Évaluation des performances chromatographiques de phases stationnaires amphiphiles à base de dérivés de l’acide cholique

Abstract

Au cours des dix dernières années, des composés oligomères intéressants à base de l’acide cholique ont été synthétisés et caractérisés par nos collaborateurs du groupe de Julian X.X. Zhu à l’Université de Montréal (UdeM). Dans un travail récent, ils ont synthétisé un dimère d'acide cholique qui pouvait former de façon réversible une cavité moléculaire lorsqu'il était dissous dans des milieux de polarité différente ; dans l'eau, le dimère forme une cavité hydrophobe, et dans des milieux organiques, le dimère forme une cavité hydrophile. Ainsi, ce type de composés amphiphiles, lorsqu'ils sont en solution, démontre un comportement de cavité moléculaire qui dépend des conditions du solvant, formant une cavité de polarité opposée à celle du milieu dans lequel ils se trouvent. Le comportement d'inversion de la cavité résulte de la flexibilité conformationnelle du lieur chimique entre les monomères d'acide cholique. La capacité des cavités de piéger des sondes moléculaires en fonction de leur polarité suggère que ce type d’oligomères d’acide cholique pourrait constituer des phases stationnaires intéressantes pour la chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC), où la séparation est basée sur la polarité du soluté par rapport à la phase mobile. Puisqu’ils peuvent constituer des cavités hydrophobes et hydrophiles, ils pourraient donc être exploités en chromatographie en phase normale (NPC) et en chromatographie en phase inverse (RPC). La possibilité d'avoir une phase stationnaire réversible avec une affinité bimodale appropriée pourrait être avantageuse en biosciences, en sciences de l'environnement et favoriser la séparation de mélanges complexes en élargissant le champ d'application d’une seule colonne chromatographique. L’affinité bimodale pourrait notamment permettre d'éviter de changer le mode de fonctionnement du HPLC; un processus long, coûteux et nécessitant une grande quantité de solvant pour rééquilibrer et passiver le système fluidique de l’instrument. Ce mémoire est une étude exploratoire qui vise à déterminer si ce type d’oligomères d’acide cholique, une fois liés à des particules de gel de silice (6 μm de diamètre), montre la formation de cavités moléculaires dans diverses conditions de phase mobile et s’il pourrait être utilisé pour effectuer des séparations comme phase stationnaire bimodale. À notre connaissance, il n’existe pas encore de phase stationnaire réversible à base d’oligomères d’acide cholique capables d’interagir avec des composés hydrophiles et hydrophobes, en fonction de la polarité ii de l’éluant. Ce type de phase stationnaire se compare à d’autres phases stationnaires bimodales pouvant être utilisées en NPC ou en RPC, parmi lesquels on trouve entre autres des copolymères amphiphiles, des structures organométalliques et des macromolécules comme les cyclodextrines (CD). La nature bimodale de la phase stationnaire à base de CD rapporté dans la littérature est assez similaire aux phases stationnaires des oligomères d’acide cholique de cette étude, grâce à leur cavité hydrophobe naturelle et un extérieur hydrophile, mais sans toutefois que la cavité soit réversible à cause de la rigidité de l’anneau CD. Les particules de silice greffées avec des oligomères d’acide cholique ont été empaquetées par suspension dans un tube capillaire en silice fondue de diamètre intérieur (ID) de 250 μm pour former des colonnes capillaires de 10 cm de long. Les performances chromatographiques en phase liquide des phases stationnaires ont été étudiées à l'aide d'un instrument HPLC adapté aux colonnes capillaires et muni d’un détecteur d’absorption. Plusieurs sondes-analytes sont étudiées dans ce mémoire pour caractériser la rétention causée par les phases stationnaires dans diverses phases mobiles eau/organique. Des comportements en RPC et d'interaction hydrophile (HILIC) ont été observés dans différentes plages de composition de phase mobile eau/organique. Les tests ont montré que les matériaux étaient capables de retarder des analytes non polaires avec une diminution du pourcentage organique (% org) sur une large plage de compositions (45% à 0% org dans le cas des alkylbenzènes). Les cavités hydrophobes semblent quant à elles être responsables de la rétention aux % org moins que 10% et pour seulement une faible partie de la plage totale de la rétention hydrophobique. Le comportement en phase inverse a été comparé aux colonnes classiques à base de chaînes alkyles (C3, C4, C8 et C18) pour évaluer l’importance des interactions hydrophobes. Inversement, une augmentation du % org, en particulier de l'acétonitrile, a entraîné la rétention de composés polaires sur une courte plage de composition de solvant à partir de 85% org. Cette dernière rétention est toutefois principalement imputable aux mécanismes HILIC avec le support de silice gel découvert et non aux cavités hydrophiles du dimère d’acide cholique.

Over the past ten years, interesting oligomeric compounds based on cholic acids have been synthesized and characterized by our collaborators from the Julian X.X Zhu group at the Université de Montréal (UdeM). In a recent work, they synthesized a cholic acid dimer and showed that it could form invertible molecular pockets when dissolved in media of different polarity; in water, the dimer forms hydrophobic pockets, and in organic media, the dimer forms hydrophilic pockets. Therefore, these amphiphilic compounds, when in solution, demonstrate molecular pocket behavior depending on solvent conditions to form a cavity of opposite polarity of the media in which they are located. The inversion behavior results from the conformational flexibility of the chemical linker between the bile acid monomers. The ability of the pockets to trap probe species based on their polarity suggests that the cholic acid oligomers might be interesting stationary phases for high-performance liquid chromatography (HPLC), where separation is based on solute polarity relative to the mobile phase. Since these materials can produce hydrophobic and hydrophilic pockets, they could be exploited in both normal-phase chromatography (NPC) and reversed-phase chromatography (RPC). The ability to have an invertible stationary phase with suitable bimodal affinity could be advantageous in biosciences, environmental sciences, and for the separation of complex mixtures by widening the field of application of the same chromatographic column. The bimodal affinity may, in particular, make it possible to avoid changing the operating mode of the HPLC; a costly and lengthy process requiring a large amount of solvent to re-equilibrate and passivate all fluidic paths of the instrument. This memoir is an exploratory study that sets out to evaluate whether this type of cholic acid oligomer, once bonded to silica gel particles (6 μm diameter), shows the formation of molecular pockets in various mobile phase conditions and if they can be used to perform separations as bimodal stationary phases. To the best of our knowledge, invertible stationary phases based on cholic acid oligomers that are capable of selective binding and release of both hydrophilic and hydrophobic compounds depending on the polarity of the eluent do not yet exist. This type of stationary phase can be compared to the other bimodal stationary phases that can be used in either NPC or RPC that includes amphiphilic copolymers, organometallic structures and macromolecules like cyclodextrins (CD). The bimodal nature of the CD-based iv stationary phases are quite similar to the cholic acid oligomers stationary phases of this study, thanks to a natural hydrophobic cavity and a hydrophilic exterior, but without the invertibility of the cavity due to the rigidity of the CD ring. The grafted particles were slurry-packed into 250 μm inner diameter (ID) fused silica tubing to make 10 cm long capillary columns. The liquid chromatographic performance of the stationary phases was investigated using a capillary HPLC instrument with a UV absorbance detector. Several probe analytes were investigated to characterize the molecular pocket-based retention in various water/organic mobile phases. RPC and hydrophilic interaction (HILIC) behaviors were observed in distinctive composition ranges of water/organic mobile phases. The tests showed that the materials were able to retain nonpolar compounds gradually with the decrease of percentage organic (% org) over a wide range of compositions (45% to 0% org for alkylbenzenes). The hydrophobic pockets seem to be responsible for the retention at % org less than 10% and only for a small extent of the total range of the hydrophobic retention. The reversed phase behavior was compared to classical alkyl-chain-based columns (C3, C4, C8 and C18) to assess the importance of the hydrophobic interactions. Conversely, an increase in % org, especially acetonitrile, resulted in the retention of polar compounds over a smaller range of % org starting at 85% org. This latter retention is mainly attributable to HILIC mechanisms with the uncapped silica gel support and not the cholic acid dimer hydrophilic pockets.