Chirale Kationenaustauscher Polymer-Beads und -Monolithe

Forschungsprojekt P 13965Chirale Kationenaustauscher Polymer-Beads und -MonolitheMichael LÄMMERHOFER24.01.2000 Enantiomere von biologisch aktiven Verbindungen (Arzneistoffe, Agrochemkalien, Aromastoffe, etc.) zeigen häufig unterschiedliche Wirkspektren. Es setzt sich daher vermehrt deren enantiomerenreine Anwendung durch. Das bedeutet, daß einerseits präparative Methoden zur Gewinnung der enantiomerenreinen Wirkstoffe als auch analytische Verfahren zur Bestimmung deren Enantiomerenreinheit bzw. der Enantiomerenverhältnisse z.B. in Plasma im Zuge von pharmakologischen Studien benötigt werden. Flüssig-chromatographische (LC) und elektrophoretische (CE) Methoden haben sich dabei als bedeutsam herauskristallisiert. Bei der Enantiomerentrennung tritt ein chiraler Selektor (SO), der für die LC gewöhnlich auf Kieselgel immobilisiert ist, sodaß man eine chirale stationäre Phase (CSP) erhält, mit den beiden Enantiomeren des Analyten (Selektand, SA) unterschiedlich in Wechselwirkung. Dadurch wird das zu trennende Racemat aufgespalten. Die bereits zahlreich verfügbaren SOs und CSPs weisen allesamt spezifische Anwendungsgebiete sowie Nachteile auf, weshalb nachwievor die Entwicklung neuer SOs und CSPs große Bedeutung besitzt, im besoderen für geladene SAs (chirale Säuren und Basen). Im Zuge dieses Projektes soll a.) eine neue Klasse von CSPs basierend auf organischen Polymeren als Trägermaterial entwickelt werden, welche als chirale Kationenaustauscher für die Enantiomerentrennung von chiralen Basen eingesetzt werden sollen, und b.) dieses Konzept neuer Trennmaterialien für die Kapillarelektrochromatographie (CEC) adaptiert werden mit Fokussierung auf die Entwicklung monolithischer Kapillarsäulen. Das vielversprechende Konzept geht aus eigenen langjährigen Entwicklungen und Erfahrungen mit chiralen Anionenaustauschern und enantioselektiven CEC Methoden hervor. Im ersten Teil des Projektes sollen durch ein kapillarelektrophoretisches Screening-Verfahren aus einer Reihe von spezifisch modifizierten chiralen Säuren, wie z.B. a /ß-Aminocarbonsäuren, phosphon- und -sulfonsäuren, vielversprechende chirale SOs herausgefiltert werden, deren Enantioselektivität dann mittels computer- unterstützten Methoden (3D-QSAR CoMFA, Molecular Modeling, SO-SA-Dockingstudien) bzw. basierend auf spektroskopischen Untersuchungen (NMR, Röntgenstrukturanaylse) weiter optimiert werden soll. So neu- bzw. weiterentwickelte SOs sollen schließlich auch synthetisiert werden und für die eigentlichen Projektziele zur Verfügung stehen. Mit den optimierten anionischen SOs sollen dann im 2. Teil des Projektes Kationenaustauscher-CSPs für die LC hergestellt werden, wobei als Trägermaterialien nicht wie üblich Silica, sondern monodisperse Polyglycidylmethacrylat-Beads dienen, um unspezifische Kieselgel-Analyt Wechselwirkungen zu vermeiden. Variablen wie Immobilisierungschemie, Selektorbelegung, Porenweite und spezifische Oberfläche des Trägers sind im Zuge des Projektes zu studieren und zu optimieren. Der 3. Schwerpunkt des vorliegenden Projektes befaßt sich mit der Umsetzung und Adaptierung dieses Konzeptes für die CEC. Es gilt, makroporöse chirale monolithische Kapillarsäulen zu entwickeln, die die SOs in das Polymernetzwerk eingebaut bzw. an dessen Oberfläche verankert haben und als Kationenaustauscher arbeiten. Die Herstellung erfolgt durch in situ Copolymerisation in einer fused silica` Kapillare, wobei die Reaktionslösung aus geeignet funktionalisiertem Monomer, Quervernetzer, Radikalstarter und porogenen Lösungsmitteln, welche die Feineinstellung der Porenstruktur ermöglichen, zusammengesetzt ist. Im Zuge dieses Projektes sollen 2 Ansätze verfolgt werden: i.) ein 2-stufiger Prozeß: Herstellung von Kapillarsäulen mit makroporösein, rigidem monolithischem Glycidylmethacrylat-Polymer mit reaktiven Epoxy-Gruppen für die Immobilisierung anionischer SOs. ii.) ein 1-stufiger Prozeß: der chirale SO wird zunächst mit Methacrylat funktionalisiert und direkt für die Copolymerisation und Monolith-Herstellung verwendet. Alle Faktoren, die die Porenstruktur, Enantioselektivität, Beladungsdichte und Effizienz der Kapillarsäulen beeinflussen, sollen studiert und optimiert werden. Das Projektvorhaben hat interdisziplinären Charakter und vereint enantioselektive molekulare Erkennungs- und Diskriminierungsprinzipien mit Kapillartrenntechnologien sowie Aspekte von Polymerchemie und Oberflächenchemie.

Im vorliegenden Forschungsprojekt wurden neue hoch-selektive Kationenaustauscher-Materialien basierend auf inorganischen Kieselgel-Partikeln oder organischen Polymer-Monolithen entwickelt, welche selektive Bindung mit den Enantiomeren von chiralen basischen Arzneistoffen eingehen können und so zu deren Trennung in Druck betriebenen oder elektrisch betriebenen chromatographischen Trennmethoden Verwendung finden können. Zahlreiche Arzneistoffe, Agrochemikalien, Toxine und andere biologisch-aktive Moleküle sind chiral und existieren als Enantiomerenpaare, das sind Moleküle, die zueinander spiegelbildlich gebaut sind, sich sonst aber in achiraler Umgebung nicht voneinander unterscheiden lassen. Enantiomere können allerdings von proteinogenen Strukturen wie Rezeptoren und Enzymen unterschieden werden, was schließlich zu unterschiedlichem pharmakologischen bzw. toxikologischen Verhalten führen kann. Aus diesem Grund müssen heute im Zuge der Arzneimmittelentwicklung die pharmakologischen und toxikologischen Profile bei chiralen Arzneistoffen für beide Enantiomere separat geprüft werden, was geeignete Methoden für die Herstellung der einzelnen Enantiomere und deren analytische Kontrolle erfordert sowie enantioselektive analytische Assays für die Bestimmung der Konzentrationsverläufe der einzelnen Enantiomere in Plasma, Urin, und anderen biologischen Flüssigkeiten im Zuge von pharmakologischen Studien. Im vorliegenden Forschungsprojekt wurden für derartige Anwendungen neue Trennmaterialien mit spezifischen synthetischen molekularen Erkennungsstrukturen an der Oberflächen der mikropartikulären Materialien hergestellt und diese in neue analytische Trennkonzepte implementiert. Die neuen Trennmaterialien, die als chirale Kationenaustauscher klassifiziert werden können, basieren auf Kieselgel-Partikel oder Polymer-Beads an deren Oberfläche molekulare Selektoren, die aus einem chiralen Grundgerüst und mindestens einer Säuregruppe bestehen, über einen Spacer kovalent gebunden sind. Die neuen Kationenaustausch-Selektoren sind niedermolekularer Natur und wurden aus chiralen Aminosulfonsäuren, Aminophosphonsäuren und Sulfopeptiden synthetisiert. Sie wurden hinsichtlich ihrer 3-dimensionalen Struktur maßgeschneidert, sodaß die einzelnen Enantiomere von basischen Arzneistoffen selektiv gebunden und abgetrennt werden können. Dieses Konzept des enantioselektiven Kationenaustausches mit niedermolekularen synthetischen Selektoren ist völlig neu und wurde schließlich in der Kapillarelektrochromatographie, einer neuen Mikrotrenntechnik, welche ein angelegtes elektrisches Feld als Triebkraft für den Eluent- und Analyt-Transport durch die gepackte Kapillartrennsäule nützt, realisiert und das Funktionieren des Prinzips bewiesen. Eine Reihe von chiralen Basen wichtiger Arzneistoffklassen konnten erfolgreich in die Enantiomere aufgetrennt werden, u.a. beta-Sympathomimetika, die als Bronchospasmolytika eingesetzt werden, beta-Blocker mit antihypertensiver Wirkung und viele andere mehr. Als ein weiteres Ergebnis des vorliegenden Forschungsprojektes hat sich gezeigt, daß starke chirale Kationenaustauscher mit Sulfonsäure bzw. Phosphonsäure-Gruppe deutliche bessere Trenneigenschaften besitzen als deren schwache Analoga basierend auf entsprechenden Carbonsäure-Selektoren. Neben partikulären Materialien wurde auch ein Konzept zur Herstellung von monolithischen chiralen Kationenaustauschern, d.h. makroporösen Polymer-Materialien mit untereinander quervernetzten Partikel und hoher Konnektivität der interstitiellen Poren, entwickelt. Dabei wurden die Selektorstrukturen in einem 2-Stufenprozeß durch einfache Spülvorgänge mit geeigneten Reagenslösungen an der Oberfläche von Poly(Glycidylmethacrylat- co-Ethylendimethacrylat) Monolithen, die vorher in situ in Kapillaren (typischerweise 100 m Innendurchmesser) synthetisiert worden sind, aufgebracht. Derartige monolithische enantioselektive Kationenaustauscher haben großes Potential in der Zukunft, da sie nicht nur hoch-selektive Trenneigenschaften für chirale Basen und verbesserte kinetische Eigenschaften besitzen, sondern auch sehr leicht in den Kanälen von miniaturisierten Analysensystemen hergestellt werden können und somit für Lab-on-a-chip Technologien geeignet sind. Die analytische Anwendbarkeit der neuen enantioselektiven Kationenaustausch-Materialien konnte bereits bewiesen werden. Vor einer Kommerzialisierung der Materialien empfiehlt sich jedoch eine Weiterentwicklung der Selektorstrukturen, um breitere Einsetzbarkeit zu erzielen. Generell sollten die neuen chiralen Kationenaustauscher jedoch von breitem Interesse für die pharmazeutische Industrie sein und als Trennmaterial in der Arzneimittelentwicklung praktische Anwendung finden.