キラルカラムクロマトグラフィー
化学分離技術

キラルカラムクロマトグラフィー[1] [2]は、ラセミ化合物や関連化合物などの混合物中のキラル化合物、すなわちエナンチオマーの分離に用いられるカラムクロマトグラフィーの一種です。キラル固定相（CSP）は、通常シリカベースの支持体上に、キラル試薬または多数のキラル中心を持つ高分子が結合または固定化されたものです。[3]

キラル固定相は、シリカゲルなどのアキラルな支持体の表面にキラル化合物を結合させることによって調製できます。例えば、液体クロマトグラフィーと超臨界流体クロマトグラフィーの両方で最も一般的に使用されるキラル固定相の1つのクラスは、シリカゲル上に固定化されたアミロース、セルロース、またはシクロデキストリン（特に7つの糖環を持つβ-シクロデキストリン） などのオリゴ糖[4]に基づいています。

この原理は、モノリシックHPLCカラム[5]やガスクロマトグラフィーカラム[6]、超臨界流体クロマトグラフィーカラム[7]の製造にも応用できる。

キラルカラムクロマトグラフィーの原理

キラル固定相（CSP）は、キラル認識と呼ばれるプロセスによって、2つのエナンチオマーと異なる相互作用をします。キラル認識は、分析対象物とCSP間の水素結合、π-π相互作用、双極子スタッキング、包接錯体形成、立体的相互作用、疎水性相互作用、静電的相互作用、電荷移動相互作用、イオン性相互作用など、様々な相互作用に依存し、in-situで過渡的ジア​​ステレオマー複合体を形成します。

固定相の種類のほとんどは、ピルクル型（ブラシ型）[8] [9]タンパク質ベース、[10]シクロデキストリンベース、[11]ポリマーベース炭水化物（多糖類ベースCSP）[12]大環状抗生物質、 [ 13]キラルクラウンエーテル、[14]インプリントポリマー、[15]など に分類できます。

ブラシ型カラム（ピクル型）

ブラシ型、またはピルクル型のキラル固定相[16] [17]は、π-πドナー-アクセプターカラムとも呼ばれます。いくつかの理論モデルによれば、これらのCSPにおける分離は、溶質と固定相表面に結合したキラルリガンドとの間の3点結合に基づいています。これらの相互作用は、相互の性質に応じて、引力的にも反発的にもなります。ピルクルカラムは、一方のエナンチオマーがキラル固定相に結合し、π-π結合、水素結合、立体的相互作用、および/または双極子スタッキングを介してジアステレオマー複合体を形成することで、エナンチオマーを識別します。ピルクルCSPは3つのクラスに分類できます。[18]

(i) π電子受容体

(ii) π-電子供与体

(iii) π-電子ドナー-π-電子アクセプター。

タンパク質ベースのキラル固定相

タンパク質ベースのキラル固定相は、タンパク質が固定化または結合されたシリカゲルをベースとしています。[19]タンパク質は多くのキラル中心を有するため、タンパク質と分析対象物との間のキラル相互作用のメカニズムには、疎水性相互作用、静電相互作用、水素結合、電荷移動相互作用など、キラル認識に寄与する可能性のある多くの相互作用が含まれます。タンパク質と分析対象物との間の疎水性相互作用は、移動相中の有機化合物の割合に影響されます。有機化合物含有量が増加すると、タンパク質ベースのカラムにおける保持力は低下します。

多糖類キラル固定相

天然に存在する多糖類は、キラル分離用に設計された重要なカラム群の基礎を形成しています。主な多糖類としては、セルロース、アミロース、キトサン、デキストラン、キシラン、カードラン、イヌリンが挙げられます。[20]多糖類ベースの固定相は、高い充填容量、多くのキラル中心、そして複雑な立体化学を有しており、幅広い化合物の分離に使用できます。

多糖類をベースとしたキラル固定相は、順相および逆相条件下での高い分離効率、選択性、感度、再現性、そして構造的に多様な化合物への幅広い適用性により、幅広い用途に用いられています。[21]多糖類をベースとしたキラル固定相におけるキラル相互作用のメカニズムはまだ解明されていません。しかしながら、以下の相互作用が保持に関与していると考えられています。[22]

（i）極性キラル分析物とCSP上のカルバメート基との水素結合相互作用。

(ii) CSP上のフェニル基と溶質の芳香族基との間のπ-π相互作用;

(i) 双極子間相互作用

(ii) CSPのらせん構造による立体相互作用

保持プロセスに対するこれらの影響は、多糖類誘導体の機能性、その平均分子量、サイズ分布、マクロ多孔性シリカ担体上に固定化するために使用される溶媒、およびマクロ多孔性シリカ担体自体の性質からも生じます。

シクロデキストリン（CD）キラル固定相

シクロデキストリン（CD）キラル固定相は、デンプンをシクロデキストリングリコシルトランスフェラーゼ酵素で部分分解し、続いてグルコース単位を酵素結合させてトロイダル構造を形成することによって生成されます。CDは、6個（αCD）、7個（βCD）、および8個（γCD）のグルコピラノース単位からなる環状オリゴ糖です。キラル認識機構は、一種の包接錯体形成に基づいています。錯体形成では、分析対象物のエナンチオマーの疎水性部分がキャビティの非極性内部と相互作用し、極性官能基は極性ヒドロキシルキラルキャビティ空間と水素結合を形成できます。分析対象分子がシクロデキストリンキャビティに適合するかどうかを決定する最も重要な要因は、そのサイズです。α-CDは30個の立体選択中心、β-CDは35個の立体選択中心、γ-CDは40個の立体選択中心で構成されています。分析対象物の疎水性部分がトロイドの空洞サイズより大きいか小さい場合、封入は発生しません。

大環状キラル固定相

大環状キラル固定相は、シリカ担体上に大環状抗生物質分子が結合したものである。[13]一般的に用いられる大環状抗生物質には、リファマイシン、糖ペプチド（例えば、アボパルシン、テイコプラニン、リストセチンA、バンコマイシン、およびそれらの類似体）、ポリペプチド抗生物質チオストレプトン、およびアミノグリコシド（例えば、フラジオマイシン、カナマイシン、およびストレプトマイシン）などがある。大環状抗生物質は、水素結合、分析対象物質の極性基との双極子-双極子相互作用、イオン相互作用、およびπ-π相互作用を介して分析対象物質と相互作用する。

キラルクラウンエーテル

キラルクラウン固定相は、支持粒子に固定化または結合したクラウンエーテルで構成され、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、アンモニウムカチオンとホストゲスト錯体を形成できる大環状構造を持つポリエーテルです。環状構造の骨格は、交互に配置された酸素とメチレン基で構成されています。電子供与性エーテル酸素は、クラウンキャビティの内壁内に位置し、襟のような配置でメチレン基に囲まれています。キラル認識は、生成できる 2 つの異なるジアステレオマー包接錯体に基づいています。錯体形成を促進する主な相互作用は、3 つのアミン水素と大環状エーテルの酸素の間で形成される水素結合で、三脚配置に配置されています。さらに、イオン相互作用、双極子間相互作用、または水素結合が、分析対象の炭素環式基と極性基の間で発生する可能性があり、錯体をさらにサポートします。

分析法開発

キラルクロマトグラフィーの分析法開発は、依然として様々なクラスのキラルカラムからカラムをスクリーニングすることによって行われています。[23]キラル分離のメカニズムは特定のシナリオでは理解可能であり、クロマトグラフィーカラム内の分析種の保持特性は時折解明されますが、特定のエナンチオマーペアを効果的に分離するために必要なキラル固定相（CSP）と移動相組成の正確な組み合わせは、しばしば不明瞭なままです

CSPリガンドの化学的性質は、固定相表面におけるin situジアステレオマー複合体の生成に大きな影響を与えます。しかし、移動相溶媒、その組成、移動相添加剤、カラム温度といった他の分析条件も同様に重要な役割を果たす可能性があります。エナンチオマーの最終的な分離は分子間力の組み合わせの結果であり、それらのわずかな変化でさえ分離の成否を左右する可能性があります。この複雑さにより、多様なエナンチオマーに普遍的に適用できる日常的な分析法開発プロトコルを確立することが困難になっています。実際、過去の失敗した実験の結果が、その後のステップの手がかりにならない場合もあります。したがって、実際には、キラル分析法開発の実験室環境は、高度なカラムスイッチングデバイスを用いて様々なCSPを体系的にスクリーニングするハイスループットスクリーニングプロトコル[24]のように機能し、様々な移動相の組み合わせを自動的かつ体系的に試行錯誤的に試行します[23] 。

キラル固定相は、キラル認識[17]に起因する非常に複雑な保持機構を有しており、その原理は未だ解明されていないため、分析法開発において、対象となるエナンチオマーに適切に適用できる手順を事前に予測することは、不可能ではないにしても困難であることが多い。そのため、分析法開発における標準的なアプローチは、ハイスループットスクリーニング、すなわち様々な移動相の組み合わせを用いて一連の固定相を評価または検討し、適切な分離条件を見つける可能性を高めることである。[23]

参照

参考文献

 この記事には、CC BY 4.0ライセンスの下で利用可能なCelina NazarethとSanelly Pereiraによるテキストが含まれています

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