使用ACQUITY UPC2 系統對環金屬銥（III）配合物進行同分異構分離
Rui Chen 和John P. McCauley
沃特世公司（美國馬薩諸塞州米爾福德）
應用效益
■ 快速分離均配銥絡合物中的同分異構體，實現對物質純化的實時監控。
■ 在一次色譜運行操作中同時分離均配銥絡合物中的同分異構體和光學異構體，實現對純度的準確評估，而這在其他系統中需要多次色譜分離操作來完成。
■ 可簡單地從 UPC2TM 轉換至半制備型超臨界流體色譜（SFC），純化目標異構體，并可以在緩和的條件下輕松地回收收集的組分，減少同分異構體的生成，從而獲得有機發光二極體（OLED）設備制造所需的高純材料。
沃特世解決方案
ACQUITY UPC2TM 系統
Investigator SFC系統
Empower™ 3軟件
ChromScope™ 軟件
ACQUITY UPC2BEH和BEH 2-EP色譜柱
關鍵詞
銥配合物，OLED，同分異構體，面式，經式，對映體，合相色譜，UPC2
引言
有機發光二極體（OLED）應用中環金屬銥（III）配合物的合成與表征引起了人們的濃厚興趣，因為這些配合物具有很高的發光量子產率，并且能夠通過簡單的合成方法對配體進行系統修飾，從而對顏色進行調整。根據包圍在中心銥原子的配體的類型，這些有機金屬配合物可能分為均配物和雜配物。均配物和雜配物均可能存在同分異構體，這些異構體被稱為經式異構體（meridional，mer）和面式（facial，fac）異構體。同分異構體具有不同的光物理和化學特性1-3，這些特性可影響OLED設備的性能和壽命以及穩定性。此外，雜配物具有光學異構性。富含對映體的配合物發出圓形的偏振光，可用于三維電子顯示4。
多種異構形式為這些材料純度評估以及理解發光設備故障機理所需的異構體的分離提出了特殊的挑戰。這種挑戰因為目前流行的針對這些材料的純化方法（即升華）而變得更加復雜5-6。升華過程中，可能會發生分子內的熱力學異構化。純化過程通常生成異構混合物，而不是用于設備生產的預期單一異構體，導致性能降低。顯然，開發出在溫和條件下的純化技術對減少異構化具有重大意義。
由于大部分環金屬銥配合物溶解性低，目前環金屬銥配合物的色譜分析方法一般采用正相液相色譜法（NPLC）。超臨界流體色譜（SFC）以及更先進的超高效合相色譜（UPC2）提供了引人關注的正相色譜替代方法，從而可提高分辨率、縮短分析時間，降低有機溶劑的消耗量。在本應用紀要中，我們對三［2（2,4-二氟苯基）吡啶]銥（III）（Ir（Fppy）3）和雙（4,6-二氟苯基）吡啶C2，N］甲酰合銥（III）（Flrpic）的結構采用沃特世（Waters®） ACQUITY UPC2 進行了分離，如圖1所示。將SFC用于純化Flrpic的可行性也說明了使用Waters Investigator SFC系統的可行性。
實驗
儀器：所有分析實驗均在由Empower 3軟件控制的ACQUITY UPC2 上進行。制備實驗在由ChromScope軟件控制的Investigator SFC系統上進行。
色譜柱：沃特世公司的ACQUITY UPC2 BEH和2-Ethyl Pyridine 3.0 x 100 mm，1.7μm色譜柱。CHIRALPAK AS-H 4.6 x 150 mm，5 μm，購自Chiral Tec hnologies公司（賓夕法尼亞州西切斯特）。
樣品描述
樣品購自Sigma Aldrich和1-Material公司。為了形成異構體，將樣品置于控溫箱內進行熱應激，引發異構化反應。冷卻至室溫后，將樣品溶于氯仿中，用于隨后的分析操作。
結果與討論
圖2是未經處理以及經過熱應激的Ir（Fppy）3 的UPC2/UV色譜圖。色譜峰1與色譜峰2的質譜（未顯示）相同，但紫外光譜（插圖）明顯不同，說明它們最有可能是面式異構體和經式異構體。標有“desfluoro”的峰出現的原因是Ir（Fppy）3 中的一個F原子丟失。但是，兩張圖譜的主要差異在于峰1與峰2之間的相對比例。加熱時，1/2的峰比將會增大。其可能是由熱異構化過程引起的，在異構化過程中，穩定性較差的經式異構體（峰2）轉化成穩定性較高的面式異構體（峰1）。圖2清楚地表明，Ir（Fppy）3 的同分異構體可輕易地通過使用ACQUITY UPC2 進行分離。
圖2 使用ACQUIT Y UPC2 2-EP3x100mm，1.7μm色譜柱得到的Ir（Fppy ）3 UPC2/UV色譜圖。（A）在280℃
下處理24 小時的樣品；（B）在25℃下未經處理的樣品。流速為1.5mL /min；背壓為2175 psi；30%異丙醇輔助溶液等度洗脫；溫度為40℃。峰標記后面的數據表示以峰面積表示的每個峰的相對百分比。
圖3是使用非手性固定相和手性固定相得到的Flrpic UPC2/UV色譜圖。在手性柱中，Flrpic裂分為兩個峰，如圖3B所示。圖3B中的兩個峰具有相同的質荷比（未示出）和紫外光譜（插圖），說明這兩個峰最有可能來源于同一對對映體。與均配物Ir（Fppy）3 不同的是，雜配物Flrpic由兩種不同的配體構成。這種分子對稱性反過來產生了光學異構。在實際應用中，例如三維顯示，具有高度的發光不對稱性是很有利的。因此，UPC2 提供了一種簡單的測定手性熒光化合物對映比的方法，這對于使化學結構與發光對稱性相互關聯是很重要的。
圖3 標準級Flrpic的UPC2/U V 色譜圖。（A）使用一根ACQUITY UPC2 BEH 3x100mm，1.7μm色譜柱；流
速為1.5mL/min，背壓為1740psi，35%異丙醇等度洗脫，溫度為40℃。（B）使用兩根CHIRALPAKAS-H 4.6x150mm色譜柱（每根均為5μm）。流速為3mL/min，背壓為2175psi，23%異丙醇共溶液等度洗脫；溫度為50℃。
圖4是在ACQUITY UPC2BEH色譜柱上得到的未經處理和經熱應激的Flrpic UPC2/UV色譜圖。對于經熱應激的樣品，會觀察到一個多出的峰，如圖4B所示。兩個峰的質譜完全相同（結果未示出）。對紫外光譜更仔細地觀察發現（如圖5所示），圖4B中的各個峰的紫外光譜并不相同。與圖3B中所示的對映體不同，這些對映體的紫外光譜是相同的。圖4B中的小峰的最大吸收波長λmax為245 nm，而主峰的最大吸收波長λmax為251nm。這些結果說明，經熱應激的樣品已經發生了異構化，生成了另一種同分異構體，這類似于升華過程中所觀察到的一樣5,6。因為總分析時間短于5分鐘，UPC2 能夠實現在升華后對材料純度的快速測定，并可作為設備制造之前的質量控制方法。
圖4 在ACQUITY UPC2 BEH3x100mm，1.7μm色譜柱上、等度洗脫（35%輔助溶劑）條件下得到的：（A）未經處理的Flrpic和（B）經熱應激的Flrpic的UPC2/UV色譜圖。流速為1.5 mL/min；背壓為2175psi；35%異丙醇輔助溶液等度洗脫； 溫度為40℃。
圖5 一對Flrpic同分異構體的紫外光譜。
理論上講，每個同分異構體均包含一對對映體。因此，我們嘗試同時分離經熱應激的Flrpic的四個異構體，如圖4B所示。得到的紫外光譜圖如圖6所示。E1/E1'和E2/E2'是兩對對映體，而E1/E2和E1'/E2'是兩對同分異構體。
圖6 使用兩根CHIRALPAK AS-H4.6x150mm色譜柱（每根均為5μm）得到的：（A）未經處理的Flrpic和（B）經熱應激的Flrpic的UPC2/UV色譜圖。流速為3mL/min，背壓為2175psi，23%異丙醇共溶液等度洗脫；溫度為50℃。
圖6中的異構體分離結果超過了簡單分析的結果。作為發光設備中所用的環金屬銥配合物的主要純化方法，升華會引起不利的分子內熱異構化，如圖2、4、6及其他圖所示5-6。因此，用在設備中的是異構體混合物而不是純物質，通常導致性能下降，壽命縮短。圖6所示分離說明了超臨界色譜有望替代升華成為這些材料的純化方法。
圖7是使用半制備超臨界色譜得到的經熱應激的Flrpic的SFC/UV色譜圖。可以得到所有四種異構體的基線分離度。在50℃下，使用異丙醇作為共溶液，純異構體可在溫和的條件下進行回收，從而降低了異構體形成的可能性。應當指出的是，雖然圖6B和圖7都是在相同的色譜條件下獲得的，但是圖6B中的分離度遠高于圖7中的分離度。分離度的提高很大程度是由于UPC2統體積最小化，因而引起峰分散度降低。
圖7 在沃特世InvestigatorSFC系統上使用CHIRALPAK AS-H4.6x150mm色譜柱（每根均為0.5μm）得到的經熱應激的Flrpic的SFC/UV色譜圖。流速為3mL /min ，背壓為2175p si ，23%異丙醇輔助溶液等度洗脫；溫度為50℃。陰影區域表示收集的組分。
結論
在本應用中，我們論述了使用超高效合相色譜對銥均配物Ir（Fppy）3 和銥雜配物Flrpic異構體進行的分離。對于Ir（Fppy）3 ，面式和經式同分異構體可以輕易地在5分鐘以內得以分離。對于Flrpic，四種異構體，無論是同分異構還是光學異構，均要在一次分離操作中實現同時分離。
本文提出的分離方法可提升用于純化評估的傳統分析技術的水平。而純化評估是合成、工藝和OLED設備和相關材料生產的一個分析難題之一。此外，其中的超臨界流體技術也能夠把UPC2 方法轉換到半制備型超臨界色譜儀器的制備方法，從而對目標物質進行分離。
參考文獻
1. Kappaun S, Slugovc C, List EJW. Phosphorescent organic light-emitting devices: Working principle and iridium based emitter materials. Int J Mol Sci. 2008; 9: 1527-47.
2. Tamayo B, Alleyne BD, Djurovich PI, Lamansky S, Tsyba I, Ho NN,Bau R, T hompson ME. Synthesis and characterization of facial and meridional tris-cyclometalated iridium(III) complexes. J Am Chem Soc. 2003; 125(24): 7377-87.
3. McDonald AR, Lutz M, von Chrzanowski LS, van Klink GPM, Spek AL, van Koten G. Probing the mer- to fac-isomerization of triscyclometallated homo- and heteroleptic (C,N)3 iridium(III) complexes.Inorg Chem. 2008; 47: 6681-91.
4. Coughlin FJ, Westrol MS, Oyler KD, Byrne N, Kraml C, Zysman-Colman E, Lowry MS, Bernhard S. Synthesis, separation, and circularly polarized luminescence studies of enantiomers of iridium (III) luminop. Inorg Chem. 2008; 47: 2039-48.
5. Baranoff E, Saurez S, Bugnon P, Barola C, Buscaino R, Scopeletti R,Zuperoll L, Graetzel M, Nazeeruddin MK. Sublimation not an innocent technique: A case of bis-cyclometalated iridium emitter for OLED.Inorg Chem. 2008; 47: 6575-77.
6. Baranoff E, Bolink HJ, De Angelis F, Fantacci S, Di Censo D, Djellab K,Gratzel M, Nazeeruddin MK. An inconvenient influence of iridium (III)isomer on OLED efficiency. Dalton Trans. 2010; 39: 8914–18.
7. Sivasubramaniam V, Brodkord F, Haning S, Loebl HP, van ElsbergenV, Boerner H, Scherf U, Kreyenschmidt M. Investigation of FIrpic in PhOLEDs via LC/MS technique. Cent Eur J Chem. 2009; 7(4): 836–845.
Rui Chen 和John P. McCauley
沃特世公司（美國馬薩諸塞州米爾福德）
應用效益
■ 快速分離均配銥絡合物中的同分異構體，實現對物質純化的實時監控。
■ 在一次色譜運行操作中同時分離均配銥絡合物中的同分異構體和光學異構體，實現對純度的準確評估，而這在其他系統中需要多次色譜分離操作來完成。
■ 可簡單地從 UPC2TM 轉換至半制備型超臨界流體色譜（SFC），純化目標異構體，并可以在緩和的條件下輕松地回收收集的組分，減少同分異構體的生成，從而獲得有機發光二極體（OLED）設備制造所需的高純材料。
沃特世解決方案
ACQUITY UPC2TM 系統
Investigator SFC系統
Empower™ 3軟件
ChromScope™ 軟件
ACQUITY UPC2BEH和BEH 2-EP色譜柱
關鍵詞
銥配合物，OLED，同分異構體，面式，經式，對映體，合相色譜，UPC2
引言
有機發光二極體（OLED）應用中環金屬銥（III）配合物的合成與表征引起了人們的濃厚興趣，因為這些配合物具有很高的發光量子產率，并且能夠通過簡單的合成方法對配體進行系統修飾，從而對顏色進行調整。根據包圍在中心銥原子的配體的類型，這些有機金屬配合物可能分為均配物和雜配物。均配物和雜配物均可能存在同分異構體，這些異構體被稱為經式異構體（meridional，mer）和面式（facial，fac）異構體。同分異構體具有不同的光物理和化學特性1-3，這些特性可影響OLED設備的性能和壽命以及穩定性。此外，雜配物具有光學異構性。富含對映體的配合物發出圓形的偏振光，可用于三維電子顯示4。
多種異構形式為這些材料純度評估以及理解發光設備故障機理所需的異構體的分離提出了特殊的挑戰。這種挑戰因為目前流行的針對這些材料的純化方法（即升華）而變得更加復雜5-6。升華過程中，可能會發生分子內的熱力學異構化。純化過程通常生成異構混合物，而不是用于設備生產的預期單一異構體，導致性能降低。顯然，開發出在溫和條件下的純化技術對減少異構化具有重大意義。
由于大部分環金屬銥配合物溶解性低，目前環金屬銥配合物的色譜分析方法一般采用正相液相色譜法（NPLC）。超臨界流體色譜（SFC）以及更先進的超高效合相色譜（UPC2）提供了引人關注的正相色譜替代方法，從而可提高分辨率、縮短分析時間，降低有機溶劑的消耗量。在本應用紀要中，我們對三［2（2,4-二氟苯基）吡啶]銥（III）（Ir（Fppy）3）和雙（4,6-二氟苯基）吡啶C2，N］甲酰合銥（III）（Flrpic）的結構采用沃特世（Waters®） ACQUITY UPC2 進行了分離，如圖1所示。將SFC用于純化Flrpic的可行性也說明了使用Waters Investigator SFC系統的可行性。
實驗
儀器：所有分析實驗均在由Empower 3軟件控制的ACQUITY UPC2 上進行。制備實驗在由ChromScope軟件控制的Investigator SFC系統上進行。
色譜柱：沃特世公司的ACQUITY UPC2 BEH和2-Ethyl Pyridine 3.0 x 100 mm，1.7μm色譜柱。CHIRALPAK AS-H 4.6 x 150 mm，5 μm，購自Chiral Tec hnologies公司（賓夕法尼亞州西切斯特）。
樣品描述
樣品購自Sigma Aldrich和1-Material公司。為了形成異構體，將樣品置于控溫箱內進行熱應激，引發異構化反應。冷卻至室溫后，將樣品溶于氯仿中，用于隨后的分析操作。
結果與討論
圖2是未經處理以及經過熱應激的Ir（Fppy）3 的UPC2/UV色譜圖。色譜峰1與色譜峰2的質譜（未顯示）相同，但紫外光譜（插圖）明顯不同，說明它們最有可能是面式異構體和經式異構體。標有“desfluoro”的峰出現的原因是Ir（Fppy）3 中的一個F原子丟失。但是，兩張圖譜的主要差異在于峰1與峰2之間的相對比例。加熱時，1/2的峰比將會增大。其可能是由熱異構化過程引起的，在異構化過程中，穩定性較差的經式異構體（峰2）轉化成穩定性較高的面式異構體（峰1）。圖2清楚地表明，Ir（Fppy）3 的同分異構體可輕易地通過使用ACQUITY UPC2 進行分離。
圖2 使用ACQUIT Y UPC2 2-EP3x100mm，1.7μm色譜柱得到的Ir（Fppy ）3 UPC2/UV色譜圖。（A）在280℃
下處理24 小時的樣品；（B）在25℃下未經處理的樣品。流速為1.5mL /min；背壓為2175 psi；30%異丙醇輔助溶液等度洗脫；溫度為40℃。峰標記后面的數據表示以峰面積表示的每個峰的相對百分比。
圖3是使用非手性固定相和手性固定相得到的Flrpic UPC2/UV色譜圖。在手性柱中，Flrpic裂分為兩個峰，如圖3B所示。圖3B中的兩個峰具有相同的質荷比（未示出）和紫外光譜（插圖），說明這兩個峰最有可能來源于同一對對映體。與均配物Ir（Fppy）3 不同的是，雜配物Flrpic由兩種不同的配體構成。這種分子對稱性反過來產生了光學異構。在實際應用中，例如三維顯示，具有高度的發光不對稱性是很有利的。因此，UPC2 提供了一種簡單的測定手性熒光化合物對映比的方法，這對于使化學結構與發光對稱性相互關聯是很重要的。
圖3 標準級Flrpic的UPC2/U V 色譜圖。（A）使用一根ACQUITY UPC2 BEH 3x100mm，1.7μm色譜柱；流
速為1.5mL/min，背壓為1740psi，35%異丙醇等度洗脫，溫度為40℃。（B）使用兩根CHIRALPAKAS-H 4.6x150mm色譜柱（每根均為5μm）。流速為3mL/min，背壓為2175psi，23%異丙醇共溶液等度洗脫；溫度為50℃。
圖4是在ACQUITY UPC2BEH色譜柱上得到的未經處理和經熱應激的Flrpic UPC2/UV色譜圖。對于經熱應激的樣品，會觀察到一個多出的峰，如圖4B所示。兩個峰的質譜完全相同（結果未示出）。對紫外光譜更仔細地觀察發現（如圖5所示），圖4B中的各個峰的紫外光譜并不相同。與圖3B中所示的對映體不同，這些對映體的紫外光譜是相同的。圖4B中的小峰的最大吸收波長λmax為245 nm，而主峰的最大吸收波長λmax為251nm。這些結果說明，經熱應激的樣品已經發生了異構化，生成了另一種同分異構體，這類似于升華過程中所觀察到的一樣5,6。因為總分析時間短于5分鐘，UPC2 能夠實現在升華后對材料純度的快速測定，并可作為設備制造之前的質量控制方法。
圖4 在ACQUITY UPC2 BEH3x100mm，1.7μm色譜柱上、等度洗脫（35%輔助溶劑）條件下得到的：（A）未經處理的Flrpic和（B）經熱應激的Flrpic的UPC2/UV色譜圖。流速為1.5 mL/min；背壓為2175psi；35%異丙醇輔助溶液等度洗脫； 溫度為40℃。
圖5 一對Flrpic同分異構體的紫外光譜。
理論上講，每個同分異構體均包含一對對映體。因此，我們嘗試同時分離經熱應激的Flrpic的四個異構體，如圖4B所示。得到的紫外光譜圖如圖6所示。E1/E1'和E2/E2'是兩對對映體，而E1/E2和E1'/E2'是兩對同分異構體。
圖6 使用兩根CHIRALPAK AS-H4.6x150mm色譜柱（每根均為5μm）得到的：（A）未經處理的Flrpic和（B）經熱應激的Flrpic的UPC2/UV色譜圖。流速為3mL/min，背壓為2175psi，23%異丙醇共溶液等度洗脫；溫度為50℃。
圖6中的異構體分離結果超過了簡單分析的結果。作為發光設備中所用的環金屬銥配合物的主要純化方法，升華會引起不利的分子內熱異構化，如圖2、4、6及其他圖所示5-6。因此，用在設備中的是異構體混合物而不是純物質，通常導致性能下降，壽命縮短。圖6所示分離說明了超臨界色譜有望替代升華成為這些材料的純化方法。
圖7是使用半制備超臨界色譜得到的經熱應激的Flrpic的SFC/UV色譜圖。可以得到所有四種異構體的基線分離度。在50℃下，使用異丙醇作為共溶液，純異構體可在溫和的條件下進行回收，從而降低了異構體形成的可能性。應當指出的是，雖然圖6B和圖7都是在相同的色譜條件下獲得的，但是圖6B中的分離度遠高于圖7中的分離度。分離度的提高很大程度是由于UPC2統體積最小化，因而引起峰分散度降低。
圖7 在沃特世InvestigatorSFC系統上使用CHIRALPAK AS-H4.6x150mm色譜柱（每根均為0.5μm）得到的經熱應激的Flrpic的SFC/UV色譜圖。流速為3mL /min ，背壓為2175p si ，23%異丙醇輔助溶液等度洗脫；溫度為50℃。陰影區域表示收集的組分。
結論
在本應用中，我們論述了使用超高效合相色譜對銥均配物Ir（Fppy）3 和銥雜配物Flrpic異構體進行的分離。對于Ir（Fppy）3 ，面式和經式同分異構體可以輕易地在5分鐘以內得以分離。對于Flrpic，四種異構體，無論是同分異構還是光學異構，均要在一次分離操作中實現同時分離。
本文提出的分離方法可提升用于純化評估的傳統分析技術的水平。而純化評估是合成、工藝和OLED設備和相關材料生產的一個分析難題之一。此外，其中的超臨界流體技術也能夠把UPC2 方法轉換到半制備型超臨界色譜儀器的制備方法，從而對目標物質進行分離。
參考文獻
1. Kappaun S, Slugovc C, List EJW. Phosphorescent organic light-emitting devices: Working principle and iridium based emitter materials. Int J Mol Sci. 2008; 9: 1527-47.
2. Tamayo B, Alleyne BD, Djurovich PI, Lamansky S, Tsyba I, Ho NN,Bau R, T hompson ME. Synthesis and characterization of facial and meridional tris-cyclometalated iridium(III) complexes. J Am Chem Soc. 2003; 125(24): 7377-87.
3. McDonald AR, Lutz M, von Chrzanowski LS, van Klink GPM, Spek AL, van Koten G. Probing the mer- to fac-isomerization of triscyclometallated homo- and heteroleptic (C,N)3 iridium(III) complexes.Inorg Chem. 2008; 47: 6681-91.
4. Coughlin FJ, Westrol MS, Oyler KD, Byrne N, Kraml C, Zysman-Colman E, Lowry MS, Bernhard S. Synthesis, separation, and circularly polarized luminescence studies of enantiomers of iridium (III) luminop. Inorg Chem. 2008; 47: 2039-48.
5. Baranoff E, Saurez S, Bugnon P, Barola C, Buscaino R, Scopeletti R,Zuperoll L, Graetzel M, Nazeeruddin MK. Sublimation not an innocent technique: A case of bis-cyclometalated iridium emitter for OLED.Inorg Chem. 2008; 47: 6575-77.
6. Baranoff E, Bolink HJ, De Angelis F, Fantacci S, Di Censo D, Djellab K,Gratzel M, Nazeeruddin MK. An inconvenient influence of iridium (III)isomer on OLED efficiency. Dalton Trans. 2010; 39: 8914–18.
7. Sivasubramaniam V, Brodkord F, Haning S, Loebl HP, van ElsbergenV, Boerner H, Scherf U, Kreyenschmidt M. Investigation of FIrpic in PhOLEDs via LC/MS technique. Cent Eur J Chem. 2009; 7(4): 836–845.
