葫蘆脲在色譜固定相中的研究范文

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《色譜雜志》2015年第十一期

色譜分離是分析化學中發展最快、應用最廣的一門技術，在化學、化工、輕工、石油、環保和醫藥等幾乎所有科學領域都得到了廣泛應用［1－6］，為信息科學、生命科學、材料科學、環境科學等新興學科的發展做出了重要貢獻［7］。高選擇性固定相是色譜分離的核心，也是現代色譜技術中最活躍的前沿研究領域。如何利用新型大環主體分子的分子識別作用制備高選擇性的固定相已成為近年來色譜學的研究熱點之一，也是超分子化學與色譜學的交叉研究課題［2，8－11］。超分子化學是一門研究主－客體分子之間通過非共價鍵組合為復雜化學體系的過程［12］。正是這種主－客體分子之間高度的選擇性，使具有超分子作用的物質在熒光檢測［13－15］、孔材料［16－18］以及超分子化學和色譜化學的交叉領域備受關注［19］。本文從葫蘆脲的結構特性出發，側重概述了葫蘆脲同系物及其衍生物在色譜固定相中的研究現狀和進展。

1葫蘆脲的結構特性及衍生化發展

1．1葫蘆脲的結構和特性1905年，葫蘆脲首次由Behrend等［20］通過尿素、乙二醛和甲醛在酸性條件下縮合而成，但當時并沒有確定其結構和性質。1981年，Freeman等［21］制備出了由甲基橋聯的大環甘脲六聚物（CB［6］），由于得到的產物結構形似葫蘆科最為典型的植物———南瓜，這種物質被他們命名為“葫蘆脲”。隨后，Kim等［22］和Day等［23］也相繼合成分離了帶有不同個數甘脲單元的葫蘆脲同系物（CB［n］，n＝5～12）。最近，葫蘆脲家族進一步發展了同系物、衍生物、同類元素及其相似物，其尺寸跨度已經超越了環糊精，在分子識別、分子自組裝和納米技術中顯現出廣闊的應用前景［24］。葫蘆脲是由n個甘脲單元和2n個亞甲基單元橋聯起來的大環籠狀化合物，具有外親水內疏水的空腔結構，空腔內直徑大于端口直徑，其頂部和底部兩端均具有能成為陽離子結合位點的極性羰基基團。經X射線晶體衍射及光譜分析可知，葫蘆［6］、［7］、［8］脲的空腔尺寸分別與α－、β－、γ－環糊精相似，但其結構高度對稱、兩端口尺寸相同（CB［5～8］見圖1），這與前3種超分子化合物的結構明顯不同。

1．1．1選擇性葫蘆脲能夠通過疏水作用、氫鍵、離子偶極等鍵合作用鍵合多種物質，可與金屬配位形成金屬配合物［26］，其疏水空腔也可以包結有機陽離子和分子等客體，形成穩定的包合物［1，27－29］；另外，不同的葫蘆脲同系物具有不同尺寸的空腔［30］，從CB［5］到CB［8］，其內部空腔的平均直徑從0.44nm逐漸增長到0.88nm，相應端口的平均直徑也從0.24nm逐漸增加至0.69nm；再者，葫蘆脲的腔體結構具有一定的剛性［31］，在包結過程中不會改變自身形狀。因此可以根據葫蘆脲的鍵合作用、空腔的大小及本身的剛性結構結合不同大小和類型的物質，實現對不同分析物的選擇性。

1．1．2熱穩定性在現有的超分子主體化合物中，從冠醚、杯芳烴、環糊精到葫蘆脲，其分子結構的剛性依次增強，葫蘆［5，6，8］脲加熱到420℃仍不分解，而葫蘆［7］脲在鹽酸中100℃下持續加熱就會轉化為較小的葫蘆脲［32］。通過環張力能計算，發現葫蘆［6］脲最穩定，葫蘆［7］脲略差一些（環張力能約4.2kJ／mol），而葫蘆［5，8］脲則要差得多（環張力能小于25.2kJ／mol）［27］，這使得葫蘆脲具有很高的熱穩定性，能夠與分子和離子形成具有高穩定性的配合物，從而在超分子化學中有著極其重要的應用。

1．1．3溶解性葫蘆脲的溶解性較差，不溶于絕大部分有機溶劑，葫蘆［5，7］脲在水中的溶解度分別約為0.02和0.03mol／L，葫蘆［6，8，10］脲完全不溶于水，這讓它們的應用在某種程度上受到了限制。然而，所有葫蘆脲同系物在酸性和堿金屬離子、堿土金屬水溶液中都有較好的溶解性，且溶解度隨著金屬離子濃度的增加而提高。Jansen等［33］研究了葫蘆［5，6］脲及其衍生物在不同濃度的鹽酸、甲酸和醋酸中的溶解性，并指出由于葫蘆脲和化合物之間形成了配合物，增加了其在含水酸中的溶解度。Zhang等［34］考察了酸性、堿性和堿金屬離子對葫蘆［5～8］脲溶解性的影響，并指出鹽酸中葫蘆［7］脲最易溶解，葫蘆［8］脲最不易溶解。Huang等［35］研究了呋喃甲基腺嘌呤與葫蘆脲通過主客體相互作用結合后溶解性的變化，指出結合后物質的溶解性增強。

1．2葫蘆脲的衍生化發展葫蘆脲獨特的分子識別性能使其在分離科學領域具有潛在的應用價值。然而，和其他超分子化合物相比，由于其在普通溶劑中溶解性差并且難以進一步衍生化，使得其發展一直較為緩慢，直到近十年，葫蘆脲的衍生化問題才逐步得到了解決。2003年，Kim等［36］在85℃水溶液中用過硫酸鉀與葫蘆［6］脲反應6h并通過重結晶得到了全羥基化葫蘆［6］脲，產率達45％。全羥基化葫蘆［6］脲的尺寸與葫蘆［6］脲相當，可以溶于二甲基亞砜、N，N－二甲基甲酰胺等溶劑，最重要的是羥基可以通過傳統方法進一步衍生化得到烷基化衍生物和?；苌?，第一次實現了葫蘆脲的直接官能團化，擴展了葫蘆脲在分離科學中的應用，也使葫蘆脲在色譜固定相中的應用成為可能。Kim等［37］將羥基葫蘆［6］脲與烯丙基溴反應，得到的烯丙氧基葫蘆脲通過紫外光引發巰烯加成反應，將葫蘆［6］脲鍵合到硅膠上，制成葫蘆脲鍵合硅膠以期應用于液相色譜，但并沒有對所得到的鍵合硅膠進行相關色譜性能表征，也未進行具體的色譜應用。這項研究使葫蘆脲在色譜分離科學領域得到了更多的關注。

2葫蘆脲在色譜固定相中的應用

由于葫蘆脲對各種類型的有機分子具有識別作用，使得它們在眾多分離分析領域，尤其在色譜固定相中有著廣泛的應用價值。

2．1葫蘆脲在液相色譜固定相中的應用2004年，在通過衍生化解決了葫蘆脲在有機溶劑中的溶解性問題后，馮鈺锜等［38］嘗試探究了葫蘆脲在高效液相色譜固定相中的潛在應用，通過一次改性制備得到了溶解性較好的羥基葫蘆脲，并首次將羥基葫蘆［6］脲通過硅烷化試劑與硅膠鍵合，制備成親水性液相色譜固定相，考察了流動相中有機相的比例、離子強度和pH值對固定相色譜行為的影響，成功分離了罌粟堿、黃連素、麻黃素、阿托品、馬錢子堿和煙堿等6種生物堿。這是首次成功將葫蘆脲與硅膠鍵合并應用于色譜分離固定相，但所分離的物質較為單一，主要考察的是以6種生物堿為探針時流動相條件對色譜分離的影響，其應用性還存在著一些局限。南昌大學李來生課題組［39，40］嘗試將超分子自組裝技術與色譜鍵合硅膠固定相制備技術相結合，首次將一種通過包合作用結合的葫蘆［6］脲單輪烷（CB［6］MR）鍵合到硅膠上，制備了一種新型的葫蘆［6］脲單輪烷多模式鍵合固定相（CB［6］MRBS），分別在反相和正相色譜模式下研究了嘌呤、腺嘌呤、次黃嘌呤、茶堿和鳥嘌呤及其衍生物在葫蘆［6］脲單輪烷鍵合硅膠固定相上的高效液相色譜行為，并在反相色譜模式下與十八烷基硅烷鍵合硅膠（ODS）固定相進行了比較，考察了流動相中有機相比例、流動相pH值和離子強度對嘌呤化合物保留的影響。另外還分別在反相和正相色譜模式下考察了中性、酸性、堿性化合物和二取代苯位置異構體等部分溶質的色譜行為，對固定相的色譜性能和保留機理進行了深入探究。Kim等［41］在化學改性葫蘆脲上取得了一定的突破，并將其通過烯丙基硅膠和烯丙氧基葫蘆［6］脲共聚，成功制備了一種新的葫蘆脲鍵合硅膠液相色譜固定相，對比分別使用未封端的固定相以及以六甲基二硅胺（HMDS）、三甲基氯硅烷（TMCS）和兩者的混合物作為封端試劑制得的固定相的色譜分離效果，結果表明，使用兩者的混合物作為封端試劑（即雙封端，doubleend－capping）得到的固定相色譜分離效果更佳，并給出了相應的解釋。該固定相對極性和非極性分析物均有很好的分離能力，對某些異構體的分離效果甚至優于C18柱。通過此種方法制備的葫蘆脲鍵合固定相能分離不同性質的物質且色譜性能較為優異，但從經濟角度來看，改性過程較為復雜，不太適合大范圍的推廣使用。華中科技大學徐麗課題組通過溶膠－凝膠法制備得到了葫蘆［6］脲－硅膠固定相［42］和葫蘆［7］脲－硅膠固定相［43］，并且分別用不同類型的分析物探針考察了兩種固定相的色譜性能。結果表明：葫蘆［6］脲－硅膠固定相表現出弱的疏水性和強的親水性，因此，對于親水性相互作用液相色譜，可通過改變流動相的成分和pH值來進一步探究這種固定相的保留機理。葫蘆［7］脲－硅膠固定相在芳環化合物和染料探針下觀察到了典型的反相色譜行為，這主要是由于分析物和葫蘆［7］脲－硅膠之間起主導作用的疏水作用造成的；對于生物堿探針，得到了“U形”曲線；在甲醇含量較多的情況下，親水性液相色譜行為明顯，這可能是由于氫鍵和離子偶合作用造成的。這種制備方法結合了葫蘆脲和溶膠－凝膠法的優點，為葫蘆脲類物質在分離科學中的應用提供了可行的方式。

2．2葫蘆脲在氣相色譜固定相中的應用由于葫蘆脲類物質具有高沸點、高選擇性的特性，其在氣相色譜固定相中的應用也逐漸受到科研工作者的重視。從2007年開始，研究人員才將葫蘆脲應用于氣相色譜固定相，相關研究內容主要來自于以下兩個課題組。在研究葫蘆脲應用于液相色譜固定相的同時，李來生課題組［44］還首次成功地將全羥基葫蘆［6］脲用作氣相色譜柱的固定相。全羥基葫蘆［6］脲固定相展現出了較寬的操作溫度和良好的熱穩定性，并對各種有機化合物（如烷烴、芳香烴、醇、酯、酮、胺、位置異構體等）和一些復雜樣品（如市售花露水）有著很好的選擇性和優異的分離能力。這種新型氣相色譜固定相即使在劇烈程序升溫條件下仍展現了很低的基線位移，便于實現對分析物的快速檢測。隨后，李來生課題組［45，46］又相繼將甘脲和葫蘆［7］脲用作氣相色譜固定相。一方面對比研究了甘脲固定相和全羥基葫蘆［6］脲固定相色譜行為的差異及其對多種有機物和復雜樣品的分離行為；另一方面研究了葫蘆［7］脲作為氣相色譜固定相對芳香烴、鹵代烴、醇類、酮類、酯類、硅氧烷等廣泛的分離對象的分離選擇性。這種方法制備的固定相能分離的物質類別較多，但色譜分離效果仍有待繼續改善。北京理工大學齊美玲課題組［47］近兩年也主要致力于研究葫蘆脲在氣相色譜固定相上的應用，將CB［7］、CB［8］、CB［7］－CB［8］混合物直接通過靜態涂覆方法涂覆在硅膠毛細管柱上用作氣相色譜固定相，分別考察了3種色譜柱的色譜參數、分離性能、熱穩定性和柱重復性。另外，課題組還將CB［6］與一種新的含胍基的離子液體（GBIL）通過溶膠－凝膠涂覆方法結合，制得CB［6］－GBIL極性柱，并用作毛細管氣相色譜固定相。GBIL的引入極大地提高了CB［6］在溶膠中的溶解性，擴大了葫蘆脲的用途。其對正構烷烴、芳香烴、酯類、酮類、醇類和Grob混合物等多種分析物均表現出很好的分離效果［48］。該課題組［49］還對CB［8］和CB［8］與二價鎘的配位化合物分別作為毛細管氣相色譜固定相時的分離性能進行了探究。文中指出，由CB［8］和CB［8］－Cd固定相制備的毛細管柱柱效分別達到了2200塔板數／m和1508塔板數／m，CB［8］固定相對非極性物質和極性物質均有較好的色譜分離性能，而CB［8］－Cd固定相對非極性和弱極性分析物表現出很好的色譜分離性能。此外，文章還考察了能量對分析物在CB［8］和CB［8］－Cd固定相中保留值的影響，結果表明，在CB［8］柱上，極性分析物的保留值主要由焓變決定，弱極性分析物的保留值由焓變和熵變共同決定；而在CB［8］－Cd柱上，分析物的保留值主要由熵變控制。這表明CB［8］和CB［8］－Cd固定相作為一種新型的氣相色譜固定相具有較大的應用潛力。隨后，該課題組［50］將羥基葫蘆［6］脲作為一種高選擇性氣相色譜固定相用于分離極性變化大的分析物，并對固定相的分離性能進行了評價。這種羥基葫蘆［6］脲固定相與葫蘆［6］脲和傳統的固定相相比，對較難分離的物質表現出更高的分離能力和更好的峰形。這種羥基葫蘆［6］脲固定相更優的分離特點可能源自其獨特的結構和與分析物更加有利于平衡的相互作用。

2．3葫蘆脲在電泳中的應用對于參與動態平衡過程的分析物，毛細管電泳是測定結合常數的一種有效方法。和冠醚、環糊精和杯芳烴等其他大環分子相似，葫蘆脲由于有內部空腔，能與多種客體分子形成配合物，因此可用于控制毛細管電泳的選擇性。武漢大學馮鈺锜課題組［51］在探究葫蘆脲在高效液相色譜固定相中的應用的同時，還首次將葫蘆［7］脲用作毛細管電泳添加劑，并成功地分離了芳香族化合物位置異構體；在運行過程中，葫蘆［7］脲在實驗pH值下帶有正電荷，可吸附在熔融硅膠毛細管壁的內壁，因而導致了逆轉的電滲流。此外，還提出了在葫蘆［7］脲存在下可能的分離機理，初步展示了葫蘆脲超分子作用在電泳分離中的應用。之后，該課題組［52］通過毛細管電泳考察了在甲酸水溶液中葫蘆脲和一些氨基化合物形成的配合物，通過一種分子模型方法探討了葫蘆脲和模型化合物之間的相互作用，并選擇了4組位置和結構異構體作為研究它們主客體包合作用的模型化合物。結果表明，化合物與葫蘆脲直接的相互作用受到了芳環上取代基團的位置和客體分子與葫蘆脲的離子偶極相互作用的強烈影響。還研究了葫蘆脲的種類和濃度對氨基化合物的分離和遷移行為的影響，結果表明：在65％（v／v）的甲酸水溶液中，使用葫蘆［7］脲作為主體分子時分離效果最好。這進一步擴大了葫蘆脲在電泳領域的應用范圍，為葫蘆脲在電泳領域的發展打下了基礎。此外，該課題組［53］還利用葫蘆［7］脲的大環結構，將其用作毛細管區帶電泳的改性劑以快速檢測馬兜鈴酸Ⅰ（AA－Ⅰ）和馬兜鈴酸Ⅱ（AA－Ⅱ）在藥用植物中的含量，實現了藥用植物中AA－Ⅰ和AA－Ⅱ的高靈敏度快速檢測。通過施加負極性并在磷酸緩沖液中添加葫蘆［7］脲作為改性劑，可實現AA－Ⅰ和AA－Ⅱ的快速分離。用這種通過葫蘆脲改性的方式分離AA－Ⅰ和AA－Ⅱ，具有靈敏度高、分離效率高、可重復多次使用的優點，促進了葫蘆脲類物質在電泳技術中的進一步發展。

3總結與展望

大環主體化合物具有特殊的分子識別性能，同時帶有活性基團，一直以來在分離科學領域應用廣泛。從目前報道的文獻來看，葫蘆脲在液相色譜中的應用仍非常有限，自2004年葫蘆脲首次應用于液相色譜固定相以來，國內外科研工作者對葫蘆脲在液相色譜固定相上的研究主要集中于產量最高的葫蘆［6］脲和溶解度最大的葫蘆［7］脲的進一步改性上，并未對具有不同的空腔大小的葫蘆脲類同系物進行充分的探究。對改性后的葫蘆脲－硅膠色譜柱基本的色譜性能、分離機理及色譜分離的影響因素進行了探討，但僅限于對常規的有機物和簡單混合物的分離。結合冠醚、環糊精、杯芳烴這3種超分子化合物在色譜分離中的發展趨勢，我們一方面可以探索新型葫蘆脲的合成方法，嘗試將葫蘆脲進一步衍生化并與硅膠鍵合制備出手性固定相，用來分離一般商品柱難以分離的手性物質；另一方面可以嘗試制備具有不同疏水空穴尺寸的葫蘆脲固定相，分別用于分離不同大小的化合物，從而提高葫蘆脲固定相在液相色譜中的分離選擇性。

由于葫蘆脲溶解性差，與硅膠進行化學鍵合的條件較為苛刻，因此研究者們也在努力探索葫蘆脲不需化學改性而直接應用于色譜固定相的方法，兼之又具有高沸點這一特性，故近兩年來，葫蘆脲在氣相色譜固定相中的發展較為迅速。與應用于液相色譜固定相的葫蘆脲相比，應用于氣相色譜固定相的葫蘆脲種類也由葫蘆［6，7］脲擴展至葫蘆［6～8］脲。另外研究人員還嘗試將葫蘆脲與離子液體或金屬離子結合，以提高色譜柱的分離性能。但由于發展時間較短，使用的探針種類及數量仍十分有限，因此，葫蘆脲氣相色譜固定相在生化樣品的分析分離等方面的應用還可以進行進一步地擴展與研究。目前國內外關于葫蘆脲應用于毛細管電泳的文章較少，根據已報道的文獻可知，主要是利用溶解性最大的葫蘆［7］脲用作毛細管電泳的改性劑，并實現了對某些特定分析物的分離和檢測，但能分離和檢測的物質種類仍十分有限，我們可以嘗試對不同空腔大小的葫蘆脲進行改性，以得到溶解度更佳、更易改性且具有不同選擇性的毛細管電泳改性劑。綜上所述，葫蘆脲作為液相色譜、氣相色譜以及毛細管電泳固定相在化合物的色譜分離方面仍有很大的發展空間。

作者：齊豐蓮 徐玉東 孟子暉 薛敏 徐志斌 邱麗莉 崔可建 單位：北京理工大學化工與環境學院