（环境科学专业论文）新型毛细管气相色谱柱的制备及其对手性样品和环境样品的拆分.pdf

云南师范大学硕士学位论文 t h em a i nw o r k so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h e d e v e l o p m e n t o f g a sc h r o m a t o g r a p h y ( g c ) a n d t h e p r e p a r a t i o no ft h ef u s e d - s i l i c ac a p i l l a r yc o l u m nw e r er e v i e w e d 2 w e p r e s e n t t h ef i r s te n a n t i o m e r s s e p a r a t i o n i n g a s c h r o m a t o g r a p h yu s i n gf u s e d s i l i c ac a p i l l a r yc o l u m nc o n t a i n i n gc e l l u l o s e t r i ( 3 ，5 - d i m e t h y l p h e n y lc a r b a m a t e ) ，c e l l u l o s et r i p h e n y l c a r b a m a t e ， c e l l u l o s et r i a c e t a t e ，a n do n ec h i r a li o n i cl i q u i da st h en e wc h i r a ls t a t i o n a r y p h a s e t h es e p a r a t e ds o l u t e si n c l u d e da l c o h o l s ，a m i n e ，k e t o n e ，e s t e r , a m i n oa c i d s t h e i rc o l u m ne f f i c i e n c y , p o l a r i t ya n dc h i r a ls e l e c t i v i t yw e r e s t u d i e d t h er e t e n t i o nm e c h a n i s mw a sa l s od i s c u s s e d t h e ya l ls h o w e d r e l a t i v e l yh i g hc h i r a lr e c o g n i t i o na b i l i t i e s ，e s p e c i a l l yt oa l c o h o l s ，a m i n e ， k e t o n e ，e t h e r , e s t e ra n da m i n oa c i de n a n t i o m e r a st h er e s u l to fr e l a t i v e h i g hc h i r a ls e l e c t i v i t y , c e l l u l o s ed e r i v a t i v e sm a yb ev e r yu s e f u li nc h i r a l s e p a r a t i o ni nc a p i l l a r yg a sc h r o m a t o g r a p h y 3 t h es e p a r a t i o no f b e n z o l sa n dp h e n o l si nw a t e rs a m p l eh a db e e n c a r r i e do u to nt h ec o l u m no fi o n i cl i q u i d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a tt h i sc o l u m ni sv e r yu s e f u li ng c k e yw o r d s ：g a sc h r o m a t o g r a p h y f u s e d - s i l l i c ac a p i l l a r y c h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e e n a n t i o s e p a r a t i o n e n v i r o n m e n t a ls a m p l e s n 独创性声明 y 7 7 5 5 2 0 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：用岩 2 吣年月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权云 南师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：月考 砌5 年6 月6 日 勰溯签名槲、耋敏 加j 年占月g 日 云南师范大学颀十学位论文2 0 0 5 1 1 毛细管气相色谱 第一章概述 如何提高气相色谱的柱效，一直是人们多年来研究的主要课题。而毛细管气 相色谱的出现，则是气相色谱发展史上的一个重要里程碑，它使传统的填充柱气 相色谱在柱效和分析速度上都提高到一个新的水平【1 】。 在气相色谱的发展过程中，一个核心问题是高效气相色谱柱的制备工艺。毛 细管气相色谱柱的创始人高雷( m j e g a o l a y ) 最初用聚乙烯毛细管考察了空气 峰的分离情况，接着用玻璃管、金属管做了同样的试验，并成功地在内径为2 5 0 p m 的毛细管内壁，涂渍了一层很薄的聚乙二醇的固定液( 1 二氯甲烷溶液w v ) ， 使用毛细管气相色谱热导池检测器进行测试，他所得到的结果比当时采用填充柱 的柱效率提高了7 8 倍，显示了这种新方法的优点和潜力。1 9 5 7 年国际气相色 谱研讨会上g a o l a y 报告了他的研究成果，并首次从理论上分析了影响柱效的因 素。在1 9 5 8 年第二届国际气相色谱研讨会上，又提出了壁涂毛细管柱的动力学 理论，展示了分离间、对二甲苯和己烷异构体的色谱图，第一次用毛细管柱解决 了当时难以解决的异构体的分离问题【2 1 。这一时期，色谱柱的材料只是塑料、不 锈钢、铜和其它金属吼 当d e s t y 发明了玻璃毛细管柱拉制机后，玻璃便成为 理想的色谱柱材料【，1 9 5 8 年在莱比锡举行的首届气相色谱报告会上，d e s t y 介 绍了他的仪器和色谱柱【5 】。1 9 5 9 年s c o t t 成功地采用尼龙为柱材料制出了不同长 度和不同内径的毛细管柱1 6 1 。6 0 年代普遍还使用金属毛细管柱涂渍固定液，而进 入到7 0 年代人们就开始广泛采用玻璃材料制做毛细管柱了i ”。1 9 7 9 年在国际第 二次毛细管报告会上，d a n d e n e a u 和z e r e n n e r 报告了用熔融二氧化硅即弹性石英 毛细管柱做毛细管的研究【8 1 ，从此毛细管的制备又上了一个新的台阶。因为弹性 石英柔韧性好，不易折断，便于操作，内表面惰性好，对一些极性和氢键型化合 物吸附弱，拖尾小。7 0 年代末【1 1 毛细管柱工艺的重要进展是固定相的固定化 ( i m m o b i l i z a t i o n ) ，即把固定相的线性分子交联成网状结构，或者键合到毛细 管柱壁上。到8 0 年代后期固定相固定化的商品毛细管柱已经很流行了。1 9 8 3 年 1 0 月惠普公司推出大孔径毛细管柱( m e g a b o r ec o l u m n ) ，它可以直接代替填充 柱，既有毛细管住的高柱效，又有填充柱的大柱容量以及高重复性，在8 0 年代 云南师范大学硕士学位论文2 0 0 5 末曾风靡一时。9 0 年代中期由美国a l l t e c h 公司推出他们的专利产品“集束毛细 管柱”( m u l t i c a p i l l a r yc o l u m n ) ，它是由9 1 9 支内径为4 吮m 的毛细管柱组成 的毛细管束，有容量高分析速度快的特点，适用于工业分析之用。9 0 年代后期， 为了适应石油工业中模拟蒸馏实验的要求，出现了可以耐高温的商品色谱柱，可 以在4 5 0 ，甚至可以在4 8 0 c 的柱温下工作。为了进行各种手性化合物的分离， 开始有多种环糊精衍生物的商品毛细管柱出现。特别是近2 0 年来，由于众多领 域手性分离的需要，手性色谱技术的发展日新月异，其核心为开发和研制使用范 围更广的毛细管气相色谱的手性固定相。 1 2 毛细管气相色谱手性固定相 1 2 1 手性分离 1 2 1 1 手性分离的重要意义 左手和右手互为镜像却不能重合的特性称为“手性”，手性是宇宙间普遍存在 的现象，从原子到人类本身都是不对称的。在生物和药物分子中存在着大量的对 映异构体：生物体系统内部的受体、酶、核酸、蛋白以及多糖等都具有与各自功 能相适应的手性结构，它们的异构体可能呈现不同的生理功能。特别是药物存在 对映体时，当进入生物体后，这些手性物质会选择性地控制其代谢途径和药理作 用，故呈现的生理活性和药效也就不同，甚至会伴随着不同程度的毒副作用。例 如药物t h a l i d o m i d e ，曾被用作镇静剂让孕妇服用，但是后来发现许多服用了该 药物的孕妇其胎儿畸变，这一度在欧洲掀起一场风波，后经研究发现使胎儿发生 畸变的是其s 异构体【9 】。据最近统计，在5 3 4 种天然及半合成药物中有9 8 8 具 有手性中心【1 0 1 。目前市场上销售与l 临床上使用的许多化学合成药物有7 5 以上 是外消旋体形式【1 1 】。为了用药的安全有效，有必要对手性化合物分别进行考察， 了解各自的生理活性。下表1 - 1 中列出了部分手性药物和农药的不同异构体的生 物活性实例。 由于分离测定技术上的困难，大部分手性药物的两个对映异构体表现出的 不同药理活性和动力学行为还远未被深入研究。基于此，1 9 9 2 年美国食品和药 物管理局作出第一个政策性规定：凡研制具有不对称中心的药物，必须对各个对 映异构体进行测定和评价1 1 2 l 。在医药工业中， 已知药物中约有3 0 4 0 光学 2 云南师范大学硕士学位论文2 0 0 5 活性的手性药物，销售份额已超过药物总量的5 0 1 ”1 。在农药工业中，农用天 然杀虫剂全为手性，合成杀虫剂1 7 为手性杀虫剂1 1 4 l 。随着生命科学，特别是 生物化学和药物化学的发展，对光学活性的手性药物的需要越来越大，手性对映 体的分离和光学纯度的确定已普遍引起人们的重视，欧洲及日本等发达国家的一 些厂家已把生产高效的光学纯药物制品作为市场竞争的法宝。 表1 - 1 手性药物和农药的不同异构体的活性实例 3 云南师范大学硕士学位论文2 0 0 5 1 2 1 2 手性分离的方法 现行的手性分离的方法主要有液相色谱法( h p l c ) 1 5 , 1 6 l ，气相色谱法( g c ) ， 毛细管电泳( c e ) ，液相色谱与质谱联用【1 7 】等。特别是近2 0 年来，用这些色谱 方法分离手性化合物己广泛应用于许多领域，如药物化学、不对称合成和生物分 析等，不仅可以测光学纯度，也可用于大量制备光学异构体【1 8 】，特别是对手性化 合物( 如手性药物) 的开发和研究起到关键作用。因此，加速和深入手性色谱的 探讨和应用是当今色谱领域的难点和热点。 1 1 2 2 手性色谱固定相的研究进展 手性色谱技术的核心是设计和制各使用范围广的手性固定相( c h i r a l s t a t i o n a r yp h a s e ，c s p ) 。至今已制备出大量的用于色谱的手性c s p ，其中1 2 0 多 种已商品化1 1 9 1 。目前广泛使用的手性固定相有多糖类固定相【2 0 】、衍生化的酒石 酸c s p t 2 ”、a 1 酸性糖蛋自l 捌、p i r k l e 固定相【2 ”、环糊精1 2 4 1 、聚丙烯酰胺1 2 5 1 和大 环抗生素【2 q 以及分子印记技术【2 7 , 2 8 l 。众多类型的手性c s p 中，o k a m o t o 等发展 的多糖类固定相因其种类繁多、选择性高、耐用且负荷量大而日益成为目前应用 广泛的分离工具【删，但目前还未见其用于气相色谱的报道。相对于液相色谱和 毛细管电泳，气相色谱的手性选择剂种类较少，当前广泛使用于气相色谱的手性 固定相主要有三大类：第一类是氢键型手性固定相( 包括氨基酸衍生物，二肽及 多肽，碳酰双氨基酸酯，二酰胺和单酰胺，均三嗪) ；第二类是形成包合物的手 性固定相( 主要指a ，8 ，7 - 环糊精的烷基化或酰基化衍生物) ；第三类是金属 配体交换手性固定相( 主要是一些金属离子与手性试剂所形成的配体化合物) 。 另外我们的实践中还常用到手性聚硅氧烷衍生物固定相和交联手性固定相，它们 是由前两类固定相与聚硅氧烷或与毛细管壁交联而成的，这几类中用的最多的是 环糊精的衍生物【2 9 】。 1 2 3 纤维素类多糖衍生物做为色谱固定相的初步研究 多糖，是自然界中大量存在的有光学活性的生物聚合物，具备了做为手性固 定相的前提。多糖类手性固定相包括天然多糖及其衍生物，如纤维素、淀粉以及 合成的手性聚合物如纤维素和淀粉等的衍生物。纤维素和淀粉具有良好的精细结 构和手性识别能力，能拆分异构体，包括氨基酸衍生物和联苯衍生物的异构体 4 云南师范大学硕士学位论文2 0 0 5 u ”。但它们的手性识别能力不强，适用面也窄，故没有直接的实用价值，所以 我们一般都通过化学衍生的方法制各出具有手性实用价值的c s p 。 1 2 3 1 纤维素类手性固定相拆分机理 纤维素是由b d 葡萄糖单元形成的高度有序，呈螺旋型空穴结构的光学活 性天然高分子。由于葡萄糖单元具有手性，所以经衍生化可用作手性固定相【3 0 。 一些纤维素衍生物可由纤维素和相应的异氰酸酯或酰氯相互作用制取得到1 3 1 】。 纤维素类手性固定相的手性识别似乎取决于聚合物螺旋型空穴“立体配合” ( s t e f i cf i t ) 包结作用，手性固定相的通道对芳烃有很高的亲合力，进入空穴正 是溶质分子的芳环部分【”。手性固定相的超分子结构影响其保留行为。此外氢 键、偶极作用对立体识别亦有一定的影响【3 3 l ，在纤维素c s p 上分离的对映体， 大部分至少有一个芳环或可形成氢键的羰基。目前还没有关于纤维素c s p 拆分 机理的成熟可靠的统一论述，综合各种观点d l g l i s h 的三点作用原理还是被普遍 接受的【3 4 l ：a 对映体与固定相之间存在氢键作用；b 偶极一偶极相互作用；c 手性 空腔的立体作用。根据这一理论，在对映体和手性选择剂之间，为了形成稳定性 好的非对映体分子间络合物( m o l e c u l ea s s o c i a t e s ) 而达到手性识别的目的，至少 需要三个同时发生的分子间相互作用力起作用，而其中至少有一个必须是立体化 学相互作用。为了识别两个对映体，手性选择剂与对映体中的一种进入一个与立 体相关的三点相互作用的稳定状态，而另一个对映体则只能两点作用形成不稳定 状态。这种稳定性相差越大，则相互分离的可能性就越大。 1 2 3 2 纤维素手性固定相用于毛细管气相色谱的构想 多糖类及其衍生物作为手性固定相具有它独特的优势和潜力，使它在色谱领 域有着越来越广的应用范畴。特别是经半合成的经过改性的多糖衍生物适用范围 大大扩展，可用于：、c e 、s f c 、t l c 、膜分离及萃取中，既可用于分析又可 用于制备。纤维素及其衍生物作为典型的多糖类手性固定相，具有稳定性好、样 品容量高等独特的优势和特点，衍生化的纤维素又增加了作用位点，可以与被分 离物形成更稳定的包结物，而不同基团的引入可以增加手性分离的选择性，使它 日益成为极具开发前景和应用价值的多糖类手性固定相。特别是近2 0 年来，纤 维素类手性固定相已成为手性液相色谱法中发展最快、拆分手性化合物最广的一 类手性固定相。目前多种类型的商品化的液相纤维素手性柱在国内外已有报道和 云南师范大学硕士学位论文 2 0 0 5 应用”，但一直未见将其用于气相色谱中的报道。为了进步拓宽此类性能优 良的固定相在色谱领域的应用，本实验尝试着开始了此方面的探索工作。文中选 用三种纤维素衍生物作为手性固定相，首次用于气相色谱，制各了1 8 、2 # 、3 + 新 型毛细管色谱柱，分别对2 5 种手性化合物进行拆分，摸索最佳的色谱分离条件， 以检验其手性分离性能。 1 2 4 室温离子液体作为气相色谱固定相的构想 离子液体( i o n i cl i q u i d ) 是有机熔融盐，它由氮、磷有机阳离子和大的无机 阴离予( b f 4 一，p f 6 一等) 组成，是在室温及相邻温度下完全由离子组成的有机液 体物质，因其离子具有高度不对称性，而难以密堆积，阻碍其结晶，因此常温下 为液体，通常我们称之为“室温离子液体”( r o o m t e m p e r a t u r ei o n i cl i q u i d ) 【”。它 有着不同于水溶液及普通有机溶剂的性质，可溶解极性、非极性的有机物、无机 物质，具有易于与其它物质分离，可以循环利用等优良特性。尤其吸引人的特点 是；虽然在室温下离子液体是液态，但却无蒸汽压，不挥发，所以不会逸散损失， 不会造成污染，因而被誉为绿色溶荆”删。它应用的领域有：在分离工程中用作 气体吸收剂和液体萃取剂，在电化学中用作电解质，在化学反应中作反应介质有 时同时作为催化剂等等 4 0 4 2 1 。近年来，它还被报道在一些新的领域( 如作为质谱 的基质 4 3 1 和色谱的固定相【州) 里有了初步的研究和应用。 1 9 9 9 年，a l m s t r o n g 等人首先将六氟磷酸1 - 丁基- 3 - 甲基眯唑( b i m m p f 6 ) 及相应的氯化物( f h i r a m o ) 用作气相色谱固定相，开创了离子液体用于色谱领 域的先河i ”娜】。他们将离子液体 b m i m c l 、【b m i m p f 6 作为g l c ( 气液相色谱) 固定相与工业品角鲨烷、d b 5 作气相色谱固定相作了比较哪。结果表明，用离 子液体作固定对于多种类型物质的选择性，比用角鲨烷、d b 5 时还要更好一些。 因为离子液体与毛细管柱s i o ：结合好，不易流失。在前人研究成果的基础上， 我选用本实验室合成的一种手性离子液体作为气相色谱固定相，制各了4 新型毛 细管色谱柱，初步考察了它的色谱性能。由于这种离子液体阳离子上具有手性特 征，故推测其可能具有一定的手性识别能力。因此，我们选用上述2 5 种步 消旋 化合物考察它的手性拆分能力，接着又测试了不同极性、不同类型化台物在此固 定相上的保留行为。 云南师范大学硕士学位论文2 0 0 5 1 3 毛细管柱的制备 1 3 1 毛细管气相色谱柱的制各方法研究 常用的固定液涂渍方法有两种：动态涂渍法和静态涂渍法。动态涂渍法是 1 9 5 8 年由d i j k s t r a 和g o l a y 最先提出的【钥。该方法是将要涂渍的固定液配制成 一定浓度的溶液( 一般为1 0 一2 0 ) ，然后在一定气流的推动下让固定液流经要 涂渍的毛细管柱，控制涂渍液的线速度为2 6 c m s ，待溶液流出毛细管柱后继 续通- d , 气量的气流使溶剂挥发，当溶剂完全挥发后在毛细管内表面就会留下一 层很薄的液膜。动态法涂渍固定液速度快，但不容易得到均匀的液膜，为了改 善动态法涂渍的效率，1 9 7 5 年s c h o m b u r g 提出并发展了汞塞动态法及快速反复 动态涂渍法【柏1 。汞塞法涂渍时在固定液和驱动气体之间加一小段金属汞塞，由 于汞的表面张力大，当气体推动汞塞，汞塞推动固定液溶液，而固定液又像塞子 一样通过毛细管柱时，使其成为均匀的薄膜。快速反复法是让涂渍液快速流经毛 细管柱，并以正反两个方向反复涂渍。动态法适宜于涂渍低黏度的固定液。 静态涂渍法最先是由g o l a y 使用的，其后是比利时的v e r z e l e 等人，该方法 分为加热蒸发法和抽空蒸发法。加热静态涂渍法是g o l a y 发明的- - e e 方法，毛细 管首先充满涂渍液，把柱子一端封死，然后柱子开口端慢慢通过一个加热到一定 温度的炉子，以便使溶剂扶柱子开口端慢幔蒸发出来而流下薄而均匀的液膜。此 方法的缺点是设备较为复杂且费时太长。抽空蒸发法是将固定液充满毛细管柱， 然后将毛细管一端立即封口，封口干结后将柱子放在一定温度的恒温箱内，并将 柱子的另一端接在真空泵使溶剂在减压抽空下慢慢挥发，使柱内流下一层均匀的 液膜。一般静态法涂渍的涂渍效率较高，但真空挥发费时较长。为了加快静态涂 渍的速度，徐秉久等提出了自由逸出法 4 9 1 。用丙酮和戊烷混合溶剂，在7 5 8 0 c 下使溶剂自由逸出，无需减压抽空，最大的溶剂挥发速率可达3 5 c m m i n 。采用 高挥发性溶剂在一定压力下配置成涂渍液也可大大加快涂渍过程i 。这种方法 比一般静态法快5 。1 0 倍刚。静态涂渍适用于绝大多数固定液。 1 3 2 涂渍方法的选择 毛细管柱的涂渍过程是固定液在毛细管柱内表面的均匀分布过程，分布是否 均匀，液膜能否稳定，将直接影响所制备柱子的性能。为了获得最高柱效，应确 保固定液呈均匀薄膜完全覆盖柱壁表面。对于表面张力较大或黏稠的固定液应采 7 云南师范大学硕士学位论文2 0 0 5 用静态方法涂渍1 5 2 1 。其优点是重现性好、柱效高，而且根据待涂毛细管柱的内 径和涂渍液的浓度即能准确计算液膜厚度d f ， d r = 0 2 5 d c 式中：d 为毛细管柱内径，c 为涂渍液的浓度( w v ) 。液膜厚度也可用公式d f = r 2 b 计算( r 为毛细管内半径，b 为相比即色谱柱中死区域与固定液所占体积之 比) 。依据上述原理，借鉴实验室以往经验，本论文中全部采用静态法涂渍新型 毛细管柱。此方法的缺点是真空挥发费时过长。为了加快溶剂的挥发速度，通常 可采用两种方法：其一是提高溶剂的挥发温度，其二是选取更容易挥发的溶剂， 若选用二氯甲烷、戊烷混合液( 1 ：1 ) 抽空挥发时间比纯二氯甲烷要节省1 3 到 1 2 。由于我们的固定相可选择的溶剂种类有限，故本文选用的是提高溶剂挥发 温度的方法。 1 4 毛细管气相色谱在环境监测中的应用 气相色谱具有分离速度快，柱效、检出灵敏度和自动化程度高等诸多优点。 在目前己知存在的大约3 0 0 万种以上的化合物中，适宜用气相色谱有效进行分析 测定的挥发性、热稳定性的化合物占2 0 左右。六十年代以来，色谱法广泛用 于大气、水质、土壤、生物、食品等方面的监测，因而在环境瓶测分析中，气相 色谱法已占有主导地位。 1 9 7 9 年美国环保局( e p a ) 公布了水中1 2 9 种优先检测的污染物，其中1 1 4 种有机污染物推荐使用g c 或g c m s 法进行定性和定量分析。水质监测工作是 我国环境监测工作中开展最早且监测项目类别最多的一项工作。在我国环境保护 相关立法工作中，中华人民共和国水污染防治法( 1 9 8 4 0 5 1 1 ) 是颁布最早 的一部环境法规，至1 9 8 9 年我国正式确定的“中国环境优先监测污染物黑名单” 中，包括1 4 种类别共6 8 种有毒化学物质，其中5 8 种是有机污染物，显然色谱 法在环境分析中占有重要地位1 5 3 l 。因而同年我国将g c 法规定为水中硒、苯系物、 挥发性卤代烃、氯苯类、六六六、d d t 、有机磷农药、有机磷农药总量( 试行) 、 三氯乙醛( 试行) 和硝基苯类等污染物的分析方法，紧接着又将其定为测定水中 六六六、d d t 及苯系物的标准分析方法【5 4 _ 5 _ 7 】。 在目前我国的环境监测分析中，测定水样品多采用填充柱气相色谱，而毛细 管柱具有柱效更高、分离效果更好等特点，使用它进行环境污染物的测定在国内 云南师范大学硕士学位论文2 0 0 5 外已有报道1 5 8 一砷1 。在本论文的最后一部分，我们使用自行涂渍的新型毛细管气 相色谱柱，对水源水中的苯系物、酚类化合物等污染物组分进行了定性和分离。 1 5 本论文的主要内容 由于手性分离的意义重大，又有作用机理复杂，针对性强的特点，而手性色 谱法又是重要的手性分离方法之一，故设计和发展高效的手性色谱固定相日益成 为该领域的研究热剧1 8 】。纤维素衍生物做为手性固定相具有稳定性好、样品容 量高、选择性强等几大优点和特质，使其拥有了巨大的开发和应用潜力。目前， 多种类型的纤维素类液相色谱手性柱已商品化，并广泛应用于手性化合物的分析 和分离技术中，但应用于气相色谱分析却未见报道。本课题组的主要的实验目的 是寻求性能优良价格又便宜的手性分离材料，并将其适用面拓宽，用于多种色谱 分离。基于此，在实验室合成的众多新型手性分离材料中，本文选出了四种：三 种纤维素衍生物和一种手性离子液体，首次作为毛细管气相色谱手性固定相并初 步研究了它们的手性分离性能。 本实验前期通过制备一些常规的毛细管柱严格训练了制柱的技能和技巧，接 下来详细研究了四种新型手性分离材料的性能和特点，反复选择和优化了配制固 定液的溶剂系统、制柱的温度和时间等一系列具体实验条件，最终制备出四种新 型的手性毛细管气相色谱柱。实验的后期工作即利用上述四根手性柱分别对2 5 种典型的手性样品进行拆分，最后阶段利用自制的离子液体毛细管柱，对环境水 源水样品进行了分离检测，证明了它在环境分析中同样具有相当的实用性。 综上所述，本论文主要做了以下几方面工作： ( 1 ) 采用多种不同极性的固定相，用静态法制备了一系列毛细管柱，并对 其涂渍性能、耐久性、极性等基本柱性能进行考察。 ( 2 ) 首次把三种纤维素类衍生物和一种手性离子液体应用于气相色谱，用 作手性固定相，制备了四根新型手性色谱柱，分别对2 5 种典型的外消旋化合物 进行拆分，摸索出最佳的色谱条件以测试它们的手性分离性能。 ( 3 ) 利用我们涂渍的新型毛细管柱，对环境水源水样品中的部分污染物成 分进行定性分离测定，进一步证实了毛细管气相色谱在环境样品的分析检测方面 有着广阔的、高效的、深远的应用前景。 9 第二章纤维素三( 3 ，5 二甲基苯基氨基甲酸酯) 新型气相色谱固定相的研究 2 1 常规毛细管柱的涂渍及稳定性考察 为训练制备毛细管柱的技能，确保涂渍方法的准确可靠，实验前期阶段先采 用静态法涂渍了三根常规毛细管柱，考察了它们基本的色谱性能和柱稳定性。 2 1 1 静态法涂渍后的柱性能测试 采用静态涂渍法，先选用三种不同极性的固定相进行了涂渍。 固定相的选择：( 1 ) s e 一3 0 ；( 2 ) o v - 1 7 ；( 3 ) o v 1 7 0 1 。这三种固定相涂渍的 毛细管柱的柱性能见表2 - 1 。 表2 - 1 毛细管柱的柱性能( 1 2 0 ) 表2 - 1 中所有固定相的溶液都按0 0 0 4 5 9 m l 配制，从表中数据可见，非极 性固定液的涂渍效果较好，中等极性固定液效果次之。 2 1 2 对毛细管柱稳定性的考察 为了考察毛细管柱的稳定性，上述三根柱在放置一年后，我们再次对其柱性 能进行了测试，然后将两次测试结果进行了比较，如表2 2 所示。 从表2 2 中数据可以看出，以上三根毛细管柱在放置一年后柱效都有所下降， 容量因子值均变小，但三种固定相仍然保持了较高的柱效和较好的分离性能，这 一方面表明了三种固定相具有较高的稳定性，另一方面表明了涂渍工艺的有效 性。柱效的下降可能由众多因素所造成，如测试条件一致性( 包括柱效的测量计 算等) ；固定相本身稳定性( 热稳定性、抗氧化能力等) 和充分老化程度等。 l o 云南师范大学硕士学位论文2 0 0 5 表2 - 2 两次测试的性能比较 柱 柱尺寸第一次测试第二次测试 温 固定相载气线 柱效容量因子 载气线 柱效容量因子 ( m m m i d ) 速度速度 n mkn m k l1 4 7 0 2 51 2 01 3 63 4 0 02 0 01 4 03 1 0 01 9 0 2 1 5 2 0 2 5 1 3 0 1 4 0 2 5 0 02 0 8 1 3 82 1 0 01 9 5 3 1 5 5 x 02 5 1 3 01 4 22 4 1 02 1 01 4 52 0 5 01 9 8 2 2 新型气相色谱固定相研究 2 2 1 纤维素三( 3 ，5 二甲基苯基氨基甲酸酯) 的分子结构和基本特征 纤维素三( 3 , 5 二甲基苯基氨基甲酸酯) 固定相( c d m p c ) 是具有螺旋型 空穴结构的光学天然高分子衍生物，外观呈白色颗粒状，分子量大，熔点高【“l 。 在它的分子中，极性的氨基甲酸酯基团和3 ，5 二甲基苯基围绕着纤维素主链形成 一个手性螺旋槽。槽中靠近纤维素主链的外侧是3 ，5 一二甲基苯基，内侧是手性固 定相的氨基甲酸酯残基。它的这种高级有序的结构在分子识别中起着重要作用。 其分子结构如图2 - 1 所示。 臂 r = c 一 图2 - 1 纤维素三( 3 ，5 二甲基苯基氨基甲酸酯) 的分子结构图 2 2 2 实验部分 2 2 2 1 试剂与仪器 仪器：g c - 9 a 气相色谱仪配氢火焰离子化检测器( 岛滓公司) ；c r - 3 a 积分仪( 岛津公司) ；0 2 5 m i n i d 弹性石英毛细管柱( 河北永年光纤厂) ；台式 自动平衡记录仪( 上海大华仪表厂) 试剂：微晶纤维素( f l u k a ) ；3 , 5 一二甲基苯基异氰酸酯( a c r o s ) ；毗啶( a r ， 经n a 2 c 0 3 干燥并重蒸) ；所有手性化合物购于f l u k a 和s i g m a 公司；o v - 1 7 0 1 购于f l u k a 公司；正构烷烃系列和其他试剂均为分析纯。 1 1 云南师范大学硕上学位论文2 0 0 5 2 2 2 2 纤维素三( 3 ，5 - 二甲基苯基氨基甲酸酯) 固定相的合成 参照文献 6 1 ，6 2 ，本实验室首先合成了新型固定相。步骤如下：取1 克纤 维素，放入1 0 0 m l 烧瓶中，在氮气保护下加入4 0 m l 无水吡啶和4 m l 3 ，5 二甲基 异氰酸苯酯，8 俨c 回流2 4 h 。然后减压蒸除溶剂，余物倒入5 0 0 m l 甲醇中，收 集白色沉淀，6 0 q c 真空干燥5 h ，即得产物纤维素三( 3 ，5 二甲基苯基氨基甲酸酯) ， 简称为“c d m p c ”( 以下同) 。合成路线如图2 2 。 p y r i d i n e r c 一。 s 乙酸二氢香芹酯 。m 蜘m c a “，a c e t a t e h ：s c q 7 乞寻。 4 a 一甲苄胺 a - m e t h y l b e n z y l a m i n e 5 1 - 环己基乙基胺 1 - c y c l o h e x y l e t h y l a m i n e 6n - 苄基- 1 - 苯乙胺 n - b e n z y l 一1 - p h e n y l e t h y l a m i n e 斟h o 7 ( n ，n ) = 甲基1 - 苯乙胺 畔，毗。h y l 1 。二h 3 弋ch 。， p h e n y l e t h y m i n e “3 香芹酮 9葑酮 1 1 丙氨酸 1 2缬氨酸 c a r v o n e f e n c h o n e c a m p h o r a l a m i n e v u i n e ：投吼 争a c 好夺o c 吼h a q h 2 h 3 c g c o o h h h k 。8 。 一 啡 恭 重要些蔓盔兰堡圭堂垡笙塞! 唑 1 3 亮氨酸leucinc气。一：生! 。 一 1 4 异亮氨酸 1 5 1 , 8 萜二烯 香茅醛 2 一己醇 1 8 b 一香茅醇 薄荷醇 l s o l e u c i n e c i t r o n e l l a l 2 h e x a l l o l b c i t r o n e l l o l m e n t h o l 2 01 - ( 1 - 萘基) 乙醇 1 一( 1 - n a p h t h y l ) e t h a n o l 2 1 异松蒎醇l s o p i n o c a m p h e o l 2 2 1 茚满醇 2 3里哪醇 1 i n d a n o l l i n a l o o l 2 42 甲基一1 - 丁醇 2 - m e t h y l 1 - b u t a n o l 2 5 2 - 苯基一1 - 丙醇 2 - p h e n y - l - p r o p a n o l h 2hv h 2 h 3 c _ c l 尊- c 0 0 “ c h 一 1 6 一墨堕堑翌查堂堡兰垡兰塞! 唑 表2 - 7 2 5 种手性化台物在1 。新型柱+ 上的拆分情况 堂! 量丝些鱼塑娶：旦 生垒 1 ( ) - 玫瑰醚7 51 4 1 1 0 4 ( + ) m - 羟基异丁酸甲酯 ( ) - 乙酸二氢香芹酯 ( + ) _ a - 甲苄胺 ( ) - 1 - 环己基乙基胺 ( + ) - n - 苄基一1 一苯乙胺 ( ) ( n n ) 一二甲基一1 - 苯乙胺 ( + ) - 香芹酮 ( 玲葑酮 ( 母樟脑 d l 丙氨酸一 d l - 缬氨酸” d l 广亮氨酸一 d l - 异亮氨酸” ( * - h a ，8 一萜二烯 ( ) - 香茅醛 ( ) - 2 一己醇 ( + ) - b - 香茅醇 ( ) - 薄荷醇 ( - ) - 1 - ( 1 - 萘基) 乙醇 ( ) 异松蒎醇 ( + ) - 1 茚满醇 ( ) _ 里哪醇 ( ) 2 甲基- 1 一丁醇 ( ) 2 苯基- 1 一丙醇 1 1 5 7 柱长：2 9 8 m ；最佳线速度：1 2 1 7 c m s 。1衍生为n 三氟乙酰基氨基酸异丙酯 在上述手性化合物中，由于氨基酸挥发性差，一般难以直接进行气相色谱分 析，必须将其转变成挥发性较大的衍生物后才能满足气相色谱分析要求。现在常 m m m m | 肿 m m m m 肿 m 眇 毗 毗 m m m 眦 m 叭 毗 埘 吣 懈 m 枷 啪 嗍 m 啉 咖 堋 咖 耋 蝴 协 协 瑚 嘛 l 。 瑚 瑚 瑚 瑚 鲫 瑚 帅 帅 踮 瑚 = 2 虻 瑚 螂 踮 m ：2 如 ： ， 0 ， o ， 0 ， m “ 挖 n h 坫 拍 ” 墙 曲 孔 控 m 笛 云南师范人学硕士学位论文2 0 0 5 用的方法是将氨基酸中的氨基和羧基分别进行衍生化，一般是将氨基进行三甲基 硅烷或三氟乙酰化，将羧基酯化，即氨基酸转化为n 三甲基硅烷基或者n 三氟 乙酰基氨基酸甲酯、乙酯、正( 异) 丙酯、正( 异) 丁酯等挥发性衍生物，就可 以用气相色谱法进行分析。我们采用的是较常用的n 三氟乙酰基氨基酸异丙酯 的制法 2 9 1 ：将氨基酸样品( - 香芹酮 1 1 0 1 , 0 01 0 1 9 ( ) 一葑酮 7 0 1 3 31 0 1 1 0 ()-樟脑80 1 3 9 1 0 1 1 1 d l - 丙氨酸 8 00 6 5 1 0 0 1 2d l - 缬氨酸 1 0 01 1 8 1 - 0 0 1 3d l 亮氨酸 1 1 01 2 8 1 0 6 1 4d l - 异亮氨酸 1 1 00 8 4 1 0 2 1 5 ( ) _ 1 ，8 萜二烯 7 01 , 1 0 1 0 0 1 6 ( 卜香茅醛 7 5 0 9 31 0 1 3 3 云南师范大学硕士学位论文 2 0 0 5 柱长：3 0 8 m ；最佳线速度；1 2 - - 1 7 c m s 。1 ，衍生为n - 三氟乙酰基氨基酸异丙酯 表4 3 显示，3 + 新型柱的手性识别能力尚可。被拆分的手性化合物中：乙酸 二氢香芹酯、b 羟基异丁酸甲酯和亮氨酸的分离效果较好，有较大的a 值，其 它被分离的化合物拆分程度较小。 对几种手性化合物的分离实例。 02468 1 01 21 4 t m i n 图4 - 3( ) - 乙酸二氢香芹酯在，新型柱上的分离 色谱条件：载气：n 2 ，流速：1 7 0t i n s ， 柱温：1 0 0 “c 云南师范大学硕士学位论文 t r a i n 图4 4 ( ，b 羟基异丁酸甲酯在3 + 新型柱上的分离 色谱条件：载气：n 2 ，流速：1 4 8 c m , s 一， 柱温：9 0 。c 0z4t5 t m i n 图4 _ 5d l - 亮氨酸在r 新型柱上的分离 色谱条件： 载气：n 2 ，流速：1 7 0 c m s - 1 ， 柱温：1 1 0 。c 由图4 3 到图4 - 5 可看出，3 ”新型柱对部分外消旋化合物有一定的拆分效果， 特别对酯类和氨基酸分离效果较好。 云南师范大学硕士学位论文 2 0 0 5 4 4 本章小结 3 新型固定相为中等极性，具有一定的手性识别能力，主要是三醋酸纤维素 所起作用。由实验结果知：三醋酸纤维素固定相( c t a ) 对部分外消旋化合物有 一定的拆分效果。它螺旋型的分子结构中存在许多手性空腔，对映体进入手性空 腔进行多次作用从而达到手性识别。它的手性吸着点估计是酯化后的羰基，与样 品分子间存在着氢键作用、丁【兀相互作用【7 5 , 7 6 , 7 7 。 本章我们初步研究了将三醋酸纤维素和o v - 1 7 0 1 混合，用作新型色谱固定 相的手性色谱分离能力。结果表明，三醋酸纤维素固定相具有一定的手性识别能 力，但与前两种固定相相比，手性拆分效果显然不如前两者。可能是由于前两种 分子中除羰基外，还都含有氨基，它与样品分子也可发生氢键作用，而氢键在这 类手性固定相的识别中起重要作 7 5 , 7 6 , 7 7 。另外，前两种纤维素衍生物均弓i , x t 苯基，而苯基又可与样品分子中芳香基团发生兀- 兀相互作用进一步提高手性识别 能力。 综上所述，这三种纤维素衍生物均具有一定的手性识别能力，分子中最重要 的作用点是羰基，苯基的引入也有利于提高手性识别能力，并且苯环上的取代基 对手性识别也有一定影晌【7 5 蕊矧。 云南师范丈学硕士学位论文2 0 0 5 第五章手性离子液体气相色谱固定相的研究 5 1 手性离子液体的简单介绍 离子液体是有机熔融盐【3 7 1 ，因其离子具有高度不对称性，而难以密堆积， 阻碍其结晶，因此常温下为液体，熔点较低。由前述可知，离子液体作为气相色 谱固定相有相当大的研究价值和潜力，而本课题组的实验目的也是寻求新型的性 能优良的手性色谱分离材料。基于此出发点，我选用本实验室合成的一种手性离 子液体，即阳离子上有手性的离子液体( 结构式见下图5 1 ) 。把它作为固定相 首次应用于气相色谱，测试其色谱性能，并对多种手性化合物和一系列难分离的 含苯环的物质对及双取代位置异构体进行了分离，效果良好。此手性离子液体的 结构式如下： 。1 厂弋。 ( c f a s o t ) 2 n 图5 1手性离子液体的结构式( 为手性部分) 常温下它为液体，在2 0 c 时黏度为1 5 5 c p ，是较低的；到1 5 0 c 高真空下 ( 0 1 p a ) 仍稳定。m p 1 8 。c 我们选用此离子液体作为矿新型手性固定相研究其色谱性能。 5 2 实验部分 5 2 1 仪器与试剂 g c 9 a 气相色谱仪配氢火焰离子化检测器( 岛津公司) ；c r 3 a 积分仪( 岛 津公司) ；台式自动平衡仪( 上海大华仪表厂) ；o 2 5 m m i d 弹性石英毛细管柱 ( 河北永年光纤厂) 。 o v 1 7 0 1 、2 - 氨基1 一丁醇、硫酸二甲酯、三氟甲基硫酸胺锂盐购于f l u k a 公司；其他试剂均为国产分析纯。 3 7 云南师范大学硕士学位论文2 0 0 5 5 2 2 仪器条件 汽化室温度：2 0 0 。c ；检测室温度：2 0 0 。c ；载气：n 2 ；分流比：8 0 ：1 尾吹气：n 2 ，6 0 m 1 m i m 燃烧气：h 2 ，5 0m l j m i n ；助燃气：a i r ，5 0 0m l m i n 。 5 2 34 ”新型手性固定相的合成 参照文献 3 7 1 ，合成手性离子液体， n h 2 n 4 - h c h o m e s 0 4 o h l i ( c f 3 s o z h n1 具体合成路线见下述方程式： n h c h o 。1 厂、l ，。 图5 - 2手性离子液体合成路线图 ( c f 3 s 0 2 ) 2 n l j 5 2 4 石英毛细管柱的涂渍 将一根2 7 8 m 的上述弹性石英毛细管柱在2 4 0 c 下通n 2 吹2 h ，然后采用静 态法涂渍毛细管柱1 6 3 1 。选用丙酮作溶剂，先配制总质量浓度为0 0 0 4 5 9 m l 的固 定液，溶液进行超声波脱气处理。