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Development and evaluation of zwitterionic chiral stationary phases
Franz Reinhard Pell
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Wolfgang Lindner
DOI
10.25365/thesis.1492
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29391.93545.688170-3
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die vorliegende Arbeit handelt von der Herstellung und chromatographischen Evaluierung zwitterionischer chiraler stationärer Phasen (CSPs). Basierend auf vorangegangenen Arbeiten unserer Gruppe wurden Säurefunktionalitäten in einen (bereits etablierten) Chinin-basierten Anionenaustauscher (QN-AX) eingeführt und somit das Konzept eines zwitterionischen Selektors (SO) realisiert. Durch Immobilisierung des Selektors auf modifiziertem Kieselgel wurden neuartige chirale stationäre Zwitterionenaustauscher-Phasen (ZWIX-CSPs) geschaffen, welche Enantiomerentrennung von chiralen Säuren, Basen und amphoteren Verbindungen ermöglichen.
Insgesamt konnten fünf verschiedene zwitterionische chirale Austauscherphasen hergestellt werden. Es wurden Sulfon- und Carbonsäuregruppen an der O9-Carbamat Position von Cinchona-Alkaloiden (vorrangig Chinin und sein Pseudoenantiomer Chinidin) eingeführt und dadurch Selektoren mit starken und schwachen Ionenaustausch-Mechanismen geschaffen. Durch strukturelle Modifikationen an den Alkaloidgerüsten, wie z.B. Methylierung der 1-N Position an Chinin oder die Einführung einer neuen Selektor-Bindungsstelle an das Kieselgel, wurde das Spektrum der Interaktionsmöglichkeiten zwischen Selektoren und Analyten erweitert. Es wurde auch ein Selektor auf Basis des Chincorins synthetisiert, welcher durch einen fehlenden Chinolin-Rest gekennzeichnet ist. Zusätzlich zu den zwitterionischen Phasen wurde durch Fusion eines Chinuclidin-Motivs mit einem Chinidin-basierten Anionenaustauscher eine bisbasische CSP hergestellt.
Als Ergänzung zur synthetischen Arbeit erfolgte eine Evaluierung der CSPs auf einem HPLC-System. An Hand eines breit angelegten Sets an chiralen Säuren, Basen und freien Aminosäuren wurden die Phasen sowohl auf ihre chirale Trennleistung als auch auf allgemeine chromatographische Parameter hin untersucht.
Mit den ZWIX-CSPs konnte auch unter nicht-optimierten Elutionsbedingungen Basislinientrennung für alle drei Analytklassen erzielt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass das pseudoenantiomere Verhalten von Chinin und Chinidin in den ZWIX-Selektoren erhalten bleibt, was sich durch eine Umkehr der Elutionsreihenfolge der getrennten Enantiomere widerspiegelt. Jedoch führten weder die Veränderung der Selektorbindungsstelle an das Kieselgel noch die Einführung einer bisaciden Seitenkette zu einer Verbesserung der Trennleistung.
Weiters können aromatische Reste in den ZWIX-Selektoren als essentielle Bestandteile für Enantioselektivität angesehen werden, da auf dem Chincorin-basierten SO keine Basislinientrennung erzielt werden konnte.
Zusammenfassend kann angemerkt werden, dass neue Synthesekonzepte erstellt und Synthesen für zwitterionische Selektoren durchgeführt und optimiert wurden. Die durch Immobilisierung auf modifiziertem Kieselgel realisierten CSPs lieferten großteils vielversprechende Trennleistungen. Das breite Anwendungsspektrum auf saure, basische und amphotere Verbindungen, die hohe mechanische und chemische Stabilität, sowie die milden Elutionsbedingungen zeigen das große Potential dieser zwitterionischen chiralen stationären Phasen.
Abstract
(Englisch)
Recent studies in our group established the concept of zwitterionic cinchona-alkaloid based chiral stationary phases (ZWIX-CSPs) by fusing anion- and cation exchanger selectors into single ZWIX-selector molecules. In the course of further exploration of such ZWIX-type CSPs the main focus of the presented thesis was therefore the synthesis and the chromatographic evaluation of newly designed zwitterionic ion exchange-type CSPs.
The diploma work was based on the Taurine-Quinine (Tau-QN) selector motif and starting from there, the synthetic efforts focused on one hand on O9-carbamate modifications to introduce further ion exchange functionalities, and on the other hand on variations of the cinchona scaffold.
In particular, with Tau-QD (CSP 1) the pseudoenantiomeric CSP to Tau-QN was prepared. Furthermore, the introduction of a cysteic acid functionality to the well established quinine based anion exchanger (QN-AX) led to L-CSA-QN (CSP 2), which provided both a weak and a strong cation exchanger (WCX, SCX) site. By quaternizing the initially weak anion exchanger site (WAX) of the cinchona scaffold a strong anion exchanger (SAX) resulted in Tau-N-Methyl-QN (CSP 4). With Tau-Quinc (CSP 5), which employed quincorine instead of quinine as alkaloid scaffold, the importance of the aromatic quinoline group in the SO could be assessed. With preparation of L-CSAD-DH-QN (CSP 6) an alternative site for covalent immobilization to the silica support – via the cation exchanger part instead of the anion exchanger alkaloid – was tested. Apart from these zwitterionic CSPs, a bisbasic selector was synthesized via introduction of a quinuclidine moiety into the QN-AX motif (Quinu-QD, CSP 3).
The prepared chiral stationary phases were subject to investigation by HPLC. Enantiomer separation performance as well as general chromatographic key parameters like retention, resolution and selectivity, were monitored for a diverse set of chiral acids, bases and amino acids while no mobile phase optimizations were carried out due to time limitations.
Comparison of pseudoenantiomeric CSPs Tau-QN and –QD essentially showed that switch of elution order of amino acid analytes could be effected - thereby indicating the guiding influence of the alkaloid scaffold.
The quaternized anion exchanger group in CSP 4 is also functional in zwitterion exchange, whereas the site of SO immobilization has not shown major impact on CSP performance. The quinoline moiety in the SO was found to be fundamental for enantiomer separation as with Tau-Quinc (CSP 5) only two analytes could be partially resolved.
Generally, structural modifications on the selectors` zwitterionic scaffolds and interpretation of the obtained chromatographic data helped to enlarge the understanding of the complex molecular recognition process.
To summarize, synthesis of novel ZWIX-selectors was carried out and optimized, which led to the preparation of six novel CSPs followed by their chromatographic evaluation. The CSPs show high chemical and mechanical stability, the degree of flexibility in terms of synthetic pathways following a combinatorial concept in combination with the potential of mobile phase optimization will open up an area to establish ZWIX-CSPs as a powerful addition to the pool of already established CSPs on the market.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
zwitterionic chiral stationary phases quinine quinidine taurine selector chromatographic evaluation
Schlagwörter
(Deutsch)
zwitterionische chirale stationäre Phasen Chinin Chinidin Selektor chromatographische Evaluierung
Autor*innen
Franz Reinhard Pell
Haupttitel (Englisch)
Development and evaluation of zwitterionic chiral stationary phases
Paralleltitel (Deutsch)
Entwicklung und Erprobung von Zwitterionischen Chiralen Stationären Phasen
Publikationsjahr
2008
Umfangsangabe
91 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Wolfgang Lindner
AC Nummer
AC08101180
Utheses ID
1181
Studienkennzahl
UA | 419 | | |