超分子化学在色谱分离中的应用

超分子在色谱分离中的应用2013-2014学年第一学期分离技术班级：学号：学生姓名：2013年11月30日超分子在色谱分离中的应用摘要：综述了超分子化学在分离中的应用，简述了超分子化学的起源发展及历史，阐述了超分子化学的基本概念和原理，并分析研究了几代超分子化合物在色谱分离中应用的原理、研究现状和应用前景，进行了总结及展望。关键字：超分子色谱分离分析研究一.超分子的基本概念及发展历史超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学。在与材料科学、生命科学、信息科学、纳米科学与技术等其它学科的交叉融合中，超分子化学已发展成了超分子科学，被认为是21世纪新概念和高技术的重要源头之一。“超分子”一词早在2O世纪30年代已经出现，但在科学界受到重视却是5O年之后了。1987年诺贝尔化学C．J．Pederson、D．J．Cram和J．M．Lehn，标志着化学的发展进入一个新的时代。发轫于Pederson对冠醚的基本性发现而分别由Cram和Lehn发展起来的主一客体化学和超分子化学的重要意义才被人们真正认识到。1967年Pederson等第一次发现了冠醚。他原先想合成的是一个非环聚醚(多元醚)，但在纯化过程中分离出极少量产率仅0．4的丝状有纤维结构并不溶于羟基溶剂的白色晶体。受好奇心驱使，他进行了深入研究，发现它是一种大环聚醚，Pederson认为它的立体结构宛如王冠，而醚氧原子就象镶嵌在王冠上的钻石，因而取名冠醚(图1)。它是由于非环聚醚前体与碱金属离子配位结合，阳离子使配体预组织后更有利于环化而形成的。这可以说是第一一个在人工合成中的自组装作用。Cram从1950年代起就想设计和合成较简单的有机化合物，来模仿自然界存在的一些化合物的功能，他认识到高度结构化的配合物是中心，Peder—son的工作一发表，他就意识到这是一个人口，由此开展了系列的主客体化学的研究。主客体也就是生物学中常采用的受体与基质，它们间的作用是典型的自组装作用。Lehn建议将超分子化学定义为“超出分子的化学”(Chemistrybeyondthemolecule)。早在1966年，对于神经系统中的过程的兴趣，促使他想到一个化学家如何为这种最高生物功能的研究作出贡献，由于神经细胞运作与跨越细胞膜的Na+和K+的分布变化有关，因而想设计合成环肽来监控膜间K+的传递。Pederson工作发表后，Lehn意识到这种物质可以将大环抗菌素的配价能力与醚的化学稳定性结合起来，进一步考虑到具有三维球形空腔的物质，能够整体包围离子，将形成比平面大环更强的配合物，由此设计了大双环配体、多重识别配体等，研究了它们的结构、催化性能、传递性能，并进一步进行分子器件的设计。超分子化学作为化学的一个独立的分支，已经得到普遍认同。它是一个交叉学科，涉及无机与配位化学、有机化学、高分子化学、生物化学和物理化学，由于能够模仿自然界已存在物质的许多特殊功能，形成器件，因此它也构成了纳米技术、材料科学和生命科学的重要组成部分。超分子作用是一种具有分子识别能力的分子间相互作用，通过对分子间相互作用的精确调控，超分子化学逐渐发展成为一门新兴的分子信息化学，它包括在分子水平和结构特征上的信息存储，以及通过特异性相互作用的分子识别过程，实现在超分子尺寸上的修正、传输和处理。它是化学和多门学科的交叉领域，它不仅与物理学、材料科学、信息科学、环境科学等相互渗透形成了超分子科学。而更具有重要理论意义和潜在前景的是在生命科学中的研究和应用。例如生物体内小分子和大分子之间高度特异的识别在生命过程中的调控，生物体内的信息输送(电子转移、能量传递、物质传输和化学转换)和生物体中受体。底物相互作用等，其基本现象都离不开超分子化学范畴。未来超分子体系化合物的特征应为：信息性和程序性的统一；流动性和可逆性的统一；组合性和结构多样性的统一。所有这些特性便构成了“自适应化学”这一概念的基本要素。考虑到超分子化学涉及到的物理和生物领域，超分子化学便成为一门研究集信息化、组织性、适应性和复合性于一体的物质的学科。超分子化合物是由主体分子和1个或多个客体分子之间通过非价键作用而形成的复杂而有组绿的化学体系。主体通常是富电子的分子，可作为电子给体(D)，如碱、阴离子、亲核体等。而客体是缺电子的分子，可作为电子受体(A)，如酸、阳离子、亲电体等。超分子化学和配位化学同属于授受体化学，超分子体系中主体和客体之间不是经典的配位键，而是分子问的弱相互作用，大约为共价键的5％～lO％。因此可认为，超分子化学是配位化学概念的扩展。超分子可分为两类，一类是主/客体组分通过分子间和分子识别原理组成的分子：另一类是多分子体系自发结合而成具有特定相行为并多少具有明确机构和宏观特性的有序多分子系统。前者是通过仪器手性分离的基本原理，后者是手性生物传感器的基础。二．超分子化学体系及其结构特点1.冠醚早在1967年，Pederson在一次实验中，偶然合成了二苯并18-冠-6，发现此类大环多醚化合物能与各种碱金属及碱土金属盐形成稳定的络合物，而且这些络合物可溶于有机溶剂，这类大环化合物被命名为冠醚(Crown-ether)。对其作进一步研究发现，由于冠醚分子有一个洞穴结构，并存在氢键作用，以及所含的配位原子不仅有O、N，还包括S、P、Se、Te和As等，因此冠醚分子能与很多离子或中性分子通过偶极-离子作用或通过氢键形成稳定的配合物，且具有特殊的分子组装方式，对很多极性位置异构体的分离具有高选择性。可应用于外消旋体的拆分、金属离子的萃取与分离、制备离子选择性电极、同位素的富集与分离、层析固定相以及生物化学中模拟生物酶催化过程等等。冠醚是一种大环多醚,因分子构象类似王冠而得名,其结构特征是分子中具有_OCH2CH2η的重复单位。由于它们的形状似皇冠,故统称冠醚。这类化合物具有特有的命名法,名称x-冠-y中的x是代表环上原子的总数,y代表氧原子总数,如18-冠-6(18C6)的结构(见图1)。其结构中乙基可以被其它基团取代,如苯并18C6(见图1);另外冠醚环上的氧原子也可能被其它杂原子取代,如当氧原子被氮取代后成为氮杂冠醚,如二氮杂18C6(见图1)。因冠醚具有特殊的环腔结构,环内不同杂原子构成的高电子云密度以及环上可引入不同基团等因素,使其对多极性化合物,特别是异构体具有独特的选择性,这是其在分析化学中分离应用的基础。2.环糊精环糊精(Cyclodextrin，CD)是第二代超分子主体化合物，是由淀粉的酶促降解得到的一类拥有轴对称性的环状低聚糖，所用的酶是环糊精葡萄糖基转移酶(Cyclodextringlucosyltranferaseenzyme，CGT），此环状低聚糖是一类由D-(+)-吡喃葡萄糖单元通过1，4糖苷键首尾相互结成为互为椅式构象的物质。根据其所含有的α-1，4-吡喃葡萄糖单元的数量(6、7、8)的不同，相应命名为α-、β-、γ-环糊精。环糊精的结构如图2所示,它们由淀粉经酶降解而成。CD的分子结构为圆锥形,一端口径宽,一端窄,中间为一空穴,这是CD形成包合物的基础。就其在分析化学上的应用,研究β-环糊精应用的较多。对于β-环糊精而言,外面有7个伯羟基位于空腔的细口端,14个仲羟基位于空腔的阔口段,其中7个羟基指向顺时针方向,另外7个羟基指向逆时针方向。腔内只有H原子及糖苷氧原子具疏水性,而空腔端口的羟基使其具有亲水性。每个葡萄糖单元有5个手性碳原子,这种结构因素对手性化合物起到识别作用。端口的羟基可以进行衍生化,从而改变CD的亲水性,而且对CD的形状有很大影响,这些结构及性质的改变大大扩展了CD的应用范围。环糊精由于具有独特结构和性质，易于修饰，且低毒或无毒，可以在生物体内降解，所以在色谱、电泳、生物技术食品添加剂、调味品、环境、农药、医药等方面得到广泛应用。尤其通过对环糊精与氨基酸之间包络行为的研究，对于认识生命现象的本质，理解超分子中的分子自组装、分子识别等概念具有十分重要的意义。3.杯芳烃杯芳烃是继冠醚、环糊精之后的第三代主体分子，兼有环糊精和冠醚之长，具备更高的选择性。杯芳烃是由苯酚单元通过亚甲基在羟基邻位连接而构成的一类环状低聚物，由于其分子模型在形状上与希腊圣杯(Calixcrater)相似且由多个苯环构成芳香族分子(arene)，因此，Gutsche将这类化合物命名为“杯芳烃”(Calixarene)。其中最简单的为杯[4]芳烃,其结构如图3所示,其酚羟基对位的R可以是不同的取代基,例如对位由特丁基取代的环状四聚体可写为“对特丁基杯[4]芳烃”。杯芳烃的其它位置也可以通过各种反应引入功能基团,得到适用于不同目的的衍生物。作为第三代主体超分子化合物,杯芳烃具有独特的空穴结构,与冠醚和环糊精相比具有如下特点:①它是一种低聚物,空穴结构大小的可调节度较大。②易于衍生化。上缘的苯环对位取代基和下缘的酚羟基均易引入官能团,得到具有多种官能团和高度选择性的主体分子。③杯芳烃能与离子、中性分子形成主—客体包结物,这是集冠醚和环糊精两者之长。④杯芳烃具有较好的热稳定性、较高的熔点和非挥发性。⑤在绝大多数溶剂中溶解度低、毒性低、揉性好。⑥杯芳烃易于合成,原料易得且价格便宜。由于杯芳烃具有结构灵活多变、易于修饰等特点,使它及其衍生物成为具有高度选择性的主体分子,能和离子、中性分子等客体分子通过超分子作用络合。因此在分离化学中得到广泛应用。三．超分子化学在色谱分离上的应用超分子体系在色谱分离中的应用过程,实际上就是超分子对不同小分子的不同程度的选择性识别过程。冠醚、环糊精和杯芳烃等大环化合物都具有穴状结构,能通过非共价键与离子、中性分子形成超分子,其中分子识别和位点识别是超分子体系形成的基础。分子识别是指发生在分子间的识别过程,而位点识别是发生在局部的识别。其中分子识别类似于锁和钥匙的分子间专一性结合。识别过程要求作用物与受体间在空间几何构型和电荷甚至亲疏水性以及对称性和能量上相匹配,这种高选择性导致了超分子形成的高识别能力,如果客体分子有缺陷就无法形成有效识别。在色谱分离过程中,由于待分离的各种物质分子空间结构和空间电荷分布不同从而与大分子环状化合物形成了具有不同作用的超分子体系,又因为匹配状况不同造成不同化合物在分离过程中的保留时间不同,最终达到分离的效果。冠醚在液相色谱中的应用主要是在已知的手性冠醚柱上的色谱分离和开发研究新的手性冠醚固定液。已知的手性冠醚柱的使用报道起始于1987年Shinbo等报道的利用涂渍手性联萘基冠醚作为反向色谱固定相成功分离衍生化的氨基酸,这种固定相已经商品化,商品名CrownPadCR-(+)手性柱。冠醚化合物在气相色谱中也得到一定的应用,对于低分子冠醚由于其作固定相时稳定性差,易流失,所以应用不多。近年来,为了改善冠醚在气相色谱固定相中的应用,聚硅氧烷作为冠醚载体的固定液研究成为主要方向。这是因为聚硅氧烷类固定相具有热稳定性好、成膜性好、玻璃化温度低、使用温度范围宽、扩散性好和可引入各种有机分子片断从而调节其选择性等优点。为了提高手性固定相的热稳定性,除了将手性固定相在色谱柱内交联外,更为可行的方法是在聚合物固定相中引入手性冠醚环这类高温难消旋的手性单体,来克服交联易引起的消旋。当然为了达到一定的分离目的,在冠醚侧链上还可引入其它的手性基团来提高其选择性分离的效果。在色谱法分离化合物的过程中,环糊精或其衍生物与许多有机分子、无机分子或离子等客体分子形成敏感的主客体复合物。这一过程与客体分子的立体结构、电性及溶剂的极性、体系的温度、pH值等有关,环糊精分子的主体特征和化学特征决定着复合过程的选择性,因而其显示出良好的分子识别性。目前,β-CD和衍生化β-CD在色谱中被广泛地应用于手性固定相。天然环糊精本身作为固定相能够对一些样品进行分离,但其适用范围非常有限,无法满足需求,所以衍生环糊精固定相得到快速发展。其中经常使用的环糊精衍生物固定相有两类:一类是由Armstrong等发展起来的羟基烷基衍生物;另一类是由Konig等发展起来的全烷基衍生物和部分烷基部分酰基衍生物,被广泛应用于手性药物、环境污染