液相色譜手性識別機理研究進展（一）

近20年來人們對于用高效液相色譜分離對映體的興趣與日俱增，發展高效的手性固定相(簡稱CSP)成為這一領域最活躍的部分，而與之相應的色譜手性識別機理的研究相對來說比較少。但研究色譜拆分機理又是非常重要的，這有利于獲得對手性識別更深入的理解，可以指導研制高效的CSPs及預示手性拆分的可能性，而且對理解手性藥物的藥理、藥物設計、生命化學中的立體化學問題等都具有重要意義[1]。

物質對映異構體，僅在分子結構上具有不可重疊性。在對稱的環境里，無論是氣體、固體、或是溶液、液體狀態都表現出完全相同的物理化學性質。不管哪一種色譜，為了使互為對映體的物質轉化為化學和物理性質不同的非對映體，多宜提供一個手性源，使欲分離的對映體(樣品)和手性源(例如：手性固定相)之間形成一個非對映異構分子絡合物[2]。非對映分子復合體屬于不同的點群。僅對稱性的不同，在色譜上是不能被“識別”的，從熱力學過程的角度來說，二者必須有一定的自由能差別。

1 、手性分離的熱力學

液相色譜手性固定相法直接拆分對映體，在色譜柱內存在著如下的平衡[3]：

經典熱力學中自由能變化(DG)與焓(DH)、熵(DS)的關系遵從Gibbs方程：

    DG = DH - TDS 

在液相色譜中，保留參數即容量因子k’與溶質在流動相-固定相的熱力學平衡常數K的關系為：k’= fK(f是色譜柱相比)。對映異構體選擇性a = k’R / k’S (k’R > k’S)。色譜過程的自由能變化可以表示成：

    DG = -RTlnK = -RTln(k’/f) 

因此，不難導出：

    lnK = (-DH/R) × 1/T + DS/R (1)
    -DR，SDG0 = RT lna = -DR，S DH 0 + TDR，S DS0 
    lna = (-DR，SDH0/R) × 1/T + DR，SDS0/R (2)

式(1)、(2)表明lnK～1/T、lna～1/T呈線性關系

在倒轉溫度Tinv時，非對映異構分子絡合物的熱力學平衡常數KR = KS，對映異構體同時流出，在該溫度時無對映異構體選擇性，aR，S = 1，理論上是由于：

    lna = (-DR，SDH/R) × 1/T + DR，SDS/R = 0 

即： (-△R，S△H/R) × 1/Tinv = DR，SDS/R
    -DR，SDH = TinvDR，SDS 

在該點的兩邊，溫度對對映異構體選擇性系數的影響剛好相反，而且溶質對映體流出順序相反。該點的右邊，即：T<Tinv，色譜手性識別過程為焓變占優勢，隨著溫度的升高，a減小。該點的左邊，即：T>Tinv，色譜手性識別過程為熵變占優勢，隨著溫度的升高，a增大。在手性識別研究中，對映異構體流出順序在不同溫度下倒轉的現象迄今只有少量的報道。由于高效液相色譜的溫度變化范圍較窄，大多數情況下，Tinv不在該溫度范圍內，并且T<Tinv，色譜手性識別過程焓變占優勢，a值隨著溫度的升高而降低[6]。

手性色譜的對映體分離是一個復雜的色譜過程，Pirkle[7]曾報道了lnK～1/T非線性的實驗結果。因此，在不同溫度下得到不同的對映體流出順序也可能是手性色譜保留和拆分機理的改變造成的。

Pirkle[2]和Davankov等曾分別研究了手性色譜分離對映異構體選擇性a和非對映異構體絡合物自由能之差(DDG)之間的關系：DR，S DG = -RT lna，考慮到實際的色譜分離過程，非常小的熱力學選擇性DDG，如果DDG = 0.024 kJ/mol，就可以得到一定的拆分，a = 1.01。隨著DDG 的增加，對映體選擇性將表現為相應的指數級增長。Pirkle等用實驗印證了這種關系[8]，在圖2所示的CSP上，用30% 異丙醇/正己烷為流動相，N-(3， 5-二硝基苯甲酰基)-亮氨酸正己酰胺的對映異構體選擇性測定值a = 10.5，其中(S)-對映體保留較長，相互作用能之差DDG = -5.93 kJ/mol。

同樣，對具有兩個手性中心如圖3所示化合物的(SS)， (RR)對映體，可以預料：由于手性中心相隔較遠，與CSP作用的自由能之差為2DD Gm ，實驗所得的手性選擇性a為121，大致為前者的平方值a2。后來，Pirkle等再次通過設計出相應的實驗提出了這樣的論斷[9]：具有兩個溶質-CSP相互作用部位產生的對映異構體選擇性大致為只有一個作用部位所取得的對映異構體選擇性值的平方。Boehm等[10]用統計熱力學理論研究了化學鍵合手性固定相上溶質對映異構體(AR、AS)的保留行為和分離模式：

    k’= exp(-bDA) 

其中b = 1/(kT)，bDA為溶質由流動相到固定相傳質過程的Helmholtz自由能，因此：

    a = ∑iexp(-bEiR)/∑jexp(-bEjS) 

其中EiR和EjS分別為R-體(AR)和S-體(AS)在CSP上第i種和第j種作用能。并認為CSP與A的4種一點作用、36種兩點作用、12種三點和四點作用中，只有三點和四點作用存在手性識別能力。如果只有一種優勢識別模型，則lna 與1/T呈線性關系。

Berthod等[11]用熱力學方法研究手性識別中手性碳原子所連四個基團各自對手性識別的貢獻，分析了126個化合物中81種與手性碳相連的基團，并設氫取代時DG = 0，化合物上各基團獨立與CSP作用，在E = ∑|acal - aobs|最小化條件下解如下方程：

    D(DGA)=(DGA11-DGA12)+(DGA21-DGA22)+(DGA31-DGA32)+(DGA41-DGA42) 

定量給出了各個基團對手性識別的貢獻(CSP為S-NEC-CD和R-NEC-CD)，并發現SP2雜化的碳與手性中心相連比SP3雜化的碳手性識別能力強。該方法只能預示對映體能否被拆分，而不能預示流出順序。