Vol. 20
1999年6月高等学校化学学报 C HEM ICAL J O URN AL OF C HIN ESE UNIV ERSITIE S No. 6 884～886
[研究简报]
β-环糊精聚合物膜拆分氨基酸对映体
龙远德 黄天宝
(中国科学院成都有机化学研究所, 成都, 610041) *
关键词 U -环糊精, U -环糊精聚合物膜, 膜分离, 对映体拆分, 氨基酸
分类号 O 647. 2, T Q 028. 8
环糊精(CD) 具有亲水的外围及憎水的内腔, 在溶液中可与许多有机物形成包合物, 并对其形状、体积与极性呈现选择性. 通过化学修饰引入新的识别基团, 可使CD 具有更高的结合选择性, 即多重分子识别[2]. CD 及其衍生物可用作气相色谱固定相、液相色谱固定相和流动相手性添加剂、毛细管电泳溶剂介质分离各种光学异构体, 但作为膜分离材料来拆分手性化合物的有关报道却很少[3]. 本文将氨基取代的环糊精分子共价键合于聚乙烯醇上, 制得带有环糊精基团的聚合物膜, 并用此膜拆分了某些消旋氨基酸.
1 实验部分
1. 1 主要试剂 U -环糊精(苏州味精厂) 经蒸馏水重结晶, 于110℃真空干燥; 对甲苯磺酰氯TsCl(上海佘山化工厂) , 化学纯; 聚乙烯醇PV A(上海化学试剂采购站) , 平均聚合度1750±50; DL -色氨酸、DL -苯丙氨酸、DL -酪氨酸(第二军医大学朝晖制药厂) , 生化试剂; 其余试剂均为分析纯.
1. 2 聚合物膜的制备 对甲苯磺酰化U -CD 的制备:在5. 0g U -CD (4. 4m mol ) 中, 加入20m L 干燥吡啶, 加热至U -CD 完全溶解, 冷却至5℃以下, 滴加入2. 5g TsCl(13. 2mmol, 10m L 吡啶溶解) , 保温4h 后, 于25℃搅拌2d, 然后加入过量丙酮, 得白色沉淀, 静置后倾去溶剂, 再用丙酮洗两次, 干燥后, 得白色粉状物.
乙二胺代U -CD 的制备:在1. 0g 对甲苯磺酰化U -CD 中, 加入20m L 无水乙二胺, 于70℃反应2h , 然后减压蒸出乙二胺, 丙酮洗涤后, 得到红色粘状物. 元素分析结果(%) 为:C 45. 51, H 6. 86, N 5. 63, O 42. 00. 经计算U -CD 分子上有2～3个乙二胺取代基团.
-CD 聚合物膜(Ⅰ) 的制备:在0. 5g PV A 中, 加入15m L 水, 加热溶解, 冷却后, 加入U
10m L 含0. 25g 乙二胺代U -CD 水溶液, 混合均匀, 倒在水平的玻璃板(20cm ×5. 5cm ) 上, 于室温自然挥发干水分. 将膜取下, 分成大小相同的4张膜片(5cm ×5. 5cm ) , 放入含有30%环氧氯丙烷的二氧六环溶液中, 室温下浸泡48h, 然后于80℃加热4h. 取出膜, 挥干溶剂, 浸入大量水中以洗去可能附着在膜上的乙二胺代U -CD , 干燥, 得膜Ⅰ.
乙酰化U -CD 聚合物膜(Ⅱ) 的制备:取2张膜Ⅰ, 放入20m L 二氧六环中, 加入20m L 无水三乙胺, 振荡, 再加入20m L 乙酸酐, 于75℃加热4h 后, 取出膜, 水洗, 得膜Ⅱ.
1. 3 膜渗透实验 在图1所示的膜渗透装置和大气压力下完成渗透实验. 两槽的容积均为25m L . 膜首先用蒸馏水浸泡4h , 然后夹固于两槽之间, 进料槽中加入25m L 浓度为1. 2收稿日期:1998-12-14. 联系人:黄天宝. 第一作者:龙远德, 男, 32岁, 硕士, 副研究员. *(:. [1]
N o. 6龙远德等:U -环糊精聚合物膜拆分氨基酸对映体 885
氨基酸, 透过槽中加入25m L m g /m L 的DL -
蒸馏水, 同时开始搅拌. 膜的厚度是6. 0×
-410-5m, 膜有效面积是9. 62×10m 2. 以一定
的时间间隔从透过槽中取样进行液相色谱分
析, 计算出渗透液中D -氨基酸与L -氨基酸的
量q (g ) , 然后由公式Q =qL /A 计算出归一化
量Q (g ·m ·m -2) , 式中L 代表膜厚度(m ) ,
A 代表膜有效面积(m ). 从Q 对渗透时间t
(h ) 的曲线斜率估计渗透速率P (g ·m ·m -2·
-1h ). 用对映体过量值[e . e . (%) ]表示膜渗透
的立体选择性, 渗透液中对映体过量值按公式2Fig . 1 The permeation apparatus :permeate cell ; A :Feed cell ; B M :m emb rane; S :s tirrer.
e . e . (%)=(q D -q L ) /(q D +q L ) 计算, 式中q D 和q L 分别为渗透液中D -和L -氨基酸的量.
1. 4 高效液相色谱分析 在由Waters 6000A 泵、U6K 进样阀、M440紫外检测器和大连江申色谱工作站组成的高效液相色谱系统上完成渗透液中D -和L -氨基酸的液相色谱分析. 色谱条件:自制手性配体交换色谱柱[4], 柱温50℃, 检测波长254nm, 流动相为含0. 1m mol /L醋酸铜(Ⅱ) 的0. 1mo l /L醋酸钠缓冲液, p H =4. 5, 流速2. 0m L /min.
2 结果与讨论
2. 1 氨基酸的拆分 图2示出了DL -色氨酸(A ) 、DL -苯丙氨酸(B ) 和DL -酪氨酸(C ) 在膜Ⅱ上的渗透拆分. 横坐标为渗透时间t , 纵坐标为渗透液中氨基酸的绝对量q . 由图2可知, 3种氨基酸在10～15h 后, D -与L -对映体之间的绝对量差值达到最大, 色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的e . e . 值最大时分别是25. 4%, 20. 2%和16. 4%. 色氨酸和酪氨酸在此膜上的渗透分离的规律较相似, 其D -异构体的量大于L -异构体的量, e . e . 值达到最大后逐渐减小直至为零. 而苯丙氨酸却表现出不同的渗透规律, 其 Table 1 Permeation rate of amino acids through
acetylated β-CD membrane 异构体的量大于D -异构体的, 苯丙氨酸在L -
约12h 时达到最大e . e . 值(20. 2%) , 之后略
有降低(约为19. 5%) , 并保持此e . e . 值相当长
一段时间(约20h). 表1比较了D -色氨酸、L -
苯丙氨酸和D -酪氨酸在膜Ⅱ上的渗透速率P ,
比文献[5]报道的膜渗透速率高一个数量级. Com pound D -Tryptophan L -Ph enylalanine D -Tyrosin e ·m -2·h -1) P /(g ·m This w ork Ref. [5]1. 48×10-51. 29×10-52. 79×10-61. 36×10-61. 65×10-6* *D
-Phenylalanine.
Fig . 2 Enant ioselective permeation of DL -amino acids through acetylated β-CD membrane ((B) (C)
886高等学校化学学报 V ol. 20
2. 2 环糊精上取代基对拆分的影响 采用液相色谱方法, 在U -CD 键合固定相上可拆分多种手性分子, 但是直接拆分DL -氨基酸的效果并不好, 而对DL -氨基酸衍生物却显示了良好的拆分能力. 本工作在未衍生的U -CD 聚合物膜Ⅰ上渗透拆分了DL -色氨酸和DL -酪氨酸, 前者的e . e . 值仅为1%, 后者约为2%. 按照液相色谱经验, 对氨基酸进行衍生是必要的, 但是样品衍生是麻烦和费时的, 对于制备分离更不适合. 我们认为对膜CD 分子进行修饰也应当获得较好的拆分效果. CD 乙酰化后, 有效地改善了渗透拆分DL -氨基酸的能力, 更有利于分子尺寸小于CD 内腔尺寸的分子与CD 络合而形成可手性识别的包合物. 另外, 膜乙酰化后, 减小了膜的亲水性, 提高了膜材料的抗水能力和稳定性.
2. 3 关于拆分机理 乙酰化U -CD 聚合物膜的手性识别能力可能来自CD 穴腔的包结作用、CD 分子上取代基与氨基酸分子的氨基和羰基之间的相互作用, 即所谓的“内识别”与“外识别”以及这两种作用的协同. 本文用的3种氨基酸分子中含有芳基, 与膜发生相互作用时, 可进入CD 分子的内腔, 氨基和羧基则与CD 分子外围的取代基(乙酰基、乙二胺基) 因氢键或者空间阻碍而实现手性识别. 色氨酸和酪氨酸分子芳基上有极性取代基, 而苯丙氨酸分子芳基上则没有, 前两者进入CD 内腔与苯丙氨酸进入CD 内腔时, 氨基酸分子与CD 内腔作用的点或进入内腔的深浅不同, 从而影响氨基酸分子上氨基和羧基与CD 外围基团的作用方式, 导致不同的手性识别规律. 未衍生的CD 外围取代基为羟基, 乙酰化的CD 外围取代基占据的空间位置较羟基大, 因此空间阻碍足够大的取代基更有利于识别氨基酸上不同空间取向的氨基和羧基.
参 考 文 献
1 Szejtli J . . Cyclodextrin Tech nology (1st Ed . ) , Kluw er :Do rd rech t , 1988:79
2 Tabushi I. , Kuroda Y. , M izu tani T. . Tetrah ed ron , 1984, 40:545
3 Yos hikaw a M. . Kobunshi, 1995, 44(10):684
4 W U Bang -Gui(吴邦桂), KU ANG Chang-Yu(旷昌渝) , HUANG Tian-Bao(黄天宝) et al . . Chin ese J . Anal. Chem.
(分析化学) , 1991, 19(3):291
5 Aoki T. , Shinoh ara K. , Kaneko T. et al . . M acromolecules , 1996, 29:4192
6 Arms trong D. W. , DeM ond W. . J . Ch romatog r. Sci. , 1984, 22:411[6]
Enantioselective Permeation of Amino Acids Through
β-Cyclodextrin Polymer Membranes
LONG Yuan-De, HU AN G Tia n-Bao *
(Chengdu I nstitute of Organic Chemistry , Chinese Academy of Sciences , Cheng du , 610041)
Abstract The U -cyclodex trin po lymer membranes based o n poly (vinyl alcohol ) fo r enantioselectiv e perm eation o f amino acids w ere described . The cyclodex trin m em bra ne m odified with acetic anhydride had higher permea tio n ena ntioselectiv ity o f DL -amino acids than the unmodified membrane. The enhanced abilities were ex plained as a result of the additio nal steric hindrance effect besides inclusio n . The maximum o f enantiom eric excess fo r
%with the perm ea tion rate of D -try ptopha n being up to 1. 48×DL -try ptophan w as 25. 4
10-5g ·m ·m -2·h -1.
Keywords U -Cyclo dex trin, U -Cyclodex trin po lym er membrane, M embra ne separatio n,
Vol. 20
1999年6月高等学校化学学报 C HEM ICAL J O URN AL OF C HIN ESE UNIV ERSITIE S No. 6 884～886
[研究简报]
β-环糊精聚合物膜拆分氨基酸对映体
龙远德 黄天宝
(中国科学院成都有机化学研究所, 成都, 610041) *
关键词 U -环糊精, U -环糊精聚合物膜, 膜分离, 对映体拆分, 氨基酸
分类号 O 647. 2, T Q 028. 8
环糊精(CD) 具有亲水的外围及憎水的内腔, 在溶液中可与许多有机物形成包合物, 并对其形状、体积与极性呈现选择性. 通过化学修饰引入新的识别基团, 可使CD 具有更高的结合选择性, 即多重分子识别[2]. CD 及其衍生物可用作气相色谱固定相、液相色谱固定相和流动相手性添加剂、毛细管电泳溶剂介质分离各种光学异构体, 但作为膜分离材料来拆分手性化合物的有关报道却很少[3]. 本文将氨基取代的环糊精分子共价键合于聚乙烯醇上, 制得带有环糊精基团的聚合物膜, 并用此膜拆分了某些消旋氨基酸.
1 实验部分
1. 1 主要试剂 U -环糊精(苏州味精厂) 经蒸馏水重结晶, 于110℃真空干燥; 对甲苯磺酰氯TsCl(上海佘山化工厂) , 化学纯; 聚乙烯醇PV A(上海化学试剂采购站) , 平均聚合度1750±50; DL -色氨酸、DL -苯丙氨酸、DL -酪氨酸(第二军医大学朝晖制药厂) , 生化试剂; 其余试剂均为分析纯.
1. 2 聚合物膜的制备 对甲苯磺酰化U -CD 的制备:在5. 0g U -CD (4. 4m mol ) 中, 加入20m L 干燥吡啶, 加热至U -CD 完全溶解, 冷却至5℃以下, 滴加入2. 5g TsCl(13. 2mmol, 10m L 吡啶溶解) , 保温4h 后, 于25℃搅拌2d, 然后加入过量丙酮, 得白色沉淀, 静置后倾去溶剂, 再用丙酮洗两次, 干燥后, 得白色粉状物.
乙二胺代U -CD 的制备:在1. 0g 对甲苯磺酰化U -CD 中, 加入20m L 无水乙二胺, 于70℃反应2h , 然后减压蒸出乙二胺, 丙酮洗涤后, 得到红色粘状物. 元素分析结果(%) 为:C 45. 51, H 6. 86, N 5. 63, O 42. 00. 经计算U -CD 分子上有2～3个乙二胺取代基团.
-CD 聚合物膜(Ⅰ) 的制备:在0. 5g PV A 中, 加入15m L 水, 加热溶解, 冷却后, 加入U
10m L 含0. 25g 乙二胺代U -CD 水溶液, 混合均匀, 倒在水平的玻璃板(20cm ×5. 5cm ) 上, 于室温自然挥发干水分. 将膜取下, 分成大小相同的4张膜片(5cm ×5. 5cm ) , 放入含有30%环氧氯丙烷的二氧六环溶液中, 室温下浸泡48h, 然后于80℃加热4h. 取出膜, 挥干溶剂, 浸入大量水中以洗去可能附着在膜上的乙二胺代U -CD , 干燥, 得膜Ⅰ.
乙酰化U -CD 聚合物膜(Ⅱ) 的制备:取2张膜Ⅰ, 放入20m L 二氧六环中, 加入20m L 无水三乙胺, 振荡, 再加入20m L 乙酸酐, 于75℃加热4h 后, 取出膜, 水洗, 得膜Ⅱ.
1. 3 膜渗透实验 在图1所示的膜渗透装置和大气压力下完成渗透实验. 两槽的容积均为25m L . 膜首先用蒸馏水浸泡4h , 然后夹固于两槽之间, 进料槽中加入25m L 浓度为1. 2收稿日期:1998-12-14. 联系人:黄天宝. 第一作者:龙远德, 男, 32岁, 硕士, 副研究员. *(:. [1]
N o. 6龙远德等:U -环糊精聚合物膜拆分氨基酸对映体 885
氨基酸, 透过槽中加入25m L m g /m L 的DL -
蒸馏水, 同时开始搅拌. 膜的厚度是6. 0×
-410-5m, 膜有效面积是9. 62×10m 2. 以一定
的时间间隔从透过槽中取样进行液相色谱分
析, 计算出渗透液中D -氨基酸与L -氨基酸的
量q (g ) , 然后由公式Q =qL /A 计算出归一化
量Q (g ·m ·m -2) , 式中L 代表膜厚度(m ) ,
A 代表膜有效面积(m ). 从Q 对渗透时间t
(h ) 的曲线斜率估计渗透速率P (g ·m ·m -2·
-1h ). 用对映体过量值[e . e . (%) ]表示膜渗透
的立体选择性, 渗透液中对映体过量值按公式2Fig . 1 The permeation apparatus :permeate cell ; A :Feed cell ; B M :m emb rane; S :s tirrer.
e . e . (%)=(q D -q L ) /(q D +q L ) 计算, 式中q D 和q L 分别为渗透液中D -和L -氨基酸的量.
1. 4 高效液相色谱分析 在由Waters 6000A 泵、U6K 进样阀、M440紫外检测器和大连江申色谱工作站组成的高效液相色谱系统上完成渗透液中D -和L -氨基酸的液相色谱分析. 色谱条件:自制手性配体交换色谱柱[4], 柱温50℃, 检测波长254nm, 流动相为含0. 1m mol /L醋酸铜(Ⅱ) 的0. 1mo l /L醋酸钠缓冲液, p H =4. 5, 流速2. 0m L /min.
2 结果与讨论
2. 1 氨基酸的拆分 图2示出了DL -色氨酸(A ) 、DL -苯丙氨酸(B ) 和DL -酪氨酸(C ) 在膜Ⅱ上的渗透拆分. 横坐标为渗透时间t , 纵坐标为渗透液中氨基酸的绝对量q . 由图2可知, 3种氨基酸在10～15h 后, D -与L -对映体之间的绝对量差值达到最大, 色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的e . e . 值最大时分别是25. 4%, 20. 2%和16. 4%. 色氨酸和酪氨酸在此膜上的渗透分离的规律较相似, 其D -异构体的量大于L -异构体的量, e . e . 值达到最大后逐渐减小直至为零. 而苯丙氨酸却表现出不同的渗透规律, 其 Table 1 Permeation rate of amino acids through
acetylated β-CD membrane 异构体的量大于D -异构体的, 苯丙氨酸在L -
约12h 时达到最大e . e . 值(20. 2%) , 之后略
有降低(约为19. 5%) , 并保持此e . e . 值相当长
一段时间(约20h). 表1比较了D -色氨酸、L -
苯丙氨酸和D -酪氨酸在膜Ⅱ上的渗透速率P ,
比文献[5]报道的膜渗透速率高一个数量级. Com pound D -Tryptophan L -Ph enylalanine D -Tyrosin e ·m -2·h -1) P /(g ·m This w ork Ref. [5]1. 48×10-51. 29×10-52. 79×10-61. 36×10-61. 65×10-6* *D
-Phenylalanine.
Fig . 2 Enant ioselective permeation of DL -amino acids through acetylated β-CD membrane ((B) (C)
886高等学校化学学报 V ol. 20
2. 2 环糊精上取代基对拆分的影响 采用液相色谱方法, 在U -CD 键合固定相上可拆分多种手性分子, 但是直接拆分DL -氨基酸的效果并不好, 而对DL -氨基酸衍生物却显示了良好的拆分能力. 本工作在未衍生的U -CD 聚合物膜Ⅰ上渗透拆分了DL -色氨酸和DL -酪氨酸, 前者的e . e . 值仅为1%, 后者约为2%. 按照液相色谱经验, 对氨基酸进行衍生是必要的, 但是样品衍生是麻烦和费时的, 对于制备分离更不适合. 我们认为对膜CD 分子进行修饰也应当获得较好的拆分效果. CD 乙酰化后, 有效地改善了渗透拆分DL -氨基酸的能力, 更有利于分子尺寸小于CD 内腔尺寸的分子与CD 络合而形成可手性识别的包合物. 另外, 膜乙酰化后, 减小了膜的亲水性, 提高了膜材料的抗水能力和稳定性.
2. 3 关于拆分机理 乙酰化U -CD 聚合物膜的手性识别能力可能来自CD 穴腔的包结作用、CD 分子上取代基与氨基酸分子的氨基和羰基之间的相互作用, 即所谓的“内识别”与“外识别”以及这两种作用的协同. 本文用的3种氨基酸分子中含有芳基, 与膜发生相互作用时, 可进入CD 分子的内腔, 氨基和羧基则与CD 分子外围的取代基(乙酰基、乙二胺基) 因氢键或者空间阻碍而实现手性识别. 色氨酸和酪氨酸分子芳基上有极性取代基, 而苯丙氨酸分子芳基上则没有, 前两者进入CD 内腔与苯丙氨酸进入CD 内腔时, 氨基酸分子与CD 内腔作用的点或进入内腔的深浅不同, 从而影响氨基酸分子上氨基和羧基与CD 外围基团的作用方式, 导致不同的手性识别规律. 未衍生的CD 外围取代基为羟基, 乙酰化的CD 外围取代基占据的空间位置较羟基大, 因此空间阻碍足够大的取代基更有利于识别氨基酸上不同空间取向的氨基和羧基.
参 考 文 献
1 Szejtli J . . Cyclodextrin Tech nology (1st Ed . ) , Kluw er :Do rd rech t , 1988:79
2 Tabushi I. , Kuroda Y. , M izu tani T. . Tetrah ed ron , 1984, 40:545
3 Yos hikaw a M. . Kobunshi, 1995, 44(10):684
4 W U Bang -Gui(吴邦桂), KU ANG Chang-Yu(旷昌渝) , HUANG Tian-Bao(黄天宝) et al . . Chin ese J . Anal. Chem.
(分析化学) , 1991, 19(3):291
5 Aoki T. , Shinoh ara K. , Kaneko T. et al . . M acromolecules , 1996, 29:4192
6 Arms trong D. W. , DeM ond W. . J . Ch romatog r. Sci. , 1984, 22:411[6]
Enantioselective Permeation of Amino Acids Through
β-Cyclodextrin Polymer Membranes
LONG Yuan-De, HU AN G Tia n-Bao *
(Chengdu I nstitute of Organic Chemistry , Chinese Academy of Sciences , Cheng du , 610041)
Abstract The U -cyclodex trin po lymer membranes based o n poly (vinyl alcohol ) fo r enantioselectiv e perm eation o f amino acids w ere described . The cyclodex trin m em bra ne m odified with acetic anhydride had higher permea tio n ena ntioselectiv ity o f DL -amino acids than the unmodified membrane. The enhanced abilities were ex plained as a result of the additio nal steric hindrance effect besides inclusio n . The maximum o f enantiom eric excess fo r
%with the perm ea tion rate of D -try ptopha n being up to 1. 48×DL -try ptophan w as 25. 4
10-5g ·m ·m -2·h -1.
Keywords U -Cyclo dex trin, U -Cyclodex trin po lym er membrane, M embra ne separatio n,