（分析化学专业论文）胺类化合物离子交换色谱法保留机理的研究以及应用.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 目前对于非抑制离子色谱中保留行为的研究目前还未见报道。本文介绍了一种快速测 定胺类化合物的方法。通过本论文的研究揭示2 1 种胺类分子与离子色谱固定相相互作用 的原理。建立了胺类化合物与其保留时间的q s r r ( q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e r e t e n t i o n r e l a t i o n s h i p s ) 模型，并且成功利用模型实现未知胺类物质保留值( r r t - r e t e n t i o nt i m e s ) 的预 测，指导分析工作进展。 第一章首先介绍了非抑制电导检测的检测机理、柱填料种类、色谱条件，对文献中对 非抑制电导法测定阳离子、胺类化合物的研究方法进行了介绍和讨论。为以后章节的离子 交换色谱保留模型研究奠定基础并提供了方法指导。 第二章首先综述了气相色谱、液相色谱和离子色谱保留模型的发展状况。但是对于离 子色谱的q s r r 研究的报道还很少。在此基础上，基于大量实验数据，结合化学计量学的 理论，从微观的角度，用多元线性回归的方法，建立起2 1 个胺类化合物的表面静电势数 v s ，m i n 、v ；+ 州、o2 t o t 和n 以及体积v i n e 与其保留时间( r r t ) 之间的定量关系， 并且得到 的实测值与预测值具有良好的相关性。 在第一章和第二章的基础上，第三章用实例说明所得到的模型能为离子交换色谱分 离条件的选择和优化提供理论指导；通过实例，说明这一模型的建立能更加全面的反映了 表面静电势有关参数以及体积v m e 与保留时间( r r t ) 之间的离子交换色谱的保留机理，并 能够实现保留值的预测。为色谱条件的优化和选择具有理论指导意义。填补了离子交换色 谱保留机理研究的一项空白。 关键词：胺类化合物分子表面静电势q s r r 非抑制电导检测离子色谱 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt m sp 印e r , w eh a v ed e v e l o p e dan e wm e t h o df o rt h es i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no fa r a n g e o fa m i n e s u s i n gc a t i o n e x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h yp e r f o r m e do nas t a n d a r di o n c h r o m a t o g r a p h yc o l u m nn o n - s u p p r e s s e dc o n d u c t i v i t y am o d e lo fq s r r ( q u a n t i t a t i v e s t r u c t u r e r e t e n t i o nr e l a t i o n s h i p s ) b a s e do no b s e r v e d r r t ( r e t e n t i o nt i m e s ) a n dm o l e c u l a r s t r u c t u r e sf o r21k i n d so fa m i n ec o m p o u d sw e r ec o n s t r u c t e da n dt h e i rrr t sw e r ed e t e c t e d i nc h a p t e ro n e ，f i r s t l y , t h eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tn o n - s u p p r e s s e dc o n d u c t i v i t yr e t e n t i o n m e c h a n i s mi si n t r o d u c e d t h em e c h a m i s mo fc h r o m a t o g r a p h i cp e r f o r m a n c e sa r ei n t r o d u c e d a i l o ft h e s el a yaf o u n d a t i o nf o rt h ef o u o w i n gr e s e a r c h i n c h a p t e rt w o ，t h ed e v e l o p m e n to fr e t e n t i o nm o d e lo fg a sc h r o m a t o g r a p h y , l i q u i d c h r o m a t o g r a p h ya n di o nc h r o m a t o g r a p h yi ss u m m a r i z e d q s r rf o rg ca n dl ch a v e s u c c e s s f u l l yb e e nm o d e l e df o rm a n yc o m p o u n dc l a s s e sb yw h i c hm a n yg o o dp r e d i c t e dr r t h a v eb e e np r e s e n t e d h o w e v e r t h eq s p , rf o rt h ei ci sr e l a t i v e l yp o o r w h i c hc a nb ea s c r i b e dt o b ed e v o i do fe x p e r i m e n t a ld a t a i nt h i sc ，am o d e lo fq s r rb a s e do no b s e r v e d r r ta n d m o l e c u l a rs t r u c t u r e sf o r21k i n d so fa m i n ec o m p o u d sw e r ef u r t h e rc o n s t r u c t e db ys t e p w i s e m u l t i p l el i n e a r 。r e g r e s s i o n s t h er e s u l ts h o w st h a tp a r a m e t e r sd e r i v e df r o me l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a l v s ，+ a v v s ，r a i n ，o2 t o ta n dnt o g e t h e rw i t ht h ev o l u m e ，v m c c a l lb eu s e ds u c c e s s f u l l yt o f o r e c a s tr r to fa m i n ec o m p o u d sa n dg o o dp r e d i c t i v ec a p a b i l i t i e sh a v ea l s ob e e nd e m o n s t r a t e d o nt h eb a s i so fc h a p t e ro n ea n dt w oi 1 1t h i sp a p e r , d e t e r m i n a t i o no fr r tf o ras e r i e so f a m i n ec o m p o u d sw a sa c h i e v e du s i n gc a t i o n e x c h a n g ei cw i t han o n r e p r e ec o n d u c t i v i t y f u r t h e rq s r rm o d e lf o rr r to fa m i n ec o m p o u d si ni ch a sb e e ne s t a b l i s h e db ym u l t i p l e r e g r e s s i o nm e t h o d i th a sb e e ns h o w nt h a tt h es t r u c t u r a ld e s c r i p t o r sd e r i v e df r o mm o l e c u l a r e l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a l st o g e t h e rw i t ht h ev o l u m e ，v m c ，a r ea d e q u a t et od e p i c tt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fl u 汀o fa m i n ec o m p o u d si ni c t h e s er e s u l t su n d e r l i n et h es i g n i f i c a n te f f e c to fe l e c t r o s t a t i c p o t e n t i a lo nt h er e t e n t i o no fa m i n ec o m p o u d si ni c a n da l s os h o wt h a te l e c t r o s t a t i cf a c t o r s i n f lu e n c er e t e n t i o nb e h a v i o ro fa m i n ec o m p o u d si c k e y w o r d ：m o l e c u l a re l e c t r o s t a t i c p o t e n t i a l o fa m i n e c o m p o u d s ；q s r r ；n o n s u p p r e s s e d c o n d u c t i v i t y ；i o nc h r o m a t o g r a p h y i i 桂林理工大学硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在朱岩教授指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确 的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) 签字日期： 盈壁宰厶? f 1 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学 校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子 版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手 段保存论文：在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保 密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期： 莘莞 国望宰：占。! ) 桂林理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 非抑制型电导检测理论基础 1 1 1 概述 非抑制电导检测离子色谱法( 又称作单柱法) ，出现在2 0 世纪7 0 年代的中 后期。与化学抑制电导检测的离子色谱法相比较，非抑制的电导检测离子色谱 法中，来自分离柱的洗脱液直接进入电导池检测，方法简单，易于操作。由于 路径短，扩散作用不明显，因此分离的色谱峰尖锐，分辨率较好。抑制与非抑 制离子色谱主要是在用电导作为检测器时的区别，同时两者色谱柱的固定相也 有所不同。 f r i t z 和g j e r d e 等较早开展了非抑制型离子色谱法的研究。1 9 7 8 年他们合成 了一系列低交换容量的阴离子交换树脂。他们的研究结果表明，当树脂的交换 容量改变时，对阴离子的选择系数保持不变。此性质对离子色谱具有重要意义。 1 9 7 9 年g j e r d e 等介绍了一种较简单的快速分析无机阴离子的液相色谱法i l 捌，其 分析流程类似通常的高效液相色谱法，其分离柱直接连接电导检测器，不采用 抑制柱图。 这个方法的创新点在于：( 1 ) 用低容量大孔型阴离子交换树脂( o 0 0 7 0 0 4 m m o l g ) 为分离子柱填料，能有效地分离无机阴离子；( 2 ) 选用低电导的淋洗 液，如l x l 0 4 5 1 0 4 m o l l 的苯甲酸盐或邻苯二甲酸盐，不仅能有效地洗脱各 个阴离子，而且背景电导较低，其分析过程如下。 将淋洗液连续地用泵压入分析系统后，通过阴离子交换柱使系统平衡。达 到平衡时，树脂的阴离子交换位置被淋洗液中的阴离子e 完全占据。进样后， 样品中阴离子与等摩尔的淋洗液阴离子发生离子交换，并占据树脂上的离子交 换位置。由于样品的体积很小，假设没有混合现象，则相当于样品体积的液体 层以与淋洗液相等的流速在样品中从上向下移动。这个液体层含有样品中的阳 离子和与样品中阴离子浓度相等的淋洗液阴离子。如果液体层中的阳离子和阴 离子的总电导大于淋洗液的电导，通过电导检测就出现一个正的假峰。在这个 桂林理工大学硕士学位论文 层通过之后，基线立即恢复到原来单独用淋洗液平衡系统时得到的基线。由于 淋洗液阴离子对离子交换平衡的质量作用效应，样品中的阴离子逐渐向柱子下 移动。当样品中的阴离子取代部分淋洗液中的阴离子，此溶液的电导与淋洗 液平衡系统的电导不同，此电导差值恰与样品中的阴离子浓度成正比。色谱峰 的峰高或峰面积对样品中阴离子浓度作图有很宽的线性范围。 1 2 3 4 三 11 、 翌 二 r fi 量 图1 1 非抑制型电导检测离子色谱法的色谱流程 5 6 1 一淋洗剂储罐；2 一输液泵；3 一进样阀；4 一分析柱；5 一电导池；6 一记录仪 根据用电导检测时是否使用抑制器，习惯上将此类离子色谱仪称为非抑制 型离子色谱仪，而将配置有抑制器的称为化学抑制型离子色谱仪。 非抑制离子色谱的柱理论主要源于h p l c 。其色谱柱的长度较抑制型中的 短，通常为5 - - - 2 5 c m ，内径为2 - - 5 m m ，早期的色谱柱管多为不锈钢材料，近年 来有一些使用了p e e k 材料，流速在o 5 - - - 8 0 m l m i n 范围内。系统的反压在几十 至几百m p a 。因此，非抑制离子色谱的色谱柱与h p l c 兼容性非常好。 一 、 一 ， 一 厂 一， 桂林理工大学硕士学位论文 非抑制离子色谱法主要以低容量的离子交换树脂为固定相，基体是硅胶或 s - d v b 聚合物。硅胶型阴离子交换树脂是将有离子交换功能的季铵基化学键合到 全多孔硅球的表面，在基球表面形成一层阴离子交换官能团。使用硅胶型交换 树脂时，流动相的p h 必须在较窄的范围内( 2 6 5 0 ) ，这多少限制了淋洗液的选 择和方法对样品的适用范围。硅胶填料的粒度一般较小，多在3 - - 一l o g m 之间。 交换容量在o 1 l o m m o l g 左右【4 1 。 交联度和交换容量是衡量树脂结构和性能的两个重要参数。聚合物中交联 剂的质量百分比称作交联度。交联度的大小决定树脂的孔结构，孔结构在树脂 的分类中是一个重要的特征参数，增加交联度，树脂的孔隙度会降低，树脂的 耐压强度会随之增加，溶胀效应会相应减小，但同时也会降低树脂颗粒的渗透 性。目前离子色谱常用固定相的交联度为5 5 。 交换容量是指1 9 干树脂所能交换的离子的毫摩尔数。总交换容量是指树脂 上所有可交换离子均参与离子交换时的极限交换容量，它反映了离子交换功能 基的数量。表观交换容量指一定条件下实测的交换容量，它不一定代表离子交 换功能基的数量。当功能基离解比较完全，或树脂孔径太小，离子不易扩散时， 表观交换容量小于总交换容量：而当功能基离解比较完全，加上溶质离子在固 定相表面同时存在吸附等相互作用时，可能会出现表观交换容量大于总交换容 量的情况。例如，在用阴离子交换树脂分离苯酚等含有苯环的有机阴离子时， 就可能出现表观交换容量大于总交换容量的情况。这也是离子交换色谱过程中 存在吸附作用的证据之一。 非抑制阳离子色谱法的柱填料有硅胶和苯乙烯一二乙烯基苯共聚物两大类。 早期的交换树脂附着的交换基团多为磺酸基团。由于磺酸基为一强酸型的交换 基团，需要淋洗液中有较高浓度的h + ，因此造成了一价、二价阳离子不能同时 淋洗的问题。这点颇像早期的抑制型阳离子离子色谱。近期的非抑制阳离子离 子色谱法的柱填料多是采用了全多孔硅胶树脂附着善羧酸交换基团。此类交换 基团是一弱酸，因此可在使用一种淋洗液的条件下对价、二价阳离子同时分 离。 非抑制离子色谱法的淋洗液多数为低浓度的电解质溶液。由于非抑制离子 色谱法分离后直接进入电导池，为了增大信噪比，淋洗液背景电导不能过高， 因此淋洗液的浓度必须较低，低浓度的淋洗液其淋洗能力较弱，为了使保留时 桂林理工大学硕士学位论文 间控制在一个可以接受的范围内，色谱柱的长度一般要比抑制型的短。 非抑制阴离子色谱的淋洗液通常为p h = 4 - - 9 的有机酸盐缓冲液，其中芳香 族有机酸盐是非抑制阴离子色谱最常用的淋洗液，主要是有机芳香族盐和磺酸 盐，如苯甲酸盐，邻苯二甲酸盐，苯磺酸盐等。此类有机酸盐对阴离子交换树 脂有较高的选择系数。 非抑制阳离子色谱常用的淋洗液有无机酸( 盐酸式硝酸) 、柠檬酸、甲烷磺 酸、乙二胺草酸盐、对苯二甲酸或二氨基丙酸盐掣又叭。 流动相的p h 值是影响溶质离子保留和选择性的重要因素，j g t a r t e r 等人j 在1 9 8 1 年最先提出使用游离酸作为淋洗液。他们的实验结果证明，可以用苯甲 酸代替苯甲酸钠或钾作为淋洗液。 流动相的p h 不仅对作为淋洗液的有机酸解离产生影响，而且也影响到一些 待测离子的价态。当淋洗液的p h 增加时，保留时间缩短。在较高的p h 条件下， 不仅羧基基团( p k l 3 4 ) ，而且羟基苯甲酸的羟基基团( p k 2 - - - - 9 4 ) 也产生解离。在 p h = 7 时，正磷酸盐的价态发生了改变，即由一价转变为二价，其保留时间也延 长了。从p h = 8 开始，二价淋洗离子也存在于流动相中，p h = 9 以上，二价形式 的离子占主要时，正磷酸盐的保留时间再次缩短。在此色谱条件下，正磷酸盐 的保留时间介于硝酸盐和硫酸盐之间。 非抑制型离子色谱的一个特殊问题是系统峰【8 】的存在，让我们以阴离子交换 为例讨论系统峰是如何发生的。在一个使用苯甲酸淋洗液的阴离子平衡体系中， 只要该色谱系统不被打乱，平衡将会继续保持。图中阴离子固定相与淋洗液作 用的有机酸样品苯甲酸之间的平衡关系。液固之间存在着如下平衡关系：流 动相中溶质离子与固定相电荷之间的平衡；流动相中苯甲酸的解离平衡； 溶解于流动相中的苯甲酸与吸附在固定相疏水表面的苯甲酸之间的平衡。样品 注入系统后，平衡遭到破坏，一个新的平衡经过缓慢的过程后会重新建立。当 样品的p h 值低于淋洗液的p h 值时，流动相中分子苯甲酸的浓度随着吸附于固 定相数量的增加而增加。没有被吸附的部分通过柱子后被检测为信号，即系统 峰。相反，当样品的p h 值高于淋洗液时，苯甲酸的解离平衡向解离的方向移动， 最后以种负峰的形式表现出来。虽然以上出现正或负的系统峰，但只要样品 中的待测离子的洗脱时间在系统峰之后，此系统峰对分离便不会造成不利的影 响。 4 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 2 阳离子交换色谱的分配系数k d 在离子交换色谱中，影响离子交换平衡的因素是复杂的。解决这个问题有 两个基本方法，一种是热力学方法，通过独立测定同离子树脂的性质，并结合 对两相的活度系数关系来描述非理想状态，另一种是将离子选择性，静电效应， 溶剂化作用，疏水性相互反应等物理因素联系。本论文的研究就是对后者进行 了探讨。 离子色谱中可由选择性系数来评价淋洗离子的效率，也就是保留时间的长 短。具有高选择性系数的离子是优先选择的淋洗离子，因为它们在较低的浓度 也有较强的淋洗能力，若样品离子洗脱太快，则应用较低的浓度或改用选择性 系数较小淋洗离子。但是淋洗离子的选择性系数和样品离子的选择性系数应相 差不多。 典型的离子交换模式是样品溶液中的离子与分析柱的离子交换位置之间进 行的离子交换，下面以h + m s a ( 甲烷磺酸) 溶液作流动相测定水样中的n r 和 n h 4 + 为例进行说明。离子交换色谱固定相接有离子交换功能基来固定电荷，阳 离子交换色谱固定相常接羧酸基或磺酸基作为功能基。当流动相流过色谱柱时， h + 与固定相树脂表面的离子交换功能基( 羧酸基) 结合。进样之后，溶质离子 从阳离子交换树脂上将h + 置换下来，自身暂时保留在固定相上。与此同时，暂 时保留在固定相上的溶质离子又被淋洗液中的h + 置换。置换的难易与溶质离子 跟固定相离子交换基团的亲和力大小有关。有的溶质离子与固定相的离子交换 功能基的亲和力较弱( 如n f ) ，则较易被淋洗离子从固定相上置换下来。反之， 有的溶质离子与固定相的离子交换功能基的亲和力较强( 如n h 4 + ) ，则较难被淋 洗离子从固定相上置换下来。溶质离子在色谱柱中多次进行这种置换和被置换 的过程，从而以不同的速度流出色谱柱，实现分离。 分配系数k t , 表示溶质在固定相和流动相中的浓度比，即 k d - - c s c 畦 公式( 1 1 ) 其中g 表示溶质在固定相中的浓度，g 表示溶质在流动相中的浓度。离子 交换色谱中用分配系数杨来描述被测溶质离子的色谱保留行为，不同离子分配 系数的不同从根本上保证了它们可以在离子交换色谱中被分离。 阳离子交换色谱中分配系数杨表达式的推导可从较为简单的具有一价电 桂林理工大学硕士学位论文 荷的阳离子在离子色谱固定相树脂上的保留行为开始讨论。例如，n a + 在阳离子 交换树脂上的离子交换行为： 离子交换色谱中常用的阳离子交换剂是经表面磺化的薄壳型苯乙烯一二乙 烯基苯。若将n a o h 溶液注入水溶液的h + 型树脂，将发生离子交换，n a + 进入 树脂相，等摩尔的旷进入水相并与水相中的o h 发生中和反应。如果水相能够 提供足够多的h + 与o h 反应，那么就能促使树脂相的离子交换反应不断进行下 去，最终树脂完全转变成n a + 型。上述反应可简单地表示如下： r e s i n - c 0 0 - h + + 口明_ r e s i i l 一矿口+ + o公式( 1 2 ) 若注入树脂相的不是n a o h 溶液，而是n a c i 溶液，由于c l 。不与h + 反应。 则h + 型树脂不能完全变成n a + 型，而是在经历足够长的时间之后，离子交换达 到平衡，n a + 和h + 分别部分存在于树脂相和溶液相，可用下式简单表示： r e s i n c o o h + + n a c i = r e s i n c o o n a + + h c i公式( 1 3 ) 在实际的色谱检测过程中，进入离子交换固定相的被测溶液中溶质的含量 往往是很低的，一般在p t g m l 级或p l 级。在如此小的浓度下，溶液中的阴离 子进入树脂的量非常小，它除了与系统中的一种或多种阳离子反应以及保持溶 液的电中性外，对被测阳离子的离子交换过程影响很小。因此，可将溶液中的 阴离子从公式( 1 3 ) 中略去，从而将其简化为： r e s i n c o o h + + n a +r e s i n c o o n a + + h + 公式( 1 4 ) 以k n ? h 表示上述反应的平衡常数，则k h 可表示为： k 管：婴斟娶 公虮5 ) 爿 【n a + 】s 【+ 】 “7 其中尺表示树脂相( 即固定相) s 表示溶液相( 即流动相) 。根据分配系数 杨的定义，由公式( 1 5 ) 变形，可导出n a + 的分配系数硒的表达式： 辫= = 醋辫 公式( 1 6 ) 公式( 1 6 ) 左侧为被测离子n d 在固定相和流动相中的浓度比，即分配系数 杨。前面已经说明过，色谱中被测离子的浓度往往只有p g m l 级或p l 级，而 淋洗液中淋洗离子的浓度往往远远大于被测离子的浓度，于是可将 h + i s 近似表 示成【e 】s ，即流动相中淋洗离子的浓度。与此同时，h + 是典型的淋洗离子，因此 6 桂林理工大学硕士学位论文 【h + r 可近似表示成c r ，即树脂的交换容量。因此，公式( 1 6 ) 可近似表示成： 辫= “等品 + 】s ” “ l 若以s 和e 分别表示样品被测阴离子和淋洗离子， 离子交换固定相上的保留可以如下通式表示： 盛= 如“；南 s s “ 。【e 】s 公式( 1 7 ) 则对于一价阳离子在阳 公式( 1 8 ) 公式( 1 8 ) 描述了一价溶质离子( s ) 在离子交换树脂上和在含有一价淋洗离子 e 的溶液之间的分配。分配系数的重要性是它表明了离子交换剂对e 和s 的选 择性( 亲和力) 。 相似地，对于二价阳离子在阳离子交换树脂上与h + 的交换反应，以c a 2 + 为 例，可简单表示为： 2 r e s i n c 0 0 - h + + c a 2 + 毒( r e s i n c 0 0 一) ，c a “+ 2 胃+公式( 1 9 ) 公式( 1 9 ) 的平衡常数可以表示为： 砖= 黪燃 于是，重排式公式( 1 1 0 ) ，可得： 辫= 如= 砰爨【姚“】s 。 “阻+ 瑟 公式( 1 1 0 ) 公式( 1 1 1 ) 经过近似后，二价阳离子在阳离子交换色谱中的分配系数杨的表达式可用 如下通式表示： 黯= = 蒜 蛐2 ) 从公式( 1 8 ) 和公式( 1 1 2 ) 可以看出，影响溶质离子在固定相和流动相间分配 的主要因素包括：离子交换反应的选择性系数；离子交换剂的容量；流动相中 电解质的浓度；淋洗离子和溶质离子的电荷。此外，流动相的p h 和流动相中的 络合反应也是溶质离子在固定相和流动相之间分配的因素。 此外。由公式( 1 1 2 ) 可知，二价被测阳离子的分配系数k d 与淋洗液中淋洗 7 桂林理工大学硕士学位论文 离子的浓度准确地说应当为活度，但是在低浓度下，活度系数近似为1 ，可近似 用浓度表示活度。平方成反比：而由公式( 1 8 ) ，一价被测阳离子的分配系数k d 与淋洗液中淋洗离子的浓度一次方成反比。因此，流动相浓度的改变对高电荷 离子的保留行为影响大于对低电荷离子保留行为的影响。这一离子交换反应规 律对离子色谱有非常重要的意义。 在上述分配系数k d 表达式的导出过程中，只考虑了离子交换色谱的主要影 响因素离子交换过程，即静电作用。但是，对于部分溶质离子，除了纯粹 的离子交换过程外，溶质离子和固定相之间也存在非离子相互作用，文献报道 的有吸附作用、氢键作用和水合作用【2 l 等，其中最重要的还是吸附作用。如果用 带芳香环骨架的有机聚合物做离子交换剂的基质，具有芳香结构和烯键结构的 溶质离子在用这样的固定相进行分离时，除了离子交换过程外，也同时存在吸 附相互作用，两种作用叠加在一起。鉴于以上研究，在离子交换色谱保留机理 的探讨中，仅仅考虑离子交换过程是不全面的，应当同时考虑到其它因素可能 产生的影响。当然，离子交换色谱中的主导影响因素还是静电作用。因此本论 文中模型的建立，是对此的补充。 1 2 胺类化合物的离子色谱的非抑制电导测定 有机胺的分析在环境，石油化工、农业等许多领域有着重要意义，非抑制 型离子色谱最初在测定离子方面取得成功，后来发展为可以测定阳离子，这一 方法的特点是可以对一价阳离子( 碱金属、铵离子和有机胺) 实现分离。对于 一价阳离子( 碱金属、铵离子和有机胺) 的分离，淋洗液主要有无机酸、有机 酸和芳香碱，其中无机酸是使用最早和最多的淋洗液。常用的无机酸有硝酸、 盐酸和高氯酸。其中硝酸应用最多。f r i t z 等人【9 1 首先以硝酸为淋洗液测定碱金属 和铵离子获得成功，其后以硝酸为淋洗液测定碱金属和铵离子获得成功，其后 以硝酸为淋洗液测定碱金属、铵离子和有机胺的报道相继出现l i o - 1 2 j 。盐酸或高 氯酸淋洗液与硝酸类似。可作为淋洗液的有机酸很多。d a i g l e - q 睁 1 3 分别以氨基酸 磺、草酸和二氯乙酸为淋洗液测定了碱金属、铵离子和烷基胺；关良智等【14 j 分 别以草酸、柠檬酸和酒石酸为淋洗液同时测定碱金属、铵离子和胺类：于泓【l 别 以芳香酸为淋洗液测定了碱金属、铵离子和烷基脘。芳香碱作淋洗液报道较少， f o l e y 等【1 6 1 分别以苯胺和苄基胺为淋洗液( 用盐酸调节淋洗液的p h 值) 测定了碱 桂林理工大学硕士学位论文 余属和铵离子。最近，于泓【1 。7 1 对非抑制型离子交换色谱法测定一价阳离子的淋 洗液进行了系统研究。阐述了一价阳离子的保留行为和电导检测行为与淋洗液 之间的关系，分别对无机酸、有机酸和芳香碱淋洗液测定一价阳离子进行了考 察。其中有机酸和无机酸是较为适宜的淋洗液。 多价阳离子( 碱土金属、过渡金属和稀土离子等) 对强酸型阳离子交换剂 固定相有较强的亲合力。只用无机酸或有机酸作淋洗液难以将它们洗脱分离。 分离测定多价阳离子的淋洗主要有乙二胺的硝酸盐、乙二胺一络合有机酸( 酒 石酸，柠檬酸、草酸、q 一羟基异丁酸等) 和质子化的苯二胺等。 乙二胺的硝酸盐淋洗液只用于测定碱金属离子。f r i t z 等【9 】首先以乙二胺的硝 酸盐为淋洗液测定了碱土金属离子。其后，n i e t o 等【l o l 采用同样的淋洗液测定了 土壤提取液中的碱土金属离子。 乙二胺一络合有机酸淋洗液可用于分离测定碱土金属、过渡金属和稀土离 子等。络合有机起到促进洗脱、控制选择性及抑制金属离子生成沉淀的作用。 s e v e n i c h 等【1 8 l 首先以乙二胺一络合有机酸( 滔石酸、伍一羟基异丁酸) 为淋洗液测 定了多价阳离子。q 一羟基异丁酸对二价金属离子的分离不如酒石酸好，但对稀 土离子的分离较好。其后s e v e n i c h 等1 1 9 1 又研究了络合剂对测定多价阳离子的影 响。在含有m 9 2 + ，m n 2 + ，c a 2 + 及其f e 3 + ，a i ”，c u 2 + 的溶液中，可加入次氯基 三乙酸掩蔽f e 3 + ，a 1 3 + 和c u 2 + ，而用己二胺一酒石酸淋洗液选择性地测定m 9 2 + ， m n 2 + 和c a 2 + 。在含有f e 3 + 和f e 2 + 的溶液中，可加入磺基水杨酸掩蔽f e 3 + ，而用 乙二胺一酒石酸淋洗液选择性地测定f e 3 + 。于泓等2 睨2 】以己二胺一草酸( 或柠檬酸) 为淋洗液测定了碱土金属、过渡金属和稀土离子。当淋洗液中乙二胺浓度改变 时，碱土金属和过渡金属离子保留时间的变化幅度相近；而当淋洗液中草酸( 柠 檬酸) 浓度或淋洗液的p h 值改变时，过渡金属离子保留时间的变化幅度大于碱土 金属离子保留时间的变化幅度。可利用这特性改善过渡金属与碱土金属离子 之间的分离状况。许鸿生等【2 3 】以乙二胺一柠檬酸为淋洗液同时测定了碱土金属和 过渡金属离子。r e i f f e n s t u h l 等【2 4 a 5 1 以乙二胺一柠檬酸为淋洗液测定了一、二和三 价阳离子。s a l e h 等【2 6 l 以3 5 m m o l l 乙二胺，0 1 0m m o l l 酒石酸( 体积分数5 乙 腈) 为淋洗液测定y c r 3 + 。质子化的苯二胺淋洗液应用不多，原因是这种淋洗 液不稳定。f o r t i e r 等【2 7 i 用质子化的对苯二胺淋洗液测定- j a 1 3 + ，其它阳离子不干 扰。 9 桂林理工大学硕士学位论文 本实验用到的柱为弱酸型( c o o h ) 的阳离子交换剂固定相。弱酸型阳离子交 换剂固定相的特点是可以在等度淋洗条件下同时测定一价和多价阳离子【2 8 , 2 9 】。 在此类固定相上分离测定阳离子。一般用络合有机酸( 柠檬酸、毗啶二甲酸、酒 石酸、草酸、a 一羟基异丁酸等作淋洗液，也可用无机酸( 盐酸、硝酸) 作淋洗 液。k o n d r a t j o n o k 等p o 】利用2 ，6 一吡啶二甲酸和柠檬酸组成的混合淋洗液，同时测 定了碱金属、碱土金属及锰离子。y a n 等【3 l 】比较了不同络合有机酸淋洗液分离测 定碱金属、碱土金属和过渡金属离子的情况。用柠檬酸一2 ，6 一吡啶二甲酸混合 淋洗液，碱金属和碱土金属离子在1 2r a i n 内完全分离：用酒石酸一草酸混合淋洗 液，一次进样可将碱金属、碱土金属和过渡金属离子分离；用e d t a 2 ，6 毗啶 二甲酸混合淋洗液，可在大i m 9 2 + 基体下分离测定痕量n a + ，k + 和c a 2 + 。n a i r 等p z 】以无机酸( 盐酸或硝酸) 为淋洗液同时测定了碱金属和碱土金属离子，继而 又以络合有机酸为淋洗液测定了过渡金属离子及碱金属、碱土金属离子【3 3 j 。 l a u b l i 等p 4 j 以络合有机酸( 酒石酸) 和有机溶剂( 丙酮) 为淋洗液分析了有机胺类 化合物、碱金属离子和碱土金属离子。 目前，已有多种类型的淋洗液用于非抑制型电导检测阴离子交换色谱法的 分析中。在非抑制型电导检测阳离子交换色谱法分析中，络合有机酸( 草酸，柠 檬酸、酒石酸、q 一羟基异丁酸和2 ，6 - 1 比啶二甲酸等) 一乙二胺组成的淋洗液，有些 分析中乙二胺浓度为零是一种通用性阳离于分析淋洗液，这种淋洗液可用于几 乎所有阳离于的分析。随着非抑制型离于色谱法的发展，分离效果好、检测灵 敏度高、适用范围广的新型淋洗液还将会不断出现。 1 3 定量结构一保留时间研究的主要方法以及模型的建立 1 3 1 定量结构一活性、保留时间相关研究的发展过程 构效关系( s t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p ，s a r ) 是随着药物化学这门学科的 产生而出现的，定量构效关系( q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p ，q s a r ) 是由s a r 发展而来的，q s a r 研究通过分析现研究通过分析现有活性物质( 如一系 列有相同药理作用的结构相似的化合物) ，以化合物的理化参数或结构参数等为 自变量，生物活性为因变量，用数理统计方法建立起化合物的化学结构与生物活 性之间的定量关系：解释由于分子结构的变化所引起化合物理化参数或结构参 1 0 桂林理工大学硕士学位论文 数的改变，从而导致化合物生物活性的改变，推测其可能的作用机理，然后根据 新化合物的结构数据预测其活性或改变现有化合物的结构以提高其活性。而定 量结构一保留时间是在q s r r ( q u a n t i a t i v es t r u c t u r e r e t e n t i o nr e l a t i o n s h i p ) 是在 q s a r 的基础上发展起来的，以化合物的理化参数或结构参数等为自变量，化合 物的在色谱柱上保留时间为因变量，用数理统计方法建立起化合物的化学结构 与保留时间之间的定量关系：解释由于分子结构的变化所引起化合物理化参数 或结构参数的改变，从而导致保留时间的改变，推测有相似理化参数，然后根据 新化合物的结构数据预测其保留时间。 早在1 9 世纪，就有人开始设法建立化合物生物活性和结构的关系当时一 些研究者认为可以根据某些通用的规则，从化合物的结构推测活性然而，后来 人们发现所谓通用规则并不存在，只不过是一些或多或少带有特异性的规则而 已到了2 0 世纪初，人们普遍认为化合物的生物效应主要取决于它们的物理性 质，如溶解度、分配系数、表面张力等。m e y e r 和o v e r t o n 曾证明麻醉剂的抑制 活性与它们在脂p 水系统中的分配系数存在线性关系。t r a u b e 发现化合物的麻 醉效应与表面张力有关2 0 世纪6 0 年代，h a n s c h 和藤田将有机化学的h a m m e r 署1 i n g o l d 有关取代基的电性或立体效应对反应中心的影响可以定量地评价并可 外延的原则用于处理药物分子与生物系统的相互作用和化学结构的关系，首先 确立了定量研究构效关系的科学构思和方法。这在结构一活性关系定量方法的 建立过程中是一个重要的里程碑。 1 3 1 定量结构一活性相关研究的主要方法 有机物的定量结构一活性相关分析包括线性自由能关系( l f e r ) 、h a n s c h 分 析法、f r e e w i l s o n 分析法、分子拓扑学方法等，近年来相继发展了q s a r 、 3 d q s a r 等新的技术和方法，为q s a r 技术的广泛应用奠定了坚实基础。定量 结构一保留时间的研究方法与q s a g 相似。因此下面主要介绍q s a r 的模型。 1 3 1 1h a n s c h 模型 h a n s c h 模型的基础是线性自由能关系( l f e r ) ，h a m m e r 等认为取代基导致 化合物分子性质的变化主要有：电性、立体特征和疏水性质等物理性质3 。 化合物需要通过生物膜才能到达作用部位，而化合物和受体相互作用与化合物 的分子结构、电性效应和立体效应有关。他们假设取代基对生物性的电性效应、 桂林理工大学硕士学位论文 立体效应以及疏水效应是彼此独立的且具有加和性，由此提出了h a n s c h 方程： l g ( 1 c ) = 口i g k o 矽+ 6 盯+ c b + d 公式( 1 1 3 ) 公式( 1 1 3 ) 中k d 矽为正辛醇水分配分数、仃为h a m m e n t 取代基常数、磊为 t a f t 空间效应参数。该方程适用于化合物体外活性，对体内活性数据，许多化合 物的生物活性和l g c o 并不服从性关系，此时可以用如下的抛物线模型来表示物 化参数与活性的关系： l g ( 1 c ) = a ( 1 9 c o ) 2 + b i g k _ d 矽+ c 仃+ d b + p 公式( 1 1 4 ) h a n s c h 方法自创建后得到了广泛的应用 3 8 - 4 0 ，但是该方法要求所研究的化合物 应该具有相同的活性中心和作用机制，只适用于同系物的q s a r 研究，并且参 数需要实验测定，因此限制了其应用范围。 1 3 1 2 线性溶剂化能相关模型 k a m l e t 以l f e r 为基础提出了线性溶剂化能相关( l s e r ) 4 羽，l s e r 理论 认为有机化合物的性质取决于溶质和溶剂的相互作用，溶质和溶剂间的相互作 用由3 个能量相关的过程构成：在溶剂中形成可以容纳质分子的空穴( 吸热过 程) ：溶质分子进入空穴( 放热过程) ：溶质分子与溶剂分子间产生相互吸引 作用。基于此，提出如下模型： x y z = x y z o + 空穴项+ 偶极项+ 氢键项 模型中的x y z 表示化合物的性质，x v z o 是常数项。空穴项描述溶剂中形 成空穴的能量效应，偶极项是溶质分子与溶剂分子间的偶极和诱导偶极相互作 用的表征，氢键项表示溶质分子与溶剂分子间的氢键作用。 k a m l e t 等用分子体积和溶剂化变色参数表征如上方程式中的各项，构建如 下方程： x t z = s e e 0 + 聊1 0 0 + s z r + 口+ 6 尾 公式( 1 1 5 ) 公式( 1 1 5 ) q b 吃为溶质分子的本征摩尔体积( 范德华体积) ，肌圪1 0 0 可以使该项 数量级与其他相当：7 1 、口，和以为溶剂化变色参数：刀为化合物偶极一极化 能力的量度：口。为氢键酸性的量度，表示化合物提供质子( h b d ) 能力；成为氢 键碱性，是化合物接受质子( h b a ) 能力是量度。利用该模型对有机物的非反应性 毒性的预测取得了很大的成功 4 3 - 4 6 ，但是由于该模型中的主要参数由u v 、 1 2 桂林理工大学硕士学位论文 h p l c 、n m r 等实验手段获得；对结构复杂的化合物而言，得到这些参数较难， 其应用也由此受到限制。 根据l s e r 模型的经验性质，w i l s o n 和f a m i n i 等应用量化参数代替l s e r 中的实验参数，提出理论线性溶剂化能模型( t l s e r ) ，方程如下： x f z = 砜+ 口匕。+ 6 乃+ c s 口+ d 臼一+ p 毛+ 。向+公式( 1 1 6 ) 公式( 1 1 6 ) 中屹，为溶质分子的本征摩尔体积( 范德华体积) ，通常除以1 0 0 使该项 数量级与其他项相当；刀为极化指数项，定义为极化体积与分子体积的比值： 为0 0 1 e h o m o e l t 删o ( h 2 0 ) 】，表示溶质e h o m o 的线性变换；乞0 0 i e l u m o ( h 2 0 ) e h o m o ，表示溶质e h o m o 的线性变换：厶与中的这一变换为所有化合物提供 了参考点( 水) ；g + 与g 一代表溶质分子中氢原子所具有的最大正电荷和原子所 具有的最大负电荷。 t l s e r 技术已经应用1 0 0 种以上的基于溶质一溶剂相互作用的性质，包括 整个物理、化学、光谱学以及分子毒理学等各个方面，对有机化合物的生物活 性( 如非反应性毒性) 、理化性质( 如活性炭吸附行为、h p l c 保留指数、正辛 醇水分配系数、水解速率常数、酸碱电离常数) 都取得了较为满意的效果 4 7 - 4 9 。 1 3 1 3 图论方法 从数学的观点来看，化合物的结构是一种由线