CycloSil?B手性柱分离2?氯丙酸酯光学异构体

【摘要】

采用气相色谱法在七(2,3?二?o?甲基?6?叔?丁基二甲基硅烷)?β?环糊精(cyclosil?b)手性色谱柱上分离2?氯丙酸酯光学异构体。考察了2?氯丙酸酯结构和柱温对分离效果影响；在光学异构体分离过程中对热力学参数的计算，探讨光学异构体分离过程的驱动力和手性识别机理。结果表明，随着2?氯丙酸酯的酯基团的链长增加、体积增大，2?氯丙酸酯光学异构体的分离因子(α)和分离度(rs)随之减小；2?氯丙酸正构醇酯光学异构体的分离因子对数(lnα)与酯基团的立体效应taft es常数之间具有较好的相关性。当柱温为86 ℃时其回归方程为： lnα＝0．03044－4．754（es）6（r=0.9991）。随着柱温升高，2?氯丙酸酯光学异构体的容量因子(k′)、分离因子(α)和分离度(rs)也随之减小；当柱温小于82 ℃时，2?氯丙酸甲酯和乙酯光学异构体的分离度(rs)大于1.5。2?氯丙酸正构醇酯光学异构体在cyclosil?b色谱柱上的分离过程是一个焓驱动过程并存在着焓熵补偿关系。β?环糊精衍生物表面与2?氯丙酸酯之间的相互作用在其分离过程中起了重要作用，特别是酯基团的大小对2?氯丙酸酯光学异构体的分离起着决定性作用。

【关键词】 2 氯丙酸酯 β 环糊精 光学异构体 手性分离 热力学参数 熵焓补偿

1 引言

2?氯丙酸及其酯是合成农药、染料和农林化学品的重要原料[1,2]，它可用于合成芳氧羧酸类除草剂稗草胺、萘丙胺、禾草灵及吡氟禾草灵等；还可用于合成消炎解热镇痛药布洛芬、医药中间体2?丙氨酸等。具有光学活性的2?氯丙酸及其酯用于合成农药及医药中间体。通常，以(s)?2?氯丙酸及其酯合成的产品具有较高的生理活性或药理作用，而由(r)?2?氯丙酸及其酯衍生的产物生理活性低或无活性[3]。因此，有关2?氯丙酸及其酯光学异构体的分离研究应运而生。

有关2?氯丙酸及其酯光学异构体的分离常用的方法有：化学法[4]、生物酶法[5,6]、色谱法[7～11]和萃取蒸馏法[12]等。如：watabe等 [7]以n?十二(烷)酰?α?(1?萘基)乙胺为固定相气相色谱拆分2?氯丙酸的各种烷基、环烷基、芳基酰胺衍生物，探讨了部分溶质对拆分效果的影响；koende等[8]报道了2?氯丙酸甲酯等对映体在八(3?o?丁酰?2,6?二?o?戊基)?γ?环糊精毛细管柱上的拆分；李俊峰等[9]报道了柱前衍生化高效液相色谱法分离测定2?氯丙酸光学纯度。邓芳等[10]在全甲基?β?环糊精手性固定相上分离α?取代丙酸酯化合物对映体。本研究采用七(2,3?二?o?甲基?6?叔?丁基二甲基硅烷)?β?环糊精(cyclosil?b)色谱柱上分离2?氯丙酸酯的光学异构体，考察了2?氯丙酸酯结构和柱温对2?氯丙酸酯光学异构体分离的影响；考察了色谱保留参数与柱温的相关性，计算2?氯丙酸酯光学异构体分离过程中的热力学参数；结合热力学参数，探讨2?氯丙酸酯光学异构体分离驱动力及其手性分离机理。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

6820 型气相色谱仪（氢火焰离子化检测器)、cyclosil?b毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)和cerity nds化学工作站均购自美国安捷伦科技公司。2?氯丙酸甲酯、2?氯丙酸乙酯、2?氯丙酸丙酯等（>99%）由浙江工业大学药学院提供；其它试剂均为分析纯。

2.2 色谱分离条件

色谱柱：cyclosil?b (30 m×0.25 mm×0.25 μm)，其固定相为30%七(2,3?二?o?甲基?6?叔?丁基二甲基硅烷)?β?环糊精的db?1701(14%氰丙基苯基?86%甲基聚硅氧烷)溶液；柱温：60～86 ℃；汽化室温度：200 ℃；检测器温度：200 ℃；载气(n2)流速：1.0 ml/min(分流比为75∶1)；氢气流速：55 ml/min；助燃气(空气)流速：200 ml/min。

3 结果与讨论

3.1 2?氯丙酸酯的结构对光学异构体分离的影响

考察了不同2?氯丙酸酯的光学异构体在cyclosil?b手性柱上的分离效果（见图1）。从图1可知，2?氯丙酸甲酯和乙酯的光学异构体的容量因子(k′)、分离因子(α)和分离度(rs)基本一致；随着酯基团的链长继续增加或体积增大，其容量因子(k′)、分离因子(α)和分离度(rs)随之下降；带有支链的酯基团(如2?氯丙酸异丙酯)，其光学异构体不能实现分离。并发现2?氯代丙酸正构醇酯的光学异构体的分离因子对数(lnα)与基团的电子效应hammett′s σ常数之间无相关性，而与取代基团的立体效应taft es常数之间具有较好的相关性。当柱温为86 ℃时，其线性回归方程为lnα=0.03044－4.754(es)6(r2=0.9991)；而且在62～86 ℃范围内均在着这种相关性。这表明了酯基团的大小对2?氯丙酸酯的光学异构体在cyclosil?b柱手性柱上的分离起着重要的支配作用。

图1 2?氯丙酸酯光学异构体的色谱图（略）

fig.1 chromatograms of optical isomers of 2?chloropropionates

a. 2?氯丙酸甲酯(methyl 2?chloropropionate); b. 2?氯丙酸乙酯(ethyl 2?chloropropionate); c. 2?氯丙酸丙酯(propyl 2?chloropropionate); d. 2?氯丙酸丁酯(buthyl 2?chloropropionate); e. 2?氯丙酸异丙酯(iso?propyl 2?chloropropionate)。色谱柱(column): cyclosil?b(30 m×0.25 mm×0.25 μm); 柱温(column temperature): 70 ℃; 流速(flow rate): 1.0 ml/min。

3.2 柱温对光学异构体分离的影响

柱温在气相色谱法分离光学异构体过程中是一个重要的影响因素。柱温的变化不仅影响光学异构体在固定相上吸附?解脱的速度，还影响溶质的容量因子、分离因子和分离度，甚至还可能导致固定相构型发生变化，从而影响溶质与手性固定相间的相互作用，甚至导致光学异构体的洗脱次序反转[13]。从表1可知，2?氯丙酸正构醇酯的光学异构体的容量因子(k′)、分离度(rs)和分离因子(α)随着柱温降低而逐渐增大，即保留时间延长，分离效果提高。当柱温小于82 ℃时，2?氯丙酸甲酯和2?氯丙酸乙酯的分离度(rs)均大于1.5，达到了基线分离效果。

表1 不同柱温对2?氯丙酸酯的光学异构体分离的影响（略）

table 1 effect of different column temperature on separation of optical isomers of 2?chloropropionates

* k′1, k′2： 容量因子(capacity factor )；α： 分离因子(separation factor)；rs： 分离度(separation degree); 首先被洗脱的对映体为(r)?2?氯丙酸酯(the first eluted enantiomer was (r)?2?chloropropionate)。

3.3 光学异构体分离过程中的热力学参数

在色谱法分离光学异构体过程中，溶质的容量因子(k′)与柱温的关系和对映体分离因子(α)与柱温的相关性可用gibbs?holmholtz和van′t hoff 方程[13,14]表示：lnk′＝－δhrt+δsr+lnφ（1）

lnα＝－δ（δg）rt＝－δ（δh）rt＋δ（δs）r（2）式中k′为溶质的容量因子，δh和δs分别为保留过程中溶质的焓变和熵变，r为气体常数，t为柱温(k)，φ为相比。δ(δh)和δ(δs)分别为光学异构体间的焓变及熵变的差值。δ(δs)反映了光学异构体在两相中混乱度的不同，δ(δh)则反映了光学异构体与手性固定相间作用力的差异。以lnk′或lnα为纵坐标，1/t为横坐标作图，得到vant′t hoff 曲线，其回归方程如表2所示。

表2 2?氯丙酸酯光学学构体在cyclosil?b柱上的lnk′或lnα与t的相关性（略）

table 2 relationship between lnk′ or lnα of optical isomers of 2?chloropropionate on cyclosil?b column and t

* k′1, k′2： 容量因子(capacity factor )；α： 分离因子(separation factor)； t： 柱温(column temperature); r： 相关系数(correlation coefficient) 。

从表2可知，2?氯丙酸甲酯、2?氯丙酸丙酯、2?氯丙酸乙酯和2?氯丙酸正丁酯光学异构体的lnk′或lnα与1/t之间具有良好的线性关系。线性vant′t hoff 曲线表明，在所考察的温度范围内柱温的变化不影响2?氯丙酸酯光学异构体在色谱柱上的保留机理。从vant′t hoff 曲线可求得2?氯丙酸酯在色谱保留过程中焓变(δh)、焓变差(－δ(δh))、熵变差(－δ(δs))以及补偿温度(tβ)等热力学参数（见表3）。

从表3可知，2?氯丙酸甲酯、乙酯、正丙酯和正丁酯的光学异构体在cyclosil?b手性柱上色谱保留过程的焓变(δh)均为负值，这表明2?氯丙酸酯溶质与固定相之间的相互作用是一个放热过程。在实验温度范围内，2?氯丙酸甲酯、乙酯、正丙酯和正丁酯的光学异构体在色谱保留过程中的焓变差(－δ(δh))和熵变差(－δ(δs))满足｜δ(δh)｜＞｜tδ(δs)｜，则2?氯丙酸酯的光学异构体分离过程主要是一个焓驱动的过程。2?氯丙酸酯的光学异构体在cyclosil?b柱上的保留过程均为负熵变过程，不利于过程的发生，必须由β?环糊精衍生物与2?氯丙酸酯的光学异构体分子间发生相互作用时释放的焓进行补偿，才能保证2?氯丙酸酯的光学异构体的分离。

表3 cyclosil?b柱上2?氯丙酸酯的热力学数据（略）

table 3 thermodynamics data for separation of optical isomers of 2?chloropropionate on cyclosil?b column

tbm： 调和平均温度(the harmonic mean of the experiment temperature), tβ： 补偿温度(the compensation temperature)。

3.4 熵焓补偿

在手性化合物色谱分离过程中一组手性化合物光学异构体的焓变差(δ(δh))与熵变差(δ(δs))之间具有良好的线性关系，表明光学异构体之间的分离存在着熵焓补偿关系。其斜率称为补偿温度(tβ)，截距为补偿温度(tβ)下的gibbs自由能(δ(δgβ）)。当一组手性化合物在手性分离过程中存在着熵焓补偿关系，则表明一组手性化合物溶质与手性固定相(csp)之间的相互作用极为相似，具有相同的或基本一致的保留机理。然而，krug等[14,15]认为由于实验结果的统计误差使得从vant′t hoff 曲线求得的焓变差(δ(δh))与熵变差(δ(δs))之间具有较好的相关性的虚假的熵焓补偿关系，建议采用vant′t hoff 曲线求得焓变差(δ(δh))与熵变差(δ(δs))必须对其斜率进行t?检验。认为调和平均温度(tbm)与补偿温度(tβ之间存在显著性差异，则熵焓补偿具有真实性。实验结果表明，在cyclosil?b柱上2?氯丙酸酯光学异构体的焓变差(δ(δh))与熵变差(δ(δs))之间具有良好线性关系，其回归方程为－δ(δh) =406.2δ(δs)－2.2804(r=0.9999)。结果表明，调和平均温度(tbm=346.9 k)与补偿温度(tβ=406.2 k)之间存在着显著性差异。则2?氯丙酸酯的光学异构体在cyclosil?b柱上的保留过程存在着熵焓补偿关系。说明2?氯丙酸酯的光学异构体色谱拆分机理是相同的，或主导的拆分机理是相同的。

3.5 光学异构体分离机理的探讨

β?环糊精是由7个葡萄糖单元通过1,4?糖苷键连结而成，呈环状结构，并具有疏水的内空腔和亲水的外表面，空腔直径为0.78 nm。这种结构为手性化合物光学异构体的分离提供了一种良好的手性识别环境。armstrong等[16]用环糊精及衍生物色谱柱分离了24种手性化合物，并通过对热力学参数的研究，提出了手性化合物分离的“多重保留机理”，认为环糊精类固定相至少有两种不同的手性识别机理，一种与包结物的形成有关；另一种与包结物的形成无关，是通过底部、顶部、边部与溶质分子全方位的相互作用达到手性识别的目的。并提出了在β?环糊精上手性分离过程中对映体的(－δ(δh))和(－δ(δs))分别小于5.86 kj／mol和10.0 j／（mol／k）。手性识别过程与包结物形成无关，主要是通过环糊精的顶部、侧部和底部与溶质分子作用导致手性分离。从表3可知，在所考察的温度范围内2?氯丙酸酯的光学异构体之间的焓变差(－δ(δh))和熵变差(－δ(δs))分别为0.3749～0.8316 kj／mol和0.927～2.056 j／（mol／k），均小于5.86 kj／mol和10.0 j／（mol／k）。这说明环糊精底部、顶部、边部全方位的松散作用、偶极作用、范德华力、色散力以及氢键力在2?氯丙酸酯的光学异构体分离过程中起了重要作用。

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