Gaschromatographische Enantiomerentrennung an einfachen und binären chiralen Selektoren sowie Kopplung der Kapillar-Gaschromatographie mit der NMR-Spektroskopie

Abstract

Trotz Abwesenheit von funktionellen Gruppen können chirale Alkane und Cycloalkane gaschromatographisch an alkylierten Cyclodextrinen über Van der Waalssche Kräfte in die Enantiomere getrennt werden. Da unterschiedliche chirale Cyclodextrinselektoren für die Enantiomerentrennung von verschiedenen kleinen chiralen Alkanen benötigt werden, wurden in dieser Arbeit gemischte chirale Selektorsysteme entwickelt. Auf einem binären chiralen Selektor aus Chirasil-beta-Dex und Octakis(6-O-methyl-2,3-di-O-pentyl)-gamma-cyclodextrin (Lipodex G) konnte die simultane Enantiomerentrennung von allen C7-C8 chiralen Alkanen, die ein stereogenes Zentrum aufweisen, in einem gaschromatographischen Lauf erreicht werden. Mit einem weiteren binären chiralen Selektorsystem aus Heptakis(2,3-di-O-methyl-6-O-tert-butyldimethylsilyl)-beta-cyclodextrin und Octakis(6-O-methyl-2,3-di-O-pentyl)-gamma-cyclodextrin (Lipodex G) in Polysiloxan PS 086 wurde die simultane Enantiomerentrennung von allen kleinen chiralen Alkanen mit einem stereogenen Zentrum und von 17 alpha-Aminosäuren als N-(O,S)-Trifluoracetyl-alkyl-estern in einer einzigen gaschromato-graphischen Messung ermöglicht. Es wurden auf diesem gemischten binären chiralen Selektorsystem auch Enantiomerentrennungen für zahlreiche chirale Moleküle aus unterschiedlichen Substanzklassen, wie sekundäre Alkohole, Diole, Lactone und Terpene erzielt. Die Enantiomerentrennung des chiralen C5 Kohlenwasserstoffes 2,3-Pentadien (1,3-Dimethylpropadien) wurde hier erstmals erreicht.

Während Chirasil-beta-Dex bereits seit vielen Jahren erfolgreich für die Enantiomerentrennung von verschiedenen Substanzklassen eingesetzt wird, sind die kongeneren Systeme Chirasil-alpha-Dex und Chirasil-gamma-Dex noch nicht auf ihre enantiomere Trennleistung hin untersucht worden. In dieser Dissertation wurde neben Chirasil-gamma-Dex erstmals Chirasil-alpha-Dex synthetisiert und alle drei kongeneren Chirasil-Dex Systeme hinsichtlich ihrer enantioselektiven Wirkung für verschiedenen Substanzklassen miteinander verglichen. Für die Enantiomerentrennung von alpha-Aminosäuren wurde an Chirasil-alpha-Dex eine beachtliche Enantioselektivität festgestellt. Zahlreiche Selektanden zeigten deutlich höhere Trennfaktoren und bessere Auflösungen an Chirasil-alpha-Dex als an dem kommerziell verfügbaren Selektor Chirasil-beta-Dex. An Chirasil-gamma-Dex konnte nur für wenige Selektanden eine ausreichende Enantioselektivität beobachtet werden. Es wurde in dieser Arbeit auch der Einfluss der Immobilisierung für das permethylierte alpha-Cyclodextrin untersucht. Dazu erfolgte eine Gegenüberstellung der enantiomeren Trennleistung von Chirasil-alpha-Dex und von in Polysiloxan gelöstem Permethyl-alpha-cyclodextrin für verschiedene Selektanden. Bisher ist permethyliertes alpha-Cyclodextrin nur in der in Polysiloxan gelösten Form kommerziell erhältlich. In dieser Arbeit konnte jedoch gezeigt werden, dass die enantiomere Trennleistung des immobilisierten permethylierten alpha-Cyclodextrin dem gelösten System deutlich überlegen ist.

Die Kapillar-GC-NMR-Spektroskopie stellt eine neue Kopplungsmethode zur Strukturaufklärung von organischen Molekülen dar und ist damit eine interessante und sinnvolle Ergänzung zu der etablierten GC-MS-Methode für Stereoisomere. Eine genaue stereochemische Analyse erscheint nur mithilfe der NMR-Spektroskopie möglich. Auch kann ein sicherer Nachweis von Enantiomeren nur über das Vorliegen von zwei exakt identischen NMR-Spektren erfolgen. In einem ersten Kapillar-GC-NMR-Experiment wurde die Auftrennung und online-Detektion eines Lösungsmittelgemisches erreicht. Obwohl die Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie im Gegensatz zur Empfindlichkeit der Kapillar-GC gering ist, war es möglich, Durchfluss-1H-NMR-Messungen durchzuführen, was eine intermediäre Strukturaufklärung der Analytmoleküle erlaubt. Die weiteren beschriebenen Ergebnisse berichten über die unseres Wissens ersten Trennungen von Stereoisomeren und deren online-Durchfluss-NMR-Detektion in der Gasphase. Im Gegensatz zur massen-spektrometrischen Detektion ist es nun möglich, zwischen verschiedenen Stereoisomeren zu unterscheiden und eine stereochemische Identifizierung der Moleküle zu erhalten. Es gelang auch die Durchführung von stopped-flow-Messungen, was für die Analyse von Selektanden mit sehr niedrigen Konzentrationen notwendig ist. Eine erstmalige gaschromatographische Trennung und online-NMR-Detektion von Enantiomeren wurde in dieser Arbeit erreicht.

Despite the absence of functional groups chiral alkanes and cycloalkanes can be enantioseparated by gas chromatography on alkylated cyclodextrins based upon enantioselective Van der Waals forces. As different chiral selectors are required for the enantioseparation of several small chiral alkanes mixed binary chiral selectors has been developed in this work. On a binary chiral selector containing Chirasil-beta-Dex and octakis(6-O-methyl-2,3-di-O-pentyl)-gamma-cyclodextrin (Lipodex G) the simultaneous enantioseparation of all C7-C8 chiral alkanes possessing one stereogenic centre in one gas chromatographic run could be achieved. With a further binary chiral selectorsystem consisting of heptakis(2,3-di-O-methyl-6-O-tert-butyldimethylsilyl)-beta-cyclodextrin and octakis(6-O-methyl-2,3-di-O-pentyl)-gamma-cyclodextrin (Lipodex G) diluted in polysiloxane PS 086 the simultaneous enantioseparation of all small chiral alkanes with one stereogenic centre and of 17 alpha-amino acids as N-(O,S)-trifluoroacetyl-alkyl-esters in a single gas chromatographic measurement has become possible. Also the enantioseparations of scores of chiral molecules from other substance classes such as secondary alcohols, diols, lactones and terpenes were obtained on this binary chiral selectorsystem. The enantioseparation of the chiral C5 hydrocarbon 2,3-pentadiene (1,3-dimethylpropadiene) was achieved here for the first time.

Whereas Chirasil-beta-Dex is applied for the enantioseparation of several substance classes successfully since many years the congener systems Chirasil-alpha-Dex and Chirasil-gamma-Dex has not yet been tested upon their enantioseparation activity. In this dissertation beside Chirasil-gamma-Dex Chirasil-alpha-Dex was synthesized for the first time and all three congener Chirasil-Dex systems were compared regarding their enantioselective action for different substance classes. For the enantioseparation of alpha-amino acids a remarkable enantioselectivity on Chirasil-alpha-Dex was discovered. Numerous selectands showed clearly higher separation factors and better resolutions on Chirasil-alpha-Dex than on the commercially available selector Chirasil-beta-Dex. On Chirasil-gamma-Dex a sufficient enantioseparation could be observed only for a few selectands. Also in this work the influence of immobilization was studied for permethylated alpha-cyclodextrin. Thereto a comparison of the enantioseparation activity of Chirasil-alpha-Dex and of permethylated alpha-cyclodextrin diluted in polysiloxane was carried out for several selectands. Hitherto permethylated alpha-cyclodextrin is only commercially available in the diluted form. In this work it could be demonstrated that the enantioseparation activity of immobilized permethylated alpha-cyclodextrin is clearly superior to the diluted system.

Capillary-GC-NMR-spectroscopy represents a novel hyphenation method for the structure elucidation of organic molecules and is therewith an interesting and expedient completion to the established GS-MS-method for stereoisomers. An exactly stereochemical analysis seems to be only possible via NMR-spectroscopy. Item assured confirmation of enantiomers can only be carried out by the existence of two identical NMR-spectra. In a first capillary-GC-NMR-experiment the separation and online-detection of a mixture of solvents was achieved. Although sensitivity of NMR-spectroscopy contrary to sensitivity of capillary-GC is low the performance of continuous-flow-1H-NMR-measurements was possible permitting intermediate structure elucidation of analyte molecules. Further described results give account of to our knowledge the first separation and online-continuous-flow-NMR-detection of stereoisomers in the gas phase. In contrary to detection via mass spectrometry it is possible to distinguish between different stereoisomers and to obtain a stereochemical identification of the molecules now. Also the performance of stopped-flow-measurements succeeded, which is required for the analysis of selectands with very low concentrations. The gas chromatographic separation and online-NMR-detection of enantiomers was achieved in this work for the first time.