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编号:11024997
L扁桃酸金属配位分子烙印聚合物的手性分离能力
http://www.100md.com 《分析化学》 2006年第6期
     摘要 以CuⅡ[N(4vinylbenzyl)]iminodiacetic acid为功能单体、三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯为交联剂、甲醇为聚合溶剂,制备了L扁桃酸的金属配位分子烙印聚合物。用它作为色谱固定相,系统考察了流动相的pH、甲醇含量以及缓冲溶液的浓度对其手性分离能力的影响。在中性或弱碱性(pH 7~9)流动相条件下,L扁桃酸的金属配位分子烙印聚合物对D,L扁桃酸的手性分离效果最好;其手性分离能力随流动相中甲醇含量和缓冲溶液浓度的增大而增强。本研究的工作为在极性溶剂中制备高选择性的分子烙印聚合物提供了实践支持。

    关键词 分子烙印聚合物,金属配位作用,手性分离,扁桃酸

     1 引言

    分子烙印是一种新兴的分子识别技术[1,2]。利用该技术可制备对烙印分子具有“预定”选择性的高分子聚合物,即分子烙印聚合物(MIP)。目前,烙印分子和功能单体大多通过离子、氢键、疏水、范德华力等非共价作用形成复合物,制备的分子烙印聚合物的选择性相对较低[3];而且,绝大多数的分子烙印聚合物均是在弱极性的有机溶剂中制得的。如何在水/醇体系中制备分子烙印聚合物以及如何选择性识别水/醇体系中的目标分子也是分子烙印技术亟需解决的问题。上世纪九十年代,Arnold等[3,4]将金属配位作用引入分子烙印,很好地解决了上述问题。金属配位的作用强度高于氢键、范德华力等非共价作用,且其本身具有方向性,有利于制备高选择性的分子烙印聚合物。同时,通过金属配位作用结合的识别过程接近于天然分子识别系统,具有结合快速且可逆的优点,弥补了共价作用的不足。另外,金属配位作用可以存在于极性体系中,这使得制备水溶性目标分子的烙印聚合物成为可能。因此,金属配位作用具有很高的热力学稳定性,同时动力学平衡也较容易达到,是一种非常适合于分子烙印过程的作用形式。

    本实验以Cu(Ⅱ)[N(4乙烯基苄基)]亚胺二乙酸(Cu(Ⅱ)[N(4vinylbenzyl)]iminodiacetic acid,Cu(Ⅱ)VBIDA,图1)作为功能单体,以配位作用作为功能单体和烙印分子之间的结合作用,以甲醇为聚合溶剂制备了L扁桃酸的金属配位分子烙印聚合物。用其作为HPLC固定相,对该金属配位分子烙印聚合物的手性识别性能进行了系统考察。

    图1 L扁桃酸金属配位分子烙印聚合物制备过程示意图(略)

    Fig.1 Schematic representation of Lmandelic acid metalcomplexing imprinted polymer preparation

     2 实验部分

    2.1 试剂和仪器

    D,L扁桃酸(Man,Sigma);亚胺二乙酸(IDA,Acros);4乙烯基苄基氯(VBCl,Acros);CuSO4(沈阳市试剂三厂);三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯(TRIM,上海珊瑚化工厂);偶氮二异丁腈(AIBN,北京化学试剂厂);甲醇和乙腈(色谱纯,山东禹王化工厂)。PU1580液相色谱泵、UV1575 紫外检测器(日本Jasco公司),Rheodyne 7725i 进样阀,CKChromTM(version 6.1)色谱数据处理软件。DZF6020型真空干燥箱(上海精宏实验设备有限公司);902型恒温磁力搅拌器(上海亚荣生化仪器厂);PHS25型pH计(上海雷磁仪器厂)。

    2.2 L扁桃酸金属配位分子烙印聚合物的制备

    按参考文献[4,5]的方法,合成功能单体Cu(Ⅱ)VBIDA。L扁桃酸金属配位分子烙印聚合物的制备过程如图1所示。将功能单体Cu(Ⅱ)VBIDA(1 mmol)、烙印分子LMan(1 mmol)和NaOH(2 mmol)溶解在10 mL甲醇中,搅拌3 h。然后,将交联剂TRIM(7 mmol)、引发剂AIBN(30 mg)和上述的甲醇溶液移入玻璃安培瓶中,经超声溶解、充氮脱氧后密封,在60℃水浴中反应48 h,得到蓝色聚合产物。聚合物经粉碎过筛(43 μm)并反复沉降以除去细末,得到粒径在20~43 μm的无定形颗粒。此聚合物颗粒用1 mol/L 的EDTA溶液(pH 8.5)处理48 h,用蒸馏水洗至溶液不显蓝色,然后于0.5 mol/L CuSO4水溶液中振荡48 h,离心分离,100℃干燥。

    在不加烙印分子的情况下,用同样的方法制备非烙印聚合物作空白对照。

    2.3 分子烙印聚合物的色谱评价

    将聚合物以甲醇为匀浆液和顶替液分别装入150 mm×4.6 mm的不锈钢柱。色谱柱分别用甲醇、甲醇/水(6/4)冲洗至基线平衡。样品溶液浓度3 g/L,进样体积2 μL,流速0.5 mL/min,检测波长254 nm。容量因子k′=(tR-t0)/t0,其中,tR是样品的保留时间,t0是用溶剂(甲醇或水)标记的死时间;分离因子α=k′L/k′D,其中,k′L和k′D分别是L对映体和D对映体的容量因子。

     3 结果与讨论

    在评价非共价分子烙印聚合物时,一般采用添加少量竞争剂(如乙酸)的聚合溶剂作为流动相。但对金属配位分子烙印聚合物来说,由于底物和聚合物之间的相互作用非常强,采用上述的流动相体系不能洗脱目标分子[4]。实验借鉴配体交换色谱的流动相体系,采用有机溶剂和缓冲溶液的混合流动相,获得了令人满意的手性分离效果。

    3.1 流动相pH对金属配位分子烙印聚合物手性分离能力的影响

    测定了不同流动相pH时,L扁桃酸的金属配位分子烙印聚合物和非烙印聚合物对D,L扁桃酸的保留和分离情况(图2)。可以看出:在测定的流动相pH范围内,金属配位分子烙印聚合物对烙印分子L扁桃酸的保留能力要大于非烙印聚合物;而对金属配位分子烙印聚合物来说,烙印分子L扁桃酸在其上的保留则强于其对映异构体D扁桃酸;另外,D,L扁桃酸在金属配位分子烙印聚合物上能够得到很好的分离(αMIP>1)(图3),但非烙印聚合物则不能分离烙印分子对映体(αblank=1,图2b)。由于烙印聚合物和非烙印聚合物的化学组成相同,且两者是在基本相同的条件下制备的(只是在制备非烙印聚合物时没有加入烙印分子),因此可以认为,以上结果是由烙印效应产生的。在分子烙印过程中,功能单体和烙印分子通过配位作用形成的复合物的构型得以保持,从而在聚合物的网络结构中形成了空间构型和功能单体的排布都与烙印分子相匹配的“记忆”空穴,使得金属配位分子烙印聚合物与烙印分子之间产生了特异性相互作用。

    图2 流动相pH对D,L扁桃酸在金属配位分子烙印聚合物和非烙印聚合物上的保留(a)和手性分离(b)能力的影响(略)

    Fig.2 Effect of pH of the mobile phase on retention (a) and chiral separation (b) ability of metalcomplexing imprinted polymer and nonimprinted polymer to D,Lmandelic acid

    流动相(mobile phase): MeOH/30 mmol/L磷酸盐缓冲溶液(phosphate buffer) 60/40(V/V)。

    从图2还可以看出,流动相pH对金属配位分子烙印聚合物的手性分离能力影响很大。由于流动相pH的变化会改变扁桃酸的羧基和羟基的离子化程度,从而使金属配位分子烙印聚合物与D,L扁桃酸之间的相互作用发生变化,导致了金属配位分子烙印聚合物手性分离能力的改变。如图2(b)所示,在酸性和弱碱性流动相条件下,D,L扁桃酸在金属配位分子烙印聚合物上的手性分离效果随流动相pH的增大变得越来越好。在中性或弱碱性(pH 7~9)条件下其手性分离效果最好(图3)。这说明在此流动相pH范围内,烙印分子L扁桃酸与烙印聚合物之间由烙印而产生的特异性相互作用较强,同时它们之间的非特异性相互作用相对较弱,导致金属配位分子烙印聚合物对L扁桃酸具有较好的手性识别能力;而当流动相的碱性逐渐增强(pH>8)时,金属配位分子烙印聚合物对D,L扁桃酸的手性分离因子又开始减小,这可能是由流动相碱性的增强使得底物与聚合物之间的非特异性配位作用逐渐增大所造成的。

    图3 D,L扁桃酸在金属配位分子烙印聚合物上的分离谱图(略)

    Fig.3 Chromatographic resolution of D,Lmandelic acid on metalcomplexing imprinted polymer for Lmandelic acid

    流动相(mobile phase): MeOH/30 mmol/L磷酸盐缓冲溶液(phosphate buffer, pH 8.0) 60/40(V/V)。

    3.2 流动相中甲醇含量对金属配位分子烙印聚合物手性分离能力的影响

    在甲醇含量不同的流动相条件下,金属配位分子烙印聚合物对D,L扁桃酸的手性分离情况见图4。随着流动相甲醇含量的增加,D,L扁桃酸在金属配位分子烙印聚合物上的容量因子(k′)先略有减小然后增大,而其手性分离因子(α)则始终随甲醇含量的增加而逐渐增大。流动相中甲醇含量的增加,一方面会增加流动相的疏水性,降低流动相的洗脱能力,使底物与固定相之间的配位作用增强,导致D,L扁桃酸在金属配位分子烙印聚合物上k′和α的增大;另一方面,甲醇作为制备L扁桃酸金属配位分子烙印聚合物的聚合溶剂,当其含量增加时,可以使底物与聚合物相互作用的化学环境更接近于形成烙印时所处的环境,同时也可以减小因溶剂改变而造成的聚合物孔结构的变化。因此,有利于提高金属配位分子烙印聚合物手性识别的选择性。而当流动相的甲醇含量较低时,D,L扁桃酸在金属配位分子烙印聚合物上的容量因子略有减小可能是由于流动相疏水性的增强破坏了底物与聚合物之间的非特异性的疏水作用造成的[6]。

    3.3 缓冲溶液浓度对金属配位分子烙印聚合物手性分离能力的影响

    在流动相中加入缓冲溶液,除了能够调节流动相的酸碱性外,缓冲溶液浓度的改变还能引起流动相离子强度的变化,这对金属配位分子烙印聚合物的手性分离能力也能产生重要影响。图5显示,在保持流动相pH和甲醇含量不变的情况下,L扁桃酸的金属配位分子烙印聚合物对D,L扁桃酸的保留和手性分离能力均随流动相中缓冲溶液浓度的增大而增强。其原因可能是流动相中缓冲溶液浓度的增大会引起流动相离子强度的增加,在使流动相疏水性增大的同时,也降低了底物的离子化程度,这些都可能导致底物与相对疏水的金属配位分子烙印聚合物之间相互作用的增强,造成D,L扁桃酸在金属配位分子烙印聚合物上的保留和手性分离能力的增大。

    图4 流动相中甲醇含量对D,L扁桃酸在金属配位分子烙印聚合物上的保留和手性分离能力的影响(略)

    Fig.4 Effect of methanol content in the mobile phase on retention and chiral separation ability of metalcomplexing imprinted polymer to D,Lmandelic acid

    流动相(mobile phase): MeOH/30 mmol/L磷酸盐缓冲溶液(phosphate buffer, pH 7.0) 60/40(V/V)。

    图5 缓冲溶液浓度对D,L扁桃酸在金属配位分子烙印聚合物上的保留和手性分离能力的影响(略)

    Fig.5 Effect of buffer concentration in the mobile phase on retention and enantioselectivity of D,Lmandelic acid on metalcomplexing imprinted polymer

    流动相同图4(the mobile phase as the same in Fig.4)。

     References

    1 Liu Xueliang(刘学良), Liu Ying(刘 莺), Wang Junde(王俊德), Shang Zhenhua(商振华). Chinese J. Anal. Chem.(分析化学), 2002, 30(10): 1260~1266

    2 Lai Jiaping(赖家平), He Xiwen(何锡文), Guo Hongsheng(郭洪声), Liang Hong(梁 宏). Chinese J. Anal. Chem.(分析化学), 2001, 29(7): 836~844

    3 Dhal P K, Arnold F H. J. Am. Chem. Soc., 1991, 113: 7417~7418

    4 Vidyasankar S, Ru M, Arnold F H. J. Chromatogr. A, 1997, 775: 51~63

    5 Dhal P K, Arnold F H. Macromolecules, 1992, 25: 7051~7059

    6 Liu Y, Ding G S, Wang J D. Chin. Chem. Lett., 2005, 16: 797~800

    本文系国家自然科学基金资助项目(No.29635026)

    (中国科学院大连化学物理研究所,大连 116012), 百拇医药(刘莺 丁国生 徐秀明 郝卫强 魏桂林 王俊德*)