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• 色谱法是手性拆分最为常见的方法^[1~3]。其中高效液相色谱(HPLC)因其分析速度快、灵敏度高、重现性好、操作简便及应用范围广等优点，已成为手性化合物拆分最常用的方法^[4~6]。到目前为止，HPLC技术已经在生命科学、药物分离分析和质量检测、天然产物分析等研究方面发挥了不可替代的作用^[7~9]。液相色谱柱是高效液相色谱仪的核心部件，而手性固定相(CSPs)又是液相色谱手性分离的关键。根据待分离化合物的分子结构选择合适的手性色谱柱非常重要^[10~12]。研究和制备合适的手性固定相仍然是目前色谱手性分离的核心问题之一^[13]。

  仿生学是我们设计和制备新材料的一种重要手段。仿生通常是指模仿或利用生物体结构、生化功能和生化过程的技术^[14]。仿生合成是模拟生物矿物的形成过程，以有机物作为模板，在模板的诱导下得到有机-无机复合物，将有机物模板去除后便得到了具有独特形貌的无机材料。在仿生矿化的过程中，有机模板向无机矿物的手性传递受到了人们的极大关注^[15]。研究者利用凝胶因子、DNA的组装体和嵌段共聚物等作为有机模板，加入无机硅源聚合后，去除模板，形成了具有与模板立体构型互相匹配空穴的手性介孔硅，而且在功能化材料的制备过程中能复制和转录这种手性^[16]。将手性转移到多孔固体材料中，可用于手性识别、手性分离、立体选择性催化和传感等领域，因此研究和开发合成复制手性结构的固体材料很有意义^{[17, 18]}。

  Bouligand在1972年对螃蟹样本进行了电镜分析，发现螃蟹样本的内角质层具有螺旋结构，并且比壳体更有序^[19]。MacLachlan等^[20]从帝王蟹的角质层分离出几丁质纳米纤维膜，并用这些膜制备出了手性向列型介孔二氧化硅。几丁质由于其天然无毒和在许多领域的广泛用途，现已成为最热门的研究领域之一^[21]。本文参照MacLachlan等^[20]的方法，从帝王蟹的壳中处理得到几丁质膜，将膜中的矿物质去除后用来作为模板，制备得到仿生手性介孔二氧化硅，并用作色谱固定相进行手性拆分实验。

  2.   实验部分

  2.1   试剂与仪器

  四甲氧基硅烷(TMOS，99%，上海Adamas-beta)；实验所用的手性化合物购自Sigma-Aidrich公司和Adamas-beta公司；其他试剂均为国产分析纯级。

  ELGA-LC134净水系统(英国，ELGA)；D/max-3B衍射仪(日本Rigaku公司)；S-3000N扫描电镜(SEM，日本Hitachi)。高效液相色谱仪(配有Elite P 1201高压恒流泵和Elite UV 1201紫外检测器，大连依利特分析仪器有限公司)；数据采集和处理是在EC 2006型色谱工作站进行。不锈钢色谱柱(250mm×2.0mm，美国Alltech公司)；液相色谱装柱机(美国Alltech公司)；色谱柱柱温由Auto Science AT-330柱温箱控制。

  2.2   仿生手性介孔二氧化硅的制备

  仿生手性介孔二氧化硅参照文献^[20]制备，步骤如下：将帝王蟹用开水煮1h，剥离出螃蟹壳，剪成合适大小，用去离子水洗净。把螃蟹壳在90℃下用5(wt)%的NaOH溶液处理6h后，将螃蟹壳中的绝大部分蛋白质和矿物质除去，用大量的去离子水冲洗。然后从壳体的里层剥离出白色的几丁质膜(Chitin membranes，CM)，再在室温下用0.1mol/L的HCl溶液对CM处理2h。用去离子水洗涤，得到纯净的CM，其具有柔性，并且还呈现出彩虹色泽。将吸了水的CM在90℃下用浓NaOH溶液(50(wt)%)处理8h后，用去离子水洗涤，得到去乙酰化的几丁质膜(Deacetylated chitin membranes，DCM)。将纯化的DCM完全浸泡在去离子水中，在0~4℃下保存，以防止长霉菌。

  取出DCM，擦去表面的水分，将其平整的铺开，用TMOS缓慢地滴加到DCM的表面，在室温下干燥10min，上述TMOS的负载和干燥过程重复5次，TMOS将DCM包埋起来。将适量的1mol/L HCl缓慢滴加到上述DCM上，DCM上的TMOS发生剧烈水解，待水解完毕后，在室温下干燥2h，得到了二氧化硅/几丁质复合物。通过高温煅烧的方式除去复合物里的几丁质模板，以5℃/min的速度升温至100℃，在100℃下保持4h后，再以5℃/min升温至550℃，在550℃下保持6h，自然冷却至室温，得到片状的仿生二氧化硅。

  2.3   色谱柱的制备

  由于制备的仿生手性二氧化硅是片状的，先将其手工研磨成粉末状，利用乙醇将其超声分散成悬浮液，收集合适粒径大小的乙醇悬浮液，烘干，得到手性仿生二氧化硅粉末。然后采用高压匀浆法进行装柱，具体操作如下：称取1.5g固定相加到正己烷/异丙醇(9 :1，体积比，下同)中形成悬浮液，在40~50 MPa压力下，用正己烷/异丙醇(9 :1)作为顶替液，进行装柱。在进行实验之前，需用正己烷/异丙醇作为流动相，以0.1mL/min的流速冲洗色谱柱至基线平稳。

  3.   结果及讨论

  3.1   材料的表征

  采用粉末XRD和SEM对制备的仿生介孔二氧化硅进行表征。图 1(a)为留有DCM模板的仿生手性二氧化硅的XRD谱，与文献^[20]中XRD谱一致；从图 1 (b)中可以看出，(a)中11°左右的DCM的峰在(b)中消失。由此表明，有机模板已经完全去除，实验制备的仿生二氧化硅为无定形二氧化硅材料。

  图 1

  

  图 1.  仿生手性二氧化硅粉末XRD图

  (a)留有去乙酰基几丁质膜模板的仿生手性二氧化硅的XRD图；(b)高温煅烧去除模板的仿生手性二氧化硅的XRD图

  Figure 1.  XRD pattern of bionic chiral silica powder

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  将硅源TMOS滴加到模板表面，水解后得到二氧化硅。从图 2(a)可以看出，实验制备的二氧化硅复制了几丁质膜的微观手性向列型结构。图 2(b)表明研磨后的手性二氧化硅为块状结构。

  图 2

  

  图 2.  仿生手性二氧化硅的SEM图

  (a)仿生手性二氧化硅膜的截面图；(b)仿生手性二氧化硅研磨后的SEM图

  Figure 2.  SEM image of bionic chiral silica

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  3.2   对映异构体的分离

  为了测试仿生手性介孔二氧化硅制备的色谱柱的色谱拆分性能，实验选用正己烷/异丙醇(9 :1)二元体系作为流动相，在流动相流速为0.1mL/min、柱温25℃、紫外检测波长254nm的条件下，选取一些手性化合物(特罗格尔碱、马来酸氯苯那敏、盐酸普萘洛尔、酮洛芬、氟比洛芬、1-苯基乙胺、氧化苯乙烯、1-苯基丙醇、2-苯基丙醛和佐匹克隆)来进行HPLC分离试验。实验表明，仿生手性介孔二氧化硅色谱柱对10个手性化合物表现出一定程度的色谱拆分效果。它们在色谱柱上的拆分结果见表 1。表 1中，样品保留因子(k₁，k₂)、分离因子(α)和分离度(R_s)可以分别从下面的公式计算得到。

  $ {k_1} = ({t_1} - {t_0})/{t_0} $

  (1)

  $ {k_{2}} = ({t_2} - {t_0})/{t_0} $

  (2)

  $ \alpha = \frac{{{t_2} - {t_0}}}{{{t_1} - {t_0}}}{\rm{ }} = \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} $

  (3)

  $ Rs = 1.18 \times {\rm{ }}\frac{{{t_2} - {t_1}}}{{{w_{1/2(1)}} + {w_{1/2(2)}}}} $

  (4)

  式中，t₀为死时间，t₁和t₂为色谱峰的保留时间(min)。w_1/2(1)和w_1/2(2)为色谱峰的半峰宽(min)。

  图 3是上述10种手性化合物在仿生手性介孔二氧化硅色谱柱上的拆分谱图。从表 1和图 3可以看出，仿生手性介孔二氧化硅固定相对特罗格尔碱、盐酸普萘洛尔、酮洛芬、1-苯基乙胺、氧化苯乙烯、1-苯基丙醇和2-苯基丙醛等手性化合物具有一定的手性分离效果。

  表 1

  

  表 1  仿生手性介孔二氧化硅色谱柱对10种外消旋化合物的分离情况

  Table 1.  Separation of 10 racemic compounds by bionic chiral mesoporous silica column

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  外消旋化合物	k1	k2	α	Rs	RSD/% (n=3)
  特罗格尔碱	0.22	0.37	1.68	0.34	0.69
  马来酸氯苯那敏	0.35	0.50	1.42	0.27	1.25
  盐酸普萘洛尔	0.33	0.54	1.64	0.40	0.85
  酮洛芬	0.64	1.34	2.09	0.58	1.30
  氟比洛芬	0.28	0.50	1.78	0.53	0.78
  1-苯基乙胺	0.54	1.28	2.37	0.81	1.67
  氧化苯乙烯	0.64	1.22	1.90	0.78	2.24
  1-苯基丙醇	1.03	1.41	1.37	0.60	1.65
  2-苯基丙醛	0.62	1.33	2.12	1.12	2.41
  佐匹克隆	0.22	0.39	1.77	0.31	1.49
  色谱条件：正己烷/异丙醇(9 :1)为流动相，流速为0.1mL/min，柱温25℃，紫外检测波长为254nm

  图 3

  

  图 3.  仿生手性介孔二氧化硅液相色谱柱对4种外消旋化合物的拆分谱图

  (a)2-苯基丙醛；(b)氧化苯乙烯；(c)1-苯基乙胺；(d)1-苯基丙醇；色谱条件同表 1。

  Figure 3.  Separation spectra of four racemic compounds on a biomimetic chiral mesoporous silica liquid chromatography column

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  为提高其经济性及社会意义，我们以普通螃蟹中的几丁质膜为模板按同种方法制成了手性色谱固定相。在相同色谱条件下对相同的手性化合物分别进行HPLC分离试验。实验表明该手性固定相对2-苯基丙醛、1-苯基乙胺、1-苯基丙醇3个手性化合物有一定的拆分效果。但它们在色谱柱上的分离度不及帝王蟹的几丁质膜为模板制备的手性色谱柱。

  4.   结论

  参照文献方法，从帝王蟹的壳中处理得到几丁质膜，经过碱溶液和酸溶液处理后去除膜中矿物质，用来作为模板，在膜的表面缓慢滴加TMOS并进行水解，高温煅烧去除有机模板后，便得到了仿生手性向列型介孔二氧化硅，并用作色谱固定相进行手性拆分实验。实验结果表明，仿生手性介孔二氧化硅用作液相色谱固定相对特罗格尔碱、盐酸普萘洛尔、酮洛芬、1-苯基乙胺、氧化苯乙烯、1-苯基丙醇和2-苯基丙醛具有一定的手性分离效果。但以普通螃蟹中的几丁质膜为模板按同种方法制成的手性色谱固定相的拆分能力不及帝王蟹的几丁质膜为模板制备的手性色谱柱。

• 1. [1]

     张亚会, 刘刚, 徐慧.化学通报, 2017, 80(8): 699~707.

  2. [2]

     U Woiwode, R J Reischl, S Buckenmaier et al. Anal. Chem., 2018, 90(13).

  3. [3]

     涂鸿盛, 范军, 谭艺等.色谱, 2014, 32(5): 452~457.

  4. [4]

     T Wang, H Yang, R Qiu et al. Anal. Chim. Acta, 2016, 944: 70~77. doi: 10.1016/j.aca.2016.09.018

  5. [5]

     戴荣继, 王慧婷, 孙维维等.色谱, 2016, 34(1): 34~43.

  6. [6]

     Q Yue, Q Huang, Y Y Gao et al. Inorg. Chim. Acta, 2016, 443: 110~117. doi: 10.1016/j.ica.2015.12.023

  7. [7]

     傅若农.色谱分析概论(第2版).北京: 化学工业出版社, 2005, 163~168.

  8. [8]

     傅若农.色谱, 2016, 34(1): 2~3.

  9. [9]

     李宁, 潘晓玲, 黄光亮等.化学学报, 2011, 69(8): 981~986.

  10. [10]

      J Shen, Y Okamoto. Chem. Rev., 2016, 116(3): 1094~1138. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00317

  11. [11]

      X Yao, H Zheng, Y Zhang et al. Anal. Chem., 2016, 88(9): 4955~4964. doi: 10.1021/acs.analchem.6b00897

  12. [12]

      P Ding, B S Chang, G Y Qing et al. Sci. China Chem., 2014, 57(11): 1492~1506. doi: 10.1007/s11426-014-5206-8

  13. [13]

      党文修, 韩书华, 侯万国等.化学通报, 2004, 67: w010.

  14. [14]

      付永昌, 刘强, 柳清菊.材料导报, 2008, 22(S3): 272~275.

  15. [15]

      王静, 刘爽, 张春, 徐辉碧等.化学进展, 2011, 23(4): 669~678.

  16. [16]

      王生杰, 蔡庆伟, 杜明轩等.化学进展, 2015, 27(2/3): 229~241.

  17. [17]

      K Todoroki, Y Ishii, T Ide et al. Anal. Chim. Acta, 2015, 882: 101~111. doi: 10.1016/j.aca.2015.03.037

  18. [18]

      Y Ke, L L Ong, W M Shih et al. Science, 2012, 338(6111): 1177~1183. doi: 10.1126/science.1227268

  19. [19]

      H O Fabritius, C Sachs, P R Triguero et al. Adv. Mater., 2014, 21(4): 391~400.

  20. [20]

      T D Nguyen, M J Maclachlan. Adv. Opt. Mater., 2015, 2(11): 1031~1037.

  21. [21]

      R N Tharanathan, F S Kittur. Crit. Rev. Food Technol., 2003, 43(1): 61~87. doi: 10.1080/10408690390826455

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  图 1  仿生手性二氧化硅粉末XRD图

  Figure 1  XRD pattern of bionic chiral silica powder

  (a)留有去乙酰基几丁质膜模板的仿生手性二氧化硅的XRD图；(b)高温煅烧去除模板的仿生手性二氧化硅的XRD图

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  图 2  仿生手性二氧化硅的SEM图

  Figure 2  SEM image of bionic chiral silica

  (a)仿生手性二氧化硅膜的截面图；(b)仿生手性二氧化硅研磨后的SEM图

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  图 3  仿生手性介孔二氧化硅液相色谱柱对4种外消旋化合物的拆分谱图

  Figure 3  Separation spectra of four racemic compounds on a biomimetic chiral mesoporous silica liquid chromatography column

  (a)2-苯基丙醛；(b)氧化苯乙烯；(c)1-苯基乙胺；(d)1-苯基丙醇；色谱条件同表 1。

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  表 1  仿生手性介孔二氧化硅色谱柱对10种外消旋化合物的分离情况

  Table 1.  Separation of 10 racemic compounds by bionic chiral mesoporous silica column

  外消旋化合物	k1	k2	α	Rs	RSD/% (n=3)
  特罗格尔碱	0.22	0.37	1.68	0.34	0.69
  马来酸氯苯那敏	0.35	0.50	1.42	0.27	1.25
  盐酸普萘洛尔	0.33	0.54	1.64	0.40	0.85
  酮洛芬	0.64	1.34	2.09	0.58	1.30
  氟比洛芬	0.28	0.50	1.78	0.53	0.78
  1-苯基乙胺	0.54	1.28	2.37	0.81	1.67
  氧化苯乙烯	0.64	1.22	1.90	0.78	2.24
  1-苯基丙醇	1.03	1.41	1.37	0.60	1.65
  2-苯基丙醛	0.62	1.33	2.12	1.12	2.41
  佐匹克隆	0.22	0.39	1.77	0.31	1.49
  色谱条件：正己烷/异丙醇(9 :1)为流动相，流速为0.1mL/min，柱温25℃，紫外检测波长为254nm

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