Módosított poliszacharid alapú kolonnák

A poliszacharid alapú királis elválasztást először 1951-ben alkalmazták királis aminosavak papírkromatográfiás elválasztására. Ezt követően a hordozó nélküli mikrokristályos cellulóz-triacetát alkalmazása került előtérbe. Ennek fő oka a poliszacharid duzzadása során kialakuló másodlagos szerkezet volt, amely enantioszelektív királis üregek kialakulását teszi lehetővé [38]. A kicsi mechanikai szilárdság és a használható oldószerek szűk köre korlátozta a szelektor alkalmazhatóságát.

A széleskörű elterjedéshez szükséges áttörést Okamoto és munkatársai 1984-ben érték el, a szilikagélhez történő fenilkarbamát cellulózszármazék fizikai rögzítésével. Ennek hatására megváltozott a poliszacharid enantiomerfelismerő-képessége, javult az anyagátadás hatékonysága, a mechanikai szilárdság, valamint a hidroxilcsoportok módosításával a szelektivitás növelése is lehetővé vált. A számos poliszacharid típus közül a gyakorlatban egyedül a cellulóz és az amilóz alapú karbamát- és észterszármazékok váltak analitikai és preparatív méretben egyaránt kereskedelmi forgalomban elérhetővé [39]. Elterjedésüket elősegítette a hatékony királis felismerőképesség, a kiindulási anyag tiszta formában való hozzáférhetősége és a kémiai módosításuk egyszerűsége [40]. A poliszacharid alapú állófázisok fejlődésének következő állomása 1987-ben a szilikagélhez kémiai kötéssel való rögzítés volt, amely módszer igazán a 2000-es években vált elterjedté [40]. Így lehetővé vált korában ilyen célra nem használható oldószerek (pl.: kloroform, aceton, tetrahidrofurán, etil-acetát) széleskörű használata, ami a preparatív célú elválasztás számára különösen hasznos sajátság. Az új oldószerek használata jelentősen bővítette a szelektorok alkalmazási körét, mivel a fizikai kölcsönhatásokkal rögzített szelektorok esetén a kolonnát dedikáltan alkán-alkohol alapú normál fázisú (NP) eluensrendszerrel vagy poláris-szerves (PO) körülmények között (pl.: alkohol és acetonitril alkalmazása), valamint későbbi fejlesztéseknek köszönhetően fordított fázisú (RP) elválasztásra lehetett csak alkalmazni [27, 41]. Az összes királis állófázist tekintve a módosított poliszacharid alapú kolonnák a legelterjedtebbek a királis folyadékkromatográfia területén [35].

Kromatográfiás hatékonyság tekintetében összehasonlítva a fizikailag és a kémiailag kötött poliszacharid állófázisokat gyakran a kémiailag kötöttek rosszabb enantiomerfelismerő-képességgel rendelkeznek [42]. Ennek feltehetően az az oka, hogy a

kémiai kötést lehetővé tevő csoportok kapcsolása a polimerlánchoz rögzíti annak szerkezetét. Azonban a gyengébb enantiomer elválasztóképesség jól ellensúlyozható a változatos eluensrendszerek segítségével. A fizikailag és a kémiailag kötött szelektorok eltérő királis felismerőképességét és működését jól illusztrálja, hogy azonos szerkezetű szelektor esetén az enantiomer sorrend akár meg is fordulhat [43, 44].

Az eltérő felhasználási célok miatt a két különböző módon rögzített állófázis közül egyik sem vált egyeduralkodóvá a gyakorlatban, a gyártók egyaránt forgalmazzák őket. Bár a forgalmazott poliszacharid oszlopok közül sok azonos szelektorral rendelkezik, azonban az eltérő minőségű hordozó, a különböző polimerizációs fok, valamint a szelektor változatos rögzítési módjai jelentős szelektivitásbeli különbséget okozhatnak közöttük.

A módosított poliszacharid alapú állófázisok kiemelkedő enantioszelektivitása három fő szerkezeti tulajdonság együttes hatásának következménye [27]:

• Molekuláris kiralitás: a glükopiranóz egységen található kiralitáscentrumok okozzák.

• Konformációs kiralitás: a D-glükóz molekulákból felépülő polimerlánc lineáris (cellulóz esetén), vagy helikális (amilóz esetén) térszerkezetéből adódik.

• Szupramolekuláris kiralitás: a szomszédos polimerláncok egymáshoz képest való elrendeződése.

Napjainkban a poliszacharid alapú állófázisok fő fejlesztési iránya a szilikagél hordozó szemcseméretének csökkentése, illetve a polimerlánchoz kapcsolt aromás gyűrűkön található szubsztituensek minőségének és helyzetének optimalizálása [35]. Az alkilcsoportokkal módosított poliszacharidok használata jelentősen visszaszorult [20].

Emellett a cikloalkil-csoportokat tartalmazó poliszacharid állófázisok az alacsony UV-fény elnyelésük és jó királis felismerőképességük miatt a vékonyrétegkromatográfiában válhatnak elterjedtté [39]. A fenilcsoporthoz kapcsolt szubsztituensek helyzetét vizsgálva jellemző, hogy az orto helyzetben szubsztituenst tartalmazó poliszacharid szelektorok kisebb királis felismerést mutatnak, mint a meta és para helyzetű szubsztituenssel rendelkezők [27].

A 4. táblázat néhány széleskörben elterjedt cellulóz és amilóz alapú poliszacharid állófázis szerkezetét mutatja be. A fenilkarbamát-csoportokon található elektronszívó (pl.:

halogének) vagy elektronküldő (pl.: alkil) szubsztituensek megváltoztatják a karbamátcsoport elektronsűrűségét és így hatással vannak az enantioszelektivitás mértékére.

Elektronszívó csoportok esetén a karbamátcsoport nitrogénje könnyebben leadja a hozzá kapcsolódó hidrogént, ezért, ha a szelektor és az elválasztandó enantiomer között kialakuló

kölcsönhatások közül a hidrogénhíd a meghatározó, akkor a retenciós idő növekedése várható [45]. Ezzel szemben, ha a fenilcsoport elektronküldő szubsztituenst tartalmaz, akkor a karbamátcsoporton található oxigén atom elektronsűrűsége nő meg, így a szintén nagyobb elektronsűrűségű szubsztituenseket tartalmazó enantiomerekkel alakulhat ki erősebb kölcsönhatás. Az elektronszívó és elektronküldő szubsztituenst egyaránt tartalmazó fenilcsoport esetén széleskörűbb királis felismerés figyelhető meg, mintha csak az egyik típusú módosító lenne jelen [46]. Emellett a fenilcsoporton található szubsztituens minősége önmagában is jelentősen befolyásolhatja a kialakuló kölcsönhatásokat és az enantioszelektivitás hatékonyságát. Például a kifejezetten poláris nitro- vagy metoxicsoport esetén csökken az enantiomerfelismerő-képesség, ezért poláris szubsztituensekkel ritkán módosítják a fenilcsoportot. A hatékonyságcsökkenés legvalószínűbb oka, hogy az erősen poláris szubsztituensek miatt kialakuló kölcsönhatások nem enantioszelektívek, mivel a glükopiranóz királis szénatomjaitól messze találhatók.

A kialakuló kölcsönhatások típusát tekintve jellemzően a hidrogénhíd, a π-π, és a dipólus-dipólus kölcsönhatások meghatározók. A hidrogénhíd és a dipólus-dipólusos kölcsönhatás főként a karbamátcsoporthoz, míg a π-π kötések a fenilcsoporthoz rendelhetők. A π-π kölcsönhatások esetén az általános sav-bázis elmélet alapján Lewis savnak tekinthető az aromás rendszer, ha elektronsűrűség csökkentő szubsztituens kapcsolódik hozzá, illetve elektronküldő csoport esetén, Lewis bázisként viselkedhet. A hidrogénhíd meghatározó hatása az enantiomerfelismerő-képességre jelentősen csökkenhet a mozgófázisban található víz hatására, ezért ezek az állófázisok jellemzően normál fázisú körülmények között alkalmazhatók. A szelektor és a vizsgált komponensek között fellépő kölcsönhatásokkal kapcsolatban nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy a kialakuló kölcsönhatások erősségének növekedése nem feltétlenül vezet az enantioszelektivitás növekedéséhez.

A királis felismerésben részt vevő kölcsönhatások szerepét többek között NMR, IR, termodinamikai sajátosságokat, molekulamodellezési és szerkezet-retenciós tulajdonság kapcsolatot vizsgáló módszerekkel kutatják [47–49].

Polimer lánc R csoport Szelektor

4. táblázat Poliszacharid alapú királis állófázisok szerkezete (Daicel, Tokyo, Japán)