手性离子液体配体交换法拆分邻氯扁桃酸对映体
李静，焦飞鹏，蒋新宇，邓乔月
(中南大学 化学化工学院，湖南 长沙，410083)
摘要：基于配体交换的机理，研究脯氨酸手性离子液体作为手性配体拆分邻氯扁桃酸对映体的方法及其热力学过程，考察手性离子液体烷基链长、铜离子浓度、离子液体浓度、pH和温度等因素对邻氯扁桃酸对映体分离的影响。研究结果表明：在1-丁基-3-甲基咪唑L-脯氨酸([C4mim][Pro])浓度为6 mmol/L，CuSO4浓度为8 mmol/L，甲醇体积分数为15%，pH为 5.1和分离温度为 25 ℃ 的最优条件下，邻氯扁桃酸对映体可以较好地基线分离，其分离度为1.69；拆分过程是一个放热的焓控过程。
关键词：手性离子液体；配体交换拆分；热力学；邻氯扁桃酸
中图分类号：O65 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)09-3593-06
Enantioseparation of 2-chloromandelic acid enantiomers by ligand exchange based on chiral ionic liquids
LI Jing, JIAO Feipeng, JIANG Xinyu, DENG Qiaoyue
(School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Enantioseparation of 2-chloromandelic acid enantiomers by ligand exchange and its thermodynamical process were studied with chiral ionic liquids (CILs) containing imidazolium cations and L-Proline anions as chiral selector. Some influencing separation factors such as alkyl chain length of CILs, concentrations of Cu2+ and CILs, pH and temperature were investigated. The results show that the optimal conditions are as follows: The concentration of [C4mim][Pro] is 6 mmol/L, the concentration of Cu2+ is 8 mmol/L, volume fraction of methanol and water is 15%, pH is 5.1, and the temperature is 25 ℃. Under the optimal conditions, 2-chloromandelic acid enantiomers can be baseline separated with a resolution of 1.69. The chiral separation of 2-chloromandelic acid enantiomers is an enthalpy-controlled process.
Key words:chiral ionic liquids; ligand exchange enantioseparation; thermodynamics; 2-chloromandelic acid
邻氯扁桃酸(2-chloromandelic acid)是一种具有广泛用途的药物中间体和精细化工产品，在医药生产、不对称合成和光学拆分等多个领域都得到应用，其中(R)-邻氯扁桃酸可以合成新型高效的抗血小板聚集药物氯吡格雷[1]。随着氯吡格雷的畅销以及邻氯扁桃酸用途的进一步开发，邻氯扁桃酸单体的需求逐步增大，因此，研究高效的邻氯扁桃酸对映体拆分方法日益重要。目前，邻氯扁桃酸对映体的手性拆分方法已有报道，如手性柱高效液相色谱法[2]和毛细管电泳[3]等。手性配体交换色谱法是利用金属离子和手性配体在非手性固定相上进行对映体拆分的方法，由于方法简单、有效，已引起广泛关注[4-5]。氨基酸类手性离子液体(AAILs)是一种由咪唑类阳离子和氨基酸阴离子构成的新型离子液体，这种手性离子液体既具有离子液体的性质，如蒸气压低、不可燃性、电导率高等，又保留了手性氨基酸的自然属性[6-7]。将其作为手性配体用于手性配体交换色谱中，现已拆分某些氨基酸和氧氟沙星对映体[8-10]，证实其具有较好的手性识别作用。为此，本文作者以脯氨酸类手性离子液体作为配体，运用手性配体交换色谱法拆分邻氯扁桃酸对映体，研究影响拆分的因素，如手性离子液体的烷基链长、金属离子和配体的浓度、流动相的pH等，并从热力学角度对其拆分过程进行分析。
1 实验
1.1 试剂与仪器
试剂为：邻氯扁桃酸外消旋体，(R)-邻氯扁桃酸和(S)-邻氯扁桃酸(这3种试剂纯度≥99%，上海笛柏化学品技术有限公司生产)；五水硫酸铜(分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司生产)；1-烷基-3-甲基咪唑L-脯氨酸([Cnmim][Pro])(纯度＞97%，上海成捷化学有限公司生产)；甲醇(色谱纯，上海陆忠工贸有限公司生产)；其他试剂均为分析纯试剂；实验用水为二次蒸馏水。
仪器为：日本岛津LC-2010A高效液相色谱仪，带SPD-10AV紫外检测器和CLASS-VP色谱操作系统；LichrospherC18柱(江苏汉邦科技有限公司制造)；PHSJ-3F型酸度计(上海雷磁仪器厂制造)；BS-210S电子天平(日本岛津公司制造)；D1810C自动双重纯水蒸馏器(上海申胜生物技术有限公司制造)；KQ-50DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司制造)。
1.2 邻氯扁桃酸对映体的配体交换色谱分离
邻氯扁桃酸对映体的配体交换色谱分离在Kromail C18色谱柱上进行，流动相为含6 mmol/L 1-丁基-3-甲基咪唑L-脯氨酸和8 mmol/L CuSO4的水溶液与甲醇的混合液，其中甲醇的体积分数为15%，pH为5.1。分离流速为0.9 mL/min，温度为25 ℃，检测波长为280 nm。图1所示为邻氯扁桃酸对映体拆分的色谱图。
1.3 参数计算
容量因子：
；
分离因子：
；
分离度：
。
式中：t和t0分别为对映体保留时间和不保留组分通过色谱柱的时间；t1和t2分别为2个对映体保留时间；k1和k2分别为2个对映体的容量因子；w1和w2分别为2个对映体的基线峰宽。
图1 邻氯扁桃酸对映体的拆分色谱图
Fig.1 Chromatogram of 2-chloromandlic acid enantioseparation
2 结果与讨论
2.1 脯氨酸手性离子液体烷基链长对拆分效果的影响
在手性配体交换色谱中,手性配体应具有以下特点：(1) 在手性中心附近具有2个或2个以上的络合官能团；(2) 存在1个较大的基团以产生空间排斥作用；(3) 为光学纯化合物。不同手性配体的手性拆分能力差别很大，具有刚性结构的手性配体，特别是那些包含环状结构的配体如L-羟基脯氨酸和L-脯氨酸等，与那些构象可弯曲的配体相比具有较好的对映体选择性[11]。脯氨酸类手性离子液体既保留了脯氨酸的刚性结构，又保留了其双官能团羰基和氨基，因此，可以作为配体交换色谱的手性配体。实验中，考察不同烷基链长的脯氨酸手性离子液体([Cnmim][Pro]，n=2~8)对邻氯扁桃酸拆分效果的影响，结果如图2所示。从图2可见：1-丁基-3-甲基咪唑L-脯氨酸([C4mim][Pro])作为配体时可以获得最大的分离度；继续增加烷基链长，手性选择性略有下降；当烷基为丁基时，其一定的空间作用利于手性离子液体，Cu2+和邻氯扁桃酸三元络合物的形成；随着烷基链长进一步增加，空间位阻作用也逐渐增大，三元络合物的形成变困难而使分离度略下降[9]。在相同条件下，还以脯氨酸(Pro)为手性配体进行了实验，结果表明：[Cnmim][Pro]的手性识别作用明显强于没有烷基链的脯氨酸的识别作用。因此，选择[C4mim][Pro]为进一步研究的手性配体。
图2 脯氨酸离子液体烷基链长对邻氯扁桃酸对映体拆分效果的影响
Fig.2 Effect of alkyl chain length of CILs on enantioseparation of 2-chloromandlic acid
2.2 铜离子浓度对拆分效果的影响
在配体交换色谱中，凡能与手性配体、待分离对映体形成可逆三元络合物的金属离子都可作为配体交换色谱的中心离子，2种非对映三元络合物的稳定性差异是实现手性分离的内因。很多过渡金属离子都可作为中心离子，最常用的是Cu2+[12-13]。中心离子浓度对对映体的拆分有着较大的影响，在[C4mim][Pro]浓度为4 mmol/L，Cu2+浓度为2~12 mmol/L时考察其对邻氯扁桃酸对映体拆分效果的影响，结果见图 3。从图3可见：当 Cu2+浓度小于8 mmol/L 时，随着Cu2+浓度增大，体系中可以有更多的[C4mim][Pro]-Cu2+络合物与邻氯扁桃酸进行配位交换形成三元络合物，从而提高邻氯扁桃酸对映体的分离效果；但当Cu2+浓度继续增大时，过多的Cu2+又可竞争性地分别与三元络合物中的邻氯扁桃酸、[C4mim][Pro]形成二元络合物，破坏三元络合物的存在，而使邻氯扁桃酸对映体的分离度下降，分离效果变差。
图3 铜离子浓度对邻氯扁桃酸对映体拆分效果的影响
Fig.3 Effect of Cu2+ concentration on enantioseparation of 2-chloromandlic acid
2.3 [C4mim][Pro]浓度对拆分效果的影响
邻氯扁桃酸对映体的拆分过程如下：先是C18固定相吸附[C4mim][Pro]-Cu2+络合物形成动态的“手性固定相”，然后与邻氯扁桃酸对映体发生作用形成具有不同构型的2种三元络合物，利用其相对稳定性和与固定相作用力的不同而实现分离，所以，流动相中[C4mim][Pro] 的浓度对拆分的影响也较大。在图4所示的浓度区间内，邻氯扁桃酸的 k，α和r均随[C4mim][Pro]浓度的增大而增大。这是因为随着[C4mim][Pro]浓度的增大，其与Cu2+生成的二元络合物的浓度增大，此二元络合物在固定相上的平衡浓度也会增大，邻氯扁桃酸对映体与之发生交换反应的机会就会越多，所以，对映体的保留时间和分离度也随之增大。在获得较好基线分离效果的前提下，为了降低[C4mim][Pro]的用量，选取[C4mim][Pro]的浓度为6 mmol/L。
图4 [C4mim][Pro]浓度对邻氯扁桃酸对映体拆分效果的影响
Fig.4 Effect of [C4mim][Pro] concentration on enantioseparation of 2-chloromandlic acid
2.4 pH对拆分效果的影响
pH影响对映体和配体的存在形式，从而影响生成三元络合物反应方程式的平衡移动方向。随着pH增大，配体和对映体的质子化程度减弱，二者与Cu2+的配位作用增强，三元络合物的稳定性增强，因此，邻氯扁桃酸对映体的分离度和选择因子均会增大。但是，若pH过大，流动相中的Cu2+会生成氢氧化物沉淀。在pH为3.5~5.1时，对邻氯扁桃酸外消旋体进行拆分，结果如图5所示。从图5可见：当pH=5.1时，邻氯扁桃酸对映体的分离度达到最大值。这是因为随着pH增大，邻氯扁桃酸对映体主要以非质子化的羟基基团和羧基阴离子的形式存在，易与正电性的铜离子及手性配体络合，从而有利于邻氯扁桃酸对映体的分离。
图5 pH对邻氯扁桃酸对映体拆分效果的影响
Fig.5 Effect of pH on enantioseparation of 2-chloromandlic acid
2.5 流动相中甲醇体积分数对拆分效果的影响
流动相中有机改性剂的体积分数会改变溶质与固定相间的相互作用，从而可以调整保留时间和峰形。实验中选择甲醇为有机改性剂，随着甲醇体积分数的增大，容量因子、分离因子和分离度均减小。这是因为手性流动相中甲醇含量较高时，流动相的极性会相应降低，其对三元络合物的洗脱能力加强，出峰速度加快，不利于对映体的分离。在保证较好分离度的同时，为了获得较短的分离时间，选择甲醇体积分数为15%。
2.6 柱温对拆分效果的影响
在25~45 ℃的范围内考察柱温对邻氯扁桃酸对映体分离效果的影响，结果如图6所示。从图6可见：当温度升高时，对映体的分离时间缩短，峰形更尖锐，虽然分离因子变化不大，但是分离度却从1.69降至1.11。这可能是温度升高时，三元络合物的稳定性变弱，解离速度加快，从而在色谱柱上的保留时间缩短，邻氯扁桃酸对映体之间的分离效果下降。因此，选择25 ℃为较佳分离温度。
图6 温度对邻氯扁桃酸对映体拆分效果的影响
Fig.6 Effect of temperature on enantioseparation of 2-chloromandlic acid
2.7 拆分的热力学研究
在邻氯扁桃酸对映体的分离过程中，其容量因子 k 和温度 T 的关系服从Van’t Hoff方程：
式中：k为容量因子；
为相比；T为热力学温度；R为气体常数；
和
分别为邻氯扁桃酸在固定相与流动相间分配的焓变和熵变。
用ln k对1/T作图，得一直线，见图7。从图7可见：相关系数R均大于0.999 0，说明在该温度范围内，，和是与温度无关的定值，邻氯扁桃酸对映体的拆分机理也不随温度变化而变化[14]。由图8所示的Van’t Hoff曲线斜率和截距可得25~45 ℃时邻氯扁桃酸对映体的和
，见表1。热力学参数表示邻氯扁桃酸从流动相转移到固定相时的热效应，为负值，表示其在固定相上的吸附是一个放热过程。在相同的色谱分离条件下，测得S-构型邻氯扁桃酸的比R-构型的小，这说明S-构型比R-构型更难洗脱，保留时间更长，这与图1所示的出峰顺序相一致。
在邻氯扁桃酸对映体的分离过程中，其分离因子
和温度T的关系则服从Gibbs-Holmholtz方程：
图7 邻氯扁桃酸对映体的ln k-1/T图
Fig.7 Plots of ln k-1/T for 2-chloromandlic acid enantiomers
表1 25~45 ℃时邻氯扁桃酸对映体的热力学参数值
Table 1 Thermodynamic parameters of 2-chloromandlic acid enantioseparation at 25-45 ℃
式中：为分离因子；△△H0和
分别为邻氯扁桃酸两对映体在手性配体拆分过程中的焓变和熵变的差值。当
和均为负值时，拆分过程是焓控过程；当和均为正值时，拆分过程是熵控过程；当为负值，而为正值时，说明在拆分过程中焓、熵2个因素对拆分过程都有利[15-16]。将
对1/T作图，得一直线，相关系数R为0.993 4，说明在该温度范围内，和是与温度无关的定值，分离的对映选择性不随温度的变化而变化。由图8所示曲线斜率和截距可得邻氯扁桃酸对映体的和，见表1。从表1可见：在 25~45 ℃范围内，和都为负值，并且
＞
，表明手性拆分过程为焓控过程。在这种情况下，后出峰的异构体往往和固定相有更强的相互作用，分离度会随着温度的升高而下降，这与图6所示结果一致。
图8 邻氯扁桃酸对映体的
–1/T图
Fig.8 Plots of -1/T for 2-chloromandlic acid enantiomers
3 结论
(1) 在1-丁基-3-甲基咪唑L-脯氨酸([C4mim][Pro])浓度为6 mmol/L，CuSO4浓度为8 mmol/L，甲醇体积分数为15%，pH为5.1和温度为25 ℃的最优此条件下，邻氯扁桃酸对映体可以较好地实现基线分离，其分离度可达1.69。与手性柱高效液相色谱法和毛细管电泳法分离邻氯扁桃酸对映体相比，手性配体交换法拆分能力相当，但不需使用昂贵的手性柱或仪器，方法简单易行。
(2) 拆分过程是一个放热的焓控过程，邻氯扁桃酸对映体的分离度随温度的升高而下降，(S)-邻氯扁桃酸因具有较小的而后出峰。
(3) 脯氨酸类手性离子液体具有良好的手性识别作用，有可能在对映体化合物的配体交换拆分上得到应用。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2012-09-24；修回日期：2012-11-28
基金项目：国家自然科学基金资助项目(21176262)；湖南省科技计划项目(2010WK3029)；有色金属资源化学教育部重点实验室(中南大学)资助项目(2012)
通信作者：蒋新宇(1968-)，男，湖南长沙人，博士，副教授，从事手性化合物分离研究；电话：0731-88830833；E-mail: jiangxinyu@csu.edu.cn
