(57)【要約】本発明は、誘導化イオン結合性クリプタンド類からペンダントしている不飽和炭素-炭素成分を支持基体とフリーラジカル活性化条件下に反応させて両者間に共有結合を形成させることによって調製したイオン交換組成物に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導化イオン結合性クリプタンド類からペンダントしている不飽和炭素-炭素成分と支持基体とをフリーラジカル活性化条件下に反応させて両者間に共有結合を形成させることによって調製したイオン交換組成物。
【請求項２】
前記共有結合を前記クリプタンドペンダント成分と前記支持基体からペンダントしている不飽和炭素-炭素成分間に形成させる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記支持基体が有機ポリマーを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記クリプタンドペンダント炭素-炭素成分がスチレン基上にある、請求項１記載のイオン交換組成物。
【請求項５】
水中で少なくとも約1000のイオン結合定数を有する、請求項１記載のイオン交換組成物。
【請求項６】
前記支持基体に結合した唯一のイオン結合性成分がクリプタンドである、請求項１記載のイオン交換組成物。
【請求項７】
前記支持基体が粒状樹脂床の形である、請求項１記載のクリプタンドイオン交換組成物。
【請求項８】
前記床がクロマトグラフィー分離充填床を含む、請求項７記載のクリプタンドイオン交換組成物。
【請求項９】
前記樹脂床中の粒子がグラム当り少なくとも約100マイクロ当量を含む、請求項７記載のクリプタンドイオン交換組成物。
【請求項１０】
誘導化イオン結合性クリプタンド類からペンダントしている不飽和炭素-炭素成分と支持基体からペンダントしている不飽和炭素-炭素成分とをフリーラジカル活性化条件下に共有結合させて共有結合を形成させることを特徴とするクリプタンドイオン交換組成物の調製方法。
【請求項１１】
前記クリプタンドペンダント炭素-炭素成分がスチレン基上にある、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記誘導化クリプタンドが前記高分子基体に結合している唯一のイオン結合性成分である、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
液体サンプルを請求項１〜８のいずれか１項記載のイオン交換組成物の貫流床中を流動させてアニオン類を分離することを特徴とする前記液体サンプル中の前記アニオン類の分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換クロマトグラフィーにおけるような用途の支持基体に共有結合させたクリプタンド(cryptand)類に関する。
【背景技術】
【０００２】
クリプタンド類、並びにクラウンエーテル類、スフェランド(spherand)類、クリプタヘミスフェランド(cryptahemispherand)類、キャビタンド(cavitand)類、カリキサレン(calixarene)類、レゾルシノレン(resorcinorene)類、シクロデクストリン(cyclodextrine)類、ポルフィリン(porphyrine)類等のような他の大環状化合物は周知である。(Comprehensive Supramolecular Chemistry Vol. 1-10, Jean-Marie Lehn- Chairman of the Editorial Board, 1996 Elsevier Science Ltd.)。それらの多くは、イオン性有機および無機分子と安定な複合体を形成し得る。これらの特性は、大環状化合物類を種々の分野、例えば、触媒作用、分離、センサー開発等における候補物としている。クリプタンド(二環式大環状体)類は、金属イオンに対して極めて高い親和性を有する。クリプタンド金属イオン複合体は、クラウンエーテル類のような単環式リガンドによって形成された複合体よりも安定である(Izatt, R.M., et al., Chemical Reviews 91: 1721-2085 (1991))。水中のアルカリおよびアルカリ土類金属イオンに対するクリプタンド類の高親和性は、クリプタンド類を強力で迅速且つ可逆的な金属イオン結合が要求される諸プロセスにおける優れた複合体化剤としている。これらのプロセスの例としては、分離、金属イオン類の予備濃縮および検出、放射性アイソト−プ類の分析、イオン交換クロマトグラフィー、相間移動触媒、アニオン種の活性化等がある。
【０００３】
官能性を有する成分を大環状化合物に付加することによって、誘導化大環状体を支持基体に結合させて表面官能性を付与させることができる。物理的吸着と共有結合が２つの一般的な結合方法である。クリプタンド吸着型ポリマー類は、イオン交換クロマトグラフィー用の静置相として報告されている(Lamb, J.D., et al., J. Chromatogr., 482:367-380 (1989)；Niederhauser, T.L., et al., Journal of Chromatography A, 804:69-77 (1998)；Lamb, J.D., et al., Talanta, 39(8):923-930 (1992)；および Smith, R.G., et al., Journal of Chromatography A, 671:89-94 (1994))。
吸着型材料の大多数は、その溶媒類(吸着官能層を溶出させる)との不適合性故に、限られた数の用途しか有していない。また、これらの材料を昇温下で使用することも制約されている。共有結合はこれらの問題を軽減する。共有結合大環状体を含む従来報告されている基体としては、シリカゲル、高分子樹脂、薄膜等がある(Blasius, E., et al., Pure & App. Chem. 54(11):2115-2128 (1982)；Montanari, F., et al., British Polymer Journal, 16:212-218 (1984)；Krakowiak等の米国特許第5,393,892号；Bradshaw等の米国特許第4,943,375号；Riviello等の米国特許第5,968,363号；Kakiuchi等の日本特許第55018434A2号；Fujine等の日本特許第59145022A2号；Fujine等の日本特許第61033220A2号；Watanabe等の日本特許第4346064A2号；およびDarling等のPCT公告WO99/28355号)。
【０００４】
多くの大環状化合物の合成方法が多年に亘って開発されてきている(Comprehensive Supramolecular Chemistry Vol. 1-10, Jean-Marie Lehn- Chairman of the Editorial Board, 1996 Elsevier Science Ltd.；Krakowiak, K.E., et al., Israel Journal of Chemistry 32:3-13 (1992)；Bradshaw, JS., et al., “Aza-Crown Macrocycles,” The Chemistry of Heterocyclic Compounds, Vol. 51, ed. Taylor, E.C., Wiley, New York, 1993；Haoyun, A., et al., Chemical Reviews 92:543-572 (1992))。しかしながら、官能化大環状体の合成は難しい。閉環工程前の線状プレカーサーに付加させたヒドロキシ、アミノおよびカルボキシル基が、大環状体の誘導化において一般的に使用される官能基である。殆どの合成手法は、環状化前にこれらの基の保護を含む。保護基は、大環状体の構築後に所望の官能基として化学的に変換される(Krespan, C.G., Journal of Organic Chemistry 45:1177-1180 (1980)；Montanari, F., et al., Journal of Organic Chemistry 47:1298-1302 (1982)；Haoyum, A., et al., Journal of Organic Chemistry 57:4998-5005 (1992))。この方法は、官能化大環状体、とりわけ二環式および多環式化合物の合成および精製において著しい制約を受ける。合成の困難性は、これらの物質の全体的低収率と高生産コストをもたらし得る。
【０００５】
アリル官能性を有する大環状化合物は、従来技術において公知である(Krakowiak, K.E., et al., Journal of Heterocyclic Chemistry 27:1011-1014 (1990))。これらの幾つかは、さらにヒドロシレート化(hydrosilated)して、シリカ固形支持体に結合させている(Bradshaw, J.S., et al., Pure & Appl. Chem. 61:1619-1624 (1989)；Bradshaw, J.S., et al., Journal of Inclusion Phenomena and Molecular Recognition in Chemistry 7:127-136 (1989))。アリル含有[2.2.2]クリプタンド１の合成は報告されている(Babb, D.A., et al., Journal of Heterocyclic Chemistry 23:609-613 (1986))。
クリプタンド類の高分子基体への共有結合方法は、主として基体の活性層、例えば、ベンジルクロライド基とヒドロキシルまたはアミノ官能化クリプタンド分子との相互作用に基づいている(Montanari, F., et al., J. Org. Chem., 47:1298-1302 (1982)；Montanari, F., et al., British Polymer Journal, 16:212-218 (1984)；およびMontanari, F., et al., Tetrahedron Letters, No 52, 5055-5058 (1979))。この相互作用も、副プロセス(大環状体の第３級窒素からの第４級中心の形成)を含む(Montanari, F., et al., British Polymer Journal, 16:212-218 (1984))。第４級化は、ホフマン分解による大環状体の広範囲の分解を生じ、アニオン交換静置相の容量を低下させる。アミド基は、基体のクリプタンド分子による共有官能化のために報告されたもう１つのリンカーである(Montanari, F., et al., British Polymer Journal, 16:212-218 (1984))。アミド類は、アニオン交換クロマトグラフィーにおいて使用する極めて高いpHに耐え得ない。さらにまた、上述したヒドロキシルまたはアミノ官能化クリプタンド類を調製する合成方法の殆どは、工業的規模での生産条件を満たすには実際的でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アニオン類を分離するクロマトグラフィー分離媒質のような用途のために、クリプタンド類を基体に共有結合させる改良された方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの実施態様は、誘導化イオン結合性クリプタンド類からペンダントしている不飽和炭素-炭素成分を支持基体とフリーラジカル活性化条件下に反応させて両者間に共有結合を形成させることによって調製したイオン交換組成物を含む。
もう１つの実施態様においては、クリプタンドイオン交換組成物は、誘導化イオン結合性クリプタンド類からペンダントしている不飽和炭素-炭素成分を支持基体からペンダントしている不飽和炭素-炭素成分とフリーラジカル活性化条件下において共有結合させて共有結合を形成させることによって調製する。
本発明の１つの局面においては、イオン交換組成物は、誘導化イオン結合性クリプタンドCからペンダントしている不飽和炭素-炭素成分を支持基体とフリーラジカル活性化条件下において反応させることによって調製する。
１つの実施態様においては、上記クリプタンドのペンダント不飽和炭素-炭素成分は、後述するような方法によってクリプタンドに結合させているスチレン基に存在する。クリプタンド類の特性は、イオン交換組成物として周知である。前述の刊行物において記載されているように、クリプタンド類は、カリウム、ナトリウム、ルビジウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、タリウムのようなカチオン類と、さらに低めの度合であるが、セシウム、マグネシウムおよびリチウムと結合して、周知の原理に従ってアニオン交換体を形成する。複合体化されるカチオンの濃度は、安定性定数としても知られている結合定数Kに直接比例する。これらの大環状体を通常のクロマトグラフィー静置相のような支持体に結合させ、その後ある種のカチオン類と複合体化させた場合に、アニオン交換クロマトグラフィーは達成され得る。
【０００８】
本発明の反応方式の１つの利点は、平方メートル当りの誘導化大環状化合物(例えば、クリプタンド類)の個々の多数(例えば、4×1014〜4×1016またはそれ以上)のストランドを各支持体粒子に結合させ得、図１に示すように、支持体から突出していることである。このことは、水性環境においてカチオンおよびアニオン種双方の接近を容易に許容し得る形において実質量の大環状化合物を付与させている。吸着型大環状化合物に基づく従来技術は、この種が疎水性表面上の単分子層として吸着されなければならないという制約によって極めて限られた容量しか付与しない。各支持体粒子周囲の水溶液中に延びているブラシ状ポリマーとしての大環状化合物を提供することによって、大環状化合物の吸着型単分子層コーティーングにおいて観察され得るよりも著しく良好な拡散動力学を可能にし、同時に吸着型単分子層によって可能であるよりも著しく高い容量を付与し得る。さらにまた、疎水性表面近くの大環状化合物の位置付けは、吸着型大環状化合物に基づく物質のクロマトグラフィー性能を低下させている。アニオン系疎水性化合物は、その滞留部位が疎水性表面近くに位置する場合、有機溶媒を移動相に添加しない限り貧弱なクロマトグラフィー性能しか示さない。勿論、支持体粒子を流れ通る移動相中への有機溶媒の混入は、そのような有機溶媒が吸着型コーティーングを緩慢に洗い落とすので、従来技術の吸着型単分子層コーティーングとは相容れ得ない。大環状ブラシ状ポリマーにより共有的に誘導されている支持基体に由来する上記複合物質は有機溶媒を相容れし得るけれども、有機溶媒の高コストおよび有機溶媒廃棄の高コストは、有機溶媒の使用を極めて望ましくないものにしている。即ち、上述のブラシ状ポリマー形状は、有機溶媒添加の必要性およびその使用による実際の不利益なしで優れたクロマトグラフィー特性を提供する。
【０００９】
１つの好ましい実施態様においては、共有結合は、クリプタンドペンダント成分と高分子基体からペンダントしている不飽和炭素-炭素成分との間でフリーラジカル条件下において形成される。例えば、クリプタンド類は、イオン交換カラム用の充填床において使用する架橋型ポリスチレン樹脂のような樹脂ビーズに結合させ得る。充填床の形および樹脂の組成特徴は、Dionex社からIONPACR製品ラインとして市販されているタイプであり得る。このタイプのとりわけ有効なイオン交換組成物においては、クリプタンドは、共有結合を形成するペンダントスチレン基を含むように誘導される。
さらなる実施態様においては、高分子基体に結合させる唯一のイオン結合性成分はクリプタンドである。
上記スチレン末端基のビニル成分は、フリーラジカル条件下において、米国特許第5,865,994号に記載されているようなエチレン系不飽和を有する末端基を含む高分子基体粒子に容易に結合する。
もう１つの実施態様においては、支持基体は、水素抽出条件下において抽出性であってクリプタンドペンダント不飽和成分と共有結合を形成する水素原子を含む。この反応のための適切な条件は、米国特許第6,074,541号および第5,792,331号に開示されているようなフリーラジカル活性化を含む。
【００１０】
上述のタイプのアニオン交換カラムにより、フルオライド、クロライド、サルフェート、ニトリット、ブロマイド、ホスフェートおよびニトレートのような一般的なアニオン類；チオサルフェート、イオジド、チオシアネートおよびパークロレートのような疎水性アニオン類；ギ酸、酢酸、グリコール酸、キナ酸のような有機酸を範囲とする種々のアニオン交換分離を実施し得る。高pHでのポリホスフェート、オリゴヌクレオチド類およびオリゴ糖類のような多価イオン類も、このカラムによって分離することができる。
クリプタンド類を使用するアニオン類の分離条件は周知である。(Lamb, J.D., et al., J. Chromatogr., 482:367-380 (1989)；Niederhauser, T.L., et al., Journal of Chromatography A, 804:69-77 (1998)；Lamb, J.D., et al., Talanta, 39(8):923-930 (1992)；および Smith, R.G., et al., Journal of Chromatography A, 671:89-94 (1994))。１例を図２に示しており、７種の一般的アニオンの分離を、通常の抑圧アニオン交換法を使用して実施している。図２においては、70ミリモルの水酸化ナトリウム移動相を使用してのフルオライド(ピーク１)、アセテート/ホルメート(ピーク２)、クロライド(ピーク３)、サルフェート(ピーク４)、ニトリット(ピーク５)、ブロマイド(ピーク６)、ホスフェート(ピーク７)およびニトレート(ピーク８)の分離を理解し得る。
【００１１】
上述のように、１つの実施態様においては、単量体クリプタンドを、フリーラジカル開始剤を使用して支持基体(静置相)上にグラフトさせて共有結合官能性を生成させる。この静置相は、水性または有機移動相において使用するときに安定である。金属イオン結合のための窒素と酸素のヘテロ原子、酸素のみのヘテロ原子、窒素のみのヘテロ原子または導入複素環フラグメントを含有する二環式および三環式の脂肪族および芳香族クリプタンド分子も、変性剤として使用し得る。スチレン系、アリル系、アクリル系、メタクリル系並びに他のアルケンおよびアルキン誘導体のような他の重合性クリプタンド化合物もグラフト化において使用し得る。クリプタンドをこの方法またはそのような結合を形成させることのできる任意の方法によって共有結合により結合させると、そのクリプタンドは、アニオン交換クロマトグラフィーのための安定な官能基として直ぐに使用し得る。
アニオン交換移動相は、典型的には、水酸化(または炭酸)ナトリウムまたはカリウムのような塩基溶液である。アニオン類の溶出は、静置相上のカチオン交換部位に対するヒドロキサイドまたはカーボネートのような移動相アニオンとサンプルアニオンとの間の拮抗によって生ずる。通常の抑圧アニオン交換クロマトグラフィーにおいては、会合カチオンは、そのプロセスにおいて無視し得る役割しか典型的には果たさない。クリプタンド系アニオン交換においては、カチオンは重要な役割を果たす。その役割は、アニオン交換部位を発生させ、カチオンに依存して、静置相の容量と選択性を決定する。
例えば、水酸化カリウムのような塩基性移動相を[2.2.2]クリプタンド樹脂と一緒に使用する場合、カリウムはナトリウムまたはリチウムに対比して高結合定数を有するので、高容量の静置相が創生される。水酸化ナトリウムのような移動相を使用する場合には、ナトリウムは低めの結合定数を有するので、この場合、上記より低めの容量の静置相が創生される。低容量相は、リチウムが[2.2.2]クリプタンドに対して低親和性を有することから、水酸化リチウムを移動相として使用する場合に発生する。容量は、2,2,2クリプタンドのカリウム、ナトリウムおよびリチウムカチオンとの結合定数に基づき予想通り低下する。
【００１２】
本発明によれば、大環状体は、支持基体に永続的に結合し、水性溶離剤または溶媒を含有する溶離剤を使用する場合に、イオン交換カラムから緩慢に浸出することはない。
もう１つの利点は、性能が多価イオンによる汚染によって低下しているカラムを迅速に修復させる能力である。この修復は、これらのイオンに対して実質的な親和性を有さない超低容量方式を使用してなし得る。これらの条件下において、多価汚染物はカラムから容易に溶出し、元の性能が修復される。
通常のアニオン交換カラムは固定の容量と選択性を有し、これは調節できない。本発明においては、カラムは、クリプタンドと複合体化するカチオンを変えることによってアニオン交換容量を変化させる能力を有する。選択性も、低い度合であるが、これらの移動相を換えることによって調節し得る。この特徴は、使用者が分析するサンプルに対してカラム性能を単純な移動相の選択によって修正するのを可能にする。容量は、１回の分析において調節し得るのみならず、分析中、開始時に高めの容量の移動相を使用し次いで段階変化または勾配のいずれかにより低めの容量方式に変化させることによって変動させることも可能である。この１つの例を図３に示しており、この場合、初期移動相は水酸化ナトリウムであり、極めて低容量形である水酸化リチウム移動相への段階変化を行っている。溶離する最初のピークは低原子価のポリホスフェート類であり、操作は高原子価イオンの溶出によって終了する。
この試みの利点は、移動相イオン濃度を増大させることなく極めて高い原子価のイオン類の溶出を可能にすることである。操作全体に亘る総イオン濃度は、僅かに30 mMであり、比較的低い濃度である。この方法は、“勾配容量イオンクロマトグラフィー”(2,3)クロマトグラフィーとして知られている(Lamb, J.D., J. Chromatogr., 482:367-380 (1989)；Lamb, J.D., Talanta, 39(8):923-930 (1992))。
伝統的なアニオン交換カラムは、ポリホスフェート類、オリゴ糖類、オリゴヌクレオチド類等のような多価イオン類を分析する場合、極めて高濃度の移動相を必要とする。必要とする濃度は、場合によっては、サプレッサの抑圧能力を超える。クリプタンド系カラムを使用することによって、通常の方法における急激な勾配または段階変化によって見受けられる大きな基本的変化は排除し得る。
【００１３】
誘導化クリプタンドの１つの調製方式は、本出願と同時に出願した“A Derivatized Macrocycle Compound for Covalent Bonding to a Substrate and Method of Forming and Use”なる名称の出願においてBordunov等によって開示されている。該出願に開示されているように、クリプタンドCは、イオウ含有誘導化剤の使用により誘導化されて、Cに直接または間接的に結合した末端官能成分Rを含む生成物を生成する。Rは、支持基体に共有結合し得るかあるいはそのような基体に共有結合し得る形に転換し得るものである。一般に、誘導化Cは、下記の構造を有する：
【化１】
2005520042.tif 000002
（式中、Cは、分子骨格の単環式または多環式クリプタンド成分であり、各サイクル中に少なくとも12個の原子を含有し；
Lは、Cに共有結合した置換または非置換の炭素鎖リンカーであり、該リンカー上の水素原子に対して置換されたヘテロ原子を含む脂肪族、芳香族または複素環式リンカーからなる群から選ばれた構造中に少なくとも１個の炭素原子を含み；
Rは、支持基体に共有結合し得るかあるいは固形支持基体に共有結合し得る官能性成分に転換し得る末端官能性成分であり；
XおよびYは、プロトン、脂肪族基、芳香族基からなる群から選ばれた成分であり、必要に応じて、酸素、窒素、イオウまたはリンヘテロ原子からなる群から選ばれた、上記成分中の水素原子に対して置換されたヘテロ原子を含み；
Sは、イオウである)。
【００１４】
適切な大環状化合物Cは、単環式、二環式、三環式または多環式の分子骨格である。そのような大環状化合物の例としては、前述したようなクラウンエーテル類、クリプタンド類、スフェランド類、クリプタヘミスフェランド類、キャビタンド類、カリキサレン類、レゾルシノレン類、シクロデクストリン類およびポルフィリン類がある。本発明によれば、構造体(１)中のR基は、１以上の工程で、支持基体Zに共有結合させて下記の構造体を形成させ得る：
【化２】
2005520042.tif 000003
RまたはRから誘導された官能基の形質転換により、Zの官能化中にリンカーR1が形成される。R1は、SとZの間の共有リンカーである。R1は、置換または非置換の炭素鎖であり得、該リンカー上の水素原子に対して置換されたヘテロ原子を含む脂肪族、芳香族または複素環式リンカーからなる群から選ばれた構造中に少なくとも１個の炭素原子を含む。R1は、Zに直接結合しているように例示しているけれども、反応式(５)に示すように、Zに共有結合し得る中間化合物に結合させてもよい。即ち、構造体(３)の-R1-Z結合は、直接および間接結合を包含し、そのような中間結合を除外するものではない。
構造体(１)〜(３)中のCがその所望の、例えば、イオン交換体として働く機能を奏し得る限り、任意の支持基体Zを使用し得る。構造体(３)の１つの形は、基体Zに共有結合した誘導化大環状化合物粒子の充填床である。適切な基体としては、架橋型または非架橋型ポリマー類、樹脂類、有機または無機モノリス類、ゾル-ゲル類、シリカゲルのような他の形のゲル類、ゼオライト類のような無機支持体、酸化アルミニウム、二酸化チタン、ジルコニウム系支持体、ガラス、カーボンブラック、活性炭、炭素ナノチューブ類、繊維類、熱分解材料、有機および無機結晶類、液晶類、コロイド類、ナノ粒子類、有機および無機ゲル類、ラテックス類、発泡体類、膜類およびフィルム類のような有機または無機材料がある。また、Zは、チップ類；シリコンウェーハ類；ガス、液体の毛管およびイオン交換クロマトグラフィー、毛管電気泳動、分離、抽出、固相抽出、濾過、精製、輸送、複合体化、分子およびイオン認識、濃縮、有機および無機分子およびイオン類の分析の感知において、さらにまた、触媒作用、相間移動触媒作用、固相合成または他の用途において使用する毛細管の壁の表面のような単分子層の形であり得る。
１つのとりわけ有用な大環状体は、例えば、アニオン交換クロマトグラフィー用のクリプタンド官能性床を使用する、貫流イオン交換床中の樹脂コポリマー粒子のような支持基体に結合したクリプタンドを含む。
【００１５】
本発明の１つの実施態様によれば、大環状化合物Cは、前述したような周知の方法により、アリル基のようなペンダント反応性成分を含むように誘導化する。Cは、以下に述べるように、HSRに結合し得る反応性成分を含むものと定義される。即ち、HSR試薬をCに共有結合させて、R基がイオウ原子Sを介して大環状体に間接的に共有結合している構造体(１)に示すタイプの中間生成物を調製する。上述したように、R基は、１工程または複数工程において支持基体に直接または間接的に共有結合するのに適する官能形であり得る。式(４)は、フリーラジカル付加条件下でのHSRによる大環状化合物(２)の誘導化を例示する。特定の例においては、化合物(２)は、アリルペンダント成分を有するクリプタンドである。
【化３】
2005520042.tif 000004
構造体(１)においては、Sは、少なくとも１個の炭素原子を含む中間リンカーLを介して大環状体Cに結合している。構造体(２)においては、Lは、Cと不飽和炭素-炭素結合Uの間に挿入されており、UがLとYに結合した末端炭素原子とを相互に連結している。リンカーLの目的は、官能基Uを大環状体Cに導入することである。
１つの実施態様においては、(２)においてUとして説明した不飽和炭素-炭素結合、例えば、-C=C- (二重結合)または-C/C- (三重結合)は、C末端の末端基UによるHSRのCへのフリーラジカル付加のための反応部位として作用する。この不飽和は、好ましくは、二重結合、例えば、末端アリル基により付与される。リンカーLは、大環状体の能力に有意の影響を及ぼさない任意の部位においてCに結合させて、所望の、例えば、興味あるイオンと複合体化する機能を付与し得る。即ち、クリプタンドにおいては、上記の結合は、カチオンの結合性またはその会合アニオンに有意の影響を与えない。上述したように、リンカーLの主鎖は、好ましくは長さで約１〜約20個の原子、好ましくは長さで3〜8個の原子である。リンカー鎖は、直鎖または枝分れであり得、また、酸素、窒素、イオウまたはリンのようなリンカー上の水素原子に対して置換されたヘテロ原子のための飽和または不飽和炭素原子も含む。通常、リンカー基は、1〜3個のヘテロ原子を含有する。ヘテロ原子は、リンカー鎖内で、これらヘテロ原子が本発明組成物のイオン分離特性に有意の悪影響を与えない位置において置換させ得る。リンカー基Lは、本明細書において参考として引用した米国特許第5,865,994号における相応するリンカーLに類似であり得る。
【００１６】
HSR基の大環状体上のペンダント不飽和基へのフリーラジカル開始によるフリーラジカル結合に適する条件は、当該技術において周知である。例えば、Griesbaum, K, Angew. Chem. Internat. Edit. Vol.9, No.4, 273-287 (1970)を参照されたい。
反応式(４)の１つの実施態様においては、Rは、Rを共有結合し得る形に転換することなしに、支持基体に直接共有結合させ得る形にある。保護/脱保護反応のようなRの転換は、反応(４)中にRを完全な形に保つために必要であり得る。Rの必要に応じての保護/脱保護のもう1つの理由は、反応(４)の途中での基Rの干渉を阻止することである。Rの保護/脱保護の例は、反応(４)においてエステル保護R基の形でカルボン酸を使用し、次いで、基体に結合させる前に、加水分解によりそのカルボン酸への転換(脱保護)を行うことである。保護/脱保護の可能性のある使用による支持基体への直接共有結合に適する基Rとしては、プロトン、アミン類、エポキシド類、アルデヒド類、ケトン類、アルコール類、フェノール類、チオール類、カルボン酸類、チオカルボン酸類、カルボン酸およびチオカルボン酸のアミドおよびエステル類、リン酸およびリン酸類、スルホン酸のエステル類がある。
早期に報告されたような反応方式(Montanari, F., et al., J. Org. Chem., 47:1298-1302 (1982)；Montanari, F., et al., British Polymer Journal, 16:212-218 (1984)、およびMontanari, F., et al., Tetrahedron Letters, No 52, 5055-5058 (1979))を、クリプタンド変性剤による支持基体の直接官能化において使用し得る。上記の開示されている方法の１つは、ヒドロキシメチル官能化クリプタンドをクロロメチルポリスチレンポリマーと塩基の存在下に反応させることである。クリプタンド類の直接共有結合のためのこの方法および他の以前に報告された方法の幾つかの欠点は、前述したとおりである。
【００１７】
少なくとも２つの支持基体への(１)の間接結合方法が存在する。第１の方法は、非ラジカル条件下で基体に共有結合して構造体(３)を形成し得る基へのRの転換である。この方法の例は、Rがアルコール成分である(１)の転換である。アルコール基は、支持基体の脱プロトン化ヒドロキシル基と反応して共有結合R1を形成するトシルまたはメシル誘導体に容易に転換し得る。基体へのさらなる非ラジカル共有結合におけるRの転換によって調製し得る官能基としては、アミン類、エポキシド類、アルデヒド類、ケトン類、アルコール類、フェノール類、チオール類、カルボン酸類、チオカルボン酸類、カルボン酸およびチオカルボン酸のアミドおよびエステル類、リン酸およびリン酸類、スルホン酸のエステル類、アシルハライド類、アルキルおよびアリールハライド類および活性化カルボン酸類がある。
支持基体への(１)の第２の間接結合方法は、基Rへの重合性成分への転換、その後のフリーラジカル条件下でのその成分の基体への共有結合である。下記の特定の反応式(５)の間接結合法は、HSR試薬中の-SRを先ずリンカーLを介してCに結合させる２段手法を例示している。その後、第２工程において、結合させたRをもう１つの試薬と反応させてラジカル法によって基体に共有結合させ得るR上のペンダント基を形成させる。下記の特定の反応式(５)においては、ペンダント基は、フリーラジカル活性化条件下において支持基体に結合し得るエチレン系不飽和(ビニル)基である。
【化４】
2005520042.tif 000005
（式(５)：2-アミノエタンチオールヒドロクロライドのアリル誘導化[2.2.2]クリプタンドへのラジカル付加によるアミノおよびスチリル[2.2.2]クリプタンドの合成）。
【００１８】
とりわけ反応式(５)に関しては、[2.2.2]クリプタンド１のアリル誘導体を上述のような化学論によって先ず調製する。次に、この誘導体を、例えば、Griesbaum, K., Angew. Chem. Internat. Edit, Vol.9, No.4, 273-287 (1970)の論文に説明されているようなUVまたは他の照射線への暴露のようなフリーラジカル条件および/またはパーオキサイド類、アゾ化合物類等の添加によるようにして、HSR試薬(2-アミノエタンチオールヒドロクロライド)にアリル基を介して共有結合させて末端アミノ基Rを形成させる。その後、アミノ基Rを、フリーラジカル条件下で基体に結合し得る官能基、例えば、ビニル基に転換する。反応式(５)に例示しているように、この転換の第１工程は、アミノクリプタンド２と4-ビニルベンズアルデヒドとの相互作用である。シッフ塩基がこの反応の中間生成物である(式中には示していない)。第２工程において、シッフ塩基をNaBH4とその場で反応させて、重合性スチリル成分で官能化した[2.2.2]クリプタンド３を得る。この方法は、グラフト化およびコーティーングのようなフリーラジカル法を使用しての各種基体中または基体上へのさらなる共有結合または導入のための、大環状体の官能化分子への迅速な転換を可能にする。
【００１９】
上記の説明において、Cは、チオール類のフリーラジカル付加によって官能化される(式(４)および(５))。この方法の利点は、下記のとおりである：
１．従来技術に記載されているアリルクリプタンド１の合成は、さらなる結合のためのペンダント官能基を有する[2.2.2]１クリプタンドの大環状骨格を構築するための優れた方法である。アリル基の使用は、クリプタンド類の合成中の保護/脱保護工程の必要性を軽減する。クリプタンド官能化の従来技術例の殆どは、プロセスの全体的成果を達成するその合成においてより長時間による保護中間体に基づいている。アリルプレカーサーをベースとして開発した上記方法は、官能化[2.2.2]クリプタンドの100〜200g規模の生産を可能にする。この量は、開示されているクリプタンド合成方法のすべてに対比して例外的に大量である。
２．アリルクリプタンドのより反応性の官能性分子への転換方法は限られている。例えば、最初に[2.2.2]アリルクリプタンドを合成した著者は、アリル基をヒドロキシ基に転換できなかった。上記のチオール付加は、比較的不活性なアリル基の反応性アミンへの化学転換において極めて有効であることが判明した。アミノ基自体で基体上の官能化に高度に効率的であるが、アニオン交換静置相における条件においては、ラジカル重合条件下で官能化した物質が好ましい。
３．アリル基は、スチレンフラグメントに比較して、ラジカル重合条件下において低い反応能力を有する。即ち、アリル系モノマーは、極めて多くの場合、所定のグラフト化効率を示さず、低容量静置相をもたらす。開発したチオール付加により、アリル基のスチレン成分への効率的な転換を２段階法(５)により可能にした。スチレン系誘導体３に転換したアリル系クリプタンド１は、今や、支持体表面から効率的にグラフト化でき、新規な高容量アニオン交換静置相を提供する。
４．イオン交換クロマトグラフィーにおいて使用する静置相の化学安定性は、大きな重要性を有する。イオン交換クロマトグラフィーを実施する極端なpH値は、官能性モノマーとイオン交換部位と静置相を連結するリンカーとの化学性に著しい制約を課している。開発したチオール付加法およびその後のグラフト化重合は、クリプタンド官能化樹脂をベースとする極めて安定なアニオン交換材料を提供する。これらの静置相は、昇温下においてpH 1〜14で操作し得る。そのような過酷な条件に供した後のこれら相の耐久性と再生性は、現存のアニオン交換材料の同様な特性よりも優れている。
【００２０】
反応式(５)において、例示したR基は、反応してスチレン[2.2.2]クリプタンド３を生成するNH2であり、そのペンダントビニル基が、実施例３および図１に例示するようなフリーラジカル条件下において、コポリマー樹脂支持基体上の相応するビニル基と共有結合を形成し得る。
上記各反応式の１つの利点は、平方メートル当りの誘導化大環状化合物(例えば、クリプタンド類)の個々の多数(例えば、4×1014〜4×1016またはそれ以上)のストランドを各支持体粒子に結合させ得、図１に示すように、支持体から突出していることである。このことは、水性環境においてカチオンおよびアニオン種双方の接近を容易に許容し得る形において実質量の大環状化合物を付与させる。吸着型大環状化合物に基づく従来技術は、この種が疎水性表面上の単分子層として吸着されなければならないという制約によって極めて限られた容量しか付与しない。各支持体粒子周囲の水溶液中に延びているブラシ状ポリマーとしての大環状化合物を提供することによって、大環状化合物の吸着型単分子層コーティーングにおいて観察され得るよりも著しく良好な拡散動力学を可能にし、同時に吸着型単分子層コーティーングによって可能であるよりも著しく高い容量を付与し得る。さらにまた、疎水性表面近くの大環状化合物の位置付けは、吸着型大環状化合物に基づく物質のクロマトグラフィー性能を低下させている。アニオン系疎水性化合物は、その滞留部位が疎水性表面近くに位置する場合、有機溶媒を移動相に添加しない限り貧弱なクロマトグラフィー性能しか示さない。勿論、支持体粒子を流れ通る移動相中への有機溶媒の混入は、そのような有機溶媒が吸着型コーティーングを緩慢に洗い落とすので、従来技術の吸着他型単分子層コーティーングと相容れ得ない。大環状ブラシ状ポリマーにより共有的に誘導されている支持体粒子に由来する上記複合物質は有機溶媒を相容れ得るけれども、有機溶媒の高コストおよび有機溶媒廃棄の高コストは、有機溶媒の使用を極めて望ましくないものにしている。即ち、上述のブラシ状ポリマー形状は、有機溶媒添加の必要性およびその使用による実際の不利益なしで優れたクロマトグラフィー特性を提供する。
【００２１】
従来技術の吸着型大環状体単分子層コーティーングは、60程の低い大環状体イオン結合定数によって有用であると示されている。しかしながら、驚くべきことに、共有結合ブラシ状ポリマーコーティーングの形で構築したときの同様な大環状体は、100％水性環境において何らの有用なイオン結合特性を示し得なかった。明らかに、疎水性表面上の吸着型単分子層コーティーングとしての大環状体の適用は、大環状体をその表面上の水性環境よりも実質的に低い誘電性環境に曝している。そのように、吸着型単分子層コーティーングのイオン結合親和性は、100％水性環境において等価の大環状体よりも実質的に高い。従って、高度の望ましい共有結合ブラシ状ポリマー形において有用な材料を提供するためには、大環状体は、100％水性環境において有用なイオン結合特性を得るためにより高めのイオン結合定数を有しなければならない。
スチレン末端基のビニル成分は、米国特許第5,865,994号に記載されているようなエチレン系不飽和を有する末端基を含む高分子基体粒子にフリーラジカル条件下で容易に結合して構造体(３)を生成する。
Rを大環状体に結合するための上述の特定の２段階反応(式５)においては、Rは、不飽和炭素-炭素結合、とりわけビニル基に転換させるアミンの形で例示している。他の末端官能基も、所望の支持基体に共有結合し得る限り使用し得る。
【００２２】
本発明によれば、１つの有用な有効組成物は、荷電分子を分離するのに十分なイオン交換特性を有する誘導化大環状化合物である。このタイプのとりわけ有効な誘導化大環状化合物は、アニオン交換特性を有する支持基体に結合させたクリプタンドである。アニオン交換特性とは、アニオン交換クロマトグラフィーを実施する能力を意味する。クリプタンド類は、アルカリ性条件下においてアルカリおよびアルカリ土類金属を結合させるのに十分なイオン結合特性を示しさらにまた酸性条件下においてこれらのイオンを容易に放出するので、アニオン分離にとりわけ有効であり、クリプタンドを１つのアルカリ金属形状から他の形状に転換する便利な手段を提供する。(Comprehensive Supramolecular Chemistry Vol. 1-10, Jean-Marie Lehn  Chairman of the Editorial Board, 1996 Elsevier Science Ltd；Izatt, R.M., et al., Cmemical Reviews 91:1721-2085 (1991))。例えばクラウンエーテル類の同じ特性と比較したときにクリプタンド類のアルカリ金属イオンに対する著しく高い親和性は、クリプタンド変性剤で官能したアニオン交換静置相により良好なイオン保持特性を付与している。事実、クラウンエーテル系材料は、その低容量のために100％水性溶離剤によるアニオン交換クロマトグラフィー相として使用するのに実用的でない。イオン交換クロマトグラフィー法の工業的応用の殆どは水性溶離剤と共に開発されており、従って、当該クリプタンド官能化材料は、他の公知の金属イオン複合体化剤よりも優れている。
上記のクリプタンドグラフト化樹脂のアニオン交換容量は、グラム当り約15〜2000マイクロ当量の範囲であり得、好ましくはグラム当り100〜300、より好ましくは約120〜225、さらにより好ましくは約150〜200マイクロ当量の範囲にある。
【００２３】
１つの適切な支持体粒子は、マクロ細孔高分子樹脂、例えば、ジビニルベンゼンで架橋させたビニルベンゼンエチレンである。適切なマクロ細孔樹脂は、米国特許第4,224,415号に例示されている。
本発明のもう1つの実施態様においては、親水性層を、誘導化大環状体と共有結合を形成するZに結合させ得る。この態様は、疎水性分析物と大環状体を共有結合させる表面との間の疎水性相互作用を低減させる利点を有する。それによって、前述したように望ましくない移動相への溶媒の添加の必要性を低減する。適切な手順は、実施例３および５に示している。
上記の説明は、Zに共有結合させるための不飽和を含ませるチオール反応によるクリプタンドの官能化を例示している。しかしながら、そのような官能化は、他によっても達成し得る。イオウ以外の他の元素も、適切なラジカル開始条件下において不飽和炭素-炭素結合に結合させ得る。これらの元素は、原子に直接結合した少なくとも1個の水素原子を有するシリコンおよびゲルマニウム原子である。また、置換炭素、例えば、ハロゲン化炭素もラジカル法によって不飽和炭素-炭素結合に付加させ得る。上述の元素は、イオウをRに直接または間接的に結合させたこれら元素の１つに置換えた分子構造体(１)の１部であり得る。
本明細書において参照した特許および刊行物は、参考としてすべて引用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のさらなる詳細を以下の非限定的な実施例において例示する。
【実施例１】
【００２５】
本実施例は、反応式(５)に従う誘導化クリプタンドの２段階合成を説明する。
アリルクリプタンド１の誘導化方法
クリプタンド２および３の合成手順
式(５)
アリル{2.2.2}クリプタンドの合成手順は、報告された方法(Babb, D.A., et al., Journal of Heterocyclic Chemistry 23:609-613 (1986))に基づく。12gのアリル誘導化クリプタンドを70mlのエタノール中に溶解し、12gの2-アミノエタンチオールヒドロクロライドを反応混合物に添加した。反応器を窒素で掃気した。溶液を還流に至らしめ、65mgのAIBNを添加した。254nm波長のUV照射を行った。反応混合物を還流下に攪拌し、8時間照射した。2時間後毎に、新たなAIBN部(65mg)を反応混合物に添加した。反応は、中性酸化アルミニウム上のTLCおよび溶離剤としてCH2Cl2/THF/MeOH：10/5/1を使用してモニターした。
溶媒を減圧下に蒸発させた。残留物を100 mlの水中に溶解した。水酸化リチウムを水溶液に添加してpH 11とした。得られた溶液を100mlのジクロロメタンで3回抽出した。有機層を20％水酸化リチウム水溶液と水で抽出し、無水硫酸ナトリウム上で乾燥させた。溶媒の蒸発後、粗アミノクリプタンド２を200mlのメタノール中に溶解した。得られた溶液に、40mlのメタノール中12gの4-ビニルベンズアルデヒドを1時間に亘って添加した。反応物をメタノール中で10mgの4-t-ブチルカテコールの存在下に6時間還流させた。メタノール溶液を濾過し、−5℃に冷却した。10gの水素化ホウ素ナトリウムを得られた溶液にゆっくり添加した。反応を還流下に24時間続行した。メタノールを減圧下に蒸発させ、残留物を80mlの水と混合した；pHを氷冷30％メタンスルホン酸で1.5とした。得られた溶液を150mlのエーテルで3回抽出した。水性層を水酸化リチウムでpH 11とし、100mlのジクロロメタンで3回抽出した。混ぜ合わせた有機画分を水で抽出し、硫酸ナトリウム上で乾燥させ、濾過した。溶媒を減圧下に蒸発させた。
【実施例２】
【００２６】
本実施例は、誘導化クリプタンドに結合させるための親水性層を付着させることによる支持基体Zの官能化を説明する。
クリプタンドモノマーのグラフト化に適す
る高分子粒子表面上に形成させた親水性層
2.3gの乾燥55％架橋マクロ細孔樹脂(基体は、米国特許第4,224,415号に記載された55％ジビニルベンゼンで架橋させたエチルビニルベンゼンの樹脂調製物である)を3.3gのターシャリーブチルアルコール(Fluka社)中に分散させた。このスラリーに、0.37gの自家製ビニルベンジルアセテート、1gの酢酸ビニル(Aldrich社)および0.092gのVazo 64開始剤(Dupont社)を添加した。材料全体を均質に分散させ、次いで、60℃のオーブン中に18時間置いた。得られた高分子材料を水、アセトン、水で、最後にアセトンで洗浄した。加水分解後、この材料を、以下の実施例３に示すようなクリプタンドモノマーによるグラフト化に直ちに備えた。
【実施例３】
【００２７】
本実施例は、実施例１の誘導化クリプタンドの実施例２の官能化Zへの結合を説明する。
クリプタンドモノマーを充填物としての使用に適する高分子粒子に結合させる
2.35gの予備形成親水性層を有する乾燥55％架橋マクロ細孔樹脂(基体は、米国特許第4,224,415号に記載された55％ジビニルベンゼンで架橋させたエチルビニルベンゼンの樹脂調製物である)を3.4グラムの水中に分散させ、0.5gの0.1Mメタンスルホン酸を添加した。このスラリーに、0.5gのクリプタンドモノマーと0.2gのアゾビスシアノペンタン酸(Fluka社)を添加した。材料全体を均質に分散させ、次いで、50℃のオーブン中に20時間置いた。上記から得られた高分子材料をアセトンで、次いでメタノール、水および1M水酸化カリウムで洗浄した。その後、樹脂を、標準の方法と装置を使用して、分析用カラムに41370 kPa (6000psi)で15分間充填した。この高分子カラムは、アニオン種のクロマトグラフィー分離に適している。
【実施例４】
【００２８】
クリプタンドモノマーを予備結合させた親水
性層を有していない高分子粒子に結合させる
この実施例においては、実施例１の誘導化クリプタンドを実施例２のマクロ細孔樹脂出発材料(親水性層を形成させていない)に結合させる。
【実施例５】
【００２９】
クリプタンドモノマーのグラフト化に適する
高分子粒子表面上に形成させた別の親水性層
2.3gの乾燥55％架橋マクロ細孔樹脂(基体は、米国特許第4,224,415号に記載された55％ジビニルベンゼンで架橋させたエチルビニルベンゼンの樹脂調製物である)を3.3gのターシャリーブチルアルコール(Fluka社)中に分散させた。このスラリーに、2.4gのビニルベンジルアセテート(自家製)、0.092gのVazo 64開始剤(Dupont社)を添加した。材料全体を均質に分散させ、次いで、60℃のオーブン中に18時間置いた。得られた高分子材料を水、アセトン、水で、最後にアセトンで洗浄した。加水分解後、この材料を、上記実施例３に示すようなクリプタンドモノマーによるグラフト化に直ちに備えた。
【実施例６】
【００３０】
本実施例は、溶離剤カチオン(移動相)を変えることによって達成し得る選択性変化を示す。
カチオン形に対する容量
図２に示すこれらのクロマトグラムにおける条件は、以下のとおりである：溶離剤：各例において70ミリモル、図Aはカリウム、図Bはナトリウム、図Cはリチウム；流量、1.0mL/分；注入容量、25μL；温度、35℃；検出器、抑圧導電率、ASRSR-ULTRA 4-mm、アニオントラップカラム(4×35mm)による外部水方式；ピーク；1．フルオライド、2mg/L；2．クロライド、3mg/L；3．サルフェート、5mg/L；4．ニトリット、10mg/L；5．ブロマイド、10mg/L。カラムは、4mm内径×250mm長の寸法を有する各実施例において記載したタイプのクリプタンドカラムであった。粒度は10μｍ(10ミクロン)であった。
【実施例７】
【００３１】
本実施例は、開始時に高めの容量の移動相を使用し、次いで段階変化または勾配のいずれかによる低めの容量方式に変化させることによる分析中の容量の調節を示す。図３に示すように、開始移動相は水酸化ナトリウムであり、その後、段階変化を実施して、極めて低い容量形である水酸化リチウム移動相とする。溶離する最初のピークは低原子価のポリホスフェート類であり、高原子価イオン類の溶出によって終了する。実施例７における条件は、下記のとおりである：
ポリホスフェート類：容量勾配
プロトタイプ 3×150、5μ
溶離剤：            2分間30mM NaOH、30mM LiOHにステップ
注入容量：          5μL
温度：              35℃
検出：              抑圧導電率
ASRS-ULTRA 2-mm
ATCによる外部水方式
サンプル：          ポリリン酸  0.1％
【００３２】
この方法の利点は、極めて高原子価のイオン類を、移動相イオン濃度を増大させる必要なしに溶出させ得ることである。操作全体に亘っての総イオン濃度は、僅かに30mMで、比較的低い濃度である。この方法は、“勾配容量イオンクロマトグラフィー”として知られている(Lamb, et al. (Editors), “Variable Capacity Columns for Gradient Elution Anion Chromatography Based on Macrocyclic Complexes,” Advances in Ion Chromatography, Vol.2, Century International, Franklin, MA, pp215-231 (1990)；Lamb and Smith, “Review: Application of Macrocyclic Ligands to Ion Chromatography,” J. Chromatogr. 546:73-88 (1991))。
伝統的なアニオン交換カラムは、ポリホスフェート類、オリゴ糖類、オリゴヌクレオチド類等のような多価イオン類を分析する場合、極めて高濃度の移動相を必要とする。必要な濃度は、場合によっては、サプレッサの抑圧能力を越える。クリプタンド系カラムを使用することにより、通常の方法による急峻な勾配または段階変化において頻繁に見受けられる大きな基本線の変化を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に従うイオン交換組成物の略図である。
【図２】本発明のイオン交換組成物の使用を例示するクロマトグラムである。
【図３】本発明のイオン交換組成物の使用を例示するクロマトグラムである。
【図１】
2005520042.tif 000006
【図２】
2005520042.tif 000007
【図３】
2005520042.tif 000008
【国際調査報告】
2005520042.tif 000009
2005520042.tif 000010
2005520042.tif 000011