手性化合物可用哪种色谱法拆分,色谱分析方法开发

1、概述

首先，这里所说的手性化合物是指含有一个或多个不对称碳手性中心的对映或者非对映异构体，而不包含氮磷等含有孤电子对的手性中心化合物。不对称性碳原子，需要具有四个不同的取代基，空间上形成不对称四面体，对映异构体之间形成镜面对称，就像人的左右手一样，不能够完全重合，如下图1所示。

Fig.1 Diagram for enantiomers

对映异构体具有不同的使偏振光旋转的能力，据此对映异构体可以分为左旋与右旋。在非手性环境下，对映异构体具有相同的化学性质(化学反应特性)，相同的物理性质(如溶解度、熔点、沸点、熵焓等)以及同样的色谱保留行为等。但在手性环境中对映异构体之间的某些性质则表现出不同，这也是手性化合物进行拆分的基础。

对映异构体需要对内消旋体与外消旋体进行区分，如下图2所示。左右两个示意化合物结构的相同点在于均具有两个手性中心，不同点则在于左图的两个手性碳原子之间不存在对称平面或轴，而右图则存在对称平面。因此在左图中，1S,2R与1R,2S为外消旋体；右图中1S,2R与1R,2S为内消旋体。

Fig.2 Name and distinguish between mesomer and racemate

对于手性化合物的拆分，规模比较大的时候，可使用其他手性试剂(如酒石酸钠)与待拆分的化合物形成非对映异构体，然后根据非对映异构体之间具有不同的物理化学性质，进行相应的分离单元操作。而在分析实验室中，一般是采用色谱法进行拆分，其中包括使用手性固定相法以及在流动相中添加手性流动相形成手性拆分环境的方式。其中手性固定相拆分法包括气相色谱以及液相色谱。

对于气相色谱拆分手性化合物，其拆分选择性主要取决于所使用的手性固定相的种类以及色谱分离的温度。一般气相用于低沸点的手性化合物的拆分，对于有机酸碱等极性手性化合物的拆分，一般需要先进行柱前衍生化处理，使之形成相应的酯或者酰胺。用于气相手性拆分的手性固定相均为环糊精衍生物类，包括β以及γ环糊精，α环糊精比较少；其最高耐受温度不会超过220℃，而且分离温度超过120℃的时候，固定相的手性选择性开始降低；超过200℃的时候，固定相的手性选择性几近与无。

对于液相色谱而言，起主要拆分选择性作用的既包括手性固定相也包括流动相的选择，而且液相色谱可以使用正相洗脱模式，反相洗脱模式，也可以使用极性洗脱以及极性离子洗脱模式；可以等度也可以梯度。最重要的是，色谱柱的类型要比气相色谱手性固定相多的多，其中就包括多糖类衍生物类手性固定相、环糊精及其衍生物类手性固定相、糖蛋白类手性固定相以及大环内酯抗生素类以及冠醚类手性固定相等。此外，液相色谱拆分法可以对样品进行回收而且也可以用于对映异构体的制备，气相色谱法则不能方便的对对映异构体进行制备。

2、手性化合物液相色谱拆分方法

手性化合物在液相色谱中进行拆分的时候，从整体上进行分解的话，可以分为3个可控制部分，分别为流动相组成、手性固定相种类以及仪器操作条件。上述这三个部分，对于手性化合物的拆分均有贡献，一般地，手性固定相的选择性要优先于流动相的组成，流动相的组成要优先于仪器操作条件。

2.1 手性化合物拆分的模型

手性拆分的原理模型比较多，但是接受程度最大的是三点相互作用模型，如下图3所示。也就是说，手性化合物要实现拆分，需要在三个作用力方向上同时发力，而且至少其中一个方向上的力是起到立体性的或对映选择性的。

Fig.3 The three point principle model for chiral separation

而这些作用力种类有很多，其中就包括经常讨论的静电相互作用、偶极-偶极相互作用、包含作用、疏水相互作用、π-π相互作用以及氢键相互作用等。

2.1.1 包含(Inclusion)作用

包含作用一般需要手性固定相能够形成具有一定空间结构的选择性的腔体，如纤维素衍生物、淀粉衍生物、环糊精及其衍生物以及大环内酯抗生素类的手性选择性腔体。在拆分的时候，芳香类化合物的苯环或萘环以及其他的五元、六元环或者杂环可被包含与多糖衍生物的螺旋或者环糊精及其衍生物的腔体内，充当一个方向上的作用力。

如下图4所示，是环糊精以及其衍生物的结构及其衍生化位点。图4中A是β环糊精，由7个D葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接，其2，3以及6位羟基提供衍生化位点。在环糊精腔体内部的氧原子由于含有孤对电子，其腔体内部还可与待拆分化合物的极性部分发生静电相互作用，因而手性碳原子的α或者β位具有卤素取代芳香基的时候，可以尝试使用环糊精及其衍生物类的手性固定相。

Fig.4 Structure and deriving points of cyclodextrin

此外，包含作用还比较常见于另外一种手性固定相，多糖衍生物类手性固定相，其中就包含有直链淀粉以及纤维素的衍生物，如下图5所示。多糖衍生物对于手性化合物的包含作用，不像环糊精那样是一个闭合的环腔，而是一个由一定单糖单位形成的螺旋性腔体。

Fig.5 3D structure difference between amylose and cellulose

从上图5中，也可以看出直链淀粉相比纤维素而言具有更为均一化的螺旋结构，因此，直链淀粉衍生物类的手性固定相对于化合物的包含作用要比纤维素强一些，此外，包含作用的强弱也与使用的流动相、仪器条件的设置以及化合物的种类有关。

无论环糊精类还是多糖衍生物类手性固定相的包含作用，均对化合物的结构特点具有选择性，如下图6所示。适用于环糊精以及多糖衍生物类手性固定相分析的化合物，其手性碳原子的α或者β位一般含有芳香基或杂环结构，特别是被卤族元素或其他具有吸电子效应的取代基取代的芳香基团。

Fig.6 Structure characteristics of a compound suitable to be separate under polysaccharide columns

2.1.2 疏水相互作用

疏水相互作用是手性固定相拆分对映异构体的另外一种主要的作用力的类型，一般在反相液相色谱中最多见。如下图7所示，手性碳原子附近有苯环也有羰基以及羟基(均是氢键作用位点)，在反相模式下，苯环的疏水作用以及其他两个配基的弱氢键作用可能是该化合物手性拆分的基础。

Fig.7 Hydrophobic interaction recognition for chiral separation

一般地，当待分离的对映异构体结构上含有较大的疏水基团的时候，比较适宜于尝试反相液相色谱。

2.1.3 π-π相互作用

对于芳香苯环，可以看作是由3个sigma键以及3π键组成，也可认为是由3个sigma键以及一个6电子所形成的大π键环状结构，如下图8所示。当其上的H被其他吸电子基团或者给电子基团取代之后，而形成相应的π酸或者π碱，如下图9所示。

Fig.8 π-π interaction recognition for chiral separation

在下图9中，苯环上的氢被甲基或者其他给电子基团取代之后，形成相应的π碱，而被硝基等吸电子基团取代之后形成相应的π酸。π酸与π碱之间可以形成π-π堆叠静电效应，是多种手性色谱柱进行手性拆分的主要作用力类型，其中就包括应用范围最广的多糖衍生物类手性色谱柱。如Chiralcel OD-H、AD-H、AS-H、OJ-H，属于π-base型手性固定相；ChialpakIC，则属于π-acid型手性固定相。

Fig.9 π-π interaction recognition for chiral separation

2.1.4 氢键相互作用

氢键作用更加普遍，基本类型有N-H以及O-H，如下图10-1与10-2所示。不同的氢键类型以及不同的基团之间所形成的氢键的键能也不一样，主要发生在酮、酯、羧酸、酰胺以及胺类化合物与胺类化合物的氨基以及醇类化合物的羟基之间，是正相色谱拆分手性化合物的主要机理之一。

Fig.10-1 Hydrogenbond interaction for chiral separation

Fig.10-2 FT-IR for polysaccharide columns

在上图10-2红外谱中，在3300与3400之间，出现明显的W型底形状，说明发生了明显的氢键相互作用，而且这种氢键的相互作用强弱与用于多糖衍生化的配体的种类有很大关系。

3、结论

非手性环境下，对映异构体具有相同的化学性质、物理性质以及同样的色谱保留行为；但在手性环境中对映异构体之间的某些性质则表现出不同，这是手性化合物进行拆分的基础。使用手性固定相对对映异构体进行拆分，是目前实验室最常用的方法，而起到拆分作用的作用力的类型有很多，其中就包括比较常见的包含作用、疏水相互作用、π-π相互作用以及氢键相互作用等。究竟哪种作用力起分离的决定性作用，与手性固定相的种类、流动相的组成、添加剂的种类以及添加量，待分析的化合物的特性均有关系。

作者信息:Bruce Lee

转载声明：本文为投稿文章，如需转载，必须保留作者信息及本文来源。

手性化合物的定性和定量检测手段有哪些

手性化合物的定性和定量检测手段有：高效液相色谱分析和手性柱。
手性化合物(chiral compounds)是指分子量、分子结构相同，但左右排列相反，如实物与其镜中的映体。人的左右手、结构相同，大姆至小指的次序也相同，但顺序不同，左手是由左向右，右手则是由右向左，所以叫做“手性”。也就是指一对分子。由于它们像人的两只手一样彼此不能重合，又称为手性化合物。
手性物质具有一特殊性质——旋光性，将纯净的手性物质的晶体，或是将纯净的手性物质配成一定浓度的溶液，用平面偏振光照射，通过手性物质的偏振光平面会发生一定角度的旋转，这称为旋光性。这种偏振光的平面旋转可左可右，以顺时针方向旋转的对映体，称为右旋分子，用“+”或“d”表示；以逆时针方向旋转的对映体，称为左旋分子，用“-”或“l”；如果将互为对映体的手性物质等物质的量混合后，以偏振光照射，而偏振光不发生旋转，称为外消旋体或外消旋混合物，外消旋体是由于左旋分子和右旋分子发生的偏振光旋转相互抵消，而使通过的偏振光的旋转不能被检出。因此，利用旋光性可以检验物质的手性，但要注意物质的纯度。

【Original】如何测定手性化合物的光学纯度(一)

若是消旋体，两个异构体的量刚好相等，表现出来的却是无光学活性。同样，如果一个对映体的量超过了另一个，该手性化合物就有可能显示出光学活性。测定手性分子各对映异构体的组成（相对含量），对于开展不对称催化、手性药物合成等方面的研究具有十分重要的意义。对映体的纯度是手性质控的重要指标，可以通过测定旋光度/比旋度来反映对映体的光学纯度。 什么是光学纯度？光学纯度（optical purity）是衡量旋光性样品中一个对映体超过另一个对映体的量的量度。若一个纯的光学活性物质是100％的一种对映异构体，那么一个外消旋体的光学纯度则为0。如某旋光性样品是由一个对映体R-和S-异构体组成，R-异构体含量为30％，S-异构体的含量为70％，其光学纯度则为40％。样品中有多余40％的S-异构体，而样品中有60％是外消旋体。 如何测量旋光度？可以用旋光仪来测定旋光性物质的旋光度和旋光方向。旋光仪主要由一个钠光源、两个尼科尔棱镜和一个盛有测试样品的盛液管组成(见图2.28)。普通光先经过一个固定不动的棱镜(起偏镜)变成偏振光，然后通过盛液管、再由一个可转动的棱镜(检偏镜)来检验偏振光的振动方向和旋转角度。若使偏振光振动平面向右旋转，则称右旋；若使偏振光振动平面向左旋转，则称左旋。 1.JPG光活性物质的旋光度与其浓度、测试温度、光波波长等因素密切相关。但是，在一定条件下，每一种光活性物质的旋光度为一常数，用比旋光度[α]表示： 2.jpg其中，α为旋光仪测试值；c为样品溶液浓度，以lmL溶液所含样品克数表示；l为盛液管长度，单位为dm；λ为光源波长，通常采用钠光源，以D表示；t为测试温度。如果被测样品为液体，可直接测定而不需配成溶液。求算比旋光度时，只要将其相对密度值(d)代替上式中的浓度值(c)即可： 3.jpg除了比旋光度外，还可用光学纯度、左旋和右旋对映体的百分含量以及对映体过量值(Enantiomer Excess，缩写为e．e．)等来反映光活性物质的纯度。 若设S为旋光异构体混合物中的主要异构体含量，R为其对映异构体含量，则对映体过量e．e．值用下式计算： 4.jpg若设(-)对映体光学纯度为X%，则 5.jpg光学纯度(P)定义为：实测产物比旋光度与光学纯标准对照品的比旋光度之比 6.jpg例如，已知样品(S)-(-)-2-甲基丁醇的相对密度 =0.8，在20 cm长的盛液管中，其旋光测定值为-8.10，且其标样 =-5.8(纯)，则有： 7.jpg使用旋光仪测定手性分子对映体组成是一种传统和常规的方法，其突出特点在于： 1. 操作简便快捷，方法通用性好，可快速反映化合物对映体纯度。 2. 结合文献资料，对于确定化合物R- or S-构型简洁有效，经济实惠而不可缺少。 3. 对映体杂质，特别是某些大比旋光度杂质往往能显著影响旋光度的测定结果。在测定方法一致的情况下，这是判断药物纯度、监测不对称合成反应（原料与产物的旋光度差别较大或者方向相反的情况下）的一个直观而有效的方法。比旋光度法也有其先天的局限性： 1. 对多手性中心化合物的光学纯度尚无法十分准确地测定。 2. 旋光度的测量或光学纯度的测定受到诸多因素的影响，如偏振光波长及溶剂、溶液的浓度、温度等，最重要的是，测量值会受到具有大比旋值的杂质的显著影响（成也萧何，败也萧何！）； 3. 受溶剂影响：化合物残留溶剂种类和含量的不同，或者用于测量的溶剂种类不同，有可能对测定结果产生明显影响；同一旋光性物质用不同溶剂、不同pH测定时，由于缔合、溶剂化和解离情况不同而使比旋度变化，甚至改变旋光方向。 4. 需要相对多的样品量(对于小分子化合物，需用量约20mg），同时化合物的旋光值必须足够大以获得可靠的数值。旋光测定注意事项： 由于旋光仪的测量受到上述诸多因素影响，因此测定时要求： 1、 被测样品要尽量处理干净——脱盐、除溶剂、排除具有较大旋光度杂质存在的可能。 2、 被测样品需严格称量，定量溶解，尽量获得纯的产物做对照。 3、 测量时室内温度尽量保持恒定。特别提醒，用旋光法测定的对映体纯度应由另外一种独立的方法加以确认。手性色谱法测定对映体过量值已经被实践所证实为最可靠的方法。关于手性色谱法测定e.e.值的攻略，下次详细讲解。哈哈o(∩_∩)o…哈哈