《Journal of Separation Science》：Enantioselective HPLC of Liquid Crystals Bearing a Small and Flexible 2-Methylbutyl Chiral Center
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构象柔性的2-甲基丁基结构基元代表一种小型手性中心，其无法与手性固定相（CSP）发生极性相互作用（如氢键），而这类相互作用往往在手性识别中起关键作用。本研究采用手性高效液相色谱（enantioselective high-performance liquid
构象柔性的2-甲基丁基结构基元代表一种小型手性中心，其无法与手性固定相（CSP）发生极性相互作用（如氢键），而这类相互作用往往在手性识别中起关键作用。本研究采用手性高效液相色谱（enantioselective high-performance liquid chromatography）对共享2-甲基丁基基团的外消旋液晶材料进行了分析，所研究的分析物集合还包括基于乳酸单元、具有额外手性中心的非对映异构体化合物。由于分析物的非手性部分刚性强且体积庞大，这种尺寸与柔性上的失衡进一步增加了此类材料对映体分离的难度。分离分别在极性有机模式（polar organic mode，POM）或反相液相色谱（reversed-phase liquid chromatography，RP）条件下进行，以增强与手性固定相之间较弱的极性相互作用。研究采用了两种多糖手性固定相——涂敷型直链淀粉三(5-氯-2-甲基苯基氨基甲酸酯)（tris(5-chloro-2-methylphenylcarbamate) amylose）和固定型直链淀粉三(3-氯-5-甲基苯基氨基甲酸酯)（tris(3-chloro-5-methylphenylcarbamate) amylose）。所有外消旋样品均在9分钟内实现了基线对映体分离。研究讨论了分析物结构变化对对映选择性的影响，并评估了两种手性固定相上所得结果的差异。
论文解读文章
一、研究背景与意义
热致液晶材料（liquid crystalline materials，LCMs）是一类能够在各向同性相与晶相之间的特定温度范围内自组装形成多种结构形态（介晶相）的 promising 功能材料。根据化学结构和介晶相类型的不同，液晶材料可响应电磁辐射或电场等外部刺激，其应用领域远超液晶显示，涵盖医学、聚合物科学、软体机器人、光子学及安全技术等。手性液晶材料是液晶研究的重要方向，因为分子手性可诱导产生非手性体系中不存在的新增介晶相类型和介观性质——例如在倾斜近晶相中可诱导铁电性或螺旋性。手性纯度对这些材料的性质起着决定性作用，因此亟需建立对映体分离方法以实现手性纯度控制与评估。
本研究聚焦于共享同一手性片段——源自2-甲基丁醇的柔性2-甲基丁基基团——的液晶材料。该手性醇（S构型）是材料科学中的重要结构片段，其核心价值在于作为相对廉价、市售广泛且天然来源的“手性池”（chiral pool）构建模块（因系发酵产物）。手性中心位于C2位且紧邻连接点，无需对映选择性合成步骤。然而，该手性片段在不对称碳附近不含杂原子，使得手性部分极性低，限制了其与手性固定相发生极性非共价相互作用（如氢键）的可能性。因此，在偏好极性相互作用的正相（NP）液相色谱环境中，这些材料的对映体分离存在困难；而在含水/极性更强的流动相中，鉴于分析物的疏水性，溶剂疏效应应能促进分析物吸附到手性固定相上，分离应更为可行。
既往研究中，G?和G?化合物仅在正相条件下经辐照转化为极性更强的Z异构体后才能获得部分对映体分离；G?、G?和Z12/在超临界流体色谱（SFC）环境下于所有测试条件下均无法分离；G?和G?虽可在反相条件下分离，但保留时间过长；Z12/则成功在极性有机模式下实现分离。本研究旨在系统考察含2-甲基丁基手性中心的外消旋材料在极性有机模式或反相条件下的对映体分离，并实现所有分析物的基线分离。
二、主要技术方法
研究人员采用配备四元梯度溶剂泵、自动进样器、柱温箱和连续光谱采集二极管阵列检测器的Agilent 1260 Infinity II高效液相色谱系统，在40°C、1 mL·min?1流速和3 μL进样量条件下进行所有实验。使用两种多糖手性固定相：Lux i-Amylose-3（固定型直链淀粉三(3-氯-5-甲基苯基氨基甲酸酯)）和Lux Amylose-2（涂敷型直链淀粉三(5-氯-2-甲基苯基氨基甲酸酯)），均为3 μm硅胶颗粒、150 × 4.6 mm内径色谱柱，购自Phenomenex（美国）。分析物来源：偶氮材料G?和G?由波兰弗罗茨瓦夫大学化学系合成；化合物Z12/、ZL12/、ZLL12/和8SHL由捷克科学院物理研究所合成与研究。所有样品以0.2 mg·mL?1浓度溶于纯乙腈，使用纯S对映体样品确定对映体洗脱顺序（EEO）。流动相组分包括乙腈、甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇及去离子水，覆盖极性有机模式和反相条件。
三、研究结果
3.1 流动相流速与柱温
理论塔板数随流速降低而增加，这是多糖手性固定相上大体积芳香族分析物的常见现象，流速降至0.2 mL·min?1时分离度可显著改善，但分析时间相应延长。柱温方面，效率随温度降低而下降，但降低温度可导致对映选择性的显著变化（包括其出现或消失）。图2b显示，较低温度下选择性的增加导致分离度提高，尽管效率有所损失。
3.2 流动相组成
所有材料在极性有机模式下均呈现U型保留趋势——乙腈与醇的混合物中保留弱于任一纯溶剂。这是从纯乙腈中较强的极性相互作用向纯醇中较弱的极性相互作用和溶剂疏效应逐渐过渡的结果。在所采用的醇类中，1-丁醇洗脱能力最强，甲醇最弱，保留随烷基链长度增加而降低。较长醇类未在任一固定相上产生独特对映选择性，且在Lux Amylose-2上未实现任何基线分离。含2-丙醇的流动相对ZLL12/（S,S,rac）的基线对映体分离至关重要，其与甲醇的组合对ZL12/（S,rac）和8SHL（S,rac）的分离度优于任一醇单独使用。在反相模式下，大多数分析物的保留随少量水的加入而显著增加，未观察到类HILIC行为，这符合液晶材料的常规特性。唯一例外是8SHL（R,rac）在Lux i-Amylose-3上于97.5/2.5乙腈/水中的保留较纯乙腈略有下降，但此现象未出现在8SHL*（S,rac）上，排除了非对映体特异性相互作用和流动相溶剂化效应，可能归因于（R,rac）异构体在直链淀粉螺旋手性沟槽内氢键位点的竞争性结合中具有更优适配。
3.3 分析物结构
G?和G?仅在手性中心对侧末端相差一个氧原子。在乙腈及富乙腈流动相中，G?在两种固定相上的保留均强于G?，含水流动相中差异最大，对应简单C8链驱动更强的疏水和π-烷基相互作用。这仅影响非对映体特异性保留，两种液晶材料在反相条件下的对映选择性几乎相同。Z12/的保留显著高于G?和G?，主要归因于额外苯甲酰基和较长末端烷基。两种固定相对Z12/的对映选择性显著更高，且Z12/是唯一出现由流动相组成诱导的对映体洗脱顺序反转的材料。基于先前研究及本研究中其他分析物均未在2-甲基丁基手性中心出现EEO反转的事实，研究人员推测不对称碳附近同时存在羰基和刚性（芳香）环是EEO反转发生的关键。ZL12/（S,rac）与8SHL（S,rac）结构相似，前者因额外苯甲酰基和较长末端烷基而保留更强，但这些结构差异远离手性中心，两种分析物在两种固定相上的对映选择性趋势几乎相同。相比之下，ZLL12/（S,S,rac）在手性中心旁比ZL12/（S,rac）多一个S-乳酸单元，此差异仅导致保留时间略增，但在所有可确定的条件下产生相反的对映体洗脱顺序，且对映选择性趋势截然不同，两种化合物在不同固定相上成功分离。对于含两个手性中心的8SHL化合物，（S,rac）和（R,rac）混合物表现出截然不同的色谱行为：（S,rac）在富醇流动相、反相条件和乙腈/2-丙醇混合物中分离，而（R,rac）在富乙腈流动相中分离。所有四种异构体的同时基线分离未能实现。乳酸手性中心的对映体分离则容易得多，即使保留因子k～1时也能获得高分离度和对映选择性。两种固定相上均发现乳酸手性中心的EEO反转：S,S和S,R对映体在较高相对介电常数的流动相（如含水流动相）中先洗脱，在较低相对介电常数的流动相（如纯丙醇）中后洗脱。
3.4 固定相
两种固定相均为氯化直链淀粉衍生物，区别在于甲基位置（5-氯-2-甲基苯基氨基甲酸酯 vs. 3-氯-5-甲基苯基氨基甲酸酯）及手性选择剂在硅胶颗粒上的锚定方式（涂敷 vs. 固定）。两种色谱柱表现出显著互补性：Lux Amylose-2上7个外消旋体中有4个实现基线分离，Lux i-Amylose-3上7个中有4个实现基线分离，仅Z12/*在两种固定相上均可分离。值得注意的是，G?和G?外消旋体仅在涂敷型Lux Amylose-2上实现基线分离——尽管在固定型Lux i-Amylose-3上保留相似或更强，但对映选择性完全缺失。由于Lux i-Amylose-3的涂敷对应物尚无市售，无法确证共价固定化是否妨碍了多糖固定相对这些分析物的对映选择性；另一种可能解释是5-氯-2-甲基苯基氨基甲酸酯直链淀粉因2-甲基取代基而具有更小的手性空腔，受限空腔可能有利于小分析物的手性识别。
四、结论
本研究通过手性高效液相色谱对一系列手性液晶材料进行了系统研究，所有研究的外消旋材料均成功实现分离。尽管含有相同的2-甲基丁基手性片段，各材料需要不同的分离条件才能获得基线分离，包括不同固定相和/或不同色谱模式（部分在极性有机模式下分离，部分在反相条件下分离），这充分显示了分析物整体结构对其对映体分离的影响。对于具有两个手性中心的8SHL化合物，第一个不对称碳上的手性构型强烈影响第二个手性中心的对映识别，（S,rac）和（R,rac）外消旋体表现出截然不同的色谱行为。对于最小分子（G?、G?和Z12/），涂敷型Lux Amylose-2提供了最佳（或唯一）成功的分离，而固定型Lux i-Amylose-3总体上对较大分析物表现更优。甲醇和2-丙醇产生部分互补的结果，而较长直链醇未提供任何鼓励其在极性有机模式中使用的结果。本研究为这些分析物的对映体分离提供了简明概述，可为未来结构类似分析物的对映选择性方法开发提供有价值的参考背景。
