值從6.5升至7.5時,氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇的分離度升高,但當(dāng)pH值升高到8.5時,氧氟沙星、1-苯基-1-戊醇的分離度分別減少至0.62、1.06,特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇沒能得到拆分。pH值過低會影響色譜固定相的活性,但pH值過高則會增大電滲流,縮短手性樣品的保留時間,從而影響拆分效果。因此最優(yōu)pH值為7.5。

表3 不同pH值緩沖溶液下4種外消旋體的拆分結(jié)果

經(jīng)過上述3個實驗的研究探討,得到4種手性物質(zhì)在最佳拆分條件下的電色譜圖如圖8所示,氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇的手性分離度分別是1.80、3.33、1.69、1.18,都達到了較好的分離,表明POCs手性色譜柱對外消旋體具有良好的手性識別能力和分離效果。

圖8 POCs手性柱對4種外消旋體的電色譜圖

2.7 位置異構(gòu)體在POCs電色譜柱上的拆分情況

POCs毛細管柱對位置異構(gòu)體o,m,p-甲苯胺、o,m,p-氯苯胺也進行了分離研究,分離譜圖見圖9。電色譜分離條件為0.100 mol/L、pH=7.5的Tris-H3PO4緩沖溶液,分離電壓為15 kV。位置異構(gòu)體與POCs固定相間可能存在π-π鍵、偶極-偶極作用、立體構(gòu)型匹配作用和氫鍵等相互作用力,從而使位置異構(gòu)體分離。因位置異構(gòu)體的分子結(jié)構(gòu)、大小各不相同,故與固定相接觸時產(chǎn)生的效果存在差異。

3 結(jié)論

將合成的多孔有機籠材料POCs涂覆在毛細管柱上制成相應(yīng)的毛細管色譜手性柱。用該手性柱成功拆分了位置異構(gòu)體o,m,p-氯苯胺和o,m,p-甲苯胺以及氧氟沙星、特羅格爾堿、2-氨基-1-丁醇和1-苯基-1-戊醇4種手性藥物。實驗表明,POCs作為CEC的手性固定相可行且具有一定的實用性,在拆分手性藥物方面具有較大潛力。