Synthesis and evaluation of chiral stationary phases derived from natural compounds for enantiomer separation

Abstract

Lebende Organismen stellen eine chirale Umgebung dar: Viele natürliche, aber auch synthetische Moleküle in Lebensmitteln, Pharmazeutika, Agrochemikalien und Duftstoffen sind chiral. Sie können als racemische Mischungen oder sogar in ihrer Enantiomerenreinen Form gefunden werden – zum Beispiel native homochirale L-Aminosäuren und D-Zucker. Enantiomere haben in vielen Fällen unterschiedliche Wirkungen auf biologische Systeme. Die selektive Isolierung und Identifizierung eines der Enantiomere sind aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit von Enantiomeren und identischen physikalisch-chemischen Eigenschaften in einer achiralen Umgebung eine Herausforderung. In den letzten Jahrzehnten gab es in mehreren medizinischen und industriellen Bereichen eine steigende Nachfrage nach hocheffizienten und universellen Trenntechniken für chirale Moleküle. Eine der erfolgreichsten und wichtigsten Methoden ist die HPLC mit CSPs. CSPs, die auf derivatisierten Polysacchariden wie Cellulose und Amylose basieren, wurden auf diesem Gebiet aufgrund ihrer natürlichen Häufigkeit, des Vorhandenseins von Stereozentren und einer insgesamt chiralen Helix Struktur bekannt, wodurch sie sich hervorragend für die Enantiomerentrennung eignen. Aber nicht nur chirale Biopolymere, sondern auch Derivate kleiner natürlicher Moleküle wie carbamoylierte Cinchona-Alkaloide, z. B. Chinin, werden effizient als Trennmaterialien in HPLC-Anwendungen eingesetzt.Im Rahmen dieser Arbeit wurden Cello-Oligomere in vitro durch CROP ausgehend von Glucose synthetisiert. Nach der Derivatisierung der Hydroxygruppen des Oligosaccharids und anderer Cellulose-Rohmaterialien wurden die erhaltenen CSs zur Anwendung als CSPs in der HPLC auf Silica aufgetragen. Eine zusätzliche stationäre Phase wurde aus einer Struktureinheit von Chinin (d. h. racemischem Aminochinuclidin) hergestellt. Alle Materialien und ihre chemischen Strukturen wurden mit Analysetechniken wie Flüssig- und Festkörper-NMR-Spektroskopie, MALDI-TOF/MS und Elementaranalyse umfassend charakterisiert. Anschließend wurden verschiedene racemische und nicht-racemische Mischungen von Aminosäurederivaten synthetisiert und als Testanalyten verwendet, um die Leistung der neuartigen chiralen und achiralen stationären Phasen zu bewerten.

Living organisms represent a chiral environment: many natural but also synthetic molecules in nutrition, pharmaceuticals, agrochemicals, and fragrances are chiral. They can be found as racemic mixtures or even in their enantiopure form – for example, native homochiral L-amino acids and D-sugars. Enantiomers have different effects on biological systems in many cases. Selective isolation and identification of one of the enantiomers are challenging due to the structural similarity of enantiomers and identical physicochemical properties in an achiral environment. Within the last decades, there has been an increasing demand for highly efficient and universal separation techniques for chiral molecules in several medical and industrial fields. One of the most successful and important methods is high-performance liquid chromatography (HPLC) implementing chiral stationary phases (CSPs). CSPs based on derivatized polysaccharides, such as cellulose and amylose, gained high popularity in this field due to their natural abundance, the presence of stereocenters, and an overall chiral helical structure, making them highly suitable for enantiomer separation purposes. However, not only chiral biopolymers but also derivatives of small natural molecules like carbamoylated Cinchona alkaloids, i.e., quinine, are efficiently used as separation materials in HPLC applications.In the frame of this thesis, cello-oligomers were synthesized in vitro by cationic ring-opening polymerization (CROP) starting from glucose. After derivatization of the hydroxy groups of the oligosaccharide and other cellulose raw materials, the obtained chiral selectors (CSs) were coated onto silica for application as CSPs in HPLC. An additional stationary phase was prepared from a structural unit of quinine (i.e., racemic aminoquinuclidine). All materials and their chemical structures were comprehensively characterized using analytical techniques such as liquid- and solid-state NMR spectroscopy, MALDI-TOF/MS, and elemental analysis. Different racemic and non-racemic mixtures of amino acid derivatives were subsequently synthesized and used as test analytes to evaluate the performance of the novel chiral and achiral stationary phases.