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Versuche zur chromatographischen racemattrennung an synthetischen asymmetrischen polymeren.

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Die Angewandte Makromolekulare Chernie 24 (1972) 51-76 ( N r . 326)
Aus dem Institut fur Organische Chemie der Freien Universi tat Berlin
Versuche zur chromatographischen Racemattrennung
an synthetischen asymmetrischen Polymeren
Von GEORG
MANECREund WOLFGANG
LAMER
(Eingegangen am 15. September 1971)
ZUSAMMENFASSUNG :
Sulfochloriertes und chlormethyliertes Polystyrol wurde mit D-a-PhenylBthylamin, D-Ephedrin, D-Alanin, L-Alanin, L-Alaninmethylester, L-Alaninbenzylester,
L-Phenylalanin End D-a-Aminophenylessigsliure zu asymmetrisch gebauten Polymeren umgesetzt. Diese wurden als spezifische Adsorbentien fur die chromatographische Auftrennung von Racematen eingesetzt.
Der EinfluB verschiedener Substituenten am asymmetrischen Zentrum der
Polymeren wie der Racemate auf die Trennwirkung bzw. Trennbarkeit wurde
uritersucht .
DL-Mandelsaure und DL-or-Amino-phenylessigeaurekonnten mit verschiedenen
Elutionsmitteln an den Polymeren &us Polystyrolsulfonsllurechlorid und optisch
aktiven Aminosiiuren partiell aufgetrennt werden. Die Polymeren aus Polystyrolsulfonsaurechlorid und L-Alaninestern zeigten erst nach der Verseifung der
Estergruppen zu freien Carboxylgruppen stereoselektives Adsorptionsvermogen.
Ein Austausch der Carboxylgruppe am asymmetrischen C-Atom gegen eine Methylgruppe fuhrte bei den Polymeren wie bei den Racematen zum Verlust der Trennwirkung bzw. Trennbarkoit. Ein Austausch von Phenyl- gegen Benzyl- oder
Methylgruppen hatte bei den Racematen einen vie1 starkeren EinfluB auf den Trenneffekt als bei den Polymeren. I m Vergleich zu einer (-CHz-NH-)-Briicke
begunstigte eine (-SOz-NH-)-Briicke
zwischen dem Tragerpolymeren und der opt isch aktiven Komponente die Trennwirkung.
Als Ursache der partiellen Auftrennung von Racematen wurde eine unterschiedlich feste Bindung der Antipoden iiber Wasserstoffbriicken an die Polymeren
mgenommen.
SUMMARY:
Sulphochlorinated and chloromethylated polystyrene reacted with D-a-phenylethylamine, D-ephedrine, D-alanine, L-alanine, L-alanine methyl ester, L-alanine
benzyl ester, L-phenyl-alanine and D-a-aminophenylacetic acid yielding asymmetric
polymers. These polymers were used as specific adsorbents for the chromatographic
resolution of racemates.
The influence of the different substituents in the asymmetric centre of the polyiners and the racemates on the resolution was investigated.
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G. MANECKEund W. LAMER
DL-Mandelic acid and DL-a-aminophenylacetic acid could be partially resolved,
using different eluents, on the polymers, prepared from polystyrenesulphonyl
chloride and optically active amino acids.
Polymers prepared from polystyrenesulphonyl chloride and L-alanine esters
showed stereoselective adsorption power only after the saponification of the ester
groups to the free carboxyl groups.
An exchange of the carboxyl group by a methyl group on the asymmetric C-atom
of the polymers and also of the racemates leads to a loss of resolution activity,
-respectively- separability. The replacement of the benzyl- or methyl-groups by a
phenyl group showed a much greater influence on the resolution effect in the racemates than in the polymers. The presence of a (-SO2-NH-)-bridge,
in comparison to a (-CHz-NH-)-bridge,
between the matrix polymer and the optically active component increased the resolution activity.
The difference in the firmness of the binding of the antipode over a hydrogen
bridge linkage in the polymer was thought to be the reason for the partial resolution of the racemates.
Die Trennung von Racematen in die optischen Antipoden ist fur Wissenschaft
und Technik eine wichtige Aufgabe. Die hauptsachlich angewandten Methoden
besitzen eine Reihe von Nachteilen. Die Umsetzung mit einem optisch aktiven
Hilfsstoff zur Bildung von Diastereomeren setzt das Vorhandensein funktioneller Gruppen sowohl beim Racemat als auch bei der Hilfssubstanz voraus, und
die biochemische Racemattrennung ist nur fur bestimmte Verbindungen anwendbar.
Da die Saulenchromatographie bei schwierigen Trennproblemen sehr gute
Ergebnisse geliefert hat, lag es nahe, Racemattrennungen mit Hilfe spezifischer
Adsorbentien zu versuchen. Sind in einem Polymeren Asymmetriezentren enthalten, so ist es denkbar, da13 die Antipoden eines Racemates unterschiedlich
stark adsorbiert werden. I m Idealfall konnte man dann auf die mit einem solchen spezifischen Adsorptionsmittel gefullte Saule das Racemat auftragen, mit
Losungsmitteln eluieren und dann aus dem Eluat nacheinander die reinen, optisch aktiven Komponenten isolieren. Ein solches Verfahren hatte gegenuber
den klassischen Verfahren groBe Vorteile.
Der EinfluB bestimmter Substituenten am Asymmetriezentrum von Racematen auf deren chromatographische Trennbarkeit ist bisher nur an Biopolymeren systematisch untersucht worden. Die an synthetischen asymmetrischen
Polymeren gewonnenen Erkenntnisse sind noch sehr unvollstandig. Einen zusammenfassenden Uberblick iiber den heutigen Stand der Untersuchungen gibt
eine Veroffentlichung von LOSSE
und KUNTZE~.
I n der vorliegenden Arbeit wurden optisch aktive Polymere synthetisiert, als Adsorbentien fur die chromatographische Auftrennung von Racematen eingesetzt und sowohl in den Polymeren als auch in den Racematen der EinfluB verschiedener Substituenten am
asymmetrischen Zentrum auf die Trennwirkung untersucht.
52
Versuehe zur chromatographischen Raeemattrennung
Zur Darstellung von optisch aktiven Polymeren sind mehrere Verfahren bekannt2. Von diesen wahlten wir die Umsetzung von reaktionsfahigen optisch
inaktiven Polymeren mit niedermolekularen optisch aktiven Verbindungen aus,
da dieses Verfahren besonders variabel ist.
Die Herstellung der Polymeren erfolgte durch Umsetzen von chlorsulfoniertern oder chlormethyliertem Polystyrol mit niedermolekularen, Aminogruppen
enthaltenden optisch aktiven Verbindungen, die sich durch bestimmte, am asymmctrischen C-Atom haftende Liganden unterschieden.
Zum Vergleich der Trennwirkung wurde zunachst an allen eingesetzten Polymeren ein saures, ein basisches und ein amphoteres Racemat (DL-Mandelsaure,
DL-Phenylathylamin, DL-a-Amino-phenylessigsaure) jeweils rnit Wasser, 1 n HCI,
1 n KC1 und 0,l n KOH/l n KC1 chromatographiert. Die Gesamtkonzentration
(L- und D-Form) der chromatographierten Testracemate in Eluat konnte durch
1JV-Absorptionsmessungen bis auf 0,Ol mg/ml bestimmt werden, der oberschufi
cines Antipoden (optische Reinheit) durch Drehwertmessung im UV (bei 313 nm)
bis auf 0,002 bis 0,010 mg/ml. Die angegebene prozentuale optische Reinheit ist
der Uberschufi des einen Enantiomeren, ausgedruckt in Prozent der Gesamtkonzentration von L- und D-Form.
Die Trennversuche wurden in temperierbaren Saulen durchgefuhrt, deren Abrnessung in den meisten Fallen 40 x 1 cm betrug.
Versuche an Polymeren aus Polystyrolsulfonsaurechlorid und optisch
aktiven A m i n e n
Ausgangsmaterial war ein mit 2% DVB vernetztes Polystyrol (Perlpolymerisat, 200 bis 400 mesh). Nach Sulfochlorierung3 (0,90 -SOzCl-Gruppen pro
Styrolkern) wurde das Polymere mit den entsprechenden Aminen zu Poly(styrol-sulfonyl-D-c-phenyl-athylamin)
(I) und Poly(styro1-sulfonyl-D-ephe&in) (11) enthaltenden Polymeren umgesetzt.
-CH-CHz-
-CH-CHz-
I
I
I
CH3
I
SOz-N-C--/-\
1 I \J
H H
I
CH3 H
I
I
I
I
CH3H
I
I
OH
I1
Da die schwere Hydrolysierbarkeit der Arylsulfonamide bekannt ist, konnte
man auch bei den Polymeren eine ausreichende chemische Stabilitat erwarten.
53
G. MANECKEund W. LAMER
Beim Eluieren von 150 mg DL-Mandelsaure mit Wasser wurden sowohl beim
Einsatz von I als auch von I1 zuerst negativ und dann positiv drehende Fraktionen erhalten. Die Drehwerte waren jedoch so klein, daB sie nur im UV deutlich mel3bar waren und die maximal erreichte optische Reinheit 0,2% (an I)
bzw. 0,8 yo (an 11)nicht iiberstieg.
DL-a-Amino-phenylessigsaure, die aufgrund der besseren Loslichkeit als
Hydrochlorid eingesetzt wurde, lie13 sich mit Wasser nicht eluieren, sie wurde
von den Polymeren zuruckgehalten. Die Elution von DL-Mandelsaure, DL-aAmino-phenyl-essigsaureund DL-a-Phenylathylamin mit 1 n HCl, 0,l n KOH/1
n KC1 oder 1 n KC1 fuhrte nur zu schwach negativ drehenden Fraktionen. Da im
Eluat keine positive Drehung gemessen werden konnte, die eingesetzten Racemate aber quantitativ zuriickgewonnen wurden, ist anzunehmen, da13 die im
Eluat festgestellte optische Aktivitat hier von der optisch aktiven Komponente der Polymeren stammt.
Versuche a n Polymeren aus Polystyrolsulfonsaurechlorid
und optisch aktiven Aminosauren
Die etwas bessere Trennwirkung von I1 im Vergleich zu I ist moglicherweise
auf die am Asymmetriezentrum von I1 sitzende OH-Gruppe zuriickzufuhren.
Es sollte daher der EinfluB anderer chromatographisch wirksamer Gruppen am
Asymmetriezentrum der Polymeren auf die Trennwirkung untersucht werden.
Als optisch aktive Komponenten der Polymeren schienen Aminosauren geeignet, weil deren asymmetrisches C-Atom direkt mit der polaren, zum Ionenaustausch oder zur chromatographischen Adsorption befahigten Carboxylgruppe
verbunden ist. Zunachst wurde Polystyrolsulfonsaurechloridmit D-a-Aminophenyl-essigsaure zum Polymeren I11 umgesetzt. Diese Aminosaure unterscheidet sich vom schon untersuchten D-a-Phenylathylamin (Polymeres I) nur dadurch, da13 die Methylgruppe am asymmetrischen C-Atom durch eine Carboxylgruppe ersetzt ist. Da die anderen Substituenten in beiden Verbindungen gleich
sind, konnen bei unterschiedlicher Trennwirkung von I und I11 Aussagen iiber
den Einflu5 dieser Gruppen gemacht werden.
Orientierende Versuche ergaben, da13 I11 wesentlich bessere Trenneigenschaften als I besal3. Daher wurden als weitere Aminosauren L-Alanin und L-Phenylalanin mit Polystyrolsulfonsaurechlorid zu den Polymeren IV und V umgesetzt, um durch Vergleich der Trennwirkung von 111,IV und V zu klaren, wie
sich der Ersatz der Phenylgruppe am asymmetrischen C-Atom der Polymeren
durch die Methyl- bzw. Benzylgruppe auswirkt.
Die Umsetzung des Polystyrolsulfonsaurechlorids mit den entsprechenden
Aminosauren zu Poly(styrol-sulfonyl-D-a-amino-phenylessigsaure)(111),
54
Versuche zur chromatographischen Racemattrennung
Poly(styro1-sulfonyl-L-alanin)
(IV) und Poly(styro1-sulfonyl-L-phenylalanin)
(V) enthaltenden Polymeren wurde in einem Dioxan/Wasser-Gemisch mit einem
dreifachen UberschuB an Aminosiiuren ausgefuhrt. Ein Zusatz von Triathylamin diente als Saureacceptor.
-CH-CH2I
I
R-C-COOH
H
I
R
= -CH,
R = - C H , a
IV
V
I n I11 wurden 49 Yo, in I V 61 yo und in V 62 yodes ursprunglich im Polystyrolsulfonsaurechlorid vorhandenen Chlors durch die Aminosauren ersetzt. Der
nicht mit den Aminosauren reagierende Teil der Chlorsulfonylgruppen ging in
Su lfonsauregruppen uber.
Zum Vergleich der chromatographischen Trennwirkung wurden die Polymeren zunachst in der H-Form eingesetzt, jeweils 110 mg DL-Mandelsaure auf die
Saulenpackung gegeben und mit Wasser eluiert. Die Durchlaufgeschwindigkeit
betrug 3 ml pro Stde., da sich in vorhergehenden orientierenden Versuchen mit
Durchlaufgeschwindigkeiten von 3, 6, 12 und 25 ml pro Stunde die kleinste Geschwindigkeit als vorteilhaft erwiesen hatte.
Die quantitative Auswertung der Versuchsergebnisse ergab, da13 die Mandelsaure in allen Fallen vollstandig zuruckgewonnen wurde. Die Antipoden wurden
in nahezu aquivalenten Mengen nacheinander im Eluat partiell angereichert.
Die maximalen Aktivierungen traten am Anfang und am Ende der Elutionskurven auf. Da aber an diesen Punkten die MeBwerte klein sind, ist hier der Fehler relativ groB und die gemessene maximale Aktivierung ist von der GroBe der
Fraktionsvolumina abhangig. Fur den Vergleich der Trennwirkung verschiedener Polymerer wurde daher die optische Gesamtanreicherung herangezogen.
Man erhalt sie, wenn aus den gemessenen Drehungen der einzelnen Fraktionen
durch Addition der Gesamtgehalt an uberschussigen L- bzw. D-Antipoden ermittelt wird und dieser GesamtuberschuB der L- bzw. D-Antipoden jeweils in
Prozent auf die Halfte der eingesetzten Racematmenge bezogen wird.
An I11 wurde eine optische Gesamtanreicherung von 1,77 yo (L) bzw. 1,92 yo
(D),anIVvon3,09Yo(L) bzw.3,19% (D)undanVvon2,39yo(L)bzw.2,35(D)
erreicht,
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G. MANECKEund W. LAMER
Die maximal erreichten Aktivierungen der Mandelsaure an 111, IV und V lagen zwischen 8 und 26 yo (Tab. 1). Abb. 1 zeigt den Verlauf der Konzentration,
der optischen Reinheit und der gemessenen Drehung bei der Chromatographie
von DL-Mandelsaure am Polymeren IV. Beim Einsatz von I11 (D-Konfiguration)
wurde zuerst D(-)-Mandelsaure im Eluat angereichert und danach L( +)-Mandelsaure, bei IV und V (L-Konfiguration)war die Antipodenfolge im Eluat im
Vergleich zu I11 umgekehrt (vgl. Tab. 1).
Abb. 1.
56
Verlauf der Gesamtkonzentration, der optischen Reinheit und der gemessenen Drehung im Eluat bei der Chromatographie von 110 mg
(0,72 mmol) DL-Mandelsiiure am Poly(styro1-sulfonyl-L-a1anin)-Harz
(IV). Siiule 400 x 10mm; Elution mit Wasser 3ml/h; Fraktionsvolumine 1,5 ml.
Versuche zur chromatographischen Racemattrennung
Weitere Versuche, in denen DL-Mandelsaure mit 1 n Salzsaure eluiert wurde,
ergaben gegenuber der Elution mit Wasser einen etwas verringerten Trenneffekt
(Tab. 1). Moglicherweise liegt dies an der geringeren Quellung der Polymeren in
Salzsaure im Vergleich zur Quellung im Wasser.
.Ein Vergleich der optischen Gesamtanreicherung zeigt, daB beim Einsatz der
Polymeren in der H-Form deren Trennfahigkeit fur DL-Mandelsaure in der
Reihenfolge D-a-Amino-phenylessigsaure-Harz
< L-Phenylalanin-Harz < LAlanin-Harz ansteigt. Danach hatte der am Asymmetriezentrum der Polymeren
sitzende Substituent R folgenden EinfluB auf das stereoselektive Adsorptionsvermogen :
I
so2
I
I11
NH
I
R-C-COOH
I
H
R=
<J
-
V
-CHz--/=\
\J
IV
-CH3
__f
ansteigende Trennfahigkeit der Polymeren
Urn dieses Ergebnis zu prufen, wurde DL-a-Amino-phenyl-essigsaurehydrochlorid mit Wasser an 111,IV und V chromatographiert. Die in der H-Form eingesetzten Polymeren hielten jedoch die Aminosaure zuruck; sie lieB sich aber rnit
1n HC1 eluieren, wobei in allen Fallen eine partielle Racemattrennung erreicht
wurde.
Abb. 2 zeigt den Verlauf der Chromatographie von DL-a-Amino-phenylessigsiiure am Polymeren IV.
An I11 wurde eine optische Gesamtanreicherung von 2,65 yo (L) bzw. 3,32 yo
(D) erhalten, an IV von 4,73y0 (L) bzw. 4,84% (D) und an V von 3,92% (L)
bzw. 3,91 yo (D). Die maximalen Aktivierungen lagen zwischen 27 und 72 yo
(Tab. 1 ) .
Die Auftrennung der DL-a-Amino-phenylessigsaure war besser als die der
Mandelsaure, beachtliche optische Aktivitat wurde aber auch hier nur am Anfang und am Ende der Elutionskurven gefunden. Die Trennwirkung der Polymeren 111,IV, V nahm fur beide Racemate in der Reihenfolge I11 < V < IV
zu.
Wurde an 111, IV oder V (H-Form)DL-Mandelsaure mit 1 n KC1 chromatographiert, so zeigten die Polymeren im Vergleich zur Elution des Racemates mit
Wasser oder 1 n HCI eine wesentliche verringerte Trennwirkung (Tab. 1).
Um zu untersuchen, welchen EinfluB auf die Trennwirkung die nberfiihrung
der sauren Gruppen in den Polymeren wie in den Racematen in die Salzform
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G. MANECKEund W. LAMER
Abb. 2. Verlauf der Gesamtkonzentration, der optischen Reinheit und der g0messenen Drehung im Eluat bei der Chromatographie von 110 mg
(0,73 mmol) DL-a-Amino-phenylessigsiiure am Poly(styro1-sulfonyl-La1anin)-Harz (IV). Sliule 400 X 1 0 m m ; Elution mit I n HCl 6ml/h;
Fraktionsvolumina 1,5 ml.
hat, wurden 111, IV und V 24 Std. in Saulen mit 0 , l n KOH/1 n KC1 gewaschen.
Auf die Siiulenpackung wurden jeweils 110 mg DL-Mandelsaure bzw. DL-aAmino-phenylessigsaure als K-Salz aufgetragen und mit 0 , l n KOH/1 n KC1
eluiert. Der Durchbruch der eingesetzten Racemate erfolgte rascher und die
Auftrennung war wesentlich geringer als beim Einsatz der Polymeren in der
H-Form und Elution mit Wasser oder Salzsaure. So betrug die maximale Aktivierung nur 0,3 bis 1yo (Tab. 1). uberraschenderweise trat bei der Chromatographie der DL-a-Amino-phenylessigsaure mit 0,l n KOH/1 n KC1 im Ver58
W
cn
V
IV
I11
iau. 1 .
K+-Form
H-Form
K+-Form
H-Form
K+-Form
H-Form
Mandelsaure
Mandelsaure
Mandelsaure
a-Aminophenylessigsliure
Mandelsliure
Mandelsaure
Mandelsaure
Mandelsaure
a-Aminophenylessigsaure
Mandelsliure
Mandelsaure
Mandelsaure
a-Aminophenylessigsaure
a-Aminophenylessigsaure
Mandelsaure
Mandelsliure
a-Aminophenylessigsaure
Mandelsaure
Mandelsliure
Mandelsliure
o(-Aminophenylessigsaure
Mandelsaure
a - Aminophenylessigsaure
Racemat
Wasser
n HC1
n KC1
n HC1
Wasser
n KC1
0,l n KOH/n KCl
n NaOH
0,ln KOH/n KCl
Wasser
n KCl
n HC1
n KC1
n HC1
Wasser
0,l n KOR/n KC1
0,ln KOH/n KC1
Wasser
n HCl
n KC1
n HCl
0,ln KOH/n KC1
0,ln KOH/n KC1
5,o
3,O
3,6
1,4
21,o
795
178
27,l
190
3,l
42
5,O
0,7
179
26,O
3,9
12,5
6,1
72,O
82
778
420
57,O
290
394
2,3
191
O,5
195
1,s
1,3
10,o
68
1,6
20,2
18,6
2,o
9,9
3,9
25,2
1,O
0,3
5,9
4,9
2,1
12,9
1,3
15,9
0,3
0,4
1,2
2,7
1,3
5,0
5,9
8,2
2,s
19,5
1,2
1,0
0,9
1,s
11,0
3,9
2,2
1,6
10,4
0,l
0,2
opt. Reinheit
nach Durchbruch
Fraktion Nr.
vergieicn aer an aen roiymeren 111, IV una v erzlelten Hurwennung von mweInitLen.
I
2,39
2,45
1,Ol
3,92
0,20
0,53
0,83
0,98
1,07
3,09
0,77
2,84
0,89
4,73
0,61
0,78
0,47
1,77
1,38
0,82
2,65
0,32
0,67
2,35
2,31
0,95
3,91
0,20
0,55
0,78
0,95
0,95
2,96
O,90
4,84
0,70
0,72
0,49
0,80
3,19
1,92
1,85
0,78
3,32
0,33
0,65
optische
Gesamt
anreicherung
G. MANECKEund W. LAMER
gleich zur Elution mit 1 n HC1 an 111, I V und V eine Umkehr der Antipodenfolge im Eluat auf. Bei den entsprechenden Versuchen mit DL-Mandelsaure
wurde die Umkehr nur a m Polymeren V beobachtet.
Abb. 3 und 4 zeigen den Verlauf der Elution von DL-Mandelsaure bzw. DL-crAmino-phenylessigsaure mit 0,l n KOH/l n KC1 a m Polymeren IV.
Ein Vergleich der Trennwirkung der Polymeren I und I11 zeigt, daB eine Carboxylgruppe am Asymmetriezentrum der Polymeren deren Trennwirkung
Abb. 3.
60
Verlauf der Gesamtkonzentration, der optischen Reinheit und der gemessenen Drehung im Eluat bei der Chromatographie von 110 mg
(0,72 mmol) DL-Mandelaure (K-Salz) am Poly(styro1-sulfonyl-L-alanin)-Harz (IV).
Siiule 400 x 10 mm; Elution mit 0,l n KOH/l n KCl 3 mljh; Fraktionsvolumina 0,75 ml.
Versuche zur chromatographischen Racemattrennung
stark begiinstigt. Um den EinfluB einer Carboxyl- bzw. Methylgruppe am
Asymmetriezentrum von Racematen zu prufen, wurde analog den Trennversuchen mit DL-a-Amino-phenylessigsaureDL-a-Phenyl-athylamin a n den Polyineren 111, IV und V auf chromatographische Trennbarkeit gepriift. Da in
keinem der Versuche im Eluat optische Aktivitat gemessen werden konnte,
scbeint in diesen Fallen auch am Asymmetriezentrum der Racemate eine Carboxylgruppe deren Trennbarkeit entscheidend zu beeinflussen.
Abb. 4.
Verlauf der Gesamtkonzentration, der optischen Reinheit und der gemessenen Drehung im Eluat bei der Chromatographie von 100mg
(0,66 mmol) DL-a-Amino-phenylessigsauream Poly(styrol-sulfony1-La1anin)-Harz (IV).
SBule 400 x 10 mm; Elution mit 0 , l n KOH/1 n KC1 3 ml/h; Fraktionsvolumina 1,5 ml.
61
G. MANECKEund W. LAMER
Versuche a n Polymeren aus Polystyrolsulfonsaurechlorid und
optisch aktiven Aminosaureestern
Die in den Polymeren enthaltenen Sulfonsauregruppen beeinflussen moglicherweise die stereoselektive Adsorption. Sie erhohen zwar die Benetzbarkeit
und Quellung der Polymeren im Wasser, aber durch unspezifische Adsorption
konnten sie die Trennwirkung vermindern. Da das Polymere IV die besten
Trenneigenschaften gezeigt hatte, wurde versucht, ein entsprechendes, jedoch
moglichst wenig Sulfonsauregruppen enthaltendes Polymeres herzustellen.
Hierzu wurden freier L-Alaninmethylester und L-Alaninbenzylester in trocknem Dioxan bei 40"C mit sulfochloriertem Polystyrol zu Poly(styrol-sulfonylL-alanin-methylester)-Harz (VI) und Poly(styro1-sulfonyl-L-alanin-benzylester)-Harz umgesetzt (VII).Ein dreifacher OberschuS an Ester diente als Saureacceptor zur Bindung der bei der Reaktion freiwerdenden Salzsaure :
-CH-CHz
I
SO2
I
NH
I
H3C-C-COOR
I
R
= -CH3
VI
H
Die Reaktion verlief praktisch quantitativ. Nach Verseifung der Estergruppen
in VI und VII muaten die Polymeren entsprechend IV zur Aktivierung bestimmter Racemate befahigt sein.
Um zu untersuchen, welchen EinfluS die Veresterung der am asymmetrischen
Zentrum der Polymeren sitzenden Carboxylgruppen auf die Trennfiihigkeit hat
und wie sich verschieden groSe Estergruppen auswirken, wurden die Polymeren
VI und VII vor der Verseifung auf stereoselektives Adsorptionsvermogen gepriift . Als Racemate wurden DL-Mandelsaure, DL-Phenylathylaminhydrochlorid und DL-a-Aminophenylessigsaurehydrochlorideingesetzt. I n allen Fallen
erhielt man bei der Elution mit Wasser nur unveranderte Racemate. Unter den
gegebenen Versuchsbedingungen adsorbieren die untersuchten Polymeren also
nur dann stereoselektiv, wenn die am asymmetrischen C-Atom haftende Carboxylgruppe in freier Form vorliegt.
Versuche a m verseiften Poly(styro1-sulfonyl-L-alanin-methylester)-Harz
Die Verseifung der Polymeren VI und V I I wurde mit 1 n alkoholischer KOH
durchgefiihrt :
62
Versuche zur chromatographischen Racemattrennung
Poly (styrol-sulfonyl-La1aninmethylester)-Harz
Pol>(styrol-sulfonyl-Lalaninbenzylester)-Harz
-
(VI) KOH
Poly(styro1-sulfonyl-La1anin)-Harz
(VII) KOH Poly(styro1-sulfonyl-La1anin)-Harz
--
=
VIII
= IX
Nach 16-stundigem Ruhren bei Raumtemperatur war V I vollstandig verseift,
nicht dagegen VII. VII wurde daher in eine temperierbare Saule gefiillt und bei
50°C 1 n KOH solange iiber das Polymere geschickt, bis im Eluat spektroskopisoh kein Benzylalkohol mehr nachweisbar war. Gegenuber I11 war der Sulfonsauregruppengehalt wesentlich erniedrigt. Der durch Neutralsalzspaltung von
KC1 und Titration der gebildeten Saure erhaltene Wert entsprach einem Gehalt an Sulfonsauregruppen von maximal 0,25 mAequ./g Harz.
Vorversuche mit VIII und IX ergaben fur VIII bessere Trenneigenschaften.
Moglicherweise lag dies an einer teilweisen Racemisierung der optisch aktiven
Komponente im Polymeren IX, weil das Benzylester-Harz unter harteren Bedirtgungen verseift wurde als das Methylester-Harz. Die im folgenden beschriebenen Versuche wurden daher nur mit VIII durchgefiihrt. Wie erwartet, konnte
DL-a-Amino-phenylessigsauremit 1 n HC1 an VIII partiell aufgetrennt werden.
Die optische Reinheit der ersten Fraktionen nach dem Durchbruch betrug 63,5,
32,2 und 17,7 yo,die optische Gesamtanreicherung 6,2 (D) bzw. 6,6 (L). Vergleicht man diese Werte mit den an IV gefundenen, so ist ersichtlich, daB das
wcniger Sulfonsauregruppen und mehr optisch aktive Komponente enthaltende
Polymere VIII fur DL-a-Amino-phenylessigsaure das bessere Trennvermogen
besitzt,.
Es wurde nun versucht, durch wiederholte Chromatographie an VIII eine
weitgehende optische Auftrennung zu erreichen. 500 mg DL-a-Amino-phenylessigsaure wurden mit 0,l n HC1 eluiert, die Fraktionen nach dem Durchbruch,
einschlieBlich der Fraktion mit der hochsten negativen Drehung, gesammelt,
irn Vakuum eingedampft und die Chromatographie gleicherweise mehrmals
wiederholt. Beim funften Durchlauf betrug die optische Reinheit in den Fraktionen nach dem Durchbruch 95, 73 und 56 yo,und es wurde eine optische Ges.amtanreicherung von 19 yo erreicht. Wie erwartet, konnte DL-a-Phenyla.thylamin an VIII nicht aktiviert werden.
Der Austausch einer Methylgruppe am optisch aktiven Zentrum der Polymeren gegen Phenyl- bzw. Benzylgruppen zeigte einen gewissen EinfluB auf die
Trennwirkung. Deshalb war es interessant festzustellen, welchen EinfluB auf
die Trennbarkeit diese Substituenten im Racemat haben. Wird in der DL-a-Amino-phenylessigsaure die Phenylgruppe durch eine Methyl- oder Benzylgruppe
ersetzt, erhalt man DL-Alanin bzw. DL-Phenylalanin. Beide Verbindungen
-wurden mit 1 n HC1 und 0,l n KOH/l n KC1 an VIII chromatographiert und
hierbei als unveranderte Racemate wiedergewonnen.
63
G. MANECKEund W. LAMER
Beim Chromatographieren von 100 mg DL-Mandelsaure mit Wasser am Polymeren VIII besaBen die ersten Fraktionen nach dem Durchbruch nur eine optische Reinheit von 3,7, 3,l und 2,9 yo.Die optische Gesamtanreicherung betrug
1,44% (D) und 1,53y0 (L).
Da wahrscheinlich Assoziation zwischen den Carboxylgruppen fur die
Trennwirkung mit verantwortlich ist, wurde untersucht, wie sich der Einsatz
organischer Losungsmittel statt Wasser als Elutionsmittel auswirkt.
DL-Mandelsaure wurde bei der Elution mit Methanol an VIII verestert, sie
erschien im Eluat als Methylester (Abb. 5 ) .Die Aktivierung der ersten Fraktionen
nach dem Durchbruch betrug 15, 10 und 8 yo,die optische Gesamtanreicherung
3,14Y0 (L) bzw. 3,12% (D).
I n einem weiteren Versuch wurde DL-Mandelsauremethylester eingesetzt und
mit Methanol an VIII chromatographiert. Wie bei der Elution von Mandelsaure
mit Methanol erhielt man zuerst positiv und dann negativ drehende Fraktionen.
Die Auftrennung entsprach der der DL-Mandelsaure.
Im Vergleich zur Chromatographie von DL-Mandelsaure mit Wasser verlief
die Elution von DL-Mandelsaure bzw. DL-Mandelsauremethylester mit Methanol wesentlich schneller. Hierbei traten hohere Konzentrationen im Eluat auf.
Die Eluationskurven waren symmetrischer, die gemessenen Drehungen groBer
und die Antipodenfolge umgekehrt wie bei der Elution mit Wasser. Durch
wiederholte Chromatographie von 2 g DL-Mandelsauremethylester wurde versucht, die Antipoden in hoherer optischer Reinheit zu erhalten. Nach dem ersten
Durchlauf wurden die positiv bzw. negativ drehenden Fraktionen zusammengeschiittet, im Vakuum eingedampft und der mit L- bzw. D-Form angereicherte
Ester erneut eingesetzt. Die Chromatographie wurde mehrmals wiederholt.
Nach dem 5. Durchlauf betrug die optische Gesamtanreicherung 6,3 yo (L) bzw.
7,l yo (D). Es wurde eine maximale Aktivisrung von 36 yo erreicht.
Um zu priifen, wie sich ein Ersatz der Carboxylgruppe der Mandelsaure durch
eine Methylgruppe auswirkt, wurde DL-a-Phenyl-Lthylalkohol mit Methanol an
VIII chromatographiert. Eine Auftrennung trat hierbei nicht ein.
Als weiterer Substituent wurde der Phenylkern in der Mandelsaure mit einem
Methylrest vertauscht, also DL-Milchsaure eingesetzt. Weder bei der Elution
mit Wasser noch mit Methanol konnte DL-Milchsaure aktiviert werden ; allerdings besitzt sie nur eine geringe spezifische Drehung , so daB kleine Trenneffekte moglicherweise nicht erfaBt wurden.
Ersetzt man in der Mandelsaure das mit dem asymmetrischen C-Atom verbundene H-Atom durch eine Methylgruppe, erhalt man Atrolactinsaure. Versuche, diese Verbindung in die Antipoden zu trennen, ergaben bei der Elution
mit Wasser keine, bei der Elution mit Methanol eine auBerst geringe Auftrennung. Die maximal erreichte optische Reinheit betrug nur etwa 0,5 %.
64
Versuche t u r chromatographischen Racemattrennung
Abb. 5 .
Verlauf der Gesamtkonzentration, der optischen Reinheit und der gemessenen Drehung im Eluat bei der Chromatographie von 185mg
(1,2 mmol) DL-Mandelaure am Poly(styro1-sulfonyl-L-a1anin)-Harz
( V I I I ).
Saule 450 X 16 mm; Elution mit Methanol 3 ml/h; Fraktionsvolumina
0,75 ml.
Enthielten die Racemate freie Aminogruppen, so konnten sie nicht mit Methanol aus dem in der H-Form eingesetzten Polymeren VIII ausgewaschen
werden; DL-a-Phenyl-athylamin oder DL-a-Amino-phenylessigsaure-hydrochlorid wurden festgehalten. Wurde dann 0,5 n methanolische K O H durch die
Situle geschickt, gab das Polymere in beiden Fallen die Verbindungen frei. Sie
traten im Eluat als unverandertes Racemat auf. Danach wurde das nun in der
Salzform vorliegende Harz mit Methanol gewaschen und erneut DL-a-Phenyl-
65
G. MANECKEund W. LAMER
athylamin bzw. DL-cc-Amino-phenylessigsaure(K-Salz) aufgetragen und mit
Methanol eluiert. Eine Auftrennung konnte hierbei nicht erreicht werden.
Ersetzt man in einem der untersuchten Polymeren die optisch aktive Aminosaure durch den anderen Antipoden, z. B. L-Alanin durch D-Alanin, so miifite
sich die Selektivitat der Polymeren umkehren und dadurch bei Trennversuchen die Antipodenfolge im Eluat vertauscht sein. Um die Abhangigkeit der
Selektivitat der Polymeren von der Konfiguration der optisch aktiven Komponente zu beweisen, wurde ein dem Poly(styrol-sulfonyl-L-a1anin)Harz VIIIentspechendes D-Alanin enthaltendes Harz X hergestellt. Bei der Chromatographie von DL-a-Amino-phenylessigsaure am X trat erwartungsgemafi zuerst
der L(+)-Antipode im Eluat im OberschuB auf und danach der D(-)-Antipode.
Die optische Gesamtanreicherung betrug 4,68 yo(L) bzw. 4,77 o/o (D).Die entgegengesetzte Selektivitat vom L-Alanin-Harz VIII und D-Alanin-Harz X lie6
sich durch Trennversuche mit Mandelsaure bestatigen. Die am D-Alanin-Harz
erhaltenen Aktivierungen waren etwas kleiner als die entsprechenden am LAlanin-Harz. Moglicherweise liegt dies an der geringeren optischen Reinheit
des D-Alanin-Harzes, da bei der Umsetzung mit dem Polystyrolsulfonsaurechlorid nur ein D-Alaninmethylester in einer optischen Reinheit von 81 yo zur
Verfugung stand.
Im Polymeren VIII war an 90 yoder Styrolkerne des Tragerpolymeren L-Alanin gebunden. Aufgrund des hohen Gehaltes an optisch aktiven Gruppen war
eine gegenseitige Beeinflussung derselben nicht auszuschliefien. Um zu priifen,
welcher Zusammenhang zwischen dem Gehalt an optisch aktiver Komponente
im Polymeren und dessen Trennfahigkeit besteht, wurde partiell sulfochloriertes Polystyrol mit L-Alanin-methylester umgesetzt. Ausgangsmaterial war ein
mit 2 Yo DVB vernetztes Polystyrol, das in Tetrachlorkohlenstoff durch Reaktion mit der fur eine 25-proz. und 50-proz. Sulfonierung (yoder Styrolkerne) berechneten Menge Chlorsulfonsaure partiell sulfoniert wurde. Die uberfiihrung
der Sulfonsauregruppen in Sulfonsaurechloridgruppen erfolgte mit Thionylchlorid4. Die so hergestellten reaktionsfahigen Polymeren wurden mit L-Alanin-methylester umgesetzt und rnit 1 n alkohol. KOH verseift. Die verseiften
Reaktionsprodukte enthielten 2,07 yoN und 4,55 yoS (XI) bzw. 3,51 yo N und
7,94 yoS (XII). Hieraus ergibt sich, dafi in X I 19 yound in XI1 43 yoder Styrolkerne des Tragerpolymeren mit L-Alanin verbunden sind.
Bei der Chromatographie von 110 mg DL-a-Amino-phenylessigsaure rnit 1 n
HC1 wurde am Polymeren X I eine optische Gesamtanreicherung von l,89yo
L bzw. 1,91 yo D, am Polymeren XI1 von 4,30 yoL bzw. 4,37 yo D erreicht. Der
gleiche Versuch am Polymeren VIII hatte eine optische Gesamtanreicherung
von 6,6 yo L bzw. 6,2 yo D ergeben. Mit steigendem L-Alaningehalt erhoht sich
also die Trennwirkung der entsprechenden Polymeren.
66
Versuche zur chromatographischen Racemattrennung
Versuche a n Polymeren aus chlormethyliertem Polystyrol und
optisch aktiven Aminen
Ein weiteres Ziel war zu untersuchen, ob die Briicke zwischen dem Tragerpolymeren und den optisch aktiven Komponenten die Trennwirkung der Polymeren beeinflul3t. I n den aus Polystyrolsulfonsaurechlorid und Aminoverbidungen hergestellten Polymeren waren Matrix und das Asymmetriezentrum
iiber eine voluminose und relativ starre Sulfonamidbriicke verbunden. Es lag
nahe, entsprechende Polymere herzustellen, in denen die optisch aktive Komponente uber eine kleine ,,bewegliche" Brucke, z. B. iiber eine Methylengruppe,
gebunden ist. Hierfiir bot sich chlormethyliertes Polystyrol an, das sich leicht
rriit Aminogruppen enthaltenden Verbindungen umsetzen la&.
Durch Aminieren von chlormethyliertem Polystyrol hergestellte optisch aktive Polymere sind schon mehrfach beschrieben und auch auf ihre Eignung als
stereoselektive Adsorbienten untersucht worden 5-9. Interessant war das von
da es
TSUBOYAMA
und YANAGITA~
beschriebene L-a-Phenyl-athylamin-Harz,
im Unterschied zu allen bisher untersuchten synthetischen Adsorbienten fur die
praparative Gewinnung von optisch aktiver Mandelsaure geeignet erschien. Da
d m iiber eine Sulfonamidbriicke an Polystyrol gebundene D-cr-Phenylathylainin (I)nur eine aul3erst geringe Trennwirkung gezeigt hatte, bei einer Bindung von L-a-Phenylathylamin uber eine Methylenbriicke aber eine sehr gute
Auftrennung beschrieben wurde, war ein genauer Vergleich der beiden Polymeren angebracht. Es gelangen jedoch an dem nach der Vorschrift der Autoren
ails chlormethyliertem Polystyrol und L-a-Phenylathylamin hergestellten
Harz5 keine nennenswerten Aktivierungen. Bei der Chromatographie von DLMandelsaure oder DL-cr-Amino-phenylessigsauremit 0,2 n NH,OH, 0,l n KOH/
1 n KC1 oder 1 n HC1 wurden nur sehr schwach drehende Eluate erhalten. Die
Drehwerte entsprachen einer Anreicherung von etwa 0,17,. Fruhere eigene
Versuche zur Racemattrennung an einem ahnlich gebauten, aus n-Rphedrin
und chlormethyliertem Polystyrol hergestellten Harz hatten keine
leutigen
Auftrennungen ergeben, sondern nur zu einem schwach negativ drehenden
EYuat gefiihrtlo.
Versuche an Polymeren aus chlormethyliertem Polystyrol und
L-Alaninmethylester
Die an VIII erreichten relativ guten Racemattrennungen liel3en es aussichtsreich erscheinen, ein entsprechendes Polymeres herzustellen, in dem L-Alanin
iiber eine Methylenbrucke an Polystyrol gebunden ist. Ein Vergleich der Trenneigenschaften der beiden Polymeren miil3te dann zeigen, welche der beiden Briik-
67
G. MANECKEund W. LAMER
ken zwischen Matrix und optisch aktiver Komponente die Trennwirkung der
Polymeren begiinstigt.
Ausgangsmaterial war ein mit 2 yo DVB vernetztes Polystyrol, das auch fur
die Herstellung des Polystyrolsulfonsaurechlorids benutzt wurde. Die Chlormethylierung nach PEPPER^^ ergab ein Produkt mit einem Chlorgehalt von 21,9 yo.
Dies entspricht einem Chlormethylierungsgrad von 0,92 (-CHzCl-Gruppen pro
Styrolkern). Das chlormethylierte Polystyrol wurde in Dioxan mit einem dreifachen UberschuB an L-Alaninmethylester in 16 Stdn. bei 60 "C zum Poly(viny1benzyl-L-alaninmethylester) (XIII) enthaltenden Polymeren umgesetzt. Auf
-CH-CH2I
I
I
H COOCH,
das Polymere XI11 (Saule 300 x 16 mm) wurde 1 g DL-Mandelsaure aufgetragen und mit Wasser eluiert. Hierbei hielt das Harz die Mandelsaure vollig zuruck; sie konnte mit 1 n KC1 langsam ausgewaschen werden. Die Fraktionen
nach dem Durchbruch zeigten zuerst eine negative, spater eine positive Drehung. Die maximalen Drehwerte betrugen a313 = - 0,048' bzw.
0,042". Die
optische Reinheit blieb unter 1yo.
Die Hydrolyse von XI11 zum Poly(vinylbenzyl-L-a1anin)-Harz(XIV) erfolgte mit 1 n alkohol. KOH. Bei der Chromatographie von 1g DL-Mandelsaure
mit 1 n NH&1 am elektrodialysierten Polymeren XIV betrug die optische Reinheit der Fraktionen nach dem Durchbruch 4,55,4,10
und 3,96 yo.Es wurden zuerst positive und dann negative Drehungen gemessen. Beim Eluieren von DLMandelsaure oder DL-a-Amino-phenylessigsauremit 1 n HC1 oder 0,l n KOH/1
n KC1 wurden nur maximale Aktivierungen zwischen 0,4und 0,6 yobeobachtet.
Ein Vergleich der Trennfahigkeit von VIII mit XIV zeigt, da13 unter den gegebenen Versuchsbedingungen das uber eine (-SOz-NH-)-Brucke
an Polystyrol gebundene L-Alanin eine wesentlich bessere Trennwirkung fur bestimmte
Racemate besitzt als das uber eine (-CHz-NH-)-Briicke
gebundene.
+
Diskussion der Versuchsergebnisse
Fur die erreichten partiellen Racemattrennungen sind folgende Ursachen
denkbar :
a) Die optisch aktiven Polymeren wirken als Poly-Anionen oder Poly-Kationen
und binden an den Ankergruppen basische bzw. saure Racemate als diaste-
68
Versuche zur chromatographischen Racemaltrennung
reomere Salze. Da diastereomere Sake verschiedene Eigenschaften haben,
konnte ein geeignetes Elutionsmittel den einen Antipoden schneller vom Polymeren verdrangen als den anderen.
bli Es konnten sich zwischen strukturellen Bestandteilen der optisch aktiven
Polymeren und den Racematen diastereomere Adsorbate bilden, z . B. iiber
Wasserstoffbrucken, die unterschiedlich fest sind. Beim Eluieren wandert
der schwacher adsorbierte Antipode schneller, wodurch eine Auftrennung erreicht wird.
Bei den untersuchten Polymeren kann man in den meisten Fallen Salzbildung
als Ursache der Trennwirkung ausschlieBen, da die aus Polystyrolsulfonsaurechlorid und Aminosauren hergestellten Polymeren nur basische Racemate salzartig binden konnen. Es ist daher wahrscheinlich, daB an diesen Polymeren die
M andelsaure durch Bildung diastereomerer Adsorbate partiell aufgetrennt
wurde. Obwohl die DL-cc-Amino-phenylessigsaureeine basische Aminogruppe
besitzt, scheint auch hier die Auftrennung nicht uber Salzbildung zu erfolgen.
Die Aminosaure wurde mit 1 n HCl uber die vorher mit HC1 behandelten Polymeren geschickt. Unter diesen Bedingungen ist eine salzartige Bindung an die
Polymeren nicht wahrscheinlich.
Da bei einem Austausch der Carboxylgruppe gegen eine Methylgruppe im
Racemat dessen Aktivierbarkeit verlorenging, ist beim Racemat der EinfluB
der Carboxylgruppe auf die Trennbarkeit in den hier beschriebenen Fallen wesentlich.
Auch am asymmetrischen C-Atom der untersuchten Polymeren war die Anwesenheit einer Carboxylgruppe entscheidend. Oberfiihrung in die Carboxylatform, Veresterung oder Ersatz durch eine Methylgruppe fuhrten zu einem starken Absinken bzw. zum Verlust der Trennwirkung fur die untersuchten Racemate. Die sowohl im Adsorbens als auch im Adsorbenten erforderliche Carboxylgruppe deutet auf eine Bindung iiber Wasserstoff briicken hin.
Die Assoziationstendenz ist bei Carbonsauren wesentlich groBer als bei Alkoholen oder Phenolen. Sie bilden leicht cyclische Dimere, in denen jeweils von
einer Hydroxylgruppe zum Carbonylsauerstoff der Nachbarmolekel Wasserstoffbrucken gebildet werdenl3. Es ist anzunehmen, daB nicht nur zwischen den
Carboxylgruppen der Racemate, sondern auch zwischen den Carboxylgruppen
der optisch aktiven Polymeren und denen der Racemate eine Assoziation stattfindet, wobei das Losungsmittel die Ausbildung der Assoziate beeinfluBt.
Zwischen dem Poly(styro1-sulfonyl-L-A1anin)-Harz
und den Enantiomeren
d w Mandelsaure konnten sich folgende Assoziate bilden :
69
G. MANECKEund W. LAMER
-CH-CHz-
-CH-
I
CH2-
I
SO2
I
OH
NH
H-C!-C<O
j
CH3
' ' '
0-H
Hy>C-C-H
I
I
A
L
so2
I
NH
I
\f
O...H-O
H-C--C/
\C-C-H
[
\O-H
. . . O/
I
CH3
OH
L
L
Da sich die beiden Mandelsaureenantiomeren dann in einer molekular-asymmetrischen Umgebung befinden, sind die Wasserstoffbriicken von L- txnd DForm wahrscheinlich unterschiedlich fest.
Neben der Carboxylgruppe konnte aber auch die NH-Gruppe der Sulfonamidbriicke leicht zwischenmolekulare Wasserstoffbrucken zu einem CarbonylSauerstoff-Atom ausbilden. NH-Bindungen in Saureamiden sind wegen der
groljeren ,,Aciditat" fur die Bildung von Wasserstoffbriicken geeigneter als die
NH-Bindung in Aminen.
Nimmt man eine Beteiligung der NH-Gruppe der Sulfonamidbriicke im Polymeren an einer Wasserstoffbriickenbindung zur Carboxylgruppe des Racemates an, so ist folgende Verkniipfung des Poly(styrol-sulfonyl-L-a1anin)-Harzes
mit den Enantiomeren der Mandelsaure denkbar :
-CH-CHzI
-CH--CH2-
I
OH
L
D
L
L
Hierbei ist das Enantiomere mit zwei Liganden des asymmetrischen Zentrums im Polymeren verbunden. Es ist anzunehmen, dalj bei einer Assoziation
unter Einbeziehung der Sulfonamidgruppierung der EinfluB des asymmetrischen Zentrums des Polymeren auf das Enantiomere starker ist als bei einer
Bindung lediglich iiber Carboxylgruppenassoziation.
70
Versuche zur chromatographischen Racemattrennung
Priift man anhand eines Kalottenmodells die raumliche Anordnung der beiden vorgeschlagenen Strukturen, so ist ersichtlich, daB in beiden Fallen die drei
Atome, die die Wasserstoffbriicke bilden, nahezu linear angeordnet sind, SO daB
die maximale Bindungsenergie einer Wasserstoffbriicke erreicht wird.
Ein sehr deutlicher Unterschied in der Trennwirkung von Polymeren wurde gefunden, wenn L-Alanin einmal iiber eine (--SO2--NH-)-Briicke,
das andere Ma1
iiber eine (-CHz-NH-)-Briicke
mit dem Tragerpolymeren (Polystyrol) verbunden war. Das die Sulfonamidbriicken enthaltende Polymere besaB die wesentlich bessere Trennwirkung. Die Tatsache, daB trotz der moglichen salzartigen Bindung der sauren Racemate an die sekundare Aminogruppein der (-CHz-NH-)Briicke diese im Vergleich zur sauren, stark polaren (-SOz-NH-)-Briicke
eine vie1 geringere Auftrennung der Racemate bewirkte, deutet ebenfalls
darauf hin, daB nicht Salzbildung, sondern Adsorption oder Assoziation fur
die Auftrennung ausschlaggebend ist . Der positive EinfluB der Sulfonamidbriicke auf die Trennwirkung konnte auBer durch polare Effekte auch durch
sterische Einfliisse bewirkt werden. Durch &re GroBe behindert die Sulfonarnidbriicke die Rotation des Asymmetriezentrums um die Briickenachse, und
sit: kann durch innermolekulare Wasserstoff briicken eine bestimmte Konformation der optisch aktiven Komponente zur Briickenachse begiinstigen.
Neben einer Carboxylgruppe befand sich am asymmetrischen C-Atom der
aktivierbaren Racemate eine Hydroxyl- oder Aminogruppe. Diese Gruppen
kBnnen durch Ausbildung von zwischenmolekularen Wasserstoffbriicken eine
verstarkte Assoziation bewirken.
Die wesentlich verringerte Trennwirkung der Polymeren in der (-COO-K+)Form im Vergleich zur (-CO0H)-Form und die hierbei beobachtete Umkehr
der Selektivitat gegeniiber den a-Amino-phenylessigsaureantipoden deutet darauf hin, daB die Bindung Adsorbens-Adsorbat in Carboxyl- und CarboxylatForm iiber unterschiedliche Haftstellen erfolgt oder nach einem anderen Mechanismus verlauft.
Eine Wasserstoff briickenbindung Polymeres-Racemat iiber Carboxylatgruppen ist nicht moglich. Diese stoBen sich infolge ihrer negativen Ladungen gegenseitig ab.
Da die am asymmetrischen C-Atom der trennwirksamen Polymeren haftenden Alkyl- oder Arylgruppen im Unterschied zu Carboxylgruppen einen weit
geringeren EinfluB hatten, scheinen diese Gruppen die Trennwirkung der Polymeren nur durch ihre GroBe zu beeinflussen. Sie konnten an der Assoziation Polymeres-Racemat durch hydrophobe Bindung bzw. Wechselwirkungl4 beteiligt
sein.
Im Gegensatz zur optisch aktiven Komponente der Polymeren war bei den
Racematen eine direkt an das asymmetrische C-Atom gebundene Phenylgruppe
71
G. MANECKEund W. LAMER
sehr wichtig. Ersatz der Phenyl- durch eine Methylgruppe fuhrte zum Verlust
der chromatographischen Trennbarkeit. Da auch ein Austausch des H-Atoms
der DL-Mandelsaure gegen eine Methylgruppe (Atrolactinsaure) ein sehr starkes Absinken der Trennbarkeit zur Folge hatte, scheint es fur die chromatographische Trennbarkeit eines Racemates in den hier untersuchten Fallen wichtig zu sein, daIJ dessen asymmetrisches C-Atom sowohl mit einem grol3en und
starren Liganden (Phenylgruppe) als auch mit einem kleinen Liganden (HAtom) und mit zur Wasserstoff bruckenbildung fahigen Gruppen verbunden ist.
Experimenteller Teil
1. Durchfuhrung der Versuche zur chromatographischen Racemattrennung
1.1 Apparaturen und Versuchstechnik
Die venvendeten chromatographischen Trennsaulen bestanden aus Glasrohren
von 1,0 bis 1,6 cm Durchmesser und 40 bis 120 cm Lange.
Ein die Saule umgebender Temperiermantel war mit einem Thermostaten verbunden. Bei allen Versuchen betrug die Temperatur 25°C. Das untere Ende der
Saule war zu einer Kapillare ausgezogen, vor der sich eine Fritte G1 befand. Von
der AusfluBkapillare fiihrte ein dunner Teflonschlauch zu einem automatischen
Fraktionssammler. Das obere Ende der Saule war uber einen Langschliff und einen
Teflonschlauch rnit einer Prazisionspumpe verbunden. Das VorratsgefaB rnit dem
Elutionsmittel wurde auf ca. 50°C erwarmt. Dadurch konnte die Bildung von
Gasblasen in der auf 25 "C thermostatisierten Saulenpackung vermieden werden.
Vor dem Fiillen der Saule wurde das Adsorbens 2 Tage in dem jeweilig benutzten
Elutionsmittel vorgequollen, dann bei 35 "C mit dem entgasten Elutionsmittel in
die SBule geschliimmt und mit einem Vibrator zusammengeriittelt .
Auf die Saulenpackung wurde eine bestimmte Menge Racematlosung aufgetragen,
nach dem Versickern rnit ca. 2-3 ml Elutionsmittel nachgespult und dann rnit der
Elution begonnen. Die DurchfluBgeschwindigkeiten betrugen 3-12 ml/h, die
Fraktionsvolumina 0 , 7 5 6 ml.
1.2 Bestimmung der optischen Aktivitat im Eluat
Die optische Drehung der einzelnen Fraktionen wurde mit dem Polarimeter
P E 141 (Perkin Elmer) gemessen. Alle Messungen wurden bei 25°C in einer thermostatisierten Quarzkiivette von 10 cm Lange und einem MeBvolumen von 1 ml
durchgefiihrt. Aufgrund der hoheren MeBgenauigkeit wurde die optische Drehung
im UV bei 313 nm bestimmt.
Bei der Elution von Aniinosiiuren wurden alle Fraktionen vor der Messung rnit
HC1 angesauert .
1.3 Bestimmung der Gesamtkonzentration im Eluat
Die meisten eingesetzten Testracemate besitzen im UV ein ausgepragtes Absorptionsmaximum. Daher konnte mit Hilfe eines Spektralphotometers (Beckman
DB) ihre Gesamtkonzentration (D +L) im Eluat quantitativ bestimmt werden.
72
Versuche zur chromatographischen Racemattrennung
Aminosauren, die sich nicht UV-spektroskopisch bestimmen lieBen, wurden rnit
Ninhydrin angefarbt und d a m kolorimetriert .
2 . Xynthese der Adsorbentien
2.1 Xulfochlorierung von Polystyrol
Mit 2% DVB vernetztes Polystyrol (Perlpolymerisat, 200 bis 400 mesh) wurde
mit Benzol, Aceton, Dioxan, Methanol und Wasser je 1 Tag im Soxhlet extrahiert,
bei 80°C im Vakuum uber PzO5 getrocknet und dann rnit Chlorsulfonsaure sulfochloriert3.
Ber. 4,8 mAequiv. Cl/g Polymeres
Gef. 4,4 mAequiv. Cl/g Polymeres
2.2 Racemtspaltung von DL-aPhenylathylamin
500 g DL-cx-Phenyllthylamin wurden nach der Vorschrift von W. THEILACXER
und H. G. W I N K L E mit
R ~ ~L( +)-Weinsaure in die Antipoden gespalten. Die hierbei
erhaltenen Produkte besaBen folgende spezifische Drehungen :
D-r-Phenylathylamin[a]zO= -40,1' (98,5% opt. Reinheit)
= +37,2" (91,4% opt. Reinheit).
L -,x-Phenyllthylamin[cx]zO
2.3 Herstellung des Poly(styro1,sulfonyl-D-aphenyl-athyhmin)-Harzes ( I )
30,2 g (0,15 Mol) des nach 2.1 hergestellten Polystyrolsulfonsaurechlorids wurden unter FeuchtigkeitsausschluB 2 Stdn. bei 5 "C in 150 ml gereinigtem, trockenem
Dioxan vorgequollen, dann zur Suspension eine Losung von 72,7 g (0,6 Mol)
D( -)-a-Phenylathylamin in 150 ml Dioxan zugetropft, 16 Stdn. bei Raumtemperatur und anschliel3end noch 1 Stde. bei 80 "C geruhrt.
Zur Reinigung wurde das Reaktionsprodukt mit I n HC1 iind Wasser in einer
Slule gewaschen, dann im Soxhlet jeweils 24 Stdn. mit Dioxan, Benzol und Aceton
extrahiert und anschliel3end mit Wasser in einer temperierbaren Saule bei 50 "C
gewaschen.
Ber. N 4,64
Gef. N 4,70
2.4 Herstellung des Poly(styro1-sulfonyl-D-ephedrin)-Harzes
(11)
30,2 g (0,15 Mol) des nach 2.1 hergestellten Polystyrolsulfonsaurechlorids wurden. rnit 99,l g (0,6 Mol) D-Ephedrin analog zu 2.3 in Dioxan umgesetzt und gereinigt .
Ber. N 4,10
Gef. N 4,23
2.5 Herstellung des Poly(styrol-sulfonyl-D-cc-amino-phenylessig~aure)-Harzes
(111)
30,2 g (0,15 Mol) des nach 2.1 hergestellten Polystyrolsulfonslurechlorids wurden
2 Stdn. bei 5°C in 100 ml gereinigtem, trockenem Dioxan vorgequollen und die
Suspension unter krlftigem Ruhren langsam zu einem Gemisch aus 90,7 g (0,6 Mol)
73
G. MANECKEund W. LAMER
D-or-Amino-phenylessigsaure, 75,9 g (0,75 Mol) Triathylamin, 200 ml Dioxan und
100 ml Wasser gegeben. Unter Riihren wurde die Mischung 24 Stdn. auf 40°C und
dann 1 Stde. auf 80 "C erwarmt, danach bei 40°C 400 ml 2 n NaOH langsam hinzugefiigt und noch 1 Stde. geriihrt.
Zur Reinigung wurde das Polymere je 5 Stdn. mit 1 n HC1 und Wasser in einer
Saule gewaschen, je 24 Stdn. rnit Dioxan, Benzol und Aceton im Soxhlet extrahiert
und anschlieDend in einer temperierbaren Saule bei 50 "C mit Wasser gewaschen.
N-Gehalt (Polymeres in K+-Form): 2,26y0 (entspricht 49 Mol- yo Umsatz).
2.6 Herstellung des Poly(styro1-sulfonyl-L-a1anin)-Harzes
( IV )
5 3 3 g (0,6 Mol) L-Alanin wurden rnit 30,2 g (0,15 Mol) Polystyrolsulfonsaurechlorid analog zu 2.5 umgesetzt und gereinigt.
N-Gehalt (Polymeres in Kf-Form): 3,07% (entspricht 61 M01-y~Umsatz).
2.7 Herstellung des Poly(styro1-sulfonyl-L-phenylalanin) -Harzes ( V )
99 g (0,6 Mol) L-Phenylalanin wurden mit 30,2 g (0,15 Mol) Polystyrolsulfonsaurechlorid analog 2.5 umgesetzt und gereinigt.
N-Gehalt (Polymeres in K+-Form): 2,70y0 (entspricht 62 Mol-yo Umsatz).
2.8 L-Alaninmethylester
Aus durch Einleiten von HC1 in L-Alanin/Methanol nach FREUDENBERG
und
K U H Nhergestelltem
~~
L-Alaninmethylesterhydrochloridwurde mit Triathylamin
in MethanollAther der Ester freigesetzt und dieser im Vakuum destilliert.
2.9 Herstellung des Poly(styrol-sulfonyl-L-alanin-methylester)-Harzes
(VI)
30,2 g (0,15 Mol) des nach 2.1 hergestellten PolystyrolsulfonsZiurechlorids w r den 2 Stdn. bei 5°C in 100 ml gereinigtem Dioxan vorgequollen, 46,5 g (0,45 Mol)
L-Alaninmethylester in 200 ml Dioxan langsam hinzugefugt und die Reaktionsmischung 12 Stdn. bei 40 "C unter Feuchtigkeits- und CO2-AusschluB geriihrt.
Das Reaktionsprodukt wurde grundlich in einer Saule mit Dioxan und Methanol
gewaschen, kurz mit 0,5 n HC1 behandelt, dann mit Wasser neutral gewaschen und
anschlieDend gegen destilliertes Wasser bei 200 Volt elektrodialysiert.
Ber. C 55,49 H 5,72 N 4,94 S 11,30
(fiir 100% Umsatz)
Gef. C 54,31 H 5,65 N 4,90 S 11,60
2.10 Verseifung des Poly(styro1-sulfonyl-L-alanin-methylester)-Harzes ( V I ) (Herstellung von V I I I )
30 g (0,12 Mol) VI wurden in 600 ml 1 n alkoholische KOH gegeben und solange
geriihrt, bis die KOH-Konzentration konstant blieb (10 Stdn.). Dann wurde das
Polymere 6 Stdn. in einer Saule rnit 1 n alkohol. KOH behandelt und anschlieBend
analog zu 2.5 gereinigt.
Ber. C 53,94 H 5,27 N 5,lO S 11,89
Gef. C 52,35 H 5,33 N 4,83 S 12,20
74
Versuche zur chromatographischen Raeemattrennung
2.11 L-Alaninbenzylester
89 g (1 Mol) L-Alanin wurden analog einer Vorschrift von J. D. CIPERA und
R. V. NICHOLS^^ rnit Methanol unter Zusatz von p-Toluolsulfonsiiure azeotrop
mit Trigthylamin in
verestert und aus dem L-Alaninbenzylester-p-toluolsulfonat
Methanol/bther der Ester freigesetzt.
2.12 Herstellung des Poly(styro1-sulfonyl-L-a1aninbenzylester)-Harzes
(V I I )
88 g (0,49 Mol) nach 2.1 1 hergestellter L-Alaninbenzylester wurden rnit 30,2 g
(0,15 Mol) Polystyrolsulfonsaurechlorid analog 2.9 umgesetzt und gereinigt.
Ber. C 63,78 H 5,63 N 3,89 S 8,91
(fur lOOyoUmsatz)
Gef. C 63,12 H 5,66 N 3,94 S 9,05
2.13 Verseifung des Poly (styrol-sulfonyl-L-alaninbenzylester)- Harzes
(Herstellung von I X )
( V II )
Das nach 2.12 hergestellte Polymere VII wurde 10 Stdn. rnit 1 n alkohol. KOH
geruhrt. Da es nach dieser Zeit noch nicht verseift war, wurde es in eine temperierbare Saule gebracht und so lange bei 50°C 1n KOH durch die Saule geschickt, bis
in1 Eluat kein Benzylalkohol mehr nachweisbar war. Die Reinigung erfolgte analog
zu 2.5.
Ber. C 53,94 H 5,27 N 5,lO S 11,89
Gef. C 51,58 H 5,15 N 4,69 S 12,35
2.14 Herstellung des Poly(st yrol-sulfonyl-D-alanin)- Harzes ( X )
DL-Alanin wurde mit Benzylalkohol verestert, der Ester nach W. LANGENBECK
und 0. HERB ST^^ mit L( +)-Weinsawe in absolutem Athano1 in die Antipoden
gespalten und verseift. Das so gewonnene D-Alanin besaB eine spezifische Drehung
in 5 n HC1 (entspricht 87-proz. optischer Reinheit). Das
von [a125 = -12,4"
D-Alanin wurde analog zu 2.8 rnit Methanol verestert, 40 g (0,39 Mol) freier Ester
wie in 2.9 mit 26 g (0,13 Mol) Polystyrolsulfonsaurechlorid umgesetzt und das
Reaktionsprodukt mit 1 n alkoholischer KOH verseift.
Ber. C 53,94 H 5,27 N 5,lO S 11,89
Gef. C 52.10 H 5,lO N 4,65 S 12,55
2.15 Umsetzung von L-Alaninmethylester rnit partiell sulfochloriertem Polystyrol
(Herstellung von X I und X I I )
Das partiell sulfochlorierte Polystyrol wurde nach einer Vorschrift von U. BORGWARD^ hergestellt. Es wurde die fur eine
a) 25-proz. Monosulfonierung (yoder Styrolkerne)
b) 50-proz. Monosulfonierung (Yo der Styrolkerne)
berechnete Menge Chlorsulfonsaure langsam jeweils zu 21 g (0,Z Mol) Polystyrol
(s. 2.1), vorgequollen in je 200 ml cc14, hinzugetropft und 2 Stdn. am RiickfluB
gekocht. Die mit cc14, Aceton und Ather gewaschenen Reaktionsprodukte wurden
je mit 100 ml frisch destilliertem Thionylchlorid und 10 ml reinem Dimethylformamid 1 Stde. auf 60°C erwgrmt. Dann wurden die partiell sulfochlorierten Poly-
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G. MANECKEund W. LAMER
styrole rnit cc14 und trockenem Dioxan gewaschen, sofort mit L-Alaninmethylester analog zu 2.9 umgesetzt und rnit 1 n alkohol. KOH verseift ( X I und XII).
Gef. X I
N 2,07 S 4,55 (entspricht einem Gehalt von 19 M01-y~L-Alanin)
XI1 N 3,51 S 7,94 (entspricht einem Gehalt von 43 M01-y~L-Alanin)
2.16 Chlormethylierung von Polystyrol
Die Vorbehandlung und Reinigung des Polystyrols (2% DVB) erfolgt wie in 2.1.
Die Chlormethylierung des gereinigten Polystyrols wurde nach der Methode
von K. W. PEPPER^^ mit Methylchlormethylather und SnC14 durchgefiihrt. Das
erhaltene Produkt besaIj einen C1-Gehalt von 21,9y0 (entspricht 0,92 CHzC1-Gruppen pro Styrolkern).
2.17 Herstellung des Poly(vinylbenzy1-L-ahin)-Harzes ( X I V )
23 g (0,15Mol) chlormethyliertes Polystyrol wurden in 100 ml gereinigtem
Dioxan 2 Stdn. bei 5°C vorgequollen und eine Losung von 46,5g (0,45Mol) LAlaninmethylester (hergestellt nach 2.8) in 150 ml Dioxan hinzugefiigt. Zuerst
wurde 2 Stdn. bei Raumtemperatur, dann 16 Stdn. bei 60°C geriihrt. Zur Reinigung wurde das Reaktionsprodukt ( X I I I ) j e 12 Stdn. rnit Dioxan, Benzol, Aceton
und Methanol extrahiert und anschliel3end gegen destilliertes Wasser elektrodialysiert.
Die Verseifung von XI11 (zu XIV) mit 1 n alkoholischer KOH wie die Reinigung
erfolgt analog 2.10.
Gef. C 71,68 H 7,28 N 4,80 C1 3,45 (entspricht einemumsatz von 70 M01-y~).
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