一种螺旋聚合物功能化硅胶微球手性固定相及制备和应用
阅读说明：本技术 一种螺旋聚合物功能化硅胶微球手性固定相及制备和应用 (Chiral stationary phase of spiral polymer functionalized silica gel microsphere, preparation and application ) 是由 马淑娟 王妍 欧俊杰 叶明亮 于 2020-03-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种螺旋聚合物功能化的硅胶微球手性固定相(Chiral Separation Phase,CSP)的制备及其在手性分离中的应用。具体是首先在硅胶微球表面引入炔基,然后加入功能单体(Fmoc-L-苯丙氨酸衍生物)和催化剂,该单体在催化剂的作用下可发生“炔基-炔基”加成聚合反应,形成螺旋结构,从而制备出表面修饰螺旋聚合物的硅胶微球材料,由于功能单体,Fmoc-L-苯丙氨酸衍生物,本身具有手性结构,因此该材料可用作手性固定相用于手性化合物的分离。该手性固定相的制备过程简单、反应条件温和,可用于大规模制备。(The invention relates to a preparation method of a spiral polymer functionalized silica gel microsphere Chiral Stationary Phase (CSP) and an application thereof in Chiral Separation. The preparation method comprises the steps of firstly introducing alkynyl on the surface of a silica gel microsphere, then adding a functional monomer (Fmoc-L-phenylalanine derivative) and a catalyst, wherein the monomer can perform alkynyl-alkynyl addition polymerization reaction under the action of the catalyst to form a spiral structure, so that the silica gel microsphere material of the surface modified spiral polymer is prepared. The chiral stationary phase has simple preparation process and mild reaction condition, and can be used for large-scale preparation.)
技术领域
本发明涉及对映体的分离，具体是在二氧化硅微球表面修饰3-巯丙基 炔基后，加入点击化学反应手性的功能单体和引发催化剂，在引发剂催化 剂的诱导下将具有螺旋结构的聚合物功能单体接枝到硅球表面形成接枝单 分子功能单体杂化螺旋聚合物的二氧化硅微球，将其用于毛细管液相色谱 固定相对手性实现对手性对映体的拆分。
背景技术
手性被认为是自然界中执行一系列复杂功能的关键结构因素之一，广 泛存在于生物进程中。其中螺旋是其最简单和最重要的状态之一，例如构 成蛋白质的多肽链以及构成DNA链的脱氧核苷酸均具有螺旋结构。螺旋结 构的发现引起科学家们对螺旋分子、螺旋寡聚物合成的关注，使得手性材 料的重要性也得到了广泛认识。随着研究的进行，许多现象及规则被发现， 包括“手性放大效应”(文献1：Green et.al“The macromolecular routeto chiral amplification”《Angew.Chem.,Int.Ed.》，1999，38(21)：3138-3154.)、 “长官与士兵规则”(文献2：Prints et.al“The“Sergeants and Soldiers” principle appliedto dynamic hydrogen-bonded assemblies”《J.Am.Chem. Soc.》，2001，123(42)：10153-10163.)和“大多数规则”(文献3：Selinger et.al“Theory of chiral order in randomcopolymers”《Phys.Rev.Lett.》，1996， 76(1)：58.)等这些规则对手性分离有何作用。单一旋向的螺旋聚合物模 拟了生物大分子中的螺旋结构，是人工合成的一类独特的手性聚合物，可 以表现出“手性放大效应”。特别是具有螺旋结构的取代聚乙炔类化合物， 在特定的制备条件下能够展现优异的旋光性质，使其在手性拆分、显示材 料、分子识别等领域有广阔的应用前景。
目前在临床上使用的药物，其中有25％以上具有光学活性为手性药物。 尽管手性异构体之间具有相似的物理化学性质，但是它们在生物体内分布、 代谢等表现出很大的差异。例如著名的“反应停(沙利度胺)”事件，由于 当时科技水平的落后，人们对手性对映体之间的差异认识不到位，无法对 手性化合物进行分离与鉴定导致了这个巨大的悲剧。由此可见，手性拆分 技术的发展在人类生活与科学研究中是至关重要的。另外，杂化材料是有机和无机部分通过化学键结合形成，结合了有机与无机组分的优点，使其 在吸附、催化、存储、分离和载药等领域得到广泛应用。将杂化材料与手 性结构相结合，就应运而生了较多功能新颖的杂化手性材料，在手性拆分、 对映体选择催化和光学器件等领域表现出较大地应用价值。
本专利通过对手性单体Fmoc-L-苯丙氨酸进行改性使其侧链带有炔基， 通过化学反应聚合使其表现出单一的螺旋构象；再利用硅烷化试剂在硅球 表面引入炔基，从而使硅球表面的炔基与所制备的取代聚乙炔单体发生共 聚反应，以制备一种具有手性拆分功能的硅胶微球手性固定相。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺旋聚合物功能化硅胶微球手性固定相 (ChiralSeparation Phase，CSP)及应用，其可用作毛细管液相色谱的固定 相高效快速地完成对映体的分离。
其结构示意式(23<n<29)如下，
所述螺旋聚合物功能化的硅胶微球手性固定相粒径为2.9～3.2μm。
可按如下步骤进行制备，
1)二氧化硅微球的活化；
取0.8～1.2g二氧化硅微球在超声作用下分散在30～40mL盐酸溶液 (2.8～3.2mol L-1)中，置于105～115℃油浴中回流反应8～12h。使用砂芯 漏斗过滤可得二氧化硅微球，并依次用超纯水、甲醇洗涤硅球，然后置于 40～80℃的真空干燥箱中干燥12～24h；
2)二氧化硅微球表面引入炔基；
取步骤1)中0.8～1.2g已活化二氧化硅微球在超声作用下分散在30～40 mL干燥甲苯中，加入0.6～0.7g硅烷化试剂O-(炔丙基氧基)-N-(三乙氧基硅 烷基丙基)氨基甲酸酯、100～105μL无水三乙胺，通过氮气保护在110～120℃ 油浴下回流反应12～24h。反应结束后，搅拌冷却至室温，然后依次使用甲 苯、甲醇洗涤硅球，置于100～110℃的真空干燥箱中干燥12～24h；；
3)Fmoc-L-苯丙氨酸功能单体(螺旋聚合物单体)的制备；
称取0.7～0.8g Fmoc-L-苯丙氨酸(又名：芴甲氧羰基-L-苯丙氨酸)溶于50～60mL干燥的四氢呋喃(THF)中，依次加入0.2～0.3mL氯甲酸异丁酯、0.2～0.3 mL N-甲基吗啉，在29～31℃下搅拌反应15～20min。然后向上述反应液中 滴加0.12～0.14mL炔丙胺，继续在29～31℃下搅拌反应4-5h。反应结束后， 将白色固体过滤丢弃，取20～23mL乙酸乙酯溶解滤液，依次分别使用20～23 mL 2mol L-1盐酸洗涤和20～23mL饱和碳酸氢钠溶液洗涤有机相三次，再使 用3～5g无水硫酸镁干燥有机相12～18h。最后滤去无水硫酸镁，对反应液 体进行旋蒸除去溶剂，用少量四氢呋喃溶解产物，并倒入大量正己烷中重 结晶，可得到产物；
4)制备螺旋聚合物功能化硅胶微球手性固定相；
取步骤2)所制备的炔基功能化二氧化硅微球50～100mg分散在 500～800μL干燥四氢呋喃中；取步骤3)所制备的Fmoc-L-苯丙氨酸功能单 体溶于500～800μL干燥四氢呋喃中；超声混合上述两种溶液，加入1.0～2.5 mg催化剂二氯化二铑、0～100μL无水三乙胺，将反应容器(安瓿瓶)置入 液氮中冷冻后，对反应体系抽真空，利用丁烷火焰密封安瓿瓶，然后置于 摇床中在30℃下震荡反应24～48h,产物用四氢呋喃洗涤后，置于60～80℃ 的真空干燥箱中干燥12～24h备用；
本发明首先在硅胶微球表面引入炔基，然后加入功能单体(Fmoc-L-苯 丙氨酸衍生物)和催化剂，该单体在催化剂的作用下可发生“炔基-炔基” 加成聚合反应，形成螺旋结构，从而制备出表面修饰螺旋聚合物的硅胶微 球材料，由于功能单体，Fmoc-L-苯丙氨酸衍生物，本身具有手性结构，因 此该材料可用作手性固定相用于手性化合物的分离。该手性固定相的制备 过程简单、反应条件温和，可用于大规模制备。
附图说明
图1为Fmoc-L-苯丙氨酸功能单体的制备示意图。
图2为Fmoc-L-苯丙氨酸功能单体的MALDI-TOF质谱图。
图3为螺旋聚合物功能化硅胶微球固定相的制备示意图。
图4为扫描电镜图(a为裸硅球，b为表面炔基化的硅球，c为螺旋聚 合物功能化硅胶微球)。
图5为对映体化合物结构式(a为(±)马来酸溴苯那敏结构式；b为DL-β- 苯乳酸结构式；“*”代表手性位点)。
图6为对映体分离的色谱图。分离(1)(±)马来酸溴苯那敏色谱条件 为毛细管柱(20.0cm×200μm i.d.)，流动相为乙腈/水(95/5,v/v)，流速为 200μL/min(分流前)；分离(2)DL-β-苯乳酸色谱条件为毛细管柱(19.8cm ×200μm i.d.)，流动相为乙腈/水(80/20，v/v)，流速为200μL/min(分流 前)。
具体实施方式
实施例
手性固定相的制备：
1)二氧化硅微球的活化：取1.0g二氧化硅微球(2.9-3.2μm)在超声 作用下分散在30mL盐酸溶液(3mol L-1)中，置于110℃油浴中回流反应 12h。使用砂芯漏斗过滤可得二氧化硅微球，并依次用超纯水、甲醇洗涤硅 球，然后置于80℃的真空干燥箱中干燥24h；
2)二氧化硅微球表面接炔基：取步骤1)中1.0g已活化二氧化硅微球 在超声作用下分散在30mL干燥甲苯中，加入0.6g硅烷化试剂O-(炔丙基 氧基)-N-(三乙氧基硅烷基丙基)氨基甲酸酯、100μL无水三乙胺，通过氮气 保护在120℃下回流反应24h。反应结束后，搅拌冷却至室温，然后依次 使用甲苯、甲醇洗涤硅球，置于100℃的真空干燥箱中干燥24h；；
3)Fmoc-L-苯丙氨酸功能单体(螺旋聚合物单体)的制备：称取0.775g Fmoc-L-苯丙氨酸溶于50mL干燥的四氢呋喃(THF)中，依次加入0.26mL 氯甲酸异丁酯、0.22mL N-甲基吗啉，在30℃下搅拌反应15min。然后向 上述反应液中滴加0.13mL炔丙胺，继续在30℃下搅拌反应4h。反应结束 后，将白色固体过滤丢弃，取20mL乙酸乙酯溶解滤液，依次分别使用2mol L-1盐酸洗涤和20mL饱和碳酸氢钠溶液洗涤有机相三次，再使用4g无水硫 酸镁干燥有机相12h。最后滤去无水硫酸镁，对反应液体进行旋蒸除去溶 剂，用2mL四氢呋喃溶解产物，并倒入150mL正己烷中重结晶，可得到 产物；
4)制备螺旋聚合物功能化硅胶微球手性固定相：取步骤2)所制备的 炔基功能化二氧化硅微球80mg分散在800μL干燥四氢呋喃中，取步骤3) 所制备的Fmoc-L-苯丙氨酸功能单体溶于800μL干燥四氢呋喃中；超声混合 上述两种溶液，加入2.0mg催化剂二氯化二铑、100μL无水三乙胺，将反 应容器(安瓿瓶)置入液氮中冷冻后，对反应体系抽真空，利用丁烷火焰 密封安瓿瓶，然后置于摇床中在30℃下震荡反应48h,产物用四氢呋喃洗 涤后，置于80℃的真空干燥箱中干燥24h备用(文献3：张东岳，光学活 性取代乙炔螺旋聚合物微粒的合成及其应用研究[D]，北京，北京化工大学)；
手性毛细管液相色谱柱的填装：取20mg步骤4)制备的手性固定相其 中加入到装有700μL甲醇离心管中，超声分散3min，所得手性固定相匀浆 装入匀浆罐中并放入磁子，在甲醇做顶替液、磁力搅拌下，通过气动泵压 入毛细管中。毛细管色谱柱的规格为26.0cm×200μm i.d.,填充压力为50 MPa。
色谱表征
图2为Fmoc-L-苯丙氨酸功能单体的MALDI-TOF质谱图。Fmoc-L-苯丙氨 酸功能单体的相对分子质量为423，该质谱图中可见质荷比447.11处为该 功能单体的加钠峰、质比荷463.08处为该功能单体的加钾峰，表明成功合 成Fmoc-L-苯丙氨酸功能单体。
图4为扫描电镜图(a为裸硅球，b为表面炔基化的硅球，c为螺旋聚 合物功能化硅胶微球)。通过对比图4a和b的表面形貌，可以发现炔基被 成功引入到硅球表面；通过对比图4b和c的表面形貌，可以发现螺旋聚合 物成功接枝在炔基功能化的硅胶微球表面。
图5为对映体化合物结构式(a为(±)马来酸溴苯那敏结构式；b为DL-β- 苯乳酸结构式；“*”代表手性位点)。
图6为对映体分离的色谱图。分离(1)(±)马来酸溴苯那敏色谱条件 为毛细管柱(20.0cm×200μm i.d.)，流动相为乙腈/水(95/5,v/v)，流速为 200μL/min(分流前)；分离(2)DL-β-苯乳酸色谱条件为毛细管柱(19.8cm ×200μm i.d.)，流动相为乙腈/水(80/20，v/v)，流速为200μL/min(分流 前)。
从图中可以看出两组手性化合物的对映体都能很好地被拆分，(±)马 来酸溴苯那敏的两个对映体分离度为5.6，并且(±)DL-β-苯乳酸两个对映 体的分离度为3.1，说明该具有螺旋结构的硅胶微球材料对手性对映体表现 出手性拆分能力。
本发明所采用的制备方法过程简单反应条件温和，反应效率高等优点， 所制备的材料具有螺旋结构的硅胶微球材料对(±)马来酸溴苯那敏和DL-β- 苯乳酸的手性对映体分离表现出了很高的拆分能力。
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