Paweł Dżygiel, Piotr P. Wieczorek
3. ROZDZIAŁ ENANCJOMERÓW Z ZASTOSOWANIEM MEMBRAN
Spośród wielu technik stosowanych do rozdziału poj edynczych substancji, bądź grupy związków chemicznych z różnorodnych mieszanin, bardzo intensywnie roz wijają się techniki membranowe. Separacja z zastosowaniem membran, w porów naniu z innymi sposobami wydzielania charakteryzuje się tym, że można uzyskać bardzo dużą wydajność przy jednoczesnym niskim koszcie, a także łagodnych wa runkach prowadzenia procesu [20],
Do rozdziału enancjomerów stosowano różnorodne układy membranowe, w których zarówno materiał membranowy był chiralny, jak również takie, gdzie do układu z achiralną membraną wprowadzano oddzielny czynnik dyskryminujący chi- ralnie. Może to być układ, w którym stosuje się membrany wykonane z chiralnych polimerów lub membrany, do których wprowadzono chiralny związek spolimery- zowany plazmowo. Kolejny sposób to wykorzystanie achiralnych membran stałych, z jednoczesnym zastosowaniem chiralnego czynnika dyskryminującego, obecnego w jednej z rozdzielanych faz. Do rozdziału enancjomerów wykorzystuje się rów nież membrany ciekłe, stosując albo chiralną ciecz organiczną, albo chiralne prze
nośniki wprowadzone do achiralnej fazy ciekłej. Membrany stosowane są również w procesach, w których związek optycznie aktywny uzyskiwany jest w wyniku reakcji chemicznej. W tym przypadku, membrana użyta jest do odseparowania pro duktów takiej reakcji, bądź też jest stosowana jako nośnik dla chiralnego katalizato ra (tzw. membrany katalityczne), jednak w przypadku tych dwóch układów rozdział nie polega na stereoselektywnym wiązaniu/kompleksowaniu, jak w pozostałych tech nikach membranowych, ale na asymetrycznej reakcji chemicznej. W związku złym, nie będą tutaj one opisywane, a zainteresowani mogą znaleźć informacje na ten temat w literaturze [4, 21],
3.1. CHIRALNE MEMBRANY POLIMEROWE
Membrany wykonane z chiralnych polimerów, poza zapewnieniem chiralności poprzez obecność odpowiedniego polimeru, powinny charakteryzować się przede wszystkim dużą ilością jednolicie rozłożonych w polimerze miejsc wiążących. Me chanizm transportu w takiej membranie polega na prostym przepływie roztworu racemicznego przez membranę. Enancjomer silniej oddziaływujący z polimerem, powinien być zatrzymywany w membranie. Podobieństwo tego mechanizmu do chromatografii powinowactwa pozwoliło nazwać takie membrany membranami powinowactwa (ang. affinity membranes). Jednym z przykładów zastosowania mem bran chiralnych są amfifilowe membrany otrzymane z pochodnych kwasu poli(L- glutaminowego), posiadające łańcuch boczny zbudowany z długiego hydrofitowe go fragmentu oligooksoetylenowego. Taka budowa polimeru zapewniała utworze nie a-helikalnego poli(aminokwasowego) układu, zapewniającego chiralność mem brany. Membranę taką zastosowano do rozdziału enancjomerów tryptofanu (Trp) i tyrozyny (Tyr), a uzyskana enancjoselektywność była dosyć wysoka i wynosiła 8,40 [22], Kolejną ilustracją zastosowania chiralnych membran polimerowych do rozdziału enancjomerów aminokwasów jest membrana, otrzymana z /3-pinenu, wbu dowanego poprzez atom krzemu, w łańcuch poli(dimetylo)propylosiloksanowy. Ma teriał taki o nazwie (+)-poli(l-[dimetylo(10-pinalilo)]sililo)-l-propen zastosowany został do rozdziału enancjomerów Trp, w wyniku czego otrzymano izomer L-Trp z 86% nadmiarem enancjomerycznym [23]. Innym materiałem, który wykorzystano do uzyskania chiralnej membrany, był polimer składający się z fosfoazenowego sześcioczłonowego pierścienia, do którego przyłączone były łańcuchy poli(7-ben- zylo-L-glutaminianu). Struktura takiego łańcucha powoduje, że przyjmuje on kon formację a-helisy, co w rezultacie doprowadza do samoorganizacji cząsteczek poli meru w wiązki cc-helis. W związku z tym, że tak otrzymany polimer nie był substan cją stałą został on unieruchomiony w membranie teflonowej. W wyniku przepro wadzonych badań transportu enancjomerów: Phe, Trp i Tyr, otrzymano nadmiar enancjomeryczny dla Phe i Tyr odpowiednio 60% i 30%, natomiast, co ciekawe, nie zaobserwowano żadnego rozdziału enancjomerów tryptofanu [24].
952 P. DŻYGIEL, P.P. WIECZOREK
Jednym z typów membran stosowanych do rozdziału enancjomerów są mem brany, w których integralną część stanowi chiralny związek spolimeryzowany pla zmowo w obecności porowatej membrany celulozowej. Taki sposób preparacji mem brany ma za zadanie zapewnienie jej dużej trwałości, przy jednoczesnym znacznym transporcie masy w porównaniu z membranami nieporowatymi. Membrany tego typu zastosowano do stereoselektywnego rozdziału aminokwasów aromatycznych. Transport tych substancji odbywał się przez membranę z octanu celulozy, w której porach umieszczone zostały plazmowo spolimeryzowane terpeny, takie jak: (+) mentol ((IS,2R,5S) 2-izopropylo-5-metylocykloheksanol), S-citronellol, /{-limonen, i S-bomeol. Największą enancjoselektywność uzyskano dla membrany z (-) mento lem; w przypadku Trp wynosiła ona 9,5 [25, 26],
3.2. MEMBRANY Z ODCIŚNIĘTYM ŚLADEM CZĄSTECZKI
Kolejnymi membranami, przy zastosowaniu których podjęte zostały próby roz działu stereoizomerów, to membrany uzyskane z polimeru z odciśniętym śladem cząsteczki. Przykładami takich membran, użytych do separacji enancjomerów ami nokwasów, są membrany uzyskane przez modyfikację żywicy polistyrenowej za pomocą tripeptydów, np. H-Asp(OcHex)-Ile-Asp(OcHex)-Glu(OBzl), gdzie (cHex - grupa cykloheksylowa, Bzl - grupa benzylowa). W tak uzyskanych polimerach odciśnięto ślad Boc-L-Trp i zastosowano je jako membrany do rozdziału racema- tów aminokwasów. Okazało się, że membrany tego typu wykazują preferencję w stosunku do form L różnych aminokwasów (np. Trp, Glu, Arg), jednakże enan cjoselektywność procesu była niewielka ( a = 1-2) i była zależna od zastosowanego tripeptydu, pochodnej aminokwasu służącej jako substancja odciskająca ślad, i ro dzaju transportowanego aminokwasu [27-29].
3 3 . ACHIRALNE MEMBRANY Z CHIRALNYM CZYNNIKIEM DYSKRYMINUJĄCYM
Innym z zastosowań membran do rozdziału enancjoselektywnego jest wyko rzystanie achiralnej membrany stałej, z jednoczesnym zastosowaniem chiralnego czynnika dyskryminującego. Jedną z możliwości jest związanie w membranie se lektora zdolnego do preferencyjnego wiązania enancjomeru. Można również użyć membranę achiralną, która rozdziela dwie fazy, natomiast niezwiązany czynnik chi ralny znajduje się w jednej z faz [30], W takiej sytuacji parametry membrany muszą być dobrane w taki sposób, aby chiralny selektor nie był transportowany przez mem branę, natomiast transport rozdzielanej substancji przebiegał bez ograniczeń. Enan- cjomery mieszaniny racemicznej wprowadzone do fazy zawierającej chiralny se lektor są wiązane przez niego w różnym stopniu. Następnie wymuszony zostaje przepływ związków przez membranę (najczęściej w procesie ultrafiltracji).
Enan-cjomer wiążący się silniej z selektorem jest transportowany w mniejszym stopniu, co oznacza, że faza odbierająca jest wzbogacana w drugi, słabiej wiązany stereoizo- mer. Tego typu układy separacyjne zostały zastosowane w procesie ultrafiltracyj- nym do rozdziału racemicznych mieszanin: leucyny, fenyloalaniny i tryptofanu. Jako czynnik dyskryminujący zastosowano albuminę wołową (BSA), unieruchomioną w polisulfonowej membranie stałej oraz BSA znajdującą się w formie niezwiązanej w fazie źródłowej. Przedstawione wyniki porównania tych dwóch typów układów separacyjnych wskazują, że osiągnięta selektywność jest na poziomie ok. 1,25 dla wszystkich trzech aminokwasów (preferowana forma L), gdy BSA jest wiązana w membranie. Natomiast dla układu z wolnym białkiem różnice w selektywności enancjomerów są mniejsze i wynoszą 1,1 dla obu aminokwasów aromatycznych. Co ciekawe, dla leucyny obserwuje się wzbogacenie w formę D. Różnice te sąprzy- pisywane innej konformacji BSA związanej w membranie niż tej znajdującej się w roztworze [31]. Inna możliwość separacji enancjomerów aminokwasów, tym ra zem za pomocą małocząsteczkowego czynnika dyskryminującego, chiralnie immo- bilizowanego w porowatej membranie, przedstawia Masawaki i wsp. [32], W tym przypadku chiralnym selektorem była L-fenyloalanina związana w porach polisul fonowej membrany ultrafiltracyjnej. Badano transport mieszaniny racemicznej przez taką membranę i okazało się, że enancjoselektywność procesu, w zależności od ciś nienia transmembranowego, wynosiła od 1,25 do 4,10. Ciekawym przykładem za stosowania procesu filtracji do separacji enancjomerów aminokwasów może być możliwość ich rozdziału za pomocą chiralnych miceli. Do tego celu wykorzystano mieszane micele, utworzone z niejonowego surfaktantu i hydrofobowych, choleste rolowych i «-dodecylowych pochodnych glutaminy. Po wprowadzeniu do układu jonów miedzi(II), na powierzchni miceli tworzą się kompleksy, w których liganda- mi są polarne fragmenty glutaminowe chiralnego surfaktantu oraz jeden lub drugi enancjomer aminokwasu. Dyskryminacja chiralna spowodowana jest w tym przy padku różnicami w sile oddziaływań poszczególnych enancjomerów jako ligandów takich kompleksów. Okazało się, że uzyskany nadmiar enancjomeryczny jest zależ ny od struktury łańcucha bocznego aminokwasu i jego hydrofobowości, a także od struktury chiralnego środka powierzchniowo czynnego i zawiera się w granicach od kilku od kilkudziesięciu procent (najlepszy dla o-metylotyrozyny wynosił ok. 40%). Silniej wiązanym enancjomerem był enancjomer D, co oznacza, że w fazie odbierającej w nadmiarze obecna była forma L aminokwasu [33].
3.4. CIEKŁE MEMBRANY W SEPARACJI STEREOIZOMERÓW
Kolejnymi membranami, za pomocą których podjęto próby stereoselektywne- go rozdziału związków organicznych, są membrany ciekłe. Membrany tego rodza ju, jak wskazuje nazwa, utworzone są z fazy ciekłej (najczęściej organicznej), która rozdziela inne dwie fazy, również ciekłe (wodne). Podstawowym warunkiem utwo rzenia tego typu układu membranowego jest brak możliwości mieszania się faz,
954 P DZYGIEL, P P WIECZOREK
podobnie jak w przypadku ekstrakcji. W praktyce stosowane są trzy rodzaje mem bran ciekłych (Rysunek 2).
Faza akceptorowa Faza donorowa F a z a membranowa
Rysunek 2. Ciekle membrany grubowarstwowe
Najprostszy z nich to ciekłe membrany grubowarstwowe (BLM) czyli po pro stu umieszczone w U-rurce lub podobnym naczyniu trzy fazy. Rozmieszczone są one w taki sposób, że faza membranowa znajduje się w zgięciu naczynia, natomiast fazy wodne w ramionach. Drugim rodzajem membran ciekłych są ciekłe membrany unieruchomione (SLM), w których faza organiczna jest umieszczona w porach po rowatej membrany polimerowej (np. ultrafiltracyjnej) (Rysunek 3). Trzeci rodzaj to ciekłe membrany emulsyjne (ELM), które są uzyskiwane poprzez rozproszenie emulsji typu woda/olej w kolejnej fazie wodnej, co prowadzi do utworzenia układu trójfazowego woda/olej/woda stabilizowanego przez dodatek surfanktantu
(Rysu-Faza membranowa
Fart Faza
nek 4) [34,35]. Wszystkie wymienione membrany ciekłe zostały użyte do separacji enancjomerów aminokwasów i ich pochodnych. W przypadku membran ciekłych uzyskanie warunków, w których możliwy byłby enancjoselektywny transportu tych związków, może być realizowany na dwa sposoby. Pierwszy z nich to zastosowanie chiralnego rozpuszczalnika, który stanowiłby fazę membranową (Rysunek 5). Dru gą możliwością jest użycie chiralnych przenośników wprowadzonych do achiralnej fazy membranowej (Rysunek 6). W takiej sytuacji transport związku może być re alizowany za pomocą takich mechanizmów transportu, jak dyfuzja prosta (chiralna faza organiczna) i ułatwiona, transport przenośnikowy na zasadzie współtransportu (synport) i przeciwtransportu (antyport) [35], Zwiększa to dodatkowo ilość opcji w projektowaniu tego typu procesów separacji enancjomerów. W Tabeli 2 przedsta wiono przykłady transportu enancjomerów aminokwasów i ich pochodnych, uwz ględniono również rodzaj membrany jaki został zastosowany do realizacji tego celu.
a) k) Fma donorowa Faza akceptorowa
I donorowa Faza akceptorowa ^ Faza membranowa’ Włókno kapilarne Faaa membranowa Faza donorowa i Faza akceptorowa
956 P DZYGIEL.PP WIECZOREK Faza wewnętrzna (wodna) Homogerazator Faza membranowa (olejowa) c , . Emulsja woda/olej
Rysunek 4. Sposób preparacji ciekłych membran emulsyjnych
&
OH
H
V °
N - N “ y V 'y ""'*C° °D
C° D
C°
~OMe MeO"D
958 P. DŻYGIEL, P.P. WIECZOREK
Tabela 2. Przykłady enancjoselektywnego transportu aminokw asów i ich pochodnych przez ciekle membrany
Związek Czynnik dyskryminujący selektywnośćEnancjo- membranyTyp Piśm. aminokwasy nopol, (25)-(-)-metylobutan-l-ol do 1,27 SLM [36] aminokwasy chiralne etery koronowe do 9,5 BLM, SLM [12,37-40]
Tip, Phe chiralne bipirazole BLM [41]
aminokwasy chiralne kompleksy ligandów
diaminowych z Cu(II) do 2,30 SLM [42,43] Phe z ]V-decylo-(L)-hydroksyprolinąkompleks Cu(II) 2,40 ELM [44] Phe, Trp, Tyr koniugat szafiryny i lasalocydu BLM [45]
/3-Phe fosforan dipentylo-l-(N-L-
boronyloaminol-l -metylowy 1,30 SLM [46] aminokwasy
aromatyczne i ich alkilowe estry
chiralne estry alkoholi terpenowych i kwasów fosforowego
i fosfinowego
1,02-1,43 SLM [47,48]
fenyloglicyna cynchonidyna 1,50 BLM [49]
a-benzyloaminy tetranaftylowy eter koronowy Do 1,90 BLM [50] cr-benzyloaminy,
PheOMe makrocykliczne 1,2,4-triazole od 1,30 do 5,50 BLM, SLM [15,51] Z-aminokwasy
aromatyczne, Z-dipeptydy
dipeptydowe pochodne eteru
lariatowego do 1,5 BLM [52]
Bz-Ala, Bz-Phe koniugaty oligopeptydów
i eteru koronowego od 1,06 do 1,42 BLM [53] JV-acetyloPhe sterydowa pochodna guanidyny 13 BLM [54] estry aminokwasów makrocykliczne pseudopeiydy od 1,03 do 2,10 BLM [55]
dipeptydy,
fosfonodipeptydy niechiralny eter koronowy od 1,10 do 2,10 SLM [56,57] Z - grupa benzoksykarbonylowa, Bz - grupa benzoilowa, lub benzyloksykarbonylowa
Jak przedstawiono w Tabeli 2 różnorodność chiralnych substancji, które zosta ły użyte jak czynnik powodujący dyskryminację chiralnąjest duża. Stopień skom plikowania struktury jest również bogaty, od cząsteczek o stosunkowo prostej bu dowie, poprzez kompleksy metali, związki makrocykliczne, aż do rozbudowanych cząsteczek, będących koniugatami różnych elementów strukturalnych (Rysunek 6). Można zatem także zauważyć, iż projektując odpowiednie przenośniki brano pod uwagę prawie wszystkie możliwości niekowalencyjnego, stereoselektywnego wią zania transportowanego związku z chiralnym przenośnikiem. Spotkać zatem można oddziaływania typu jonowego, wiązania wodorowe, wiązania koordynacyjne me tal—ligand, oddziaływania steryczne lub hydrofobowe i współdziałanie tych oddzia ływań dla przenośników o rozbudowanej strukturze. Wiadomo również, że amino kwasy i ich pochodne występują w roztworach wodnych w formie jonowej. W
związ-ku z tym budowa przenośnika musi być zaprojektowana w taki sposób, który dałby możliwość wiązania obecnej w fazie źródłowej formy aminokwasu. W rezultacie, wymusza to mechanizm transportu, który zapewniłby przenoszenie jonów. Dlatego też w większości przypadków transport przebiegał poprzez zjawisko współtransportu (np. etery koronowe) i przeciwtransportu (np. chiralne estry kwasów fosforowych). Jak można również zauważyć z Tabeli 2, podobnie jak w przypadku ekstrakcji rów nowagowej, prezentowane przenośniki charakteryzują się umiarkowaną enancjose- lektywnością rzędu kilku jednostek.
4. ZASTOSOWANIE EKSTRAKCJI I UKŁADÓW MEMBRANOWYCH