1、概述

首先，這裡所說的手性化合物是指含有一個或多個不對稱碳手性中心的對映或者非對映異構體，而不包含氮磷等含有孤電子對的手性中心化合物。不對稱性碳原子，需要具有四個不同的取代基，空間上形成不對稱四面體，對映異構體之間形成鏡面對稱，就像人的左右手一樣，不能夠完全重合，如下圖1所示。

Fig.1 Diagram for enantiomers

對映異構體具有不同的使偏振光旋轉的能力，據此對映異構體可以分為左旋與右旋。在非手性環境下，對映異構體具有相同的化學性質(化學反應特性)，相同的物理性質(如溶解度、熔點、沸點、熵焓等)以及同樣的色譜保留行為等。但在手性環境中對映異構體之間的某些性質則表現出不同，這也是手性化合物進行拆分的基礎。

對映異構體需要對内消旋體與外消旋體進行區分，如下圖2所示。左右兩個示意化合物結構的相同點在于均具有兩個手性中心，不同點則在于左圖的兩個手性碳原子之間不存在對稱平面或軸，而右圖則存在對稱平面。因此在左圖中，1S,2R與1R,2S為外消旋體；右圖中1S,2R與1R,2S為内消旋體。

Fig.2 Name and distinguish between mesomer and racemate

對于手性化合物的拆分，規模比較大的時候，可使用其他手性試劑(如酒石酸鈉)與待拆分的化合物形成非對映異構體，然後根據非對映異構體之間具有不同的物理化學性質，進行相應的分離單元操作。而在分析實驗室中，一般是采用色譜法進行拆分，其中包括使用手性固定相法以及在流動相中添加手性流動相形成手性拆分環境的方式。其中手性固定相拆分法包括氣相色譜以及液相色譜。

對于氣相色譜拆分手性化合物，其拆分選擇性主要取決于所使用的手性固定相的種類以及色譜分離的溫度。一般氣相用于低沸點的手性化合物的拆分，對于有機酸堿等極性手性化合物的拆分，一般需要先進行柱前衍生化處理，使之形成相應的酯或者酰胺。用于氣相手性拆分的手性固定相均為環糊精衍生物類，包括β以及γ環糊精，α環糊精比較少；其最高耐受溫度不會超過220℃，而且分離溫度超過120℃的時候，固定相的手性選擇性開始降低；超過200℃的時候，固定相的手性選擇性幾近與無。

對于液相色譜而言，起主要拆分選擇性作用的既包括手性固定相也包括流動相的選擇，而且液相色譜可以使用正相洗脫模式，反相洗脫模式，也可以使用極性洗脫以及極性離子洗脫模式；可以等度也可以梯度。最重要的是，色譜柱的類型要比氣相色譜手性固定相多的多，其中就包括多糖類衍生物類手性固定相、環糊精及其衍生物類手性固定相、糖蛋白類手性固定相以及大環内酯抗生素類以及冠醚類手性固定相等。此外，液相色譜拆分法可以對樣品進行回收而且也可以用于對映異構體的制備，氣相色譜法則不能方便的對對映異構體進行制備。

2、手性化合物液相色譜拆分方法

手性化合物在液相色譜中進行拆分的時候，從整體上進行分解的話，可以分為3個可控制部分，分别為流動相組成、手性固定相種類以及儀器操作條件。上述這三個部分，對于手性化合物的拆分均有貢獻，一般地，手性固定相的選擇性要優先于流動相的組成，流動相的組成要優先于儀器操作條件。

2.1 手性化合物拆分的模型

手性拆分的原理模型比較多，但是接受程度最大的是三點相互作用模型，如下圖3所示。也就是說，手性化合物要實現拆分，需要在三個作用力方向上同時發力，而且至少其中一個方向上的力是起到立體性的或對映選擇性的。

Fig.3 The three point principle model for chiral separation

而這些作用力種類有很多，其中就包括經常讨論的靜電相互作用、偶極-偶極相互作用、包含作用、疏水相互作用、π-π相互作用以及氫鍵相互作用等。

2.1.1 包含(Inclusion)作用

包含作用一般需要手性固定相能夠形成具有一定空間結構的選擇性的腔體，如纖維素衍生物、澱粉衍生物、環糊精及其衍生物以及大環内酯抗生素類的手性選擇性腔體。在拆分的時候，芳香類化合物的苯環或萘環以及其他的五元、六元環或者雜環可被包含與多糖衍生物的螺旋或者環糊精及其衍生物的腔體内，充當一個方向上的作用力。

如下圖4所示，是環糊精以及其衍生物的結構及其衍生化位點。圖4中A是β環糊精，由7個D葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵連接，其2，3以及6位羟基提供衍生化位點。在環糊精腔體内部的氧原子由于含有孤對電子，其腔體内部還可與待拆分化合物的極性部分發生靜電相互作用，因而手性碳原子的α或者β位具有鹵素取代芳香基的時候，可以嘗試使用環糊精及其衍生物類的手性固定相。

Fig.4 Structure and deriving points of cyclodextrin

此外，包含作用還比較常見于另外一種手性固定相，多糖衍生物類手性固定相，其中就包含有直鍊澱粉以及纖維素的衍生物，如下圖5所示。多糖衍生物對于手性化合物的包含作用，不像環糊精那樣是一個閉合的環腔，而是一個由一定單糖單位形成的螺旋性腔體。

Fig.5 3D structure difference between amylose and cellulose

從上圖5中，也可以看出直鍊澱粉相比纖維素而言具有更為均一化的螺旋結構，因此，直鍊澱粉衍生物類的手性固定相對于化合物的包含作用要比纖維素強一些，此外，包含作用的強弱也與使用的流動相、儀器條件的設置以及化合物的種類有關。

無論環糊精類還是多糖衍生物類手性固定相的包含作用，均對化合物的結構特點具有選擇性，如下圖6所示。适用于環糊精以及多糖衍生物類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雜環結構，特别是被鹵族元素或其他具有吸電子效應的取代基取代的芳香基團。

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對映異構體的另外一種主要的作用力的類型，一般在反相液相色譜中最多見。如下圖7所示，手性碳原子附近有苯環也有羰基以及羟基(均是氫鍵作用位點)，在反相模式下，苯環的疏水作用以及其他兩個配基的弱氫鍵作用可能是該化合物手性拆分的基礎。

Fig.7 Hydrophobic interaction recognition for chiral separation

一般地，當待分離的對映異構體結構上含有較大的疏水基團的時候，比較适宜于嘗試反相液相色譜。

2.1.3 π-π相互作用

對于芳香苯環，可以看作是由3個sigma鍵以及3π鍵組成，也可認為是由3個sigma鍵以及一個6電子所形成的大π鍵環狀結構，如下圖8所示。當其上的H被其他吸電子基團或者給電子基團取代之後，而形成相應的π酸或者π堿，如下圖9所示。

Fig.8 π-π interaction recognition for chiral separation

在下圖9中，苯環上的氫被甲基或者其他給電子基團取代之後，形成相應的π堿，而被硝基等吸電子基團取代之後形成相應的π酸。π酸與π堿之間可以形成π-π堆疊靜電效應，是多種手性色譜柱進行手性拆分的主要作用力類型，其中就包括應用範圍最廣的多糖衍生物類手性色譜柱。如Chiralcel OD-H、AD-H、AS-H、OJ-H，屬于π-base型手性固定相；ChialpakIC，則屬于π-acid型手性固定相。

Fig.9 π-π interaction recognition for chiral separation

2.1.4 氫鍵相互作用

氫鍵作用更加普遍，基本類型有N-H以及O-H，如下圖10-1與10-2所示。不同的氫鍵類型以及不同的基團之間所形成的氫鍵的鍵能也不一樣，主要發生在酮、酯、羧酸、酰胺以及胺類化合物與胺類化合物的氨基以及醇類化合物的羟基之間，是正相色譜拆分手性化合物的主要機理之一。

Fig.10-1 Hydrogenbond interaction for chiral separation

Fig.10-2 FT-IR for polysaccharide columns

在上圖10-2紅外譜中，在3300與3400之間，出現明顯的W型底形狀，說明發生了明顯的氫鍵相互作用，而且這種氫鍵的相互作用強弱與用于多糖衍生化的配體的種類有很大關系。

3、結論

非手性環境下，對映異構體具有相同的化學性質、物理性質以及同樣的色譜保留行為；但在手性環境中對映異構體之間的某些性質則表現出不同，這是手性化合物進行拆分的基礎。使用手性固定相對對映異構體進行拆分，是目前實驗室最常用的方法，而起到拆分作用的作用力的類型有很多，其中就包括比較常見的包含作用、疏水相互作用、π-π相互作用以及氫鍵相互作用等。究竟哪種作用力起分離的決定性作用，與手性固定相的種類、流動相的組成、添加劑的種類以及添加量，待分析的化合物的特性均有關系。

作者信息:Bruce Lee

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