手性材料概述

1、手性材料概述,,目錄,手性,手性（chirality，＝handedness）一詞源于希臘詞“手”χειρ (cheir)，指左手與右手的差異特征。手性及手性物質(zhì)只有兩類：左手性和右手性。有時(shí)為了對比，另外加上一種無手性（no chirality）作參照，可稱它為“中性手性”。左手性用learus或者L表示，右手性用dexter或者D表示，中性手性用M表示。,讓·巴蒂斯特·畢奧于1815年發(fā)現(xiàn)光學(xué)活性路易斯

2、3;巴斯德在1848年發(fā)現(xiàn)類酒石酸晶體由兩種晶體組成，分別能左旋和右旋現(xiàn)象，類酒石酸晶體則沒有，推測出手性現(xiàn)象是源于分子。1875年范霍夫發(fā)表了《空間化學(xué)》一文。首次提出了一個(gè)“不對稱碳原子”的新概念。不對稱碳原子的存在，使酒石酸分子產(chǎn)生兩個(gè)變體——右旋酒石酸和左旋酒石酸；二者混合后，可得到光學(xué)上不活潑的外消旋酒石酸。范霍夫用他所提出的“正四面體模型”解釋了這些旋光現(xiàn)象。,在化學(xué)中，組成相同但空間結(jié)構(gòu)上互成鏡像（對映體）的分子叫手性分

3、子。,手性材料,,手性介孔材料,手性超分子,多個(gè)分子通過氫鍵、范德華力、電荷的庫侖作用、π-π 、共軛等非化學(xué)建立的弱作用力而自動結(jié)合成有序有組織的聚合系統(tǒng)的過程稱為自組裝，由此形成的組成復(fù)雜的、有組織的聚集體為手性超分子，并保持一定的完整性使其具有明確的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀特性。,沈興海 , 超分子化學(xué) -概念和展望 ，北京大學(xué)出版社 ，2002.,液晶是介于各向同性的液體和完全有序的晶體之間的一種取向有序的流體，它既有液體的流動性，又有

4、晶體的雙折射等各向異性的特性。當(dāng)物質(zhì)結(jié)晶受熱熔融或被溶劑溶解后，雖然失去固體物質(zhì)的剛性，而獲得液態(tài)物質(zhì)的流動性，卻仍然部分保存著晶態(tài)物質(zhì)的有序排列，周期性錯位排列形成的螺旋結(jié)構(gòu)，并且能使偏振光經(jīng)過液晶時(shí)，它的振動方向逐漸地扭轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，這樣的液晶被稱為手性液晶，又稱作為膽甾相液晶。,手性液晶相,王良御, 液晶化學(xué)[M]. 科學(xué)出版社, 1988。,圖一：手性向列型液晶和手性近晶液晶中分子的螺旋排列,圖二：雙重螺旋結(jié)構(gòu)的手性藍(lán)晶液相,

5、手性超分子聚集體,手性超分子聚集體，是數(shù)目不定的大量手性分子或非手性分子通過一些非共價(jià)的弱相互作用力，自發(fā)締合產(chǎn)生某個(gè)特定的相而形成的多分子實(shí)體。簡單的分子，聚合物，表面活性劑，雙性分子，到生物超分子在一定的條件都可以組裝成手性超分子聚集體。它既可以由手性分子構(gòu)筑而成，也可以由手性分子誘導(dǎo)非手性分子組裝而成，甚至可以由非手性分子自組裝形成。,圖三：帶有手性集團(tuán)的盤狀分子誘導(dǎo)非手性的盤狀分子形成手性聚集體,Smulders, M.

6、M. J .，etc.J. Am. Chem. Soc., 2007, 130 (2): 606-611.,,van Gestel, J., etc. J. Am. Chem. Soc., 2005, 127 (15): 5490-5494.,圖四：由C3-對稱的盤狀分子自由組裝形成的螺旋聚集體,Pashuck, E. T., etc.J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (26): 8819-8821.

7、,圖五：由多肽自組裝的手性聚集體過程中在不同時(shí)間的形貌,手性介孔材料,根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）的定義，納米尺度的多孔材料可以按照孔徑大小區(qū)分，孔徑小于 2 nm 為微孔（microporous）材料，大于 50 nm 為大孔（macroporous）材料，而介于 2-50 nm 之間的稱為介孔（mesoporous）材料。,謝俊杰，手性介孔材料的形成機(jī)理及其光學(xué)活性的誘導(dǎo)性能，博士論文,手性色譜柱,概念,手性色譜柱

8、（Chiral HPLC Columns）是由具有光學(xué)活性的單體，固定在硅膠或其它聚合物上制成手性固定相（Chiral Stationary Phases）。通過引入手性環(huán)境使對映異構(gòu)體間呈現(xiàn)物理特征的差異，從而達(dá)到光學(xué)異構(gòu)體拆分的目的。,分類,根據(jù)手性固定相和溶劑的相互作用機(jī)制，Irving Wainer首次提出了手性色譜柱的分類體系：   第1類：通過氫鍵、π-π作用、偶級-偶級作用形成復(fù)合物。&#

9、160;  第2類：既有類型1中的相互作用，又存在包埋復(fù)合物。此類手性色譜柱中典型的是由纖維素及其衍生物制成的手性色譜柱。,第3類：基于溶劑進(jìn)入手性空穴形成包埋復(fù)合物。這類手性色譜柱中最典型的是由Armstrong教授開發(fā)的環(huán)糊精型手性柱[2]，另外冠醚型手性柱和螺旋型聚合物，如聚（苯基甲基甲基丙烯酸酯）形成的手性色譜柱也屬于此類。   第4類：基于形成非對映體的金屬絡(luò)合物，是由Dav

10、ankov開發(fā)的手性分離技術(shù)，也稱為手性配位交換色譜（CLEC）。,第5類：蛋白質(zhì)型手性色譜柱。手性分離是基于疏水相互作用和極性相互作用實(shí)現(xiàn)。,但由于市場上可選擇的手性色譜柱越來越多，此分類系統(tǒng)有時(shí)很難將一些手性柱歸納進(jìn)去。因此參考Irving Wainer的分類方法，將手性色譜柱分為以下幾種,,目前市場上常見的色譜柱生產(chǎn)廠家有美國的Waters（沃特世）、Phenomenex（菲羅門）、Agilent（安捷倫）以及日本的島津公司，國內(nèi)

11、的有北京迪馬、大連依利特、天津博納艾杰爾等。市場上使用最多的是反相色譜柱，這里就其品牌型號及性能特點(diǎn)做一個(gè)簡單的介紹。,常用色譜柱的品牌及特點(diǎn),①：Waters Xbridge：pH1-12，在高pH條件下，沒有能與此色譜柱匹敵的。柱效與一流的硅膠柱相當(dāng)，甚至尤有過之。在如此寬的pH范圍，最大的好處可以在化合物的保留平臺區(qū)去開發(fā)方法，這樣可以得到更穩(wěn)定更容易重現(xiàn)的方法，對酸性、中性尤其是堿性化合物都能得到理想的峰形。②：P

12、henomenex Luna：pH1.5-10，菲羅門公司的主打色譜柱，采用高純硅膠柱，柱效高，峰形好。而且通用性很好，適用廣泛，價(jià)格合適，在進(jìn)口色譜柱市場上占有一定份額。③：迪馬鉆石色譜柱：屬于高純硅膠柱，柱壓低，峰形好，通用性好，擁有廣闊的市場。,高分子聚合物型手性柱,纖維素型纖維素型手性色譜柱的分離作用包括相互吸引的作用及形成包埋復(fù)合物。它們屬于Wainer分類中的第2種類型。市售的手性色譜柱為微晶三醋酸基、三安息香

13、酸基、三苯基氨基酸鹽纖維素固定相。很多化合物可通過此類型的色譜柱得到分離。這種類型的手性色譜柱種類也很齊全。流動相使用低極性溶劑，典型的流動相為乙醇-己烷混合物。但特別要注意由于氯可以使纖維素從硅膠上脫落，因此要確保流動相中無含氯溶劑。,纖維素固定相的每個(gè)單元都為螺旋型，而且這種螺旋結(jié)構(gòu)還存在極性作用、π-π作用及形成包埋復(fù)合物等手性分離因素。目前此類型的柱子能分離80%左右可能面臨到的所有手性化合物。此類柱子通常用于正相系統(tǒng)，用正己

14、烷-乙醇，正己烷-異丙醇混合溶劑為流動相。,蛋白質(zhì)型手性色譜柱屬于第5種類型。分離依賴于疏水相互作用和極性相互作用。已經(jīng)有多種蛋白質(zhì)用于此類手性色譜柱。目前使用較多的是α-酸性糖蛋白（α-Acid Glycoprotein，AGP），人血清白蛋白（Human Serum Albumin，HSA），牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin，BSA）和卵類粘蛋白（Ovomucoid，OV）。,蛋白型,蛋白手性色譜柱的載樣量均較

15、小。影響了蛋白手性色譜柱在制備色譜中的應(yīng)用。 蛋白手性色譜柱在所有手性色譜柱中是應(yīng)用最廣的色譜柱，但并不是效果最好的色譜柱。,空穴型手性柱,環(huán)糊精型環(huán)糊精是環(huán)形低聚糖，具有疏水中心和極性外表，空腔的大口邊緣具有仲羥基，小口邊緣為極性更大的伯羥基，手性化合物可全部或部分進(jìn)入空腔內(nèi)，形成酷游不穩(wěn)定性的可逆包合物，對映體選擇性可能與空腔入口由葡萄糖單元外露的羥基產(chǎn)生的手性有關(guān)，利用對映體所產(chǎn)生的不同包合物在穩(wěn)定和保留時(shí)間上的差異達(dá)到

16、分離目的。,市售的環(huán)糊精主要是α、β、γ三種類型，分別含6、7、8個(gè)吡喃葡萄糖單元。環(huán)糊精分子成錐筒型，構(gòu)成一個(gè)洞穴，洞穴的孔徑由構(gòu)成環(huán)糊精的吡喃葡萄糖的數(shù)目決定。,環(huán)糊精類型及洞穴的孔徑等見下表,環(huán)糊精固定相的選擇性取決分析物的分子大?。沪?環(huán)糊精只能允許單苯基或萘基進(jìn)入， β-環(huán)糊精允許萘基及多取代的苯基進(jìn)入，γ-環(huán)糊精僅用于大分子萜類。β-環(huán)糊精手性固定相應(yīng)用范圍最廣,冠醚型手性柱冠醚具有親水性內(nèi)腔和親脂性外殼，可鍵合在

17、硅膠或聚乙烯基質(zhì)上制成手性固定相。根據(jù)主-客化學(xué)原理，用于含有能夠質(zhì)子化的伯胺功能團(tuán)的藥物對映體的分離。,冠醚類固定相用于分離一級胺，一級胺必須質(zhì)子化方能達(dá)到分離。因此必須使用酸性流動相，如高氯酸。最常用的是冠醚類固定相是18-冠-6，已有商品化產(chǎn)品，由Daicel公司制造。無論（+）或（-）型均可達(dá)到有效分離，并可通過變化（+）（-）類型而改變分析物出峰順序。冠醚作為添加劑也用于核磁共振和電泳，但由于其毒性較大，有致癌性，使其應(yīng)用受到

18、限制。,Pirkle型Pirkle 型手性固定相是有美國學(xué)者Pirkle 主持研究的，其通過含末端羧基或異氰酸基手性前體與氨基鍵合硅膠進(jìn)行縮合反應(yīng)，分別形成喊酰胺或脲型結(jié)構(gòu)的手性固定相,刷型手性固定相分為π電子接受型和π電子提供型兩類。最常見的π電子接受型固定相是由（R）-N-3，5-二硝基苯甲酰苯基甘氨酸鍵合到γ-氨丙基硅膠上的制成。此類刷型手性色譜柱可以分離許多可提供π電子的芳香族化合物，或用氯化萘酚等對化合物進(jìn)行衍生化后進(jìn)行手性