title: Development and evaluation of ion exchange-type chiral stationary phases for liquid chromatography and subcritical fluid chromatography
Creators: name: Pell, Franz Reinhard
Publisher: name: :none
Year: 2012

description: Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) unter Verwendung von chiralen stationären Phasen (CSPs) ist in der Enantiomerenanalytik und in den enantioselektiven Trenntechniken von größter Bedeutung. So wird diese Technik im universitären Bereich und vor allem in der (pharmazeutischen) Industrie massiv eingesetzt, um chirale Verbindungen in enantiomerenreiner Form zu gewinnen. In der vorliegenden Arbeit wird die Herstellung von CSPs auf Ionenaustauscherbasis beschrieben, welche mittels HPLC und Superkritischer (Subkritischer) Fluid Chromatographie (SFC) auf ihre chiralen Trenneigenschaften hin evaluiert wurden. Im Allgemeinen können die in dieser Dissertation durchgeführten Forschungen auf zwei Bereiche aufgeteilt werden: Der erste Teil beschreibt eine umfassende Evaluierung von Chinin- und Chinidin- basierten Anionenaustauschern (QN-AX – und QD-AX CSP), welche mittels SFC betrieben wurden. Die chiralen Anionenaustauscher erwiesen sich als vollkommen SFC tauglich, da die Trenneigenschaften im Hinblick auf chirale Säuren vergleichbar waren mit den Ergebnissen aus bereits bekannten HPLC Messungen. Weiters konnte festgestellt werden, dass auch in der SFC ein ionenaustausch-dominierter Retentionsmechanismus vorliegt und dass die chirale Erkennung enthalpisch kontrolliert ist. Des Weiteren konnte chromatographisch die in situ Bildung von Methylkohlensäure (und deren dissoziierte Form, nämlich Methylcarbonat) in super(sub)kritischen CO2 – Methanol Mischungen festgestellt werden. Dieses chemische Phänomen ermöglicht Anionenaustauschchromatographie ohne Zugabe von (Puffer)Salzen, da die in situ gebildete Methylkohlensäure als Gegenion fungiert und somit Elution der sauren Analytmoleküle ermöglicht. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten und Wege für präparative Trennungen von chiralen Säuren, da unerwünschte Salzadditiva in der mobilen Phase vermieden werden können. Ferner wurden die QN-AX und QD-AX CSPs zur Enantiomerentrennung von neuartigen chiralen Sulfonsäuren (bzw. deren Sulfonatsalzen) mittels HPLC und SFC verwendet. Es konnte eine unkomplizierte Methode erstellt werden, welche die Basislinientrennung aller applizierten Sulfonsäureanalyte ermöglichte. In einer weiteren Applikationsstudie wurden beide vorher genannten Säulen zur indirekten Bestimmung der Absolutkonfiguration einer Reihe von chiralen sauren Wirkstoffen verwendet. Der zweite Teil der vorliegenden Dissertation beschreibt die Synthese von neuartigen Cinchona-Alkaloid-basierten zwitterionischen chiralen Selektoren (ZWIX-SOs). Durch nachfolgende Immobilisierung der SOs auf Kieselgel wurden zwitterionische chirale stationäre Phasen (ZWIX-CSPs) erhalten. Diese ZWIX-CSPs ermöglichten alle drei Arten von Ionenaustauschmodi, nämlich den schwachen Anionenaustauschmodus zur Trennung von chiralen Säuren, den starken Kationenaustauschmodus zur Trennung von chiralen Basen (Aminen) und, am wichtigsten, den Zwitterionenaustauschmodus zur Enantiomerentrennung von amphoteren Verbindungen wie freien Aminosäuren und kurzkettigen Peptiden. Bei der Synthese dieser ZWIX-SOs wurden Chinin oder Chinidin als Edukte verwendet, welche dann mit strukturell unterschiedlichen, sulfonsäuregruppen-enthaltenden Resten derivatisiert wurden (jeweils über eine Carbamatbindung an der C9-Position). Auf diese Art und Weise konnte ein kleines Set an Chinin- oder Chinidin-basierten ZWIX-CSPs hergestellt werden, welche nachfolgend für Studien der Struktur – Enantioselektivitäts-Beziehungen mittels HPLC verwendet wurden. ZWIX-CSPs mit chiralen Substituenten in Nachbarschaftsstellung zur Sulfonsäuregruppe waren ihren Analoga mit achiralen Seitenketten auf der Kationenaustauscherseite bezüglich Trennleistungen überlegen. Sie zeigten die größte Anwendungsbreite für Aminosäure-Enantiomerentrennungen, wohingegen Dipeptid-Analyte auf allen ZWIX-CSPs ähnlich gut getrennt werden konnten. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft bei Verwendung dieser ZWIX-CSPs war die Möglichkeit zur Umkehr der Elutionsreihenfolge der Aminosäure-Enantiomere, welche durch ein Wechseln von der Chinin-basierten zur pseudoenantiomeren Chinidin-basierten ZWIX-CSP realisiert werden konnte.
description: High Performance Liquid Chromatography (HPLC) using chiral stationary phases (CSPs) is of central importance in both industry and academia for either analysis of enantiomeric purity of chiral molecules or (preparative) separation of enantiomers to obtain enantiomerically pure compounds. The present dissertation describes the preparation of low molecular weight ion exchange-type CSPs and their evaluation using HPLC and Supercritical (or Subcritical) Fluid Chromatography (SFC). The research carried out in the thesis can be divided into two projects. The first part of the thesis presents a comprehensive evaluation of quinine- and quinidine-based chiral anion exchanger stationary phases (QN-AX- or QD-AX CSPs, respectively) for SFC. Both CSPs proved to be fully applicable in SFC which was manifested in similar enantioseparation properties for chiral acids as compared to HPLC. The retention mechanism was found to be ion exchange dominated and thermodynamic analysis revealed an enthalpically controlled chiral recognition mechanism, thus resembling HPLC behaviour. Additionally, we could chromatographically confirm the in situ formation of methylcarbonic acid (and its dissociated species methylcarbonate, respectively) in supercritical CO2-based methanolic fluids. This phenomenon enables salt free chiral anion exchange chromatography by merely applying super(sub)critical CO2-methanolic mobile phases, because the in situ formed methylcarbonate functions as a counterion and thus enables elution of the acidic analytes. This finding opens up new possibilities for preparative separations of chiral acids, as troublesome mobile phase additives, such as salts or acids, can be avoided. Furthermore, QN-AX and QD-AX CSPs were applied for enantioseparation of novel chiral sulfonic acids with HPLC and SFC. We could establish a straightforward method for baseline resolving all of the investigated chiral sulfonic acids (or their sulfonate salts, respectively). In another application study, the absolute configuration of structurally related chiral acidic drug compounds was indirectly assigned by means of chiral HPLC using QN-AX and QD-AX CSPs. The second part of the thesis deals with the synthesis of cinchona alkaloid-based zwitterionic chiral selectors (ZWIX-SOs) and their immobilization onto silica gel to yield the corresponding zwitterionic chiral stationary phases (ZWIX-CSPs). The ZWIX-CSPs provided three modes of ion exchange, namely weak anion exchange mode for separation of chiral acids, strong cation exchange mode for resolving chiral bases (amines) and, most importantly, zwitterion exchange mode for the separation of amphoteric solutes, such as underivatized amino acids and small peptides. The synthesis followed a semi-synthetic approach using quinine or quinidine as starting materials, which were then derivatized with structurally different sulfonate group containing moieties (via a carbamate bond at the C9 position of the cinchona alkaloid). A small library of either quinine- or quinidine-based ZWIX-CSPs was prepared to carry out structure - enantioselectivity relationship studies for zwitterionic analytes by means of chromatography. In short, ZWIX-CSPs with chiral moieties in vicinity to their strong cation exchanger sites exhibited the broadest scope of application for the enantioseparation of amino acids, whereas dipeptides could be well resolved on all ZWIX-CSP independently from the chiral or achiral nature of the strong cation exchange subunit. A special benefit of ZWIX-CSPs is their ability to invert elution orders of amino acid enantiomers, which is easily accomplished by switching from a quinine-based to a pseudoenantiomeric quinidine-based ZWIX-CSP.