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Chiral ion exchangers for chromatographic stereoisomer separations of charged compounds
Stefanie Wernisch
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Wolfgang Lindner
DOI
10.25365/thesis.27442
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29446.65821.107360-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Stetig steigende Anforderungen der Regulierungsbehörden in Bezug auf die Enantiomerenreinheit von pharmazeutisch relevanten Produkten haben die Entwicklung hochspezifischer chiraler stationärer Phasen (CSPs) zur direkten flüssigchromatographischen Trennung von Stereoisomeren und insbesondere von Enantiomeren notwendig gemacht. Die Unterscheidung der Isomere basiert im Allgemeinen auf komplexen Interaktionsmechanismen, die sich aus mehreren simultan auftretenden, nicht-kovalenten Wechselwirkungen zusammensetzen und dementsprechend anspruchsvoll zu steuern sind.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit liegt in der Beleuchtung der Beiträge verschiedener nicht-kovalenter Wechselwirkungen zur Retention und zum Trennmechanismus auf chiralen stationären Phasen mit Ionenaustausch-Charakteristika. Dies impliziert das Vorhandensein von unter den jeweiligen experimentellen Bedingungen positiv beziehungsweise negativ geladenen funktionellen Gruppen im Selektor.
Die chiralen Trennmaterialen wurden durch die Immobilisierung von modifizierten Chinarinden-Alkaloiden auf sphärischem Silicagel synthetisiert. Die natürlich vorkommenden, schwach basischen Alkaloide Chinin und Chinidin, die in ihrer protonierten Form als Anionenaustauscher wirken, wurden durch Alkansulfonsäure-Modifikationen in zwitterionische Verbindungen überführt. Letztere können sowohl als Anionen- als auch als Kationen- und Zwitterionenaustauscher eingesetzt werden.
In dieser Arbeit wurden durch systematische Variation des O-9-Carbamoylrestes die Beiträge der funktionellen Gruppen der beteiligten Spezies zur chiralen Erkennung von freien und N-geschützten Aminosäuren, sauren und basischen Wirkstoffen sowie synthetischen Oligopeptiden aufgeklärt.
Ein Teil der Arbeit beschreibt die Synthese von Alkaloid-basierten Anionenaustauschern mit einer elektronenarmen Bis(trifluoromethylphenyl)-Carbamatmodifikation, welche besonders gute chirale Erkennungseigenschaften für Aminosäurenderivate spezieller beta-Tricarbonylverbindungen zeigten.
Den Hauptteil der Dissertation bilden Arbeiten zum Anwendungsspektrum von Zwitterionenaustauschern. Aus der Fusion der basischen Alkaloide mit chiralen, sterisch anspruchsvollen Alkansulfonsäuren erhält man zwitterionische chirale Selektoren, die besonders hohe Enantioselektivitäten für ungeschützte Aminosäuren sowie chirale Basen aufweisen. Flexiblere Alkansulfonsäurereste sind hingegen gut geeignet, um die Enantiomerentrennung von Oligopeptiden (n = 2-8) durchzuführen. Mit der erfolgreichen Trennung von Sequenz-Stereoisomeren synthetischer Peptide (n = 2-4) wurde eine neue Anwendung der zwitterionischen chiralen stationären Phasen gefunden, die über das Konzept der Enantiomerentrennung hinausgeht.
Die Trennung von cis- und trans-Isomeren von Peptiden mit C-terminalem Prolinrest stellt eine weitere neuartige Anwendung der ursprünglich als enantioselektive Phasen konzipierten Trennmaterialien dar. Aus den dynamischen Elutionsprofilen, welche die temperaturabhängige Isomerisierung der Peptidbindung im Zeitmaßstab der Chromatographie abbilden, wurden mit Hilfe einer speziellen Software die entsprechenden kinetischen Daten extrahiert und in Bezug auf Struktur-Selektivitätsbeziehungen interpretiert.
Zusammenfassend beschreibt die vorliegende Arbeit die Synthese und Anwendung von Alkaloid-basierten einfach geladenen bzw. zwitterionischen chiralen Ionenaustauscherphasen für die Flüssigchromatographie. Auf der Basis von experimentell gewonnenen Stereoselektivitätsdaten werden die Beiträge einzelner funktioneller Gruppen zu Retentions- und Trennmechanismus beleuchtet.
Abstract
(Englisch)
The growing demands of regulatory bodies regarding the assessment of stereochemical integrity of pharmaceutically relevant products have given rise to the development of a large number of chiral stationary phases (CSPs) for direct chromatographic enantiomer separation. In most cases, the stereoisomers are distinguished through highly complex, sophisticated, and, thus, not easily controllable chiral recognition mechanisms comprised of multiple, concerted non-covalent interactions with chiral selectors.
This thesis aims to elucidate the increments of the retention and chiral recognition mechanisms on brush-type stationary phases of ion-exchange character. This implies that the chiral selector motif must possess positively and/or negatively charged sites. The chiral recognition materials are produced by the immobilization of functionalized Cinchona alkaloids onto spherical silica support and operated in polar-organic and ionic mobile phase mode. The weak bases quinine and quinidine, in their protonated form often utilized as weak anion exchanges, were modified with O-9 carbamoyl residues bearing homologous alkanesulfonic acids, thus introducing a negatively charged functional group. The resulting amphoteric selectors can act as chiral cation and anion as well as zwitterion exchangers.
By systematic variation of the carbamate residue, the crucial interaction sites involved in the chiral separations of free and N-protected amino acids, acidic and basic drugs as well as synthetic, non-protected oligopeptides, could be identified.
One part of the thesis presents the development of novel, bis(trifluoromethyl)phenyl carbamoylated quinine and quinidine anion exchangers which, on account of their pi-acidic moiety, facilitated the separation of amino acids with N-protective groups derived from 2-acyldimedones.
The main part of this work deals with zwitterion exchangers prepared by the fusion of the alkaloids with aminoalkanesulfonic acids. Zwitterion exchangers with sterically demanding and/or chiral anion exchanger sites were particularly useful for straightforward separations of free (amphoteric) amino acids as well as single-charge solutes. However, more flexible alkanesulfonic acid chains permitted advantageous conformational adjustments enhancing chiral recognition of peptides. In addition to facilitating enantiomer separations of homo-oligomers (n = 2-8) of alanine, valine and phenylalanine, the zwitterionic CSPs showed unexpected recognition potential towards homo- and heterochiral sequential stereoisomers of Phe-n (n = 2-4) peptides.
The separation of cis- and trans isomers of peptides containing C-terminal proline represents another novel application of zwitterionic chiral stationary phases beyond enantiomer separations. The rotational isomers of dipeptides could be separated at temperatures below 0 °C. Data illustrating the isomerization kinetics were extracted from dynamic chromatographic experiments at different temperatures.
In summary, this thesis presents the synthesis and application of Cinchona-based chiral single ion exchange- and zwitterion-exchange-type stationary phases for liquid chromatographic separations of chiral acids, bases and amphoteric compounds. The contributions of distinctive functional groups of the chiral selectors to the chiral recognition mechanism are elucidated based on specific applications.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
High performance liquid chromatography chiral stationary phase enantiomer separation ion exchange /chiral recognition stereoisomerism amino acids and peptides
Schlagwörter
(Deutsch)
Hochleistungs-Flüssigchromatographie chirale stationäre Phase Enantiomerentrennung Ionenaustausch Chirale Erkennung Stereoisomerie Aminosäuren und Peptide
Autor*innen
Stefanie Wernisch
Haupttitel (Englisch)
Chiral ion exchangers for chromatographic stereoisomer separations of charged compounds
Paralleltitel (Deutsch)
Chirale Ionenaustauscher für die chromatographische Trennung von Stereoisomeren geladener Verbindungen
Publikationsjahr
2013
Umfangsangabe
185 S. : graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Bezhan Chankvetadze ,
Antal Péter
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.03 Methoden und Techniken in den Naturwissenschaften ,
35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie: Allgemeines ,
35 Chemie > 35.26 Massenspektrometrie ,
35 Chemie > 35.29 Chromatographische Analyse, Elektrophorese ,
35 Chemie > 35.39 Analytische Chemie: Sonstiges ,
35 Chemie > 35.62 Aminosäuren, Peptide, Eiweiße
AC Nummer
AC10813464
Utheses ID
24535
Studienkennzahl
UA | 791 | 419 | |