纤维素苯基氨基甲酸酯的均相合成及其手性拆分性能评价

尹春春, 杨田田, 张金明, 张 军*

(1.中国科学院化学研究所, 中国科学院工程塑料重点实验室, 北京 100190; 2.中国科学院大学, 北京 100049)

不同旋光活性的对映异构体分子往往表现出不同甚至相反的生物活性和药理活性,因此获得光学纯、单一对映体在生物、医药和材料领域具有重要意义[1-3]。色谱拆分法被认为是测定对映体纯度和分离制备光学纯单一对映体最有效、最可靠、应用最广泛的方法,其核心是具有手性识别功能的手性拆分材料。多糖衍生物手性拆分材料(包括纤维素和淀粉的苯甲酸酯和苯基氨基甲酸酯)因具有很好的手性识别能力(识别近90%的手性样品)得到了广泛的研究和应用[4-9]。

多糖衍生物的手性拆分能力主要取决于其化学结构特征,包括取代度、取代基团种类、取代基团位置、聚合度和多糖类型等[4-6,10-36]。通常认为多糖衍生物的取代度越高,手性拆分能力越强[4-11]。Toga等[11]通过水解法制得取代度为2.14～3.0的纤维素苯甲酸酯,指出全取代的样品手性拆分性能最强。但是,近年来实验结果表明取代度对多糖衍生物的手性拆分性能影响显著。袁黎明等[12]发现二取代的纤维素2,3-二苯基氨基甲酸酯的手性选择性远好于纤维素2,3,6-三苯基氨基甲酸酯,两者的分离因子针对不同的对映体各有优点,前者通常具有更小的保留因子,可缩短分析时间;甚至未取代的纯纤维素对一些对映体也具有较好的手性拆分能力[13]。我们[14-16]通过均相反应合成了取代度为1.0～3.0的纤维素衍生物,发现纤维素4-叔丁基苯甲酸酯和3,5-二甲基苯甲酸酯在取代度为2.58时表现出最强手性拆分性能,远高于取代度为3.0的衍生物;对于纤维素3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯,取代度为2.0和3.0的衍生物针对不同的对映体各有优势。显然,取代度与多糖衍生物的手性拆分性能并非线性相关,需要针对不同的衍生物基团开展更加详细的研究。

取代基团种类,即苯环上取代基团的种类和位置,对手性拆分性能具有显著影响[4-6,17-19]。对于纤维素衍生物而言,给电子取代基甲基和弱吸电子基团(如:氯、氟等)提高手性识别能力,而给电子基团甲氧基和强吸电子基团(如:硝基)显著降低手性识别能力。另外,苯环上取代基团位置对多糖衍生物的手性识别能力也有影响。在苯环间位和对位引入取代基团时多糖衍生物表现出较好的手性拆分效果,但在邻位引入取代基时手性识别能力下降。

取代基团位置和分布同样会影响手性拆分性能[20-29]。沈军等[30-33]发现区域选择性取代的结构显著提高直链淀粉和纤维素衍生物的手性拆分性能。柏正武等[34-36]利用壳聚糖上氨基与羟基的反应活性不同,制得性能优异的手性拆分材料。我们[37]通过无保护-脱保护的两步合成过程制得手性拆分性能优异的纤维素6-苯甲酸酯-2,3-苯基氨基甲酸酯,发现区域选择性取代的纤维素混合酯与非区域选择性取代的纤维素混合酯在手性拆分性能上有互补效应。

聚合度是影响多糖衍生物手性拆分性能的重要因素。沈军等[38]指出聚合度高于18时,纤维素3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯才具有较好的手性识别能力。我们[15]发现聚合度在140～220之间时,纤维素3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯具有最佳的手性识别性能。此外,直链多糖衍生物的手性拆分能力明显优于支链多糖衍生物,支链淀粉衍生物手性拆分能力较差。

本文中,我们将纤维素溶解于离子液体中,通过均相反应制备了18种取代度不同和苯环上带有不同取代基团的纤维素苯基氨基甲酸酯,考察了取代度、苯环上取代基团种类和位置对产物手性拆分性能的影响,揭示了纤维素苯基氨基甲酸酯化学结构和手性拆分性能的关系。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

图1 10种外消旋物质的化学结构

微晶纤维素(MCC, Avicel PH-101),购自北京凤礼精求商贸有限公司,聚合度220, 80 ℃真空干燥。1-烯丙基-3-甲基咪唑氯(AmimCl),实验室合成[15],水含量低于0.1%(质量分数)。苯基异氰酸酯和3,5-二甲基苯基异氰酸酯,分析纯,购自Energy Chemical。3,5-二氯苯基异氰酸酯、3,4-二氯苯基异氰酸酯、2,4-二氯苯基异氰酸酯、2,3-二氯苯基异氰酸酯、2,6-二氯苯基异氰酸酯、2,4,6-三氯苯基异氰酸酯、3-甲基-4-氯苯基异氰酸酯、2-甲基-5-氯苯基异氰酸酯、4-甲基-3-氯苯基异氰酸酯和1-萘基异氰酸酯,分析纯,购自伊诺凯。多孔球型硅胶(直径:5 μm;平均孔径:30 nm),购自北京绿百草科技发展公司。氨丙基三乙氧基硅烷,分析纯,购自TCI。10种外消旋物质均购自Sigma Aldrich(结构式见图1): (1)2-苯基环己酮(2-phenylcyclohexanone), (2)Tröger’s Base, (3)黄烷酮(flavanone), (4)1-(2-萘基)乙醇(1-(2-naphthyl)ethanol), (5)2-羟基-1,2-二苯基乙酮(benzoin), (6)三(2,4-戊二酮酸)钴(cobalt(III) acetylacetonate), (7)反-1,2-二苯基环氧乙烷(trans-stilbene oxide), (8)2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇(2,2,2-trifluoro-1-(9-anthryl)ethanol), (9)2-苯基乙醇(1-phenethyl alcohol), (10)2-苯基-1-丙醇(2-phenyl-1-propanol)。正己烷、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF),色谱纯,购自Honeywell公司。其他试剂均为分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司。

图2 纤维素苯基氨基甲酸酯在离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯(AmimCl)中的均相合成路线

傅里叶变换红外光谱(FTIR)采用Nicolet 6700 FTIR傅里叶变换红外光谱仪(Perkin-Elmer公司,美国)对样品测试得到,扫描次数16次,波数范围为650～4 000 cm-1。氢核磁共振谱(1H-NMR)采用Bruker AV400核磁仪(Bruker公司,德国)在室温测试,溶剂为氘代二甲基亚砜(DMSO-d6)或氘代吡啶(Py-d5),加入2～3滴氘代三氟乙酸以移除活泼氢。HPLC测试在Waters e2695(Waters公司,美国)上进行,采用UV2489双通道紫外检测器。

1.2 纤维素苯基氨基甲酸酯的合成

将1.0 g微晶纤维素加入到19.0 g AmimCl中,于80 ℃机械搅拌溶解1 h,得到质量分数为5%的纤维素/AmimCl溶液。然后,加入苯异氰酸酯,80 ℃反应3 h。反应结束后加入甲醇沉淀,使用砂芯漏斗过滤、洗涤3次后,干燥。将干燥后的样品溶于DMF中,再次使用甲醇沉淀,过滤、洗涤3次,最后置于60 ℃的真空烘箱中干燥,得到纤维素苯基氨基甲酸酯样品(见图2)。

为了便于阅读,根据苯环上取代基团的结构对不同取代基团的纤维素苯基氨基甲酸酯进行缩写,如图2所示:纤维素苯基氨基甲酸酯(C-H)、纤维素2-甲基-5-氯苯基氨基甲酸酯(2-CH3-5-Cl)、纤维素3-氯-4-甲基苯基氨基甲酸酯(3-Cl-4-CH3)、纤维素3-甲基-4-氯苯基氨基甲酸酯(3-CH3-4-Cl)、纤维素3,5-二氯苯基氨基甲酸酯(3,5-Cl2)、纤维素3,4-二氯苯基氨基甲酸酯(3,4-Cl2)、纤维素2,4-二氯苯基氨基甲酸酯(2,4-Cl2)、纤维素2,3-二氯苯基氨基甲酸酯(2,3-Cl2)、纤维素2,6-二氯苯基氨基甲酸酯(2,6-Cl2)、纤维素2,4,6-三氯苯基氨基甲酸酯(2,4,6-Cl3)、纤维素1-萘基氨基甲酸酯(1-N)和纤维素3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯(3,5-(CH3)2)。

1.3 氨丙基硅胶的制备

将12 g的多孔球型硅胶,放入250 mL烧瓶中,于180 ℃真空干燥5 h,冷却至室温。在氮气保护下,加入120 mL无水甲苯和2 mL无水吡啶,再加入90 mL氨基三甲氧基硅烷,110 ℃回流12 h。冷却至室温,使用砂芯漏斗过滤固体,依次使用甲醇、丙酮、正己烷洗涤固体,最后将制得的氨丙基硅胶置于60 ℃真空干燥箱中干燥6 h,密封保存。

1.4 纤维素苯基氨基甲酸酯手性固定相的制备

将1.2 g纤维素苯基氨基甲酸酯溶解于100 mL THF或DMF/THF中,滴加到用THF浸润后的6.8 g氨丙基硅胶里,搅拌过夜,通过旋转蒸发,缓慢除去溶剂,60 ℃真空烘箱干燥,得到纤维素苯基氨基甲酸酯手性固定相。

1.5 色谱柱的制备及HPLC测试

采用匀浆法装填色谱柱,匀浆液为正己烷/异丙醇(50∶50, v/v),在40 MPa压力下将固定相装入不锈钢(250 mm×4.6 mm)色谱柱中。

HPLC测试在室温进行;流动相为正己烷/异丙醇(98∶2, v/v),流速1 mL/min,色谱柱死时间及柱效分别由1,3,5-三叔丁基苯和甲苯测定。

2 结果与讨论

2.1 纤维素苯基氨基甲酸酯的均相合成与结构表征

纤维素不熔融、难溶解的特点,使得目前工业上制备纤维素衍生物只能采用非均相工艺。近年来,一些纤维素溶剂的出现为纤维素衍生物的均相合成提供了条件,均相反应可以有效地克服非均相反应转化率低、耗时长、产物均一性差、取代度不能控制等缺点[39]。其中,离子液体作为一类新型非质子型纤维素溶剂,其可设计性、高极性和近乎无水的环境非常适合作为纤维素衍生化反应介质,多种传统的和新奇的纤维素衍生物都已经被合成出来[40-51]。与传统的非均相纤维素衍生化方法相比,以离子液体为介质的均相衍生化法表现出一些显著的优点:反应简便、高效,反应过程中纤维素的降解程度轻,产物均一性好,溶剂可回收并可反复使用。特别是,通过控制反应温度、时间和投料比等反应条件即可方便地实现对产物结构的调控。

本文中,我们以AmimCl离子液体为溶剂,通过均相反应将苯环上带有不同取代基团的苯基氨基甲酸酯引入纤维素,改变反应条件即可调控产物的取代度(DS),合成路线如图2所示。产物的取代度根据核磁谱图计算[37,47,50]。随着苯异氰酸酯与纤维素重复单元的物质的量比的增加,取代基团的取代度也随之提高(见表1)。

表1 不同反应条件下纤维素苯基氨基甲酸酯的取代度

DS values were calculated from nuclear magnetic resonance spectra[37,47,50].

通过1H-NMR和FTIR对纤维素苯基氨基甲酸酯进行结构表征。纤维素苯基氨基甲酸酯的代表性1H-NMR谱图如图3所示,其中化学位移在6.0～8.5之间的峰属于苯环上氢的信号峰,2.8～5.8之间的峰为纤维素骨架上氢的信号峰,0.6～2.1之间的峰属于甲基上氢的信号峰。纤维素苯基氨基甲酸酯的代表性FTIR谱图如图4所示,3 400 cm-1附近出现了N-H的伸缩振动峰,1 715 cm-1附近出现了C=O的伸缩振动峰,1 600 cm-1和1 440 cm-1出现了苯环骨架伸缩振动峰,1 540 cm-1出现了N-H的弯曲振动峰,1 215 cm-1出现了C-N或C-O的伸缩振动峰。另外,由于苯环上取代基团的种类和位置不同,所以在650～1 000 cm-1出现了不同的苯环C-H面外变形振动峰。这些结果表明,我们成功制得了纤维素苯基氨基甲酸酯。

图3 纤维素苯基氨基甲酸酯的代表性1H-NMR谱图

图4 纤维素苯基氨基甲酸酯的代表性FTIR谱图

2.2 手性拆分性能评价

2.2.1取代度的影响

我们采用HPLC考察了所制备的18种纤维素苯基氨基甲酸酯衍生物对10种手性分子的拆分性能,结果表明:取代度对纤维素苯基氨基甲酸酯的手性拆分性能有重要的影响,对于绝大部分的手性分析物,随着纤维素苯基氨基甲酸酯取代度的增加,手性拆分效果提高,全取代的纤维素苯基氨基甲酸酯表现出最好的拆分效果,结果见表2。

对于C-H,当取代度为1.83时,手性拆性能较差,仅能识别1-(2-萘基)乙醇、三(2,4-戊二酮酸)钴和2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇;当取代度增加到2.51时,C-H对1-(2-萘基)乙醇、三(2,4-戊二酮酸)钴和2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇手性拆分效果显著提高,实现基线分离,同时可识别Tröger’s Base、2-羟基-1,2-二苯基乙酮和反-1,2-二苯基环氧乙烷;当取代度增加到3.0时,C-H对除2-羟基-1,2-二苯基乙酮以外的手性分析物的拆分效果均显著提高,其中Tröger’s Base、1-(2-萘基)乙醇、三(2,4-戊二酮酸)钴、反-1,2-二苯基环氧乙烷和2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇实现了基线分离。对于3,5-Cl2,当取代度为1.40时,对三(2,4-戊二酮酸)钴可以实现基线分离,可识别1-(2-萘基)乙醇、2-羟基-1,2-二苯基乙酮、反-1,2-二苯基环氧乙烷和2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇;当取代度增加到3.0时,手性拆分效果明显提高,3,5-Cl2对2-苯基环己酮、Tröger’s Base、2-羟基-1,2-二苯基乙酮、三(2,4-戊二酮酸)钴和反-1,2-二苯基环氧乙烷均可实现基线分离,对黄烷酮、2-羟基-1,2-二苯基乙酮和2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇也有较好的拆分效果。3-Cl-4-CH3表现出相似的现象,当取代度增加到3.0时拆分能力最强,对2-苯基环己酮、黄烷酮、三(2,4-戊二酮酸)钴和反-1,2-二苯基环氧乙烷可实现基线分离。先前的研究表明纤维素衍生物的手性拆分性能是疏水螺旋结构和弱氢键作用协同的结果[14-16,37],部分取代的纤维素苯基氨基甲酸酯中剩余过多羟基会带来较强的非特异性吸附效应,导致拆分性能的下降。因此,对于相同取代基团而言,全取代的纤维素苯基氨基甲酸酯表现出最强的手性拆分性能。

2.2.2弱吸电子基团的影响

在苯环上引入取代基团会影响纤维素苯基氨基甲酸酯高分子链的螺旋结构,同时带来极性和作用位点的改变,从而影响纤维素衍生物的手性拆分性能。首先,我们在苯环不同位置引入2～3个弱吸电子的氯基团,考察氯在苯环上不同位置对纤维素苯基氨基甲酸酯手性拆分性能的影响,结果见表3。

表2 10种外消旋化合物在不同取代度的纤维素苯基氨基甲酸酯上的手性拆分结果

k1: retention factor;α: separation factor;Rs: resolution, -: no resolution.Eluent: hexane/2-propanol (98∶2, v/v); flow rate: 1 mL/min.

表3 10种外消旋化合物在含氯基团的纤维素苯基氨基甲酸酯上的手性拆分结果

Eluent: hexane/2-propanol (98∶2, v/v); flow rate: 1 mL/min.-: no resolution.

与不带取代基团的C-H相比,3,5-Cl2对2-苯基环己酮、黄烷酮、2-羟基-1,2-二苯基乙酮和反-1,2-二苯基环氧乙烷的拆分效果提高,但对1-(2-萘)乙醇和2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇的拆分效果降低。3,4-Cl2对2-苯基环己酮和反-1,2-二苯基环氧乙烷的拆分效果提高,但对Tröger’s Base、1-(2-萘)乙醇和2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇的拆分效果降低。当在苯环邻位引入氯基时,所得纤维素衍生物,比如:2,3-Cl2、2,4-Cl2和2,4,6-Cl3,几乎没有手性拆分性能。这种现象可能是因为邻位取代基团的空间位阻效应影响了纤维素衍生物链的螺旋结构,同时邻位氯基跟邻近的酰胺基团形成氢键,占据了氢键识别位点,使得手性拆分性能降低。

2.2.3不同取代基团及取代位置的影响

我们在苯环不同位置引入1个弱吸电子的氯基团和1个给电子的甲基基团,考察氯和甲基在苯环上不同位置对纤维素苯基氨基甲酸酯手性拆分性能的影响,结果见表4。

与不带取代基团的C-H相比,3-CH3-4-Cl对2-苯基环己酮、黄烷酮、2-羟基-1,2-二苯基乙酮和反-1,2-二苯基环氧乙烷的拆分效果显著提高,实现了基线分离,对Tröger’s Base、1-(2-萘基)乙醇和2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇的拆分性能降低。2-CH3-5-Cl对黄烷酮和2-羟基-1,2-二苯基乙酮的拆分效果提高,实现了基线分离,对Tröger’s Base、1-(2-萘基)乙醇、三(2,4-戊二酮酸)钴和2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇的手性拆分效果降低。3-Cl-4-CH3对2-苯基环己酮、黄烷酮、三(2,4-戊二酮酸)钴和反-1,2-二苯基环氧乙烷的拆分效果提高,对Tröger’s Base、1-(2-萘基)乙醇、2-羟基-1,2-二苯基乙酮和2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇的手性拆分效果降低。其中,3-CH3-4-Cl和2-CH3-5-Cl,特别是3-CH3-4-Cl表现出较强的手性拆分性能,对于部分手性分析物拆分效果强于C-H和3,5-(CH3)2。

在18种纤维素苯基氨基甲酸酯中,对于2-苯基环己酮,3-CH3-4-Cl和3,5-Cl2表现出最强的拆分效果;对于Tröger’s Base, 3,5-(CH3)2拆分效果最好;对于黄烷酮,2-CH3-5-Cl拆分效果最好;对于1-(2-萘基)乙醇,C-H拆分效果最好;对于2-羟基-1,2-二苯基乙酮,3-CH3-4-Cl和2-CH3-5-Cl表现出最强的拆分效果;对于三(2,4-戊二酮酸)钴,3-Cl-4-CH3拆分效果最好;对于反-1,2-二苯基环氧乙烷,3-CH3-4-Cl表现出最强的拆分效果;对于2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇,C-H和3,5-(CH3)2拆分效果最好;对于2-苯基乙醇和2-苯基-1-丙醇,大部分的纤维素苯基氨基甲酸酯手性固定相无法识别,但在3-CH3-4-Cl上可以实现基线分离,见表4。

综合上述HPLC结果,我们可以看到苯环上取代基团的种类和位置对纤维素苯基氨基甲酸酯手性拆分性能影响显著,弱的吸电子基团氯基和给电子基团甲基在合适的位置才能得到优异的手性拆分材料。3-CH3-4-Cl、3,5-Cl2和2-CH3-5-Cl对一些手性分子的拆分效果优于C-H和3,5-(CH3)2。

表4 10种外消旋化合物在含氯及甲基的纤维素苯基氨基甲酸酯上的手性拆分结果

Table 4 Chiral separation results for the 10 racemates on cellulose phenylcarbamates containing chlorine and methyl substituents

Cellulosephenylcarbamate1k1αRs2k1αRs3k1αRs4k1αRs5k1αRsC-H2.941.131.952.051.222.413.441.081.347.561.142.849.121.051.093,5-(CH3)21.411.222.270.891.453.921.711.080.984.531.061.114.571.101.493-CH3-4-Cl4.031.283.743.621.070.935.851.071.228.901.020.4514.01.325.462-CH3-5-Cl2.771.030.361.281.060.663.501.152.074.971.030.649.371.182.783-Cl-4-CH33.151.211.991.871.060.722.891.081.075.221.060.8711.51.0-Cellulosephenylcarbamate6k1αRs7k1αRs8k1αRs9k1αRs10k1αRsC-H5.971.593.740.791.262.901.881.332.110.761.0-0.751.0-3,5-(CH3)22.121.060.890.421.0-2.261.212.630.571.0-0.581.0-3-CH3-4-Cl5.701.383.610.623.7711.71.391.090.904.711.101.804.361.506.022-CH3-5-Cl2.781.0-0.651.262.351.991.161.392.011.040.672.030.701.043-Cl-4-CH34.842.246.810.561.824.881.191.120.822.321.0-2.371.0-

Eluent: hexane/2-propanol (98∶2, v/v); flow rate: 1 mL/min.-: no resolution.

3 结论

在AmimCl离子液体中通过均相反应合成了不同取代度和带有不同取代基团的纤维素苯基氨基甲酸酯,改变反应条件(如:投料物质的量比)很容易调控产物结构。进而,将其制成手性固定相,考察了纤维素苯基氨基甲酸酯的结构对手性拆分性能的影响:随着取代度的增加,纤维素苯基氨基甲酸酯拆分效果提高,全取代的纤维素苯基氨基甲酸酯通常表现出最好的拆分效果;弱吸电子基团氯基和给电子基团甲基在合适的位置能显著增强纤维素苯基氨基甲酸酯的手性拆分性能。纤维素3-甲基-4-氯苯基氨基甲酸酯、3,5-二氯苯基氨基甲酸酯和2-甲基-5-氯苯基氨基甲酸酯表现出优异的手性拆分性能。