Design, Functionalization, Synthesis and Evaluation of New Chiral Stationary Phases for (U)HPLC and Their Implementation in Drug Analysis, (Enantio)Purification and Structural Elucidation

Abstract

Das Feld der chiralen Flüssigchromatographie ist von herausragender Bedeutung für eine Vielzahl akademischer und industrieller Anwendungen. Die Entwicklung neuer potenzieller Arzneistoffe, Umweltanalytik, laborgestützte Diagnostik und Strukturaufklärung sind nur einige der Bereiche, aus denen die chirale Flüssigchromatographie heute nicht wegzudenken ist. Aus diesem Grund gibt die vorliegende kumulative Dissertation einen Überblick sowohl über die Entwicklung als auch über die Anwendung chiraler stationärer Phasen für die enantioselektive (Ultra-)Hochleistungsflüssigchromatographie ((U)HPLC). Im ersten Teil dieser Dissertation wuden neue chirale stationäre Phasen (CSPs) basierend auf Anionentauschern und zwitterionischen Ionentauschern entwickelt. Folgende Ziele konnten dabei erreicht werden: Verschiedene Silikapartikel wurden bezüglich ihrer kinetischen Leistung für enantioselektive UHPLC optimiert. Dabei wurde ein detaillierter Einblick in die zahlreichen Interaktionsprozesse zwischen Analyt und stationärer Phase gewonnen [Publikation I]. Die Anbindungschemie und deren Entstehung durch chemische Radikalstarter (thermisch oder UV-initiiert) wurde verglichen und systematisch optimiert. Hier wurde eine neue, lösemittelfreie, UV-initiierte Immobilisierungsstrategie eingeführt, welche zu wenig blutenden, sogenannten „Plattform-Typ“-Phasen führt [Publikation II]. Die Funktionalisierung von Silika, welche als Ausgangspunkt für die Entwicklung CSP-basierter HPLC-Säulen gelten kann, wurde verändert und für schnelle Trennungen optimiert. Dies wurde durch eine Verringerung des Widerstands gegen den Massentransfer erreicht. Dazu wurden Silatrane verwendet, welche einen dünnen, homogenen Film an Thiolgruppen auf der Oberfläche der Silikapartikel formen. Hierzu wurde erst ein mehr- [Publikation III] und anschließend ein einstufiges Verfahren eingeführt [Publikation IV]. Der zweite Teil der vorliegenden Dissertation handelt von der Anwendung chiraler Trennmethoden. Folgende Aspekte wurden dabei ausgearbeitet: Da die Anwendungsfelder der Metabolomik und Lipidomik nach immer mehr chiralen Trennmethoden verlangen, wurde ein Leitfaden zur Trennung verzweigter kurzkettiger Fettsäuren basierend auf Polysaccharidsäulen entwickelt [Publikation V]. Des Weiteren wurde die Chiralität von vorher unbekannten Naturstoffen aufgeklärt [Publikation VI]. Ein Protokoll zur enantiomerenreinen Aufreinigung eines Radiotracers konnte entwickelt und angewandt werden [Publikation VII]. Das Wissen über chirale HPLC-Trennungen sowohl im analytischen als auch im präparativen Maßstab wurde ferner in der Entwicklung neuer Wirkstoffkandidaten angewandt [Publikationen VIII und IX]. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine umfassende Forschungsarbeit in dem Gebiet der Planung, Funktionalisierung, Synthese und Evaluierung chiraler stationärer Phasen sowie ihren breiten Anwendungsbereichen durchgeführt wurde.

Chiral liquid chromatography is a field of utmost importance for a wide range of academic and industrial applications. Drug development, environmental analysis, laboratory-based diagnostics, or structure elucidation among others, strongly rely on chiral liquid chromatography nowadays. For this reason, this cumulative thesis describes the development and applications of chiral stationary phases for enantioselective (ultra-)high performance liquid chromatography ((U)HPLC). In the first part of the thesis, new chiral stationary phases (CSPs) based on anion-exchange and zwitterionic ion exchange chiral selectors were developed. The following goals were achieved during the work on this thesis: Various silica particles were evaluated for their kinetic performance optimization for enantioselective UHPLC and a deep insight into a variety of interactions between analyte and stationary phase was gained [Publication I]. The bonding chemistry and its generation by thermic or UV-driven radical starter was evaluated and systematically optimized by introducing a solvent-free photo-click immobilization strategy resulting in low-bleeding, “platform-type” stationary phases [Publication II]. Furthermore, the functionalization of bare silica, which can be seen as the starting point of the production of a CSP-based HPLC column, was varied and optimized for fast separations by the reduction of mass transfer resistance using silatranes and thus forming thin, homogeneous monolayer of thiol functionalization in a multiple-step [Publication III] and in a single-step approach [Publication IV]. The second part of the thesis focuses on the application of enantiomer separation. This includes the elaboration of the following aspects: Since chiral methods are becoming increasingly important in the fields of metabolomics and lipidomics, a guide for the chiral analysis of branched short-chain fatty acids based on polysaccharide columns was developed [Publication V]. Furthermore, the chirality of previously unknown natural compounds was elucidated [Publication VI]. A protocol for the enantiopurification of a radiotracer was established [Publication VII]. Knowledge about chiral HPLC was used for both analytical and preparative separation in the development of potential new drugs [Publications VIII and IX]. In summary, extensive research on the design, functionalization, synthesis, and evaluation of chiral stationary phases and their scope of applications has been performed.