新型氣相毛細(xì)管柱的制備及對(duì)苯系位置異構(gòu)體的色譜分離

賈成俊, 顏 霞, 范 軍, 鄭盛潤(rùn), 章偉光

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣州 510006)

1958年，Golay首先發(fā)展了毛細(xì)管氣相色譜技術(shù)[1]. 毛細(xì)管氣相色譜使用簡(jiǎn)單、快速和高效，在科學(xué)研究和工業(yè)技術(shù)中應(yīng)用廣泛[2-3].目前常用的氣相色譜固定相有聚硅氧烷型[4]、冠醚類[5]、聚乙二醇類[6]、高分子液晶[7]、離子液體[8-9]、環(huán)糊精衍生物[10-11]和金屬有機(jī)骨架材料[12-13]等. 其中，環(huán)糊精(CD)呈外部親水、內(nèi)部疏水結(jié)構(gòu)，可作為主體包合客體，如有機(jī)分子、無(wú)機(jī)離子和氣體分子等. K?nig等[14]最早應(yīng)用環(huán)糊精衍生物液相色譜法分離氨基酸和二醇等對(duì)映異構(gòu)體，它們對(duì)手性化合物展現(xiàn)了良好的拆分性能[15-16].另一方面，páanik等[17]采用環(huán)糊精衍生物作為固定相氣相色譜法分離苯系和烷烴同系物. 傅若農(nóng)等[18-19]開(kāi)發(fā)了一系列涂覆環(huán)糊精衍生物的氣相毛細(xì)管柱，比較了它們對(duì)10種苯系物位置異構(gòu)體的分離性能的差異. 本課題組研究了多疊氮對(duì)氯苯氨基甲?；?β-環(huán)糊精、全取代對(duì)氯苯氨基甲?；?β-環(huán)糊精和單疊氮乙?；?β-環(huán)糊精等3種固定相在氣相色譜中對(duì)二氯苯、硝基氯苯和硝基甲苯等位置異構(gòu)體的分離性能[20].

本研究分別將羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-CD)和七-(2,6-O-二戊基-3-O-三氟乙酰基)-β-環(huán)糊精(DP-TFA-β-CD)(圖1)靜態(tài)涂覆在毛細(xì)管內(nèi)得到了2種涂覆環(huán)糊精衍生物的氣相毛細(xì)管柱，研究它們對(duì)硝基甲苯、硝基氯苯、二氯苯、二甲苯和苯二甲酸二甲酯等的位置異構(gòu)體的分離性能. DP-TFA-β-CD是一款商品化涂覆型毛細(xì)管柱的固定相材料，文獻(xiàn)報(bào)道其對(duì)許多手性化合物具有很好的拆分性能[21].

圖1 HP-β-CD和DP-TFA-β-CD的結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 Molecular structures of HP-β-CD and DP-TFA-β-CD

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

GC1690型氣相色譜儀(廣州科曉儀器公司)，配備氫火焰離子化檢測(cè)器(帶N3000工作站)；彈性石英毛細(xì)管柱(10 m×φ0.32 mm，河北永年光纖廠).

羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-CD)購(gòu)于廣東郁南縣永光環(huán)狀糊精有限公司.七-(2,6-O-二戊基-3-O-三氟乙?；?-β-環(huán)糊精(DP-TFA-β-CD)參考文獻(xiàn)[21]方法制備，產(chǎn)率為86%.其他試劑為分析純，直接使用.

1.2 氣相毛細(xì)管柱的制備

將彈性石英毛細(xì)管柱在240～260 ℃、通N2預(yù)加熱處理2 h；然后將0.5%的環(huán)糊精衍生物的CH2Cl2溶液靜態(tài)涂漬在毛細(xì)管內(nèi)表面，真空脫去溶劑；再?gòu)?0 ℃起梯度升溫至180 ℃，保持6 h. 根據(jù)涂漬的固定相不同，分別標(biāo)記為HP-β-CD柱和DP-TFA-β-CD柱.

1.3 色譜條件

載氣為高純氮?dú)?純度99.99%)，載氣流速為25.5 cm/s；柱溫低于180 ℃，氣化室溫度為250 ℃，檢測(cè)器溫度為250 ℃；溶質(zhì)質(zhì)量濃度為1.00 g/L，進(jìn)樣量為0.5 μL，分流比為80∶1.

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜柱的理論塔板數(shù)和極性

在柱溫120 ℃下，用正十二烷為標(biāo)準(zhǔn)物分別對(duì)HP-β-CD柱和DP-TFA-β-CD柱進(jìn)行評(píng)價(jià).正十二烷在HP-β-CD柱和DP-TFA-β-CD柱上的保留時(shí)間分別為7.975、8.292 min，計(jì)算得到色譜柱的理論塔板數(shù)分別為2 337/m和2 562/m，不對(duì)稱因子分別為1.121和1.017，說(shuō)明這2種毛細(xì)管柱具有較高的柱效. 但由于DP-TFA-β-CD在CH2Cl2中的溶解性能比HP-β-CD好，在毛細(xì)管內(nèi)更容易涂覆成膜，因而DP-TFA-β-CD柱具有更高的柱效.

圖2中，正構(gòu)烷烴(C6-C12)在毛細(xì)管柱的出峰順序與其分子量和沸點(diǎn)順序一致.配制1-硝基丙烷、吡啶、2-戊酮、1-丁醇和苯溶液，考察其在HP-β-CD柱和DP-TFA-β-CD柱的保留行為.根據(jù)文獻(xiàn)[22-23]計(jì)算得到2種毛細(xì)管柱的麥?zhǔn)铣?shù)(表1). 在5種底物中，苯的麥?zhǔn)铣?shù)最小，說(shuō)明苯與2種毛細(xì)管柱上涂覆的環(huán)糊精間的作用力較小；2-丁醇在HP-β-CD柱上的麥?zhǔn)铣?shù)最大，說(shuō)明2-丁醇與HP-β-CD的分子間作用強(qiáng)，保留較強(qiáng).另外，HP-β-CD柱的麥?zhǔn)铣?shù)平均值為212.2，對(duì)于DP-TFA-β-CD柱，其平均值為183.9，說(shuō)明它們均為中等極性的固定相.

2.2 毛細(xì)管柱對(duì)Grob試劑的分離性能

Grob試劑由1-正壬醛、正十二烷、癸酸甲酯、二環(huán)己胺和十二酸甲酯等按比例混合而成，常用其來(lái)考察毛細(xì)管柱對(duì)不同底物的分離性能. 圖3中，HP-β-CD 柱和DP-TFA-β-CD柱對(duì)Grob試劑中的5種組分都實(shí)現(xiàn)基線分離，且在2種柱上出峰順序相同，1-正壬醛最先被洗脫，然后依次是正十二烷、癸酸甲酯和二環(huán)己胺，最后十二酸甲酯被洗脫，說(shuō)明2種毛細(xì)管柱對(duì)酯類和胺類化合物有很強(qiáng)的保留作用，可解釋為這些分析物易與環(huán)糊精衍生物上的官能團(tuán)(如羥基和酯羰基)形成較強(qiáng)的氫鍵作用，分析物在色譜柱上的保留增強(qiáng). 正十二烷和1-正壬醛與環(huán)糊精衍生物間主要通過(guò)疏水相互作用和范德華力產(chǎn)生作用，故保留較弱，最容易被洗脫.

2.3 對(duì)苯系位置異構(gòu)體的分離

各種苯系位置異構(gòu)體是重要的工業(yè)原料和化學(xué)試劑，也是造成環(huán)境污染的主要化學(xué)物質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行分離檢測(cè)具有重要的理論意義和應(yīng)用前景. 本文以硝基甲苯、硝基氯苯、二氯苯、二甲苯和苯二甲酸二甲酯等為分析物，分別考察HP-β-CD柱和DP-TFA-β-CD柱對(duì)它們的分離性能(表2).

圖2 正構(gòu)烷烴(C6-C12)在2種環(huán)糊精衍生物氣相毛細(xì)管柱上的色譜圖

毛細(xì)管柱種類固定相 X'Y'Z'U'S'總和平均值HP-β-CD柱74.8284.8261.8265.5173.91 060.8212.2DP-TFA-β-CD柱60.8173.1280.5259.7145.5949.5183.9

注：X′:苯;Y′:1-丁醇;Z′:2-戊酮;U′:1-硝基丙烷;S′:吡啶.

(1: 1-正壬醛; 2: 正十二烷; 3: 癸酸甲酯；4: 二環(huán)己胺；5:十二酸甲酯)

結(jié)果表明，5種苯系化合物的位置異構(gòu)體(鄰、間和對(duì)位)在HP-β-CD 柱和DP-TFA-β-CD柱上的洗脫順序相同. 分析物的結(jié)構(gòu)對(duì)保留行為和分離產(chǎn)生了明顯影響. 在5種分析物中，含有硝基(如硝基甲苯和硝基氯苯)或酯基的化合物(如苯二甲酸二甲酯)在柱上的保留時(shí)間較長(zhǎng)，從柱上洗脫困難，這與2.1和2.2部分中底物在柱上的保留行為一致；而二氯苯和二甲苯等在柱上的保留較弱，保留因子較小. 盡管適宜樣品分離的最佳溫度存在差異，但它們?cè)谥系谋Ａ粜袨樽兓厔?shì)一致. 同時(shí)，底物在毛細(xì)管柱上過(guò)強(qiáng)的保留反而使位置異構(gòu)體的分離效果變差，如苯二甲酸二甲酯在2種柱上的分離因子僅為1.06/1.09 (對(duì)于HP-β-CD柱)和1.15/1.06 (對(duì)于DP-TFA-β-CD柱)；二氯苯在HP-β-CD柱的分離因子分別為1.28和1.13，在DP-TFA-β-CD柱上的分離因子分別為1.14和1.08，相同溫度條件下，二氯苯在HP-β-CD柱上的保留比DP-TFA-β-CD柱上弱.

表2 5種苯系位置異構(gòu)體在2種毛細(xì)管柱上的分離結(jié)果Table 2 Chromatographic separation results of five disubstituted benzene compounds on two capillary columns by GC

2.4 環(huán)糊精衍生物結(jié)構(gòu)對(duì)二甲苯分離性能的影響

環(huán)糊精上衍生基團(tuán)的結(jié)構(gòu)對(duì)分析物的分離產(chǎn)生影響. 將本文中二甲苯位置異構(gòu)體在環(huán)糊精柱上的分離結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(表3).

鄰和間二甲苯在HP-β-CD柱的分離因子為1.26，在表3中列出的6種環(huán)糊精衍生物中為最大值，HP-β-CD柱對(duì)鄰和間二甲苯的分離表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)；在涂覆全甲基-β-環(huán)糊精和全戊基-β-環(huán)糊精上的柱上的分離效果次之，而涂覆七-(2, 6-O-月桂基-3-O-乙?；?-β-環(huán)糊精和七-(2, 6-O-月桂基-3-O-三氟乙?；?-β-環(huán)糊精的毛細(xì)管柱對(duì)其沒(méi)有分離能力. 這意味著在環(huán)糊精上2, 6-位引入體積過(guò)大的取代基(如月桂基)會(huì)增大空間位阻，進(jìn)而影響環(huán)糊精與二甲苯間的相互作用，使其分離能力減弱.

表3二甲苯位置異構(gòu)體在不同環(huán)糊精衍生物氣相

毛細(xì)管柱的分離因子

Table 3 Separation factors (α) of xylene positional isomers on different capillary columns by gas chromatography

涂覆的環(huán)糊精衍生物種類分離因子(α)HP-β-CD柱羥丙基-β-環(huán)糊精1.08, 1.26柱 1全甲基-β-環(huán)糊精[24]1.03, 1.19柱 2全戊基-β-環(huán)糊精[18]1.06, 1.19柱 3七-(2,6-O-月桂基-3-O-甲基)-β-環(huán)糊精[18]1.10, 1.13柱 4七-(2,6-O-月桂基-3-O-乙?；?-β-環(huán)糊精[18]inseparable柱 5七-(2,6-O-月桂基-3-O-三氟乙?；?-β-環(huán)糊精[18]inseparable柱 6七-(2,6-O-戊基-3-O-芐基)-β-環(huán)糊精[25]1.06, 1.05

3 結(jié)論

將羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-CD)作為固定相靜態(tài)涂覆于毛細(xì)管內(nèi)壁，得到了一種新型毛細(xì)管氣相色譜柱. 柱的理論塔板數(shù)為2 337/m，呈中等極性，對(duì)一些二取代苯系位置異構(gòu)體(如硝基甲苯、硝基氯苯、二氯苯、二甲苯和苯二甲酸二甲酯)表現(xiàn)出了較好的分離性能；將其與商品化氣相固定相七-(2, 6-O-二戊基-3-O-三氟乙?；?-β-環(huán)糊精(DP- TFA-β-CD)相比，對(duì)二氯苯和二甲苯的分離顯現(xiàn)了一定優(yōu)勢(shì).

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