（化学工艺专业论文）反相液相色谱保留机理的分子动力学研究.pdf

摘要 分子动力学方法是从分子水平研究反相液相色谱过程保留机理的重要方法 之一。本文研究了描述反相液相色谱分离体系的包括溶剂分子、溶质分子和键合 固定相在内的全原子模型的建模方法，分别考察了流动相组成、键合密度、键合 烷基链长、温度对键合固定相溶剂化规律的影响及不同极性官能团、不同官能团 数量与溶质的保留行为的关系，从烷基链的构象变化、烷基链与溶剂分子的运动 状况两个方面进行了分析，并提出如下固定相溶剂化影响溶质保留行为的机理。 随着有机溶剂浓度的升高，c 1 8 链结构越伸展，链的溶剂化程度增加，导致 链上原子的迁移性增加，溶质保留方式由分配向吸附逐渐转变；键合相的有序性 及进入键合相中有机溶剂的量按甲醇、乙腈、四氢呋喃依次递增；随着键合密度 的增加，键合相层厚度增加，链的溶剂化程度降低，因此链上原子的迁移性降低， 溶质保留方式先由吸附向分配转变，再向吸附转变；随着链长的增加，链的溶剂 化程度也降低，保留方式由吸附向分配转变；当温度由2 9 8 k 升高到3 1 3 k ，链的 结构变得弯曲，链上原子的迁移性增加，键合相的相态可能由固态或玻璃态向液 态转变，保留方式趋向于吸附，但是链的溶剂化程度看起来不受温度的影响：非 极性溶质的保留趋于分配，且随着溶质分子体积的增加，分配逐渐占主导，而极 性溶质的保留趋于吸附，且随着溶质极性增加，吸附逐渐占主导。 研究结果表明，反相液相色谱的分离机理并不是单一的分配机理或吸附机 理，而是分配一吸附复合过程。 关键词：反相液相色谱，保留机理，分子动力学，流动相组成，键合密度，键合 烷基链长，温度 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e a l tw i t ha l l a t o mm o d e l i n go fr p l cs y s t e m si n c l u d i n gm o b i l e p h a s e ( m p ) m o l e c u l e s ，s o l u t em o l e c u l e sa n db o n d e ds t a t i o n a r yp h a s e ( b p ) m o l e c u l e s t h ee f f e c t so fm p c o m p o s i t i o n ，l i g a n dd e n s i t y , a l k y l - l i g a n dl e n g t h ，a n dt e m p e r a t u r e o nb ps o l v a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h i ss i m u l a t i o na l s oe x a m i n e dt h ee f f e c t so ft h e p o l a r i t ya n dt h en u m b e ro ff u n c t i o n a lg r o u p so nt h es o l u t e sr e t e n t i o nb e h a v i o r t h e r e s u l t sw e r ec o n c e r n e dw i t ht h ec h a i ns t r u c t u r ea n dt h ed y n a m i c a lp r o p e r t i e so ft h e a i k y lc h a i n sa n ds o l v e n ti no r d e rt op r o b et h ei n f l u e n c e o fb ps o l v a t i o no nt h e r e t e n t i o nb e h a v i o r w i t hi n c r e a s i n go r g a n i cm o d i f i e rc o n t e n lt h ec 1 8l i g a n d sb e c o m em o r e e x t e n d e dw i t hg r e a t e rs o l v a t i o n , l e a d i n gt oa l li n c r e a s ei nt h eo v e r a l lm o b i l i t yo f l i g a n da t o m s ，t h er e t e n t i o nm o d et e n d st ob eat r a n s i t i o nf r o mp a r t i t i o n - l i k et o a d s o r p t i o n - l i k e ；t h eo r d e r i n go fb pa n dt h ee x t r a c t i o nf r o mt h eb i n a r ym pi n t ob p i n c r e a s e si nt h es e r i e s ：m e t h a n o l ，a c e t o n i t r i l e ，t e t r o h y d r o f u r a n ；w i mi n c r e a s i n gl i g a n d d e n s i t y ，t h et h i c k n e s so fb pi n c r e a s e d ，t h es o l v a t i o no ft h el i g a n d sd e c r e a s e sl e a d i n g t oad e c r e a s ei nt h eo v e r a l lm o b i l i t yo fl i g a n da t o m s ，t h er e t e n t i o nm o d ec h a n g e s b e t w e e np a r t i t i o n - l i k ea n da d s o r p t i o n l i k e ；w i t hi n c r e a s i n ga l 坶i - l i g a n dl e n g t h , t h e s o l v a t i o no ft h el i g a n d sa l s od e c r e a s e sw i t hal x a n s i f i o no ft h er e t e n t i o nm o d ef r o m a d s o r p t i o n l i k et op a r t i t i o n - l i k e ；a st e m p e r a t u r ei n c r e a s e sf r o m2 9 8 kt o3 1 3 k ，t h e l i g a n dc h a i n sb e c o m em o r eb e n tw i t hh i g h e rm o b i l i t y , t h es t a t eo fb pm a yc h a n g e f r o ms o l i d 1 i k et ol i q u i d 1 i k e ，t h er e t e n t i o nm o d e st e n d st ob ea d s o r p t i o n - l i k e ， h o w e v e r ，b ps o l v a t i o nd o e s n ts e e mt ob ei n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r e ；p a r t i t i o n b e c o m e sd o m i n a n ta l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t h em o l e c u l ev o l u m eo f n o n - p o l a rs o l u t e ， h o w e v e r ，a d s o r p t i o nb e c o m e sp r e d o m i n a n tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep o l a r i t yo fp o l a r s o l u t e c o n s e q u e n t l y ，n e i t h e rt h ep a r t i t i o nn o rt h ea d s o r p t i o ns e p a r a t i o nm e c h a n i s m c o u l df u l l ye x p l a i nt h eu n d e r l y i n gm e c h a n i s mf o rs e p a r a t i o ni nt h em o d e ls y s t e mw e h a v ec h o s e n i ti sd o u b f f u lt h a to n eo ft h e s et h e o r i e sc a no f f e rac o m p r e h e n s i v e p i c t u r eo f r p l c r e t e n t i o nm e c h a n i s m k e yw o r d s ：r p l c ，r e t e n t i o nm e c h a l l i s m s ，m o l e c u l a rd y n a m i c s ，m o b i l ep h a s e c o m p o s i t i o n , l i g a n dd e n s i t y , a i k y l l i g a n dl e n g t l ：l ，t e m p e r a t u r e 刚吾 高效液相色谱是重要的物质分析与分离技术，具有分离效能高、选择性高、 速度快、应用范围广等特点，尤其反相液相色谱是应用最广泛最重要的液相色谱 技术之一。但是其方法的改进及操作条件的优化仍然基于大量实验结果的经验性 结论，并且经常发生一些无法控制的未知因素影响分离结果的现象，这主要是由 于对分子水平上色谱分离过程没有一个全面深入的理解和认识，无法将微观过程 与宏观性质联系起来，从而对色谱分离过程的操作参数进行合理、准确的预测， 高效地进行分离方法的建立和优化。 目前，国内外学者已从实验和理论两个方面对色谱分离机理进行了一些初步 的研究。实验方法主要通过色谱分离数据和各种光谱仪器如核磁共振，红外，荧 光等测得的光谱数据阐述保留过程的本质，但由于色谱分离体系本征过程的复杂 性及光谱测定条件的限制，导致分离机理的研究实验存在许多困难，有时甚至得 出自相矛盾的结论。理论方法则是在一些物理假设的基础上进行大量数学公式的 推导，通常得到的结论适用范围较小，由于受到模型中假设的限制，无法对色谱 分离机理进行全面的的解释。 分子模拟是8 0 年代初兴起的一种计算机辅助实验技术，它从原子水平出发， 以分子、离子、分子聚集体、晶体及非晶态为模拟对象，应用数值模拟方法，来 模拟分子的结构与分子动、静态行为，进而获得分子体系的各种结构性质、谱学 性质、热力学及动力学性质，从原子水平上了解分子结构与所研究对象的性能的 关系。将分子模拟应用于反相液相色谱分离机理的研究，不仅克服了实验与理论 研究方法存在的困难，而且具有以下几个特点：易于得到大量的色谱体系微观信 息；能够区分不同的化学、物理过程；能够精确地设定研究体系的各种参数；仅 在建立的分子模型中引入一些物理、化学性质的近似，对于微观、宏观性质的联 系等不再引入其他近似；与传统的实验手段相比，由于可以在计算机上进行模拟 试验，可以减少不必要的试验程序、减少人力、物力和财力，缩短试验开发周期。 本文就描述反相液相色谱分离体系的包括溶剂分子、溶质分子和固定相在内 的全原子模型的建模方法进行研究，通过考察流动相组成、键合密度、键合烷基 链长、温度对键合固定相溶剂化规律的影响及不同溶质分子的保留行为，以期提 出固定相溶剂化影响溶质保留行为的机理，并得出了不同极性官能团、不同官能 团数量与溶质的保留行为的关系。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：类诵 签字慨知6年月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 囊浠 导师签名 爿勿 f 签字日期： 历6 年月8 同 签字日期多协月折 第一章文献综述 第一章文献综述 反相液相色谱的分离机理似乎很简单，固定相表面为非极性，与非极性分 子的相互作用力较强，从而非极性分子的保留时间较极性分子增加，后于非极性 分子被洗脱下来。但是保留过程的机理至今仍不明确，对于保留机理的控制因素 尚无统一的观点。由于反相液相色谱的分离过程涉及了溶质、流动相和固定相间 复杂的相互作用，包括静电作用、氢键作用、排斥作用和疏水作用等，这种复杂 性决定了只有从分子水平上开展研究，才有可能完整准确地解释反相液相色谱中 溶质的保留行为。 理论研究上的进展主要是以平均场网格统计力学( m e a nf i e l dl a t t i c es t a t i s t i c a l m e c h a n i c s ) 为基础，提出了一些从分子水平上理解反相液相色谱保留机理的模 型。对于固定相表面链密度、流动相组成以及溶质在两相间的分配对保留过程的 影响有了更深入的认识。然而由于溶剂混合物及固定相化学结构的复杂性，在模 型中引入了非常严格、限制性很强的假定，导致模型的适用范围较小。 9 0 年代初，国外研究人员开始利用荧光、核磁共振、各向异性荧光、受激分 子激发光方法及拉曼光谱等分子水平的仪器技术研究固定相表面化学结构、相界 面、溶质及其他分子动力学等一些直观信息。 色谱实验直接测量保留时间，间接证实了保留过程中的一些微观行为。 分子模拟是近年来出现的新的研究方法。它从原子水平上的相互作用出发， 借助计算机数值模拟的方法得到分子的结构、动力学、热力学方面的信息，以研 究这些信息与功能之间的关系，不仅可以模拟分子的静态结构，也可以模拟分子 体系的动态行为。分子模拟方法主要有量子力学方法( q u a n t u m m e c h a n i c s ，q m ) 、 分子力学法( m o l e c u l a rm e c h a n i c s , m m ) 、分子动力学方法( m o l e c u l a rd y n a m i c s ， m d ) 和蒙特卡洛方法( m o n t ec a r l o ，m c ) 。目前对于反相液相色谱的分离机理的 研究工作主要是按照以上四种方法从不同角度展开的。 1 1 反相液相色谱保留机理的统计力学理论研究 目前为止已有许多理论解释反相液相色谱中溶质分子的保留行为，主要是以 下三种理论：疏溶剂理论( s o l v o p h o b i ct h e o r y ) 、分配理论( p a r t i t i o n i n gt h e o r y ) 和吸 附理论( a d s o r p t i o nt h e o r y ) 。 疏溶剂理论【l 捌认为保留的主要作用是疏溶剂排阻作用，溶质分子在流动相中 第一章文献综述 扩散时其疏水部分具有相对较高的表面积，而流动相的极性作用力，如水中的氢 键，形成很高的表面张力，将溶质分子“推出”流动相，溶质分子通过在非极性 键合相上“聚集成簇”有效地降低它的表面积，因此推动保留过程最主要的是流 动相的排斥力，而不是溶质与键合相的相互吸引力。据此只要键合相是疏水性的， 它的化学性质并不重要，固定相的影响可以忽略，溶质与固定相的相互作用、固 定相中溶质大小的孔穴的形成都忽略不计，保留主要依赖于在流动相中生成溶质 大小孔穴的自由能。事实上，这是一个吸附过程，但疏溶剂理论完全不同于吸附 理论。h o a m 等【1 1 通过比较流动相的疏溶剂强度与几种溶质的容量因子，得出了 支持疏溶剂理论的依据。但有许多研究表明固定相的性质对保留过程及溶质的洗 脱次序都有很大影响，这与疏溶剂理论是矛盾的。疏溶剂理论不能解释固定相的 任何影响，因此它至少是不完整的。 分配理论【3 l 来源于液液色谱中的保留方式，溶质分子根据由分配系数决定的 相对溶解度在两相中进行分配，该过程的重要特点是只有溶质分子完全渗入固定 相，保留过程就像溶质分子在固定化的液体中的溶解过程，其主要推动力是溶质 与流动相和固定相的相对化学亲和性。1 c h a p l a 等【4 】通过实验发现，当溶质同系物 碳原子数等于键合固定相有机配体链的长度时，容量因子溶质碳原子数曲线出 现不连续点，这表明溶质分子可以垂直渗透入键合层。s e n t c u 采l d o r s e y l 5 j 认为， 键合烷基链的表面密度影响分配。但是分配机理只考虑溶质在两相间的分配而忽 略了在此过程中溶剂分子要从固定相返回到流动相中，是不完整的。 吸附理论嗍指出保留过程的推动力也是化学亲和性，但溶质分子并不完全被 键合相包围，而仅与键合相表面接触，有机溶剂分子也一块吸附在键合链的末端。 但是吸附机理不考虑流动相对离开固定相溶剂分子的抑制作用等分子间的相互 作用，是不完整的。 事实上，当溶质为小的非极性分子时，即使此时用分配机理描述分离过程是 合理的，但溶质分子必须取代吸附在链末端的溶剂分子，才能进入碳氢化合物层 的孔穴，而这个取代过程事实上又是吸附过程，因此有人【6 7 1 建议混合分配和吸 附两种机理来描述保留过程。j a r o n i c c 【s 】就认为保留过程先通过取代机理形成一 个溶剂一表面相，然后通过分配机理进行溶质分配，即分配一取代模型。 b e r e n d s e n 和g a l a n 嘲研究发现长链溶质分子的保留时间随着键合链长度增加而增 加，直到两者的长度相同，之后保留时间不再随链长而变化，还发现当溶质具有 极性官能团时，在较短链键合相时保留时间就保持不变，表明溶质分配渗入键合 相中，而且保留行为取决于溶质分子的渗入程度，同时还指出键合相为短链、溶 质为极性分子时，保留过程类似吸附机理，而长链键合相分离非极性溶质分子时， 保留过程更类似分配机理。n i k i t a s 等【l o l 通过大量实验得出同样结论，大的极性溶 2 第一章文献综述 质分子的保留机理是吸附机理，小的非极性溶质分子的保留机理很可能是分配机 理。v a i l a y a 和h o r v d t h “”根据键合的碳氢化合物链的结构不同提出了三种分配机 理模型。c a r t 等【7 1 2 d 4 l 认为，保留机理是分配还是吸附取决于溶质的极性、键合 相的种类、键合密度和流动相组成，同时通过研究发现溶质与固定相的作用大于 其与流动相的作用，并根据固定相的化学物理差异及固定相影响溶质保留的方式 将分配模型分为主体分配( b u l kp a r t i 缸o n ) 模型和表面分配( s u r f a c ep a r t i t i o n ) 模 型；根据溶质与吸附的流动相分子的相互作用方式将吸附模型分为改性底物 ( m o d i f i e ds u b s t r a t e ) 模型和多层( m u l t i - - l a y e r ) 模型。由此可见，以上三种理 论都不能单独对保留机理的本质给于一个普遍化的描述，只能认为可能三种作用 机理处于相互竞争状态，不同程度的影响着保留过程，哪种机理在保留过程中起 主导作用依赖于很多因素如溶质分子及固定相的化学结构等，但也不能否认存在 其它的作用机理，如“亲硅羟基”作用。反相液相色谱的复杂性暗示着不只一种 作用机理在溶质保留过程中起作用。 应当指出，目前还有一些因素和现象或被忽略或大多数理论还无法解释，如 流动相组成改变引起溶质洗脱顺序的改变；不同有机溶剂引起的洗脱顺序不同； 固定相溶剂化对溶质保留的影响；溶质溶剂化对保留的影响等。普遍认为固定相 溶剂化影响溶质的保留行为“”】，但有关这种影响机理还没有提出。而对于反相 液相色谱中溶质溶剂化影响的研究目前还很少嘲，大多数是j a r o n i e c 等人通过 数学推导提出的一些理论模型删，但并未对反相液相色谱中的溶剂化给予概念 化描述。很多研究都把流动相作为影响溶质保留的主要因素，然而没有任何一种 主流理论将流动相作为分离机理的一部分，因此都存在缺陷或者说至少是不完整 的。 1 2 反相液相色谱保留机理的光谱实验方法研究 d o r s e y 等【2 昭。7 l 研究了反相液相色谱中固定相和流动相随温度变化的性质，溶 质传递在氢键缔合的流动相( 如甲醇水) 中呈非线性范特霍夫曲线，疏水作用 在甲醇水溶液中占主导，但在乙腈水溶液中不重要。他们还使用差示扫描量热法， 观察到键合密度大于2 8um o y m 2 的固定相发生相转移网。 很多研究小组成功利用核磁共振得到大量可靠的关于中间相的信息。k i n n e y 等【2 9 】用氢核磁共振证明了表面硅羟基不与流动相接触，因为固定相已被高密度 键合了配体链。e l l i s o n 等【3 0 】计算了与双乙腈分子层接触的低键合密度c 1 8 的表 面粘度，是纯乙腈的1 3 倍。1 9 8 4 年，m a r s h a l l 等【3 l 】监测了c 1 8 固定相上乙腈中 重水的自旋晶格松弛时间，发现随水含量降低，水与固定相缔合增加。他们认为 3 第一章文献综述 低水含量导致富乙腈流动相更多渗入c 1 8 层中。b l i e s n e r 等【3 2 】研究了乙腈水溶液 和甲醇水溶液体系，证实了这个结论，但是甲醇水溶液中的重水自旋晶格松弛时 间显示在整个浓度范围内水与c 1 8 固定相缔合程度很小，水与c 1 8 的离散作用 不能克服甲醇水溶液中的氢键。g i l p i n l 3 3 】在用1 3 c 标记的c 1 2 固定相上进行核磁 共振实验，得出甲醇和乙腈降低整个烷基链的迁移性的结论。而z e i g l e r 等网得 出相反结论：与干c 1 8 固定相相比，乙腈( 和水) 增强链的迁移性。 荧光光谱用来研究反相液相色谱中间相的结构及动力学。w o n g 等瞰】利用 c l 键合的硅胶上固定的荧光团碘淬方法在几种浓度的甲醇水溶液中研究碘的扩 散，发现碘在5 0 5 0 甲醇水流动相中的扩散系数比在本体中小至少2 个数量级， 得出本体扩散和表面扩散存在不同的扩散障碍的结论。有趣的是，化学吸附在低 密度c 8 固定相上的荧光团在7 5 2 5 甲醇水流动相中比在1 0 0 甲醇中更多暴露 在溶液淬剂中 3 6 1 ，这是因为纯甲醇溶剂化c 8 链，水的加入导致链的倾倒。然而 c 1 8 相里的荧光团在任何甲醇浓度下都不与溶液淬剂接触，这表明，c 1 8 固定相 在任意甲醇水溶液中始终保持倾倒、相对未被溶剂化的状态。b o g a r 等m 谰芘受 激分子荧光法研究c 1 8 表面，在于c 1 8 上没发现受激分子荧光，玻璃态固定相 裹住芘，阻碍了芘的三维扩散，然而以每个c 1 8 链加入5 个甲醇分子的比例加 入甲醇，就可以检测到受激荧光，由此推断c 1 8 相处于“熔化”( m e l t e d ) 态。 l o c h m u l l e r 等【3 s 佣受激分子激发光方法研究不同溶剂中的c 1 8 固定相，认 为类似甲醇这样的“差”( p o o r ) 溶剂导致固定相向硅胶表面倾倒，类似正己烷这 样的“好”( g o o d ) 溶剂提高链的伸展性。 m o n t g o m e r y 掣3 9 佣各向异性荧光研究“差”溶剂中长链、疏水性苯衍生物 在c 1 8 表面上的动力学行为，发现溶质分子取向主要在水平和偏离正常结构4 5 。之间，这表明，c 1 8 链倾倒导致硅胶表面粗糙不平，而链没有被溶剂化。他们 还发现加入表面活性剂十二烷基磺酸钠可以提高上述溶质的旋转自曲度 4 0 1 。 w m h 等【4 l 】用各向异性荧光法研究了c 1 8 上长达2 0 a 的两性物吖啶橙的动力学行 为，发现吖啶橙主要集中在c 1 8 与水的相界面上，旋转偏离硅胶表面1 8 。，数 据表明在水中c 1 8 键合的硅胶表面租糙不平。 b j a m e s o n 等 4 2 1 用荧光法研究并四苯在干c 1 8 固定相上的行为，认为并四苯 经历三种不同的微观环境：一种是允许并四苯移动的烷基区，另两种区域与硅胶 表面接触，其中一个允许移动另一个不允许，并且认为并四苯被c 1 8 固定相完 全包围，而不是吸附在c 1 8 固定相上。并四苯在硅胶表面的扩散小于在c 1 8 外 表面的扩散。m i l l e r 等 4 3 1 也观察到允许不同程度移动的两种微观环境，但是这两 种微观环境的比例与溶质类型和流动相中甲醇摩尔分数有关。 d o y l e 等用拉曼光谱研究了纯水流动相中键合不同类型配体的固定相性 4 第一章文献综述 质，之后又考察了单组分流动相水、乙腈、甲醇和氯仿对c 1 8 固定相的影响， 来验证c 1 8 链是否随流动相不同发生倾倒或伸展现象，结果表明任意流动相中 c 1 8 都没有倾倒坍塌1 4 ”。 p e m b e r t o n 等 4 6 , 4 7 1 采用拉曼光谱技术研究了温度、流动相组成对固定相表面 化学结构的影响，得出不同的结果：c 1 8 烷基链的结构有序性几乎不受极性溶剂 如水、乙腈、甲醇、丙酮、异丙醇的影响，而极性小的溶剂如四氢呋喃、氯仿、 苯、甲苯和正己烷影响链的有序性，且随溶剂极性降低，链无序程度增加。他们 还结合吸附与分配模型描述了溶剂与固定相的相互作用，认为极性溶剂提高均匀 分布的、高键合密度的固定相的旋转性，在末端甲基处发生相互作用，属于吸附； 非极性溶剂一般插入链内，属分配。分布不均且低密度固定相比高密度固定相更 无序。非极性溶剂中低密度固定相的有序性更依赖于溶剂的影响，而极性溶剂中 高密度固定相的有序性更依赖于温度的影响 4 8 1 。他们还发现，固定相结构有序 性随链密度增加而增强，并在2 5 8 3 4 3 k 之间观察到细微的固定相相变，温度升 高，相态由晶体向液体转变i 4 9 , 5 0 1 。 1 3 反相液相色谱保留机理的色谱实验方法研究 a l v a r e z z e p e d a 5 1 研究了同系物苯衍生物分别在甲醇水、乙腈水流动相中的 保留，证明了l o w e n s c h u s s 5 2 1 、r o w l e n t 5 3 1 和s t o k e s l 5 4 1 得出的结论，即在较小含水 量的乙腈水溶液中乙腈自我联结聚集，呈团簇状。他们还认为甲醇水溶液主要是 氢键占主导。r u t a n 掣5 5 谰溶液显色比较法研究了溶质与乙腈水溶液和甲醇水溶 液之间的相互作用，认为甲醇水溶液和乙腈水溶液中的缔合物都是三元体系。 s e n t e l l 等【5 】研究了甲醇水溶液和乙腈水溶液中c 1 8 固定相键合密度对苯衍生 物保留的影响，结果表明，链密度在1 5 3 1um o l 砰范围内，由于硅胶表面“去 极化”效应，溶质保留随链密度增加而增强，当密度大于3 1 m o l m 2 ，由于空 间位阻的影响，溶质保留随链密度增加而减弱，证实了反相液相色谱中小的非极 性分子主要保留方式是分配。 c o l i n 等1 5 6 通过比较容量因子和液液萃取系数发现，渗入固定相的、不同于 主体流动相组成的溶剂及硅胶表面未反应硅羟基引起的一些分子间相互作用很 重要，尤其影响极性化合物和多环芳烃的选择性，并且与甲醇相比，这种影响在 乙腈中更显著。 普遍认为不同烷基链长度影响保留，并且可能成为保留机理的一部分。j i n n o 研究了乙腈水溶液和甲醇水溶液中烷基苯类在c 2 、c 8 、c 1 8 固定相上的保留， 推断出溶质与c 2 、c 8 、c 1 8 相互作用都为疏溶剂效应，但长短链保留机理不同， 第一章文献综述 且c 2 、c 8 、c 1 8 链结构不随流动相组成变化，始终处于“刷子”状，不交互重 叠【5 7 捌。t a n a k a 等0 9 1 认为不同链长效应也受溶质分子结构及溶质一溶剂相互作 用的影响。然而，h e n n i o n 等例研究得到了关于流动相和固定相的一些简单关系 式，认为链长在保留过程中不起作用，碳氢化合物总表面积是唯一影响溶质容量 因子及相对保留的重要参数，并且认为溶质与固定相的相互作用事实上是溶质与 覆盖在固定相上的有机溶剂的相互作用，溶质在有机溶剂中的溶解度越大，溶质 与固定相的相互作用越强。 k a r g e r 等【l7 】比较研究了四氢呋喃水溶液、乙腈水溶液、甲醇水溶液中有机 溶剂渗入c g 固定相的量，发现渗入量按四氢呋喃、乙腈、甲醇顺序依次递减。 b u r k e 等【l 习在此基础上系统研究了一系列浓度范围的四氢呋喃水溶液、乙腈水溶 液、甲醇水溶液中水及有机溶剂分别溶剂化c 1 8 固定相的情况，提出c 1 8 固定 相溶剂化有两个作用机理：溶剂与c 1 8 烷基链的相互作用；溶剂与硅胶表面的 相互作用。 等温吸附曲线也是研究固定相吸附溶剂的另一种方法。t a n i 等刚比较了c 1 8 键合固定相在乙腈水溶液、甲醇水溶液、二氯甲烷甲醇体系内的等温吸附，发 现乙腈比甲醇优先吸附在固定相上，烷基链在乙腈水溶液中的迁移性比在其他溶 液中大。由于甲醇分子的甲基朝向烷基链，羟基朝向流动相，羟基可能与主体流 动相中的水及甲醇形成氢键，因此固定相吸附的甲醇的量比乙腈少。k a z a k e v i c h 等【6 1 】解释了固定相表面上有机溶剂组分的等温吸附对溶质保留的影响，认为溶 质先从流动相分配入吸附层，然后再吸附在键合相表面。 y a m a m o t o 等【6 2 j 从芳烃相对于键合链( c 8 烷基链和氟化烷基链) 及周围甲 醇分子的取向来说明保留与甲醇浓度的依赖关系，认为溶质与氟化链之间存在两 种互相竞争的相互作用：溶质与氟原子的静电相互作用，溶剂分子溶剂化溶质引 起的空间位阻。随甲醇浓度增高，被甲醇溶剂化的溶质阻碍溶质一氟化链复合物 的形成，从而减弱了保留，此时排阻作用成为芳烃保留的主要动力。由于苯一 c 8 链复合物势能远大于b 型或c 型苯一甲醇复合物的势能，因此当苯一甲醇复 合物接近c 8 链时，甲醇被释放，与c 8 形成新的复合物，可以得知芳烃在c 8 上的保留不受甲醇浓度的影响。 d z i d o 等【6 3 】系统研究了反相液相色谱中大量带极性基团的芳烃在四氢呋喃 水溶液、乙腈水溶液、甲醇水溶液中的保留，认为溶质保留和选择性差异由两个 原因造成：一是c 1 5 固定相内各种相互作用，如溶质与固定相内有机溶剂的相 互作用、烷基链分子间相互作用等，二是不同有机溶剂导致固定相不同的有序状 态，从而影响不同形状溶质的选择性。 6 第一章文献综述 1 4 反相液相色谱保留机理的分子模拟研究 1 4 1 四种分子模拟方法简介 1 4 1 1 量子力学方法 量子力学方法的研究目标是描述分子中电子和原子核的空间分布，借助计算 机分子结构中各微观参数，如电荷密度、键序、轨道、能级等与性质的关系，计 算分子的标准生成焓、键能、几何构型、偶极矩、电荷分布以及各种光谱性质等， 得到对于分子的微观结构特征的准确描述，可以帮助设计出具有特定功能的新分 子。量子力学方法可分为从头计算分子轨道法( a bi n i t i a lm o l e c u l a r o r b i t a l ) 、电子密度泛函理论( e l e c t r i c a ld e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ) 和 半经验分子轨道法( s e m i - e m p i r i c a lm o l e c u l a ro r b i t a l ) 三大类从头算法的整 个计算仅基于量子力学基本原理、电子与原子核的电荷和质量以及普适物理常数 而不借助任何实验数据，因此该法计算速度相对较慢，且适用的原子体系较小， 仅可处理几十个原子的体系。半经验方法则是在从头算法的基础上采取某些近 似，比如仅考虑价电子、忽略一些积分项，并为了减小近似造成的误差，采用一 些来自从头计算或关联实验数据得到的参数，从而简化计算，大大提高了计算速 度，可以处理上千个原子的体系。比较常用的半经验法有a m l ( a u s t i nm o d e l l ) 、 p m 3 ( p a r a m e t e r i z a t i o nm e t h o d3 ) 。但是半经验法的主要缺陷是计算的可靠性与 参数获得的途径密切相关。 1 4 1 2 分子力学方法 分子力学法又称力场( f o r c ef i e l d ) 方法，是在原子分子水平上解决问题 的非量子力学技术。它假设一个分子体系能够用经典力学来描述，将分子看作一 组靠某些作用力维系在一起的原子集合，原子在势能面上的位置和运动反映了分 子的结构和动力学性质。一旦所有的势能函数和相关的力常数被测定，通过移动 粒子使之达到平衡位置就可以使体系的内能最小化，对于单个分子可以得到分子 合理的键长、键角和二面角等，对于多分子聚集体系，可以得出合理的分子间堆 砌的构型，因此分子力学计算也称为“构型优化”或“能量最小化”。在分子力 学算法中，分子的总能量可表示为各种势能的总和： e 篁t 量- e 化学t 帕伸墙艴+ et 角帕毒- 簟+ e = 田 的扭转蠢+ e 挛啡用t ( 1 - 1 ) 其中非键作用能包括范德华作用能、静电作用能及氢键作用。 。 分子力学避开了考虑电子结构和运动的细节，用键拉伸，键角弯曲，扭曲， 7 第一章文献综述 以及不同作用的交叉项如拉伸一拉伸、拉伸一弯曲、拉伸一扭曲、弯曲扭曲等， 还有非键项范德华作用和静电作用来描述分子间各原子间的相互作用，这些模型 参数通过以往计算所得的经验参数或实验数据得到，经过内延和外推，构成力场， 用来计算一大批与之相近的分子体系。分子力学广泛的应用于计算各类化合物的 分子构象，热力学参数和谱学参数。 1 4 1 3 蒙特卡洛方法 蒙特卡洛法是数理统计与计算机相结合的产物。如果所要求解的问题是某种 事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值，就可用蒙特卡洛法得至u 这种事 件出现的频率，或者以这个随机变量的平均值作为问题的解，这就是蒙特卡洛法 的基本原理。蒙特卡洛模拟方法应用与分子力学方法完全相同的经验力场，其具 体模拟过程如下：首先用经验力场势能函数计算体系初始构象的能量e 。，然后随 机选取一个或多个粒子移动到不同的位置，建立一个新的构象，计算这个构象的 能量e 2 ，如果e 2 e 。就在一定的概率内接受它。 接着再随机移动粒子，创造新的构象，重新计算体系的能量，通过反复的接受或 拒绝过程可以产生大量的低能态构象，对这些体系的微观状态进行统计平均就可 以得到体系的宏观能量和宏观性质。 1 4 1 4 分子动力学方法 分子动力学模拟方法应用与分子力学和蒙特卡洛法完全相同的经验力场。它 模拟的目标是研究体系中与时间和温度相关的性质。模拟的基本原理是：按照牛 顿第二定律，分析原子所受的作用力，通过积分原子的运动方程得到各原子在某 时刻的速度和位置，产生体系的一系列构象( 运动轨迹) ，从而可以模拟分子结 构和能量随时间变化的状况。在理论上它可以实现对体系变化过程最真实的再 现。通过分析运动轨迹可以获得体系的能量分布状况、测定体系的热力学参数、 分析分子的构象变化和体系的动力学过程等，把微观过程和宏观性质联系起来。 1 4 1 5 四种方法的比较 量子力学描述的是绝对温度零度的分子结构。它可以描述电子结构的变化， 从本质上阐明分子的构象以及分子间的相互作用，得到有关立体构型和构象能量 的信息。但是用它进行结构优化时，往往只是局部优化，得到的优化结构与起始 构象有关，如果对起始构象考虑不够，往往不能达到能量的最低点。 量子力学方法在计算中都涉及到了电子的运动情况，因而计算量很大，目前 还不能对聚合物、蛋白质、核酸等大分子进行计算，因此可以描述基态原子结构 变化的分子力学方法应用而生。分子力学方法描述的也是绝对温度零度的分子结 8 第一章文献综述 构，较量子力学法的计算快几个数量级，因而在复杂体系的应用中尤显重要，对 于分子体系键长键角等方面的优化和计算比量子力学法要好，但是精度一般低 于量子力学法，局限性在于无法描述化学键的断裂与生成，如在化学中至关重要 的催化反应，无法计算与电子迁移相关的性质如电学，光学和磁学性质等，此外 力场对新体系的预测能力也有限。 蒙特卡洛方法通过玻尔兹曼因子的引入能够描述各种温度的平均结构，就获 取某种状态的统计平均结构这一点而言，该法往往比分子动力学方法更有效。蒙 特卡洛法误差容易确定，计算量没有分子动力学那样大，所需时间少，适于研究 材料中的随机过程及现象，主要应用于模拟薄膜生长、扩散、缺陷行为、相交、 碰撞和渗流、共混相容性等过程，它也是一种十分有效的直接模拟流体相平衡的 方法。 分子动力学法克服了蒙特卡洛法仅能够描述不同温度下分子结构的特征，却 不能描述不同温度下体系从一种热力学状态向另一种热力学状态演变过程的缺 点，也克服了量子力学法中仅能计算绝对温度零度的真空中的孤立分子、分子力 学中只能计算绝对温度零度的分子体系等问题，能计算任何温度下分子体系的结 构与性质。但是目前分子动力学模拟能够达到的时间标度一般还不足纳秒级，对 于一些较大时间标度( 毫秒级至秒级) 的问题( 如气体吸附) 就很难达到平衡，而蒙 特卡洛法允许非物理移动，从而产生较高的效率。当研究短时间尺度的动力学过 程时，分子动力学具有不可替代的优势。 1 4 2 四种分子模拟方法在反相液相色谱分离机理研究中的应用 1 4 2 1 量子力学方法的应用 量子力学法研究反相液相色谱分离过程主要基于溶质分子结构与色谱保留 之间的关系。通过计算偶极矩、分子内电荷分布、分子表面积、分子体积等一系 列与分子间作用力如范德华力、静电力有着密切关系，反映分子微观特征的结构 参数，将保留时问与结构参数以方程的形式定量地联系起来，从而找出影响色谱 保留时间的微观结构因素，有助于深入理解色谱分离机理，并可对同系物的保留 时间进行预测，这种方法被称为定量结构一保留性质研究( q u a n t i t a t i v es t r u c t u r er e t e n t i o nr e l a t i o n s h i p s q s r r ) m ，叫。 这方面早期的工作多是基于同系物的q s r r 研究，适用性较差。近年来引入 一些先进的关联方法，如神经网络法、灰色模型、遗传算法等使得关联模型的适 用性和预测度都有所提高。k a l i s z a n ”5 嘲的三参数模型是基于溶质分子的总偶极 矩、最负原子的净电荷及范德华表面积三个参数的一个普遍化q s r r 模型，这三个 9 第一章文献综述 参数分别反映了溶质分子与流动相、固定相间的偶极一( 诱导) 偶极作用，溶质 分子参与电荷转移、氢键形成的极性相互作用，溶质分子与色谱体系中其它分子 问排斥作用的强度。该模型对等度、梯度洗脱条件下，非同系物及不同色谱柱的 保留性质都有较准确的预测。线性溶解能模型呻瑚1 则是以溶质分子的偶极矩、极 化度、最高占据轨道能、最低未占据轨道能、最负原子的净电荷和分子中最正氢 原子的净电荷为参数，综合反映了空穴形成、极化作用、氢键受体、给体能力和 弥散作用，预测准确度也较高，但是该模型的参数主要由实验测定，不便于应用。 q s r r 对于深入分析溶质保留过程的主要作用力起到了重要作用，还可用于色 谱分析条件的优化。但分子结构参数模型的最大缺陷在于把分子结构转变为用一 组数字描述的结构时产生误差，因而其预测准确性受到限制。进一步的工作只能 依赖于分子模型技术和理论计算方法的改进，以更可靠的方式表达分子的结构。 1 4 2 2 分子力学方法的应用 h a n a i l r a , 7 0 】在9 0 年代初提出了分子力学研究液相色谱分离机理的基本方法。 他指出色谱分离是基于流动相溶剂分子、固定相与溶质分子间的分子识别作用， 因此它们之间的相互作用能量存在差异，由此而产生不同的保留过程。他的工作 主要集中在研究固定相与溶质分子间的相互作用。首先分别建立单个溶质分子、 固定相的分子结构模型，用分子力学法求得最优构型及能量，然后把二者作为一 个通过分子间作用力而形成的分子复合体，采用分子力学能量最小化法计算复合 体的最低能量构型。溶质与固定相间的相互作用就可由下式计算： i 互作用l ：i 簟十善震身子的- 置+ e 一定相的衄一e 蕾青体的旺( 1 - 2 ) 最初h a n a i 7 1 】采用l 眦2 力场研究了烷基键合硅胶固定相分离两种脂肪醇的保 留机理。相互作用能计算结果表明：当固定相烷基链的碳原子数少于3 时，氢键 起主导作用，随着碳原子数增多，溶质分子与固定相间的疏水作用占主导。在此 基础上，他分析了氨基键合固定相和烷基键合固定相对芳烃、直链醇、直链烷烃 和环烷烃四种化合物的选择性，结果表明烷基键合固定相对芳烃化合物具有明显 的强选择性”1 。 分子力学法在模拟液相色谱分离过程中的应用还包括对固定相分子结构模 型的改进，以及把计算得到的相互作用能与分离因子或保留因子线性关联，从而 得到能够预测溶质分子洗脱次序的数学模型。h a n a i 在近期发表的文献中集中反 映了这种方法的应用，如酚类化合物在烷基键合硅胶固定相上的分离，由关联式 预测的保留因子与实验测定值的相关系数达0 9 以上；还对石墨碳固定相分离 极性化合物的保