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'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn模拟移动床色谱分离4-苯基噁唑烷-2-硫酮#对映体*王绍艳，李守江，洪鹤员，魏伯峰5（辽宁科技大学化工学院）摘要：采用以甲醇为流动相，单键合β-环糊精手性填料为固定相的模拟移动床（SMB）色谱体系分离4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体。SMB使用的色谱柱规格为100×10mmI.D.，设置洗脱带I：2根色谱柱；精制带II：1根色谱柱；吸附带III：1根色谱柱，I带独立。用建立在线性吸附等温线的理想模型来描述4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体在色谱单柱的色谱行为；10单柱理想模型再结合2-1-1模式的结点模型，建立SMB色谱模型，用以描述连续进样情况下4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体的SMB分离情况。连续进样下，通过调整切换时间不能同时得到高纯度的两个对映体。选择间歇进样，可以同时获得实际纯度大于98.8%的两个对映体。关键词：模拟移动床；分离；4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体；色谱模型中图分类号：TQ06415Separationof4-phenyloxazolidine-2-thioneenantiomersbySimulatedMovingBedChromatographyWANGShaoyan,LIShoujiang,HONGHeyuan,WEIBofeng(SchoolofChemicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning)Abstract:Inthispaper,4-phenyloxazolidine-2-thioneenantiomerswereseparatedbysimulated20movingbed(SMB)chromatographywithβ-cyclodextrin-bondedchiralsilicagelsasthestationaryphaseandmethanolasthemobilephase.ThesizeofacolumnusedinSMBwas100×10mmI.D.TheSMBsystemcontainedthreezonesincludingtheindependentelutingzoneIwithtwocolumns,therefiningzoneIIwithonecolumnandtheadsorbingzoneIIIwithonecolumn.Theidealmodelbasedonthelinearadsorptionisothermwasusedtodescribethechromatographicbehaviorsof254-phenyloxazolidine-2-thioneenantiomers.SMBchromatographymodelwasestablishedbythecombinationoftheidealmodelofthesinglecolumnandthenodemodelof2-1-1modeandwasusedtodescribeSMBseparationprocessof4-phenyloxazolidine-2-thioneenantiomers.Undertheconditionofcontinuousfeeding,itwasunabletoobtainthetwoenantiomerswithhigherpuritiesatsametimebyadjustingtheswitchingtime.Whenintermittentfeedingwasdone,theobtainedpuritiesofthetwo30productsweremorethan98.8%simultaneously.Keywords:simulatedmovingbedchromatography;separation;4-phenyloxazolidine-2-thioneenantiomers;chromatographymodel0引言354-苯基噁唑烷-2-硫酮是一种很好的手性合成辅助剂，可以在一步不对称Aldol反应中生成两个手性中心，完成手性诱导后，比相应的噁唑烷-2-酮辅基容易切除，在复杂敏感分子[1]的手性全合成中具有十分突出的优势。4-苯基噁唑烷-2-硫酮的两种对映单体均具有高度选[2,3]择性。为更好发挥其在手性合成上的作用，实现两者的拆分是必要的。4-苯基噁唑烷-2-基金项目：国家自然科学基金（21576127）；高等学校博士学科点专项科研基金（20132120110002）作者简介：王绍艳（1964-），女，教授、博导，主要研究方向：色谱分离技术.E-mail:aswsy64@163.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn硫酮外消旋体通常是由化学合成得来的，其单一对映体可以通过色谱法进行分离得到。单柱40色谱与模拟移动床相比，往往要消耗更多的溶剂，产量低且不能连续自动进行。模拟移动床（SMB）色谱分离技术通过串联色谱柱之间结点处阀门的切换，模拟固定相的运动，实现[4-8]连续自动分离。SMB色谱分离技术能够反复使用固定相和流动相，提高产品回收率，进一步提高分离度，是精细化工领域的高端分离手段，尤其在同分异构体分离、手性对映体分[9-12]离以及高品质产品提纯中发挥重要作用。在此，我们设计三带模拟移动床分离4-苯基噁45唑烷-2-硫酮对映体的工艺，并建立线性SMB数学模型模拟对映体分离过程，为以后规模化生产提供一定理论依据。1实验部分1.1试剂原料：4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体，广州研创生物技术发展有限公司；流动相：甲醇（分50析纯），北京化工厂；固定相：单键合β-环糊精手性填料，10μm，广州研创生物技术发展有限公司。1.2色谱检测由1台高压液相色谱泵（LC-10ATVP，岛津公司，日本），1台紫外检测器（SPD-6A，岛津公司，日本），1根手性色谱柱(100×10mmI.D.，广州研创生物技术发展有限公司)55和1台色谱工作站（N2000，浙江大学）构成色谱检测器。测试条件为：检测波长：254nm；流动相：甲醇，流速：2.5mL/min；柱温：25℃，进样量：10μL。1.3SMB分离SMB分离设备：自行研制，主要包括3台高压液相色谱泵（LC-10ATVP，岛津公司，日本），4根手性色谱柱（100×10mmI.D.），每根色谱柱设置6个色谱专用电磁阀，1套60SMB自动控制系统。SMB色谱体系工作模式为2-1-1，如图1所示，即：洗脱带I：2根色谱柱；精制带II：1根色谱柱；吸附带III：1根色谱柱。洗脱带I独立。SMB分离过程中，由原料液入口连续泵入对映体料液，SMB自动控制系统按切换时间ts沿流动相方向将洗脱液P入口、萃取液E出口、洗脱液D入口、原料液F入口和萃余液R出口的位置同时依次移动至下一根色谱65柱，从萃余液R出口得到(S)-4-苯基噁唑烷-2-硫酮萃余液，从萃取液E出口得到(R)-4-苯基噁唑烷-2-硫酮萃取液。图1SMB2-1-1工作模式Fig.1RunningmodeofSMB2-1-1-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn702结果与讨论2.1建立三带SMB色谱模型SMB色谱模型由单柱色谱模型和结点模型组成。在实际制备单柱的色谱分离过程中，因涡流扩散、分子扩散及传质扩散存在色谱峰谱带[13,14]展宽的现象，因此平衡扩散模型常用于模拟实际色谱分离过程的研究。但是，作为平75衡扩散模型中最重要的参数，扩散系数D往往需要做大量的实验进行测定，比较耗时、费力，并且不易保证其精确性。为了达到扩散平衡模型的效果，我们选用理想色谱模型，利用差分格式求解理想色谱模[15]型时所带来的人工耗散项（误差项）模拟扩散系数D。理想色谱模型为:∂C∂q∂Ciii80+F+u=0（1）∂t∂t∂x三带SMB的结点模型为：I带（E口）：up=uE，ΙE（2）C=CiiII带（F口）：DΙΙFFΙΙΙΙΙΙuuuDF+=ΙΙΙ（3）uCi+uCi=uCi，III带（R口）：uD+uF=uR，ΙΙΙR（4）C=Cii85(1)-(4)式中i代表组分i，i=1为(S)-4-苯基噁唑烷-2-硫酮，i=2为(R)-4-苯基噁唑烷-2-硫酮；Ci、qi分别为组分i在流动相与固定相的浓度；u为流动相的线速度；F为相比，F=(1−ε)/ε，ε为孔隙率；t代表时间，x代表位置。（1）式中，qi=GCii，Gi为组分i的吸附系数。对（1）式进行差分求解，再结合各结点的衔接关系，用VB软件编程运算，求出SMB90体系的流出曲线。2.2确定SMB模型参数根据单组分线性理想色谱模型的特征线表达式和原料单柱实验的实际流出曲线计算吸附系数。特征线的的表达式为：ttFri,0=+(1Gi)，式中，tri,为组分i的保留时间，t0为死时间，实验测得ε为0.765。由流速为2.5mL/min的单柱实际流出曲线，见图2实线，获得95各组分保留时间，由此得出快组分(S)-4-苯基噁唑烷-2-硫酮：G1=2.41，慢组分(R)-4-苯基噁唑烷-2-硫酮：G2=4.34。再由单组分线性理想色谱模型获得流速为2.5mL/min的单柱计算流出曲线，见图2虚线，可见除拖尾现象外，模型计算与实际流出曲线拟合效果较好。所以，用建立在线性吸附等温线的理想模型能够描述4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体的色谱行为。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn800600RS400response/mv20000246810time/min100图2单柱实际流出曲线（实线）与模型计算的流出曲线（虚线）Fig.2Experimentalelutionprofiles(solidelines)andcalculatedelutionprofiles(dotlines)inasinglecolumn针对以甲醇为流动相，单键合β-环糊精手性填料为固定相，分离4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体的SMB色谱体系，选择的操作参数，见表1。105表1模拟移动床分离4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体的基本参数Table1BasicparametersoftheSMBseparationof4-phenyloxazolidine-2-thioneenantiomersG12.41G24.34ConcentrationofS-enantiomerinfeedingsolution/g/L0.20ConcentrationofR-enantiomerinfeedingsolution/g/L0.20Flowrateoffeedingsolution/mL/min0.1Flowrateofdesorbingsolution/mL/min2.5Flowrateofpurgingsolution/mL/min3.0ε0.765SMBrunningmode2-1-12.3连续进样方式的模拟计算及实验结果用萃余液中(S)-4-苯基噁唑烷-2-硫酮的纯度和萃取液中(R)-4-苯基噁唑烷-2-硫酮的纯度考察模型计算的有效性和模拟移动床分离的效果。切换时间ts分别为280s、290s和300s时，110由SMB模型计算得到的萃余液出口和萃取液出口的流出曲线分别见图3（a）和（b），由图3可见，切换时间延长时，两个对映体均向萃余液出口移动，虽然萃取液中慢组分R-对映体纯度有所提高，但是，萃余液中快组分S-对映体纯度显著降低。相应的SMB实验分离结果见表2，表2的数据说明：实际分离与模型计算的结果较为一致。两个对映体在实际流出过程中均有拖尾现象，快组分S-对映体拖尾在萃取液体现，导致萃取液中慢组分R-对映115体的实际纯度比计算值低；洗脱带设置2根色谱柱，并加大洗脱泵P的流速，可以消除慢组分R-对映体拖尾现象，萃余液中S-对映体实际分离纯度与模型计算纯度的误差较小。这里，SMB色谱模型能够用以粗略描述该对映体的SMB分离情况。SMB分离中，切换时间ts决-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn定分离结果，在290-300s之间微调，见实验4，对纯度也有一定影响。在本实验条件下，改变切换时间ts不能同时保证两个对映体的纯度。(a)(b)0.040.04tSsR300sts290s0.03280s280s290s300s-1-10.020.02c/g.Lc/g.L0.01RStsts300s280s290s0.00290s0.00280s300s0123456024t/mint/min120图3不同切换时间时SMB分离4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体的计算流出曲线（a）萃余液出口；（b）萃取液出口Fig.3CalculatedelutionprofilesofSMBseparationprocessof4-phenyloxazolidine-2-thioneenantiomersundervariousswitchingtime125(a)Raffinateport;(b)Extractport表2连续进样时，SMB分离的对映体的实验纯度与计算纯度的对比Table2ComparasionoftheexperimentalandcalculatedpuritiesoftheseperatedenantiomersundertheSMBconditionofcontinuousfeedingExperimentalpurity/%Calculatedpurity/%Entryts/sSRSR128096.793.698.095.3229096.294.797.197.0330092.593.293.598.7429592.492.995.798.11302.4间歇进样方式的实验结果我们将一个进样周期分为三个子时间段，0∼t1，t1~t2和t2~ts。在一个切换周期内，子时间段0∼t1内不进料，子时间段t1~t2内，按照设置的流速进料，子时间段t2~ts内，停止进料。模拟移动床整个分离过程的每一个切换周期均按此规则进料。其他的操作参数均不变，只改变切换时间。实验结果见表3。135表3间歇进样时，SMB分离得到的4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体的实验纯度Table3SMBexperimentalpuritiesof4-phenyloxazolidine-2-thioneenantiomerswithintermittentfeedingFeedingmodeEntryPurity-S(%)Purity-R(%)0~t1/st1~t2/st2~ts/s530260097.893.2660230099.294.4702603095.797.4830270094.396.99302403096.297.510602103098.098.9由表3可见，相对实验2，子时间段0∼t1内不进料以免快组分在萃余液出口出现，t1=30s-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn140时（实验5），快组分纯度提高，t1=60s时（实验6），快组分和慢组分纯度进一步提高；子时间段t2~ts内，停止进料以免慢组分在萃取液出口出现，t2~ts内，停止进料30s时（实验7），慢组分纯度提高。相对于实验5，延长进样时间（实验8），慢组分纯度提高，但快组分纯度下降。当只有中间子时间段进样时（实验9），两组分纯度同时提高。当子时间段0∼t1、t1~t2和t2~ts，分别为60s、210s和30s时，即实验10，SMB实际分离效果是：快组分(S)-4-145苯基噁唑烷-2-硫酮纯度98.0%，慢组分(R)-4-苯基噁唑烷-2-硫酮纯度98.9%，其分析色谱图见图4。(a)(b)5020SR4015301020response/mvresponse/mv51000024681002468time/mintime/min图4实验10的(S)-4-苯基噁唑烷-2-硫酮萃余液（a）和(R)-4-苯基噁唑烷-2-硫酮萃取液（b）的分析色谱图150Fig.4Analyticalchromatogramsof(S)-4-phenyloxazolidine-2-thioneraffinatesolution(a)and(R)-4-phenyloxazolidine-2-thioneextractsolution(b)ofEntry104结论以甲醇为流动相，单键合β-环糊精手性填料为固定相的模拟移动床（SMB）色谱体系155能够有效分离4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体；三带的单组分的线性理想SMB色谱模型能够有效地反映模拟移动床分离4-苯基噁唑烷-2-硫酮对映体的实际情况；与连续进样对比，间歇进样能够提高产品纯度。[参考文献](References)160[1]伍贻康，杨永青，胡祺.手性噁唑烷－2－硫酮类化合物的合成方法[P].中国CN1557809，2004-12-29.[2]VelazquezF,OlivoHF.Theapplicationofchiraloxazolidinethionesandthiazolidinethionesinasymmetricsynthesis[J].CurrentOrganicChemistry,2002,6(4):303-340.[3]CrimminsMT,ChaudharyK.Titaniumenolatesofthiazolidinethionechiralauxiliaries:versatiletoolsforasymmetricaldoladditions[J].OrganicLetter,2000,2(6):775-783.165[4]FariaRPV,RodriguesAE.InstrumentalaspectsofSimulatedMovingBedchromatography[J].JournalofChromatographyA,2015,1421:82-102.[5]YuYY,WoodK,LiuYA.SimulationandComparisonofOperationalModesinSimulatedMovingBedChromatography[J].IndustrialandEngineeringChemistryResearch,2015,54(46):11576-11591.[6]SongSM,KimIH.Athree-zonesimulatedmoving-bedforseparationofimmunoglobulinY[J].Korean170JournalofChemicalEngineering.2013,30:1527-1532.[7]SatzerP,WellhoeferM,JungbauerA.Continuousseparationofproteinloadednanoparticlesbysimulatedmovingbedchromatography[J].JournalofChromatographyA,2014,1349:44-49.[8]SongJY,KimKM,LeeCH.High-performancestrategyofasimulatedmovingbedchromatographybysimultaneouscontrolofproductandfeedstreamsundermaximumallowablepressuredrop[J].Journalof-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn175ChromatographyA,2016,1471:102-117.[9]ParkC,NamHG,HwangHJ,KimJH,MunS.Developmentofathree-zonesimulatedmovingbedprocessbasedonpartial-discardstrategyforcontinu-ousseparationofvalinefromisoleucinewithhighpurity,highyield,andhighproductconcentration[J].ProcessBiochemistry,2014,49:324-334.[10]许青青，孔利云，李敏，苏宝根，杨亦文，任其龙.模拟移动床色谱法分离纯化链甾醇[J].分析化学，1802013，41（6）：851-855.[11]KimPH,NamHG,ParkC,WangNHL,ChangYK,MunS.Simulatedmovingbedseparationofagarose-hydrolyzatecomponentsforbiofuelproductionfrommarinebiomass[J].JournalofChromatographyA,2015,1406:231-243.JIXG,DENGYY,WANGP.Charactersofatmospherepressure,pureoxygenfixedbedgasificationofsevenkindscoal[J].CleanCoalTechnology,2004,25(4):50-52.185[12]GongR,LinX,LiP,YuJ,RodriguesAE.Experimentandmodelingforthesep-arationofguaifenesinenantiomersusingsimulatedmovingbedandVaricolunits[J].JournalofChromatographyA,2014,1363:242-249.[13]VigneshSV,HariprasadK,AthawaleP,SiramV,BhartiyaS.Optimalstrategiesfortransitionsinsimulatedmovingbedchromatography.ComputersandChemicalEngineering[J].2016,84:83-95.[14]GongR,LinX,LiP,YuJ,RodriguesAE.Experimentandmodelingfortheseparationofguaifenesin190enantiomersusingsimulatedmovingbedandVaricolunits[J].JournalofChromatographyA,2014,1363:242-249.[15]HorváthK,FairchildJN,KaczmarskiK,GuiochonG.Martin-Syngealgorithmforthesolutionofequilibrium-dispersivemodelofliquidchromatography.JournalofChromatographyA,2010,1217:8127-8135.-7-'