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Herstellung und Evaluierung von chiralen stationären Phasen auf Basis von Chinin/Chinidin sowie von 9-epi-Chinin/Chinidin

Vebi Mimini

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Chemie

Betreuer*in

Christopher Gerner

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DOI

10.25365/thesis.38082

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29564.57916.534960-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die unterschiedlichen pharmakologischen Auswirkungen zweier enantiomerer Verbindungen auf Menschen, Tiere oder Pflanzen (sowohl positiver als auch negativer Natur) machen die Erforschung von neuen Enantiomerentrenntechniken notwendig. Analysen zur Enantiomerenreinheit und die gesetzlichen Anforderungen von Gesundheits- und Regulierungsbehörden können nicht mit „klassischen“ Trenntechniken erfüllt werden, sondern verlangen wirkungsvolle und hochselektive enantioselektive Techniken, wie beispielsweise Hochleistungsflüssigkeits-chromatographie (HPLC). Hierbei sind sowohl chirale stationäre Phase als auch die Zusammensetzung der mobilen Phase entscheidend. Im Rahmen der vorliegenden Masterarbeit wurden die auf Cinchona-Alkaloid-basierten zwitterionischen chiralen stationären Phasen (ZWIX-CSP`s) und die davon abgeleiteten, modifizierten 9-epi-ZWIX-CSP`s inklusive deren Evaluierung beschrieben. Die Konfigurationsunterschiede der ZWIX(+)- und ZWIX(-)-Säulen konnten durch die umgekehrte Elutionsreihenfolge für dasselbe Enantiomer, unter gleichen chromatographischen Bedingungen, bestätigt werden. Das pseudo-enantiomere Verhalten wurde für alle getrennte Analyten bei beiden Selektortypen beobachtet. Die N-Methyl Aminosäuren zeigten auf ZWIX-Phasen überraschend eine Umkehr der Stereoselektivität gegenüber den nicht-methylierten Aminosäuren. Diese Umkehr der Elutionsreihenfolge ist nicht nur für die Bestimmung von Enantiomerenverunreinigungen besonders wichtig, sondern auch für die Mechanismen der chiralen Erkennung auf molekularer Ebene. Die Epimerisierung der entsprechenden zwitterionischen Selektoren zeigte einen markanten Einfluss auf die relevanten chromatographischen Parameter. Die Herabsetzung der Enantioselektivität und Auflösung für die untersuchten Analyten auf 9-epi-ZWIX(+)-Typ CSP`s im Vergleich zur ZWIX(+)-Säule resultierte aufgrund der Neuorientierung der Carbamat-Reste am C9 in die nun entgegengesetzte Richtung in einer Änderung der molekularen bzw. enantioselektiven Erkennungsmechanismen. Die räumliche Struktur der Bindungstasche wurde entscheiden verändert, und damit auch die Stellung der intermolekularen Bindungsstellen zueinander. Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Arbeit verdeutlicht, inwieweit die chirale Trennung durch die Art und Zusammensetzung der mobilen Phase beeinflusst werden kann. Die unterschiedlichen Zusammensetzungen der verschiedenen Eluenten wie Lösungsmitteltyp und -menge sowie das Säure-Base-Verhältnis zeigten einen entscheidenden Einfluss auf das Retentionsverhalten der Analyten, wohingegen die Enantioselektivität weniger stark beeinflusst wurde. Ein Wasseranteil von 2% in der organischen mobilen Phase bewirkt deutliche kürze Retentionszeiten. Die Einführung von Wasser als meist eingesetztes Eluent (sogenanntes „bulk solvent“) ergab ein neues chromatograpische Verhalten für zwitterionische CSP`s. Obwohl die Durchführung der ZWIX-CSP`s bei sehr hohem Wassergehalt und/oder in pufferfreien Elutionsmitteln global nicht empfohlen wird, zeigten die hier untersuchten cyclischen β-Aminosäuren, dass aufgrund des „intramolekularen counter-ion“ IMCI-Effekts und der Ausbalancierung der Solvatisierung und hydrophoben Wechselwirkungen die Retentionszeiten gut eingestellt werden können; unter Beibehaltung bis hin zu Verbesserung der Trenneffizienz der Enantiomere. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der durchgeführten Arbeiten, dass die ZWIX-CSP`s eine hervorragende chromatographische Trennleistungsfähigkeit für AX-, CX- und ZWIX-Modi bieten. Zusätzlich zeigen die neuen Erkenntnisse – im Speziellen die Erzielung von Enantiomerentrennungen mit reinem Wasser als mobile Phase für bestimmte Analyten auf ZWIX-CSP`s – das hohe Potential dieser einzigartigen CSP`s in der präparative Enantiomerenchromatographie unter einfachen Elutionsbedingungen auf.

Abstract

(Englisch)

Due to different pharmacological effects of enantiomeric compounds, both for humans, animals and plants (in a positive as well as negative way), research in the field of enantiomer separation techniques is of high importance inter alia in modern medicine. Analyzes of enantiomeric purity (enantiomeric excess, ee) and the legal requirements of health and regulatory authorities are not possible with "classical" separation techniques as e.g. RP systems, but require effective and highly enantioselective separation such as chiral high performance liquid chromatography (HPLC). In this context, both the type of chiral stationary phase as well as the composition of the mobile phase are crucial parameters to be optimized for the given set of chiral analytes. In the present master thesis, zwitterionic Cinchona alkaloid-based chiral stationary phases (so-called ZWIX-CSP´s) and related 9-epi-ZWIX-CSP´s are described, including their chromatographic evaluation. The differences in the configurations of ZWIX(+) on the basis of quinine (QN) and (S,S)-ACHSA and of ZWIX(-) on the basis of quinidine (QD) and (R,R)-ACHSA were highlighted by a reversed elution order of respective enantiomers under the same chromatographic conditions, e.g. mobile phase composition. This pseudo-enantiomeric behavior was observed for all analytes. Using the above-mentioned ZWIX-CSP´s, N-methyl amino acids surprisingly showed reversed stereoselectivity compared to respective non-methylated compounds. This unexpected reversal of the elution order is not only important for the determination of enantiomeric impurities, but also for fundamental research related to the chiral recognition mechanism. As a result of this behavior, the impact of the absolute configuration of the chiral selector-units on enantioseparation could be derived. It turned out that the epimerization of the C-9 atom of the corresponding zwitterionic selectors had a significant impact on the chromatographic parameters of interest. A marked reduction of both enantioselectivity and chromatographic resolution for the analytes under examination – in case of 9-epi-ZWIX-CSP´s compared to commercially available ZWIX-CSP´s – was noticeable. It is a result of reorientation of the carbamate moieties at C9, which lead to a significantly different shape of the stereoselective binding pocket of the chiral selector. Due to the epimerization, the conformation of the binding sites (also called “binding pockets”) got changed, the sites point now towards opposite directions, thus decreasing the strength of potential selector-selectand interactions. A further important aspect of this work should demonstrate how the chiral separation is influenced by the type of mobile phase. Components variation of the composition of the eluents (differing in solvent type and quantity as well as the acid-base ratio) was shown to have a significant influence on retention and stereoselectivity. A marginal water content (2%) in the polar organic mobile phase caused significantly shorter retention times. The introduction of water as a so-called bulk solvent on the other hand revealed a new chromatographic behavior for zwitterionic CSP´s. Although the implementation of ZWIX-CSP´s at very high water content and/or buffer-free eluents was not recommended in previous studies, a reduction of retention time as well as baseline separation were achieved for e.g. cyclic β-amino acids due to the intramolecular counter-ion effect (IMCI-effect) as well as balanced effects of solvation and hydrophobic interaction. In summary, the results of this work showed, that the ZWIX-CSP´s provide excellent chromatographic separation performance both for AX-, CX- and ZWIX-modes (anion, cation and zwitterion exchange mode, respectively) by a proper choice of the mobile phase. Additionally, the new findings – in particular the achievement of enantiomer separation using pure water as a mobile phase for ZWIX-CSP´s – show the high potential of this unique CSP´s even for preparative chiral chromatography under relatively simple elution conditions.

Autor*innen

Vebi Mimini

Haupttitel (Deutsch)

Herstellung und Evaluierung von chiralen stationären Phasen auf Basis von Chinin/Chinidin sowie von 9-epi-Chinin/Chinidin

Paralleltitel (Englisch)

Synthesis and Evaluation of Chiral Stationary Phases based on Chinin/Chinidin as well as 9-epi-Chinin/Chinidin

Publikationsjahr

2015

Umfangsangabe

110 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Deutsch

Beurteiler*in

Christopher Gerner

Klassifikationen

35 Chemie > 35.39 Analytische Chemie: Sonstiges ,

35 Chemie > 35.50 Organische Chemie: Allgemeines

AC Nummer

AC12699224

Utheses ID

33760

Studienkennzahl

UA | 066 | 862 | |

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Schlagwörter