（化学工艺专业论文）超临界流体色谱分离茄尼醇的实验研究.pdf

中文摘要 超临界流体具有气体的高扩散性和低粘度又兼有与液体相近的密度和溶解 能力的特性。超临界流体色谱是以超l 临界流体作为流动相的色谱分离过程，是一 种对环境友好的、高效的、新型的化工分离技术，适合于天然产物，药物，热敏 性物质等的分离和微量杂质的脱除。 茄尼醇作为附加值较高的药用有效成分，具有抗菌、消炎和止血等药理作用， 是合成维生素k 2 和辅酶q 。o 等的重要原料。传统茄尼醇分离工艺存在提取率低， 步骤繁杂，溶剂损耗高，产品中溶剂残留多等问题。本文首次将超临界流体色谱 技术应用于烟叶提取物中茄尼醇的分离。 首先利用s c c 0 2 乙醇作为萃取剂，萃取烟叶中的茄尼醇。由于烟叶提取物 中含有的部分杂质会污染色谱柱，使s f c 分离操作不能正常进行。采用皂化和 脱蜡方法对茄尼醇提取液进行预处理，脱除了影响s f c 分离操作的杂质。 茄尼醇的超临界流体色谱分离研究采用z o r b a xs b c l g ( 2 5 0 m m 9 4 m m i d ，5 肿) 色谱柱为固定相，s c c 0 2 甲醇作为流动相，考察了流动相流速和改性 剂含量对分离度的影响，以及温度和压力对茄尼酵容量因子，茄尼醇与相邻色谱 峰组分分离度和选择性因子的影响。通过s f c 分离，茄尼醇含量由7 9 3 提高 到4 7 9 8 。 在实验研究的基础上，采用简化的五参数平均晶格场模型，对s f c 分离茄 尼醇的容量因子进行了关联。模型关联的平均相对误差为4 8 7 ，与实验值吻合 较好。 关键词：茄尼醇，超l 临界流体色谱，容量因子，改性剂 a b s t r a c t s u p e r e r i t i c a lf l u i d s a r eo f l e nu s e da st h em o b i l ep h a s ei n s u p e r c r i f i c a lf l u i d c h r o m a t o g r a p h yd u et ot h e i rg a s l i k em a s st r a n s f e ra n dl i q u i d l i k es o l v a t i n gp r o p e r t i e s s u p e r c r i t i c a lf l u i dc h r o m a t o g r a p h y ( s f c ) i sak i n do f n e wt e c h n i q u ew i d e l yu s e di n t h es e p a r a t i o nf i e l dw i t hl f i 曲e f f i c i e n c ya n dl i t t l ee n v i r o n m e n t a lh a z a r d ，s u c ha st h e s e p a r a t i o no f n a t u r a lp r o d u c t so rh e r b a ld r u g s ，a n dt h er e m o v a lo f t h ei m p u r i t i e s s o l a n e s o li sav a l u a b l e p r o d u c tw i t hr e m a r k a b l em e d i c a le f f e c t ss u c h a s d i m i n i s h i n gi n f l a m m a t i o n , h e m o s t a r i aa n da n t i b a c t e r i a l i ti sa l s oa ni m p o r t a n t m e d i c i n em o n o m e ro ri n t e r m e d i a t ef o rt h es y n t h e s i so f v i t a m i nk 2a n dc o e n z y m eq i o t h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no ft r a d i t i o n a ls e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fs o l a n e s o li sl i m i t e db y c o m p l i c a t e do p e r a t i n gs t e p s ，l a r g ed i s c h a r g ec a p a c i t ya n du n a v o i d a b l es o l v e n tr e s i d u e i nt h i sp a p e r , s o l a n e s o li nt h et o b a c c oe x t r a c tw a s p u r i f i e db ys f c f i r s t l y , t h et o b a c c ow a se x t r a c t e db ys c c 0 2 e t h a n o lt oo b t a i nt h ee x t r a c t t h e n ， t h ee x t r a c tw a ss a p o n i f i e da n dd e w a x e di ns e q u e n c et or e m o v es o m ei m p u r i t i e si nt h e m i x t u r e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e t r e a t m e n t sp l a yg r e a tr o l e si nt h e f o l l o w i n gs t e p so f f u r t h e rp u r i f i c a t i o n a f t e rt h a t ，t h ep u r i f i c a t i o no fs o l a n e s o lf r o mt h em i x t u r ew a sc o n d u c t e dw i t ht h e r i s eo ft h es f c z o r b a xs b c i s ( 2 5 0 m m 9 4 m mi d ，5 # m ) w a sc h o s e na st h e s t a t i o n a r yp h a s e ，a n dt h es c c 0 2 m e t h a n o la st h em o b i l ep h a s e t h ei n f l u e n c e so f t h e f l o w r a t eo ft h em o b i l ep h a s ea n dt h ec o n t e n to fm o d i f i e ri nt h em o b i l ep h a s eo nt h e p u r i f i c a t i o np r o c e s s ，a n dt h ee f f e c t so f t h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eo nt h es e l e c t i v i t y a n dr e s o l u t i o no ft h es o l a n e s o la n dt h ei m p u r i t i e sw e r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t so b t a i n e di nt h i sc o n d i t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ec o n t e n to fs o l a n e s o l i n c r e a s e df r o m7 9 3 u pt 04 7 9 8 a tl a s t ，t h ef i v e - p a r a m e t e rm e a n - f i e l dl a t t i c em o d e lw a su s e dt od e s c r i b et h e r e l a t i o n so ft h ec a p a c i t yf a c t o rw i t ht h ed e n s i t ya n dt e m p e r a t u r eo ft h em o b i l ep h a s e t h ep a r a m e t e r sw e r ee s t i m a t e db yf i t t i n gt h e 麟p e r i m e n t a ld a t ai n t ot h em o d e l t h e c o m p a r i s o ni n d i c a t e st h a tt h ec a p a c i t yf a c t o rp r e d i c t e db yt h em o d e la r ei ng o o d a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a , w i t ha a a r d o f 4 8 7 k e yw o r d s ：s o l a n e s o l ，s u p e r c r i t i c a lf l u i dc h r o m a t o g r a p h y , c a p a c i t yf a c t o r ， m o d i f i e r 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 前言 茄尼醇具有抗菌、消炎、止血等药理作用，可作为某些抗过敏药、抗溃疡药、 降血脂药和抗癌药物的合成原料【n ，作为一种医药中间体，是合成维生素k 2 和 辅酶q 1 0 的重要原料。茄尼醇主要存在于哺乳动物和微生物体内脏器以及植物叶 片中，植物中以土豆、桑叶和烟叶为主，尤其烟叶中的茄尼醇含量高达0 4 - - 3 。 传统的茄尼醇分离工艺多为国外早期生产工艺的翻版，生产过程由浸提、过 滤、滤液皂化、溶剂溶解、结晶等主要生产单元组成。该生产工艺茄尼醇提取率 低，溶剂挥发严重，残渣中残留溶剂多，产品中存在溶剂残留，不能实现绿色清 洁生产。因此，采用现代化工发展成果，改进传统的茄尼醇提取的生产工艺，以 获取制备茄尼醇产品的新方法，满足绿色化工生产的要求。 超临界流体色谱( s u p e r c r i t i c a l f l u i dc h r o m a t o g r a p h y , 简称s f c ) 是以超临界流 体为流动相的一种新型色谱分离技术。通常采用无残留的二氧化碳作流动相，具 有分离时间短和对环境友好等特点。目前，s f c 技术已越来越多地应用于天然产 物、食品及医药产品的分离。 本文拟将超临界流体色谱分离技术应用于烟叶中茄尼醇的提纯过程。其过 程：( 1 ) 首先采用s c c 0 2 萃取工艺提取烟叶中的茄尼醇，并对提取液进行了皂化 和脱蜡预处理；( 2 ) 采用超临界流体色谱技术进行茄尼醇的精制分离，考察流动 相流速、改性剂，温度和压力对色谱分离效果的影响；( 3 ) 根据实验结果对超临 界流体色谱分离茄尼醇的保留值规律进行研究。 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，也不包含为获得云洼太堂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： 象日；瞒 签字日期： 弘彩年二月0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 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：稼吼荡 导师签名： 签字日期：矽6 年p 月刁日 | 彪笾 签字日期：秒。1 年月2 1 日 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 超临界流体色谱分离技术 1 1 1 超临界流体 当流体的温度和压力在其临界温度f r c ) 和临界压力口。) 以上，即超过其l | 每界点 c 时，气液相界面消失，体系性质均一，则称该流体处于超临界状态( p p l ，t i 1 ) 。 该流体即为超临界流体( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，s c f ) 。 当流体处于临界点时，压力与比容满足如下的关系式( a p o v ) t 。= o ，其l 临界压 缩率1 n x ( a v a p ) t c 一一，即在临界点附近的流体，其密度对压力的变化相当敏感， 压力的微小变化能引起很大的密度差。所以流体在临界点附近，其各种物理化学 性质如密度、粘度、扩散系数、热容和介电常数等对压力和温度的变化十分敏感。 莓 - 禹- 图1 1 纯物质流体区对比压力与对比密度间的关系 2 1 f i g 1 2r e l a t i o n s h i po f p r e s s u r e ，咖e r a t u r ea n dd e n s i t yo f p u r ec o m p o n e n t s c f 的密度接近液体，s c f 具有象液体样的溶解能力，其溶解能力近似为 密度的指数函数3 1 。图1 2 描述了萘在超临界c o ：中摩尔分率与s c f 密度的关系 【4 】。 s c f 的物理性质介于气体和液体之间，具有类似于液体的密度、较低的粘度 和较大的扩散系数，从而比液体的扩散传质速率大，比气体具有较大的溶解能力， 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 和较大的扩散系数，从而比液体的扩散传质速率大，比气体具有较大的溶解能力， 则其作为萃取剂将有利于减小传质阻力、提高传质系数，作为超l 临界流体色谱的 p ( 目r m l ) 图1 2s c f 溶解能力与其密度的关系 f i g i 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o l n b i m ya n dd e n s i t yo f p u r ec o m p o n e n t 流动相，通过色谱柱的压降小，这些特点决定了超临界流体应用上的优越性。表 1 1 比较了s c f 与液体和气体在密度、粘度及扩散系数等传递性质上的差别。 表1 1 气体、液体和s c f 的密度、粘度和扩散系数比较 t a b l e1 1c o m p a n s i o no f d e n s i t i e s ，v i s c o s i t i e s ，d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t so f g a s ，h q m da n ds c f 注：本数据只表示数量级的关系 由于s c f 优越的传递物性，s c f 的分离效率优于在液体中的分离效率，它 适合在天然产物和生物技术下游产品等高附加值，热敏性，难分离物质的回收和 微量杂质脱除。采用超临界技术从咖啡豆中脱除咖啡因是超临界流体技术中第一 个成功实现工业化的实例班。目前，超l 临界流体的应用己不仅仅限于分离，它还 是一种良好的反应介质和溶剂，在分析化学，材料制备，医药工业，生物工程， 食品，环境和化工等许多方面展现了广阔的应用前景。 1 1 2 超临界流体色谱分离技术 1 1 2 1 超临界流体色谱 超临界流体色谱( s u p e r c r i t i c a lf l u i dc h r o m a t o g r a p h y , 简称s f c ) 是以超临界流 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 体为流动相，以固体吸附剂( 如硅胶) 或键合到载体( 或毛细管壁) 上的高聚物为固 定相的一种新型色谱分离技术。 s c f 被用作色谱流动相最早是由l o v e l o c k 于1 9 5 8 年提出的，但当时为气相 色谱( g c ) 和高效液相色谱( i p l c ) 迅速发展阶段，s f c 由于需要高温高压控制系 统，发展受到了限制。2 0 世纪8 0 年代，随着对超临界流体特性的进一步认识和 超临界流体实验技术新的突破，s f c 出现了商业化的色谱柱和设备，从而s f c 得到了不断的完善和发展。s m i t h t 6 1 对1 9 6 0 年至1 9 9 8 年历年发表在主要国际学 术期刊上关于s f c 技术的研究论文进行了统计，如图1 4 所示。从1 9 8 0 年到1 9 8 6 年有关s f c 的学术论文数量在急剧增多，1 9 9 1 年至1 9 9 8 年每年的论文数量基本 稳定在1 0 0 篇左右。 1 9 6 01 9 6 5 1 9 7 01 ，西1 卿1 ，l 娜 棚伽 y e o r 图1 4s f c 近年来发表的论文数量：a ，1 9 6 0 - - 1 9 8 6 ；b ，1 9 8 1 1 9 9 8 f i g 1 4t h en u m b e r so f p a p e r sa b o u ts f cr e n c e n t l y ：a ，f r o m1 9 6 0 t o1 9 8 6 ；b ，f r o m1 9 8 1t o1 9 9 8 超临界流体的性质介于气体与液体之间，兼有两者的特点。它像液体那样， 溶解能力强，能溶解大分子及非挥发性样品；又能如气体一样，具有较小的粘度， 较大的扩散系数。因此，与气相色谱( o c ) 和高效液相色谱( m ，l c ) 相比，它具有 一些显著的特点【7 l ： ( 1 ) 与g c 相比，s f c 的流动相具有类似于液体的密度，为常压气体的 2 0 0 - - 5 0 0 倍，具有较高的溶解能力，适于分离难挥发和热不稳定性物 质，而g c 需将样品气化后才能进行分离操作，不适合于热不稳定 物质的分离； ( 2 )与h p l c 相比，s f c 的流动相具有较小的粘度，可减小过程阻力， 在相同条件下，柱压降比液相色谱的低；超临界流体具有较高的扩 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 散系数和传质速率，s f c 分离操作的时间短，单位时间内分离效能 高； ( 3 )s f c 与h p l c 和g c 相比，温度和压力的微小变化能引起s f c 流动 相的密度和溶解能力的较大差异，可通过调节温度、压力来实现对 不同物质的分离，且s f c 分离得到的产品与溶剂分离容易，产品后 处理工艺简单； ( 4 ) s f c 可与多种检测器兼容，如氢火焰离子检测器( f i d ) 、紫外光度检 测器) 、蒸发光散射检测器( e l s d ) 等，还可与质谱( m s ) 、傅立叶 变换红外光谱( f t i r ) 和核磁共振仪( n m r ) 等联用； ( 5 )s f c 的流动相通常采用无毒、价廉易得的c 0 2 作为流动相，对环境 无污染，满足绿色化工生产的要求。 综上所述，s f c 与g c 和h p l c 比较具有一定的优越性，但s f c 不能完全 代替g c 和h p l c ，它是这两种技术的补充。s f c 作为一种对环境友好的、高效 的、新型的化工分离技术，在逐渐走向成熟，并愈来愈受到人们的关注。 典型的超临界流体色谱 】o 】主要包括四个部分，装置图见图1 5 ： ( 1 )高压流动相输送系统。主要由贮槽、高压泵和压力控制器组成，作 用是将高压的超临界流体( 有时含少量改性剂) 以一定的压力连续 输送到色谱分离系统。所采用的高压泵通常为高压注射泵，能稳定 地输送高压流体；压力控制通常采用背压阀，它能在维持恒定压力 的条件下，保持一定的流体流速。 ( 2 )色谱分离系统。包括进样器、色谱柱和恒温箱三部分。超l 临界流体 色谱采用耐高压进样器；色谱柱分为填充柱和毛细管柱两种，填充 柱可使用不锈钢液相色谱柱，毛细管柱一般内径为5 0 - q 0 0 # m ，长 2 5 - - 2 0 m 。 ( 3 )检测系统。超临界流体色谱可采用气相色谱( g c ) 和高效液相色谱 ( h p l c ) 的检测器。气相色谱的检测器适用于毛细管柱超临界流体 色谱，包括氢火焰离子化检测器、热离子检测器、火焰光度检测器 等；高效液相色谱的检测器适用于填充柱s f c ，包括荧光检测器、 紫外检测器等。s f c 还可以与质谱( m s ) 、傅立叶红外光谱( f t i r ) 等联用，使其在定性、定量检测中更方便。 ( 4 )数据采集系统。实验数据由色谱工作站记录，将检测器的检测信号 ( 吸光度) 转化为电信号，进而记录下来。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 高压输送系统 分离景统 r 一一一1 图1 5 超l | 缶界流体色谱仪图 f i g 1 5t h es c h e m eo f s f c 1 1 2 2s f c 的分离原理 s f c 是以超临界流体为流动相的新型色谱分离技术，其分离原理和气相色谱 ( g c ) 及液相色谱( l c ) 相同，是溶质在流动相和固定相之间进行连续多次交换的过 程，并借助于溶质在两相间的分配系数的差别，使不同溶质分离开来。 在超临界流体色谱操作过程中，待分离的混合物溶质随流动相进入色谱柱， 各组分按其在两相间的分配系数不同，在固定相和流动相之间进行分配。分配系 数小的组分，不易被固定相滞留，流出色谱柱较早；分配系数大的组分在固定相 上滞留时间长，流出色谱柱较晚，实现混合物中不同组分的分离目的。 不同组分在色谱过程中分离的情况首先取决于各组分在两相间分配系数的 差异，这是热力学平衡问题，是分离的首要条件，其相关的热力学参数为容量因 子k 和选择性因子口，另外，不同组分在色谱中运动时，谱带随柱长展宽，展 宽的程度与运动过程中的动力学因素( 如溶质在两相中的扩散系数、固定相填料 的颗粒大小、填充情况和流动相流速等) 有关。分离的最终结果是热力学和动力 学的综合i s ，常用分离度五。作为衡量色谱分离效能的总指标。 ( 1 1 容量因子k 容量因子k7 是化合物的色谱保留性质的量度，是一个比较通用的保留值度量 单位。定义为样品组分在固定相和流动相中的质量之比【9 】： 七：卫 g 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 p ，q 分别为溶质分配在固定相和流动相中的质量。 用保留时间参数来表示容量因子k ，可得到： j j k 警( 1 2 ) l 或t 月= t o o + 七)( 1 - 3 ) 厶为溶质的保留时间( 从进样开始到组分浓度最大值所需的时间) ，“为色 谱柱的死时间( 在色谱柱内不保留组分的流出时间) 。 通过溶质的保留时间t 。和色谱柱死时n t 。就可以计算组分的容量因子k 。k 值是在色谱系统分配平衡过程中度量色谱柱对组分保留能力的重要参数，k 值越 大，则保留时间越长，当k 为零时，则表示该组分在柱中不被保留，即无溶解作 用。在s f c 中，由于流动相参与了溶质的分配过程，因此样品组分的保留值不 仅与固定相的性质、柱压和柱温有关，且与流动相的组成和性质有关，但与流动 相流速及柱尺寸无关。 ( 2 ) 选择性因子【9 】 一种组分与另一种组分的保留值之比为选择性因子，它是两个相邻组分 选择性分离的指标，是两种组分热力学平衡分配差值的一个度量，可表示为： k ! 2 寸 ( 1 - 4 ) 几 选择性因子a 。与色谱柱长度、内径、流速以及固定相间空隙度无关，随柱 温、固定相、组分的性质变化而变化，当柱温和色谱柱固定不变时，口。，为一常 数。它表示固定液对相邻两组分的选择保留作用，a 。越大，两组分分离的越好， 但它反映不出柱效能的高低。 ( 3 ) 分离度r ，【1 0 1 1 1 分离度是定量描述两个相邻色谱峰分离程度的指标，以月。表示。按照表达 方式的不同可分为峰底分离度，半峰宽分离度。 r s ：挚d 止：凳喇 ( 1 5 ) 昙( + w 0 ( 形+ ) 、。 式中：t 。f 。：为各组分的保留时间；、为对应各组分的色谱峰底宽。 由上式可见，两峰保留值相差越大，峰越窄，见值越大，相邻两组分分离 的越好。一般来说，当r ， l 时，两峰总有部分重叠：胄，= l 时，两峰基本分离； r s = 1 5 时，两峰完全分离。 分离度概括了色谱过程操作条件、热力学和动力学特性，综合了保留值差值 和色谱峰宽对色谱分离的影响。因此，常用色谱分离度作为衡量色谱柱分离效能 的总指标。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 半峰宽分离度是相邻两峰保留值之差与半峰宽平均值之比， r 1 ，22 了上盐二生一 - ( 2 a t l ，2 ( i ) + 2 a t l ，2 ( 2 ) ) 若把色谱峰当作正态分布曲线，则r ，与r 。的关系为： 生：旦：兰：1 7 0 r2 ，2 4 2 1 n 2 即：r 1 ，2 = 1 7 0 兄 本文所采用的分离度均为峰底分离度表示。 1 1 2 3s f c 的固定相 以r 。表示： 0 - 6 ) ( 1 - 7 ) 色谱分离的核心是色谱柱，超临界流体色谱的固定相，在其发展的初期阶段， 使用最多的是装有大颗粒的长柱子。因此，即使在流动相的高流速下，分析分离 时间也较长，且整个色谱装置复杂。随着高效液相色谱技术的不断发展，将装有 小颗粒的液相色谱柱应用到超临界流体色谱中，大大缩短了分析分离时间，提高 了分离效率【l “。对于液相色谱来说，其常用的固定相为以硅胶为基质的键合填料， 根据在硅胶表面键合基团的极性大小差异可分为极性和非极性固定相两大类。 在填充式s f c 中，使用最广的固定相也是硅胶基质的键合填料，常用的极 性固定相有氰基键合填料、二醇基柱键合填料、氨基键合填料和硝基键合填料， 常使用正相操作，通常用来分离中性和离子( 或可电离的) 化合物，适于以下几 类样品的分离分析：( 1 ) 异构体的分离分析；( 2 ) 易于水解的样品；( 3 ) 在极性有机 溶液中溶解度很小的高油溶性样品；极性色谱柱在分离过程中的特性见表3 3 。 氰基键合填料与某些有双键的化合物发生选择性的相互作用，因此对双键异构体 和含有不等量双键数的环状化合物具有更好的分离能力。如苯基醇和苯基羧酸的 同系物、多羟基蜕皮甾类化合物、芳香胺等都在氰基柱上得到了很好的分离，氰 基键合填料适用于芳香化合物及酸性较强的极性化合物的分离。二醇基键合填料 一般是缩甘油氧丙基硅烷键合相的水解产物，对有机酸和某些低聚物有希望得到 好的分离效果。 非极性固定相指以硅胶为基质，在其表面键合上疏水基团，常见的有苯基、 c 8 以及c t 8 烷基等键合基团，适于分离分析存在疏水基团的有机化合物分子。苯 基键合填料和短链烷基c 8 的性质相似，由于其分子尺寸较小，与硅胶表面键合 时有比长链烷基更高的覆盖度和较少的残留羟基，因此适用于极性样品或需做衍 生化样品的分析分离。长链烷基键合填料，因有较高的碳含量和更好的疏水性， 所以对各种分子结构的样品都有较好的适应能力，从非极性的芳烃到氨基酸、肽 儿茶胺和许多药物的分析，都能达到良好的分离效果。键合了c 1 8 烷基的硅胶柱， 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 作为非极性固定相得到了广泛的应用。 表3 3 极性色谱柱在分离过程中的特征【9 】 t a b l e3 3c h a r a c t e ro f c h r o m a t o g r a p h yc o l u m ni nt h es e p a r a t i o np r o c e s s 柱型说明 氰基柱 硅胶柱 二醇柱 氨基柱 分析分离首选，稳定性好，操作方便 制各分离首选，尤其对有机可溶性样品，可获最大选择性，但需控制流动 相中水含量( 不方便) 可替代氰基柱用来调整选择性，但不够稳定 可替代氰基柱来调整选择性，但更不稳定 a 1 2 0 3 柱 具有独特的选择性，但存在更多问题( 塔板数低，保留值不稳定，样品回 收率低) 1 1 2 4s f c 的流动相 超临界流体色谱中，可用作流动相的溶剂很多，如二氧化碳、乙烯、氨、氧 化亚氮等。表1 1 列出了一些可用作s f c 流动相的物质的临界点数据。 目前，应用最广泛的流动相是s c c 0 2 。c 0 2 具有较温和的临界压力( 7 3 8 m p a ) 和临界温度( 3 0 4 2 1 目，且具有一定的化学惰性，可在低温、无氧的环境下对混 合物进行分离。此外，c 0 2 无毒、不可燃、价廉易得、无化学腐蚀性、在紫外区 无吸收，且分离后无溶剂残留问题，无污染，因此s c c 0 2 成为应用最广和最安 全的s f c 流动相，在食品、医药、生物制品及精细化工产品等方面得到了应用。 表1 2 可用作s f c 流动相的物质的临界点数据 t a b l e1 2s u p c r c r i t l c a ld a t a so f s o m ec o m p o u n d s 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 对于非极性或弱极性物质，如低相对分子质量的聚合物、石油产品等，可使 用纯c 0 2 作为流动相；而对于极性较强的物质体系，非极性s c c o z 的溶解能力 弱，需在超临界c 0 2 中加入一定量的改性剂，从而构成二元或三元流动相。改 性剂的加入能更好的发挥超临界流体的性能，增加其溶剂化能力，弥补单一流体 的局限性，提高超临界流体的溶解能力和选择性，扩宽超l 临界流体技术的应用范 围。改性剂在s f c 中，对于极性物质的洗脱起到了很重要的作用1 1 2 1 ，常用的改 性剂有甲醇、乙醇、二氯甲烷、异丙醇和乙腈等有机溶剂，使用最多的是甲醇。 这是由于甲醇与c 0 2 形成的二元混合物的临界温度和临界压力不太高，并且甲醇 的极性在低碳醇中相对较强【l ”。 迄今为止，对于改性剂的作用机理已进行了不少研究。l e v y i “】和y o n k e d l 5 】 等人对改性剂在超临界流体色谱中的作用机理进行了研究，j 鹊s e l l 【16 】等人进一步 研究了改性剂对苯酚等五种极性溶质的保留值和峰形的影响。将改性剂在超临界 流体色谱中的作用可系统的概括为：( 1 ) 掩盖固定相表面残留的硅羟基，降低其 活性；( 2 ) 增强了溶质在流动相中的溶解度，即增强了流动相的溶剂化能力；( 3 ) 提高流动相的极性。s m i t h 17 】等人认为在填充柱色谱中，改性剂的加入改善了极 性物质的流出峰形，并降低了保留时间。之后d o n g i i np y o t l 8 】等人对s m i t h 提出的 保留值机理进行了验证，考察了不同甲醇改性剂浓度对分离的影响，研究得出和 s m i t h 同样的结论。l e s e l l i e r 等【19 】选取了1 6 种有机溶剂作为超临界c 0 2 的改性 剂，考察了不同溶剂对胡萝b 素分离的影响，研究表明，由温度和压力变化而引起 的密度变化对分离选择性的影响不明显，而在流动相中加入极性改性剂可明显提 高分离选择性。 超临界c 0 2 中极性改性剂的加入，形成了二元混合物，其临界压力和临界 温度均随改性剂的加入量而变化。因此在许多情况下，色谱分析分离是在亚临界 状态下进行的。流动相中极性有机溶剂的加入给色谱操作带来的一个缺陷是不能 采用氢火焰离子化检测器。 1 1 3 超临界流体色谱技术的应用 1 9 6 2 年k e l s p e r 2 0 】首次应用压缩气体( 二氯二氟甲烷与一氯二氟甲烷) 作为流 动相分离了金属卟啉化合物。1 9 7 2 年，g o u w 和j e n t o f i 等人分析研究了二氧化 碳作为流动相时，超临界流体色谱的基本分离原理。由于s f c 通常采用非极性 c 0 2 作为流动相，对于极性物质的分离受到限制，它的发展在7 0 年代进入了相 对停滞阶段。8 0 年代中期，随着对超临界流体特性的进一步认识和超临界流体 实验技术新的突破，s f c 技术得到了不断的完善和发展，并出现了商业化的超临 界流体色谱分析和分离设备。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 3 1 分析型s f c 的应用 分析型s f c 用于混合物的分析测定。在s f c 发展的初期，卟啉异构体【2 0 1 、 聚苯乙烯的低聚物、多环芳烃、抗氧剂、染料及环氧树脂、胡萝卜素和氨基酸等 物质【1 5 】在s f c 上得到了分离。随着s f c 技术的进步，其应用领域逐渐扩大，在 天然产品、极性药物 2 1 , 2 2 , 2 3 1 、食品f 2 4 1 及手性化合物分离中得到广泛应用。 孙云鹏等【2 5 】人采用s f c 对多环芳烃的分离条件进行了进一步的摸索；a k i r a n o m u r a 2 6 】采用硅胶柱对几种燃料油进行了s f c 分析，并比较了不同燃料油组分 对分离峰形的影响；b e r g d 明对于填充柱式s f c 在极性物质分析方面的应用进行 了总结概括，表明s f c 可适用于从苯酚到多元酸的酸性物质以及苯胺到多元脂肪 胺碱性物质的分析。 适用于s f c 分析的天然产品种类较多，如热不稳定的天然脂类、甾类化合 物、萜类以及多元不饱和脂2 ”。l e s e l l i e r 等【3 3 荆用s f e s f c 连接装置，对固 醇、维生素e 和类胡萝b 素类物质的分析测定进行了研究；l i 等】对化妆品中 蜡脂类物质进行了定量分析；任其龙等【3 5 j 6 】人对s f c 分离生育酚同系物、e p a e e 和d h a - e e 脂肪酸类物质进行了研究，赵锁奇等【” 3 8 】人建立了黄酮类化合物和 番茄红素的s f c 分析方法。 手性异构体( 对映体) 的物理化学性质相似，分离难度较大。色谱技术是目 前手性物质分离的主要手段。超临界流体色谱作为h p l c 和g c 的补充，具有一 定的优越性，随着新型手性固定相的出现，在手性物质分析中的应用迅速扩大。 t o r i b i o 等【3 9 1 人以c h i r a l p a k a d ( 2 5 0 l o m m ) 为手性固定相，进行了阿苯达唑手性 异构体的分离，以3 7 m g h 的生产量得到纯度为9 9 9 的第一个异构体，以 3 6 5 m g h 的生产量得到纯度为9 5 的第二个异构体；严全鸿等【柏】人以k r o m a s i l c m t b b 色谱柱为手性固定相，异丙醇为改性剂，采用s f c 法拆分了萘普生和 布洛芬对映体，考察了温度、压力和改性剂流速对分离的影响。 1 1 3 2 制备型s f c 的应用 1 9 8 0 年，b e r g e r 和p e r r u t 等开始将制备型s f c 应用于物质的精制与提纯。 作为制备分离技术，s f c 相对h p l c 具有流动相使用量少，分离速率快等优点。 制备型s f c 与分析型s f c 的装置比较，除了流体输送系统，色谱分离系统 和检测系统外，制备s f c 增加了样品收集系统。8 0 年代，制备型的s f c 的研究 工作主要探讨s f c 作为一种分离制备的工具在技术上的可行性，分离的应用也 仅限于几种简单的烃类物质和天然产物中的易挥发组分，对于这一时期s f c 在 制备分离中的应用，b e r g e r 进行了系统总结【4 l 】。p e r r u t 4 2 】通过对制备型s f c 的原 理、构造、以及流体动力学和吸附、脱附的分析，认为制备型s f c 在药物及精细 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 化学品的大规模分离方面有很好的应用前景。现在制备型s f c 已应用于食品、 医药、生物及石油等多种领域。以下是近年来应用制备s f c 进行分离的应用实 例。 图1 , 6m i l b e m y c i n a2 在s f c 分离中产率与样品上载量的关系图 f l g o r e l 6 p r o d u c t i o n r a t e v e t s i i s p u r i t y f o r t h e p r e p a r a t i v e s f c o f m i l b e m y e m o2 f o r v a r i o u s r e q u i r e dp u r i t i e s t a y l o rs c o t t 等人m 荆用制备型s f e s f c 装置，从玉米糠中提取分离出固醇 和植物甾醇类物质：p e n a i n e h o 等人1 4 4 年u 用s f c 从含e p a 乙酯6 8 的鱼油中提 纯e p a 乙酯，得到纯度为9 3 的e p a 乙酯产品：b a t t l e 等人【4 5 】采用s f c ( 2 5 0 m m 2 0 m m i d 的氰基柱) 分离出m i l b e m y c i n ，并考察了不同纯度要求下，产率和 上载量的关系变化，如图1 6 ；孙传经等人 4 6 1 采用自组装的制备s f c 装置，分离 制备出9 9 2 的紫杉醇；赵锁奇等建立克级制备型s f c 装置，分离制各了黄酮 类化合物；任其龙等采用s f c 分离提纯了维生素e 以及e p a - e e 、d h a - e e 。近 年来制备s f c 的应用有了较大进展，尤其是将模拟移动床( s m b ) 与s f c 技术结 合起来，更大的拓宽了s f c 的适用范围和生产规模【4 7 】。 1 2 茄尼醇 1 2 4 茄尼醇 1 9 5 6 年r l r o w l a n d 等人最早从烟草中发现f 4 剐茄尼醇。最初，人们对茄尼 醇的研究是基于其对烟气香味的影响，烟气中的主要致香成份异戊二烯，部分是 由茄尼醇分解而来的。随之经研究发现茄尼醇高温裂解会生成具有强烈致癌作用 的多核芳烃( p a h ) 【4 9 i ，即茄尼醇是烟气中多核芳烃的前体，因此，对茄尼醇的早 期研究多集中在烟草燃烧过程中茄尼醇的变化及对人体的影响。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 茄尼醇，英文名s o l a n e s o l ，是一种四倍半萜烯醇，分子式为c 4 5 h 7 4 0 ，分子 量为6 3 1 ，结构式为： 删3 夕2 一h 茄尼醇为白色固体，溶于乙醚、丙酮、烃类等有机溶剂，不溶于水。茄尼醇 主要存在于哺乳动物和微生物体内脏器以及植物叶片中，植物中以土豆、桑叶和 烟叶为主，尤其是烟叶中茄尼醇高达0 4 - - 3 。1 9 7 7 年有专利【5 0 】报道从土豆叶中 提取茄尼醇。因为烟叶在加工过程中茄尼醇的含量一般不会随烟叶加工过程发生 显著变化，则使用烟草工业中的废弃原料生产茄尼醇即可以充分利用资源又可以 提高烟叶的经济价值，从废弃烟叶中提取茄尼醇成为当今研究的热点。 研究发现茄尼醇具有抗菌、消炎、止血等药理作用，可作为某些抗过敏药、 抗溃疡药、降血脂药和抗癌药物的合成原料【5 ”。同时茄尼醇作为一种医药中间体， 是合成维生素k 2 和辅酶q l o 的重要原料。由它生产的辅酶q l o 是具有药理活性的 全反式结构【2 捌】，为一种泛醌类化合物，广泛应用于心血管系统疾病的治疗，同 时还具有提高人体免疫力、增强抗氧化、保持青春的功效，因而大量应用在药品、 保健品和化妆品领域。此外，茄尼醇是目前某些具有临床疗效药物的有效成份， 在临床上它显示了较强的抗癌生物活性，能够抗菌消炎，对于治疗充血性心脏病 所致浮肿、肺充血、心绞痛，治疗急慢性肝炎、亚急性肝坏死，治疗坏血病、十 二指肠溃疡、胃溃疡、坏死性牙周炎，凝血、止血等有良好作用。 我国是烟草生产大国，每年有4 5 0 - - - 5 0 0 万吨出产，产生9 0 0 1 5 0 万吨的烟草 废弃物。烟草废弃物中含有数百种化学成分，且有多种利用价值较高的成分【”， 如烟碱、茄尼醇、v e 、v m 、烟草蛋白等，将这些成分从废弃物中提取分离以应 用于化工、医药领域，不仅可以降低环境污染又可提高烟草业的经济效益。 1 2 5 传统分离工艺 目前，我国茄尼醇提取工艺多为国外早期生产工艺的翻版，起步水准较低； 其生产工艺技术类似于日本的工艺流程【5 3 , 5 4 , 5 5 】；主要生产含量1 6 的粗品茄尼 醇，出口日本，日本再对其进行精制提纯，合成辅酶q 1 0 再返销国内，赚取高额 利润。传统的提取工艺为溶剂提取，生产过程由浸提、过滤、滤液皂化、结晶、 重结晶等主要生产单元组成。工艺流程详见图1 7 。 烟叶经过粉碎处理之后，采用溶剂浸泡或喷淋提取，常用的溶剂有正己烷、 乙醇、石油醚等，烟叶与有机溶剂质量比为1 ：6 【5 6 】：萃取液经过滤之后进行浓缩， - 1 2 - 归 尸h 一 ，iill_=j h 一 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 溶剂回收处理；浓缩后的萃取液采用7 1 5 的醇碱溶液( 乙醇或甲醇的n a o h 溶 液) 进行皂化处理，脱除萃取液中脂肪酸和脂类等杂质，静置分层为有机相和水 相，茄尼醇等弱极性物质在有机相中富集，采用有机溶剂对水相进行茄尼醇的多 次萃取回收，然后弃去水相；浓缩有机相，在有机相中加入使茄尼醇易析晶的有 机溶剂如丙酮、乙腈、氯仿或混合溶剂等，通过低温冷冻结晶( 结晶温度根据所 用溶剂不同而不同) 和过滤操作得到茄尼醇粗品，由于烟叶提取物中组分复杂， 通过一次结晶得到的茄尼醇晶体纯度较低，需再用不同溶剂进行多次重结晶，脱 除各类杂质；多次重结晶得到的晶体经过滤干燥得到纯度较高的茄尼醇产品。 r i - = = 一 废次烟叶一i 田锕c 敞暑