溶胶-凝胶环糊精气相色谱技术在手性农药分析中的应用.doc

国家自然科学基金申 请 书(2010版) 您现在不能检查保护文档或打印文档，请根据以下三个步骤操作： 1)如果您是Word2000,word XP, word 2003或以上版本用户，请把Word宏的安全性设为:中 方法: Word菜单-工具-宏-安全性-安全级,设置为中 (如果您是Word97用户，继续执行以下步骤) (如果您是Office2007用户，点击word左上角安全警告处选项中的启用此内容) 2)关闭本文档，重新打开本文档 3)点击启用宏按钮，即可开始填写本文档或打印了资助类别：青年科学基金项目亚类说明： 附注说明： 项目名称：溶胶-凝胶环糊精气相色谱技术在手性农药分析中的应用申 请 人： 电话： 依托单位： 通讯地址： 邮政编码： 单位电话： 电子邮箱： 申报日期： 2010年3月16日国家自然科学基金委员会基本信息1oD2/F3e申 请 人 信 息姓名性别出生年月民族学位职称助理研究员每年工作时间（月）8 电话电子邮箱传真 国别或地区中国个人通讯地址工作单位主要研究领域 依托单位信息名称联系人电子邮箱电话网站地址合作研究单位信息单 位 名 称项 目 基 本 信 息项目名称资助类别青年科学基金项目 亚类说明 附注说明 申请代码B020802:手性分离化学 基地类别农研究年限2011年1月 2013年12月研究属性应用基础研究 申请经费18.0000万元摘 要(限400字)：建立高效、灵敏、简便的手性农药对映体的分析方法是研究手性农药异构体与活性的关系、测定有效体与无效体的比例、以及在环境和生物转化过程中对有效体进行监控的关键。但是由于手性农药的分子量通常较大，低温下不易气化，因此难以用气相色谱进行分析检测。为了解决这一问题，本项目拟合成新的环糊精类手性固定相并采用溶胶凝胶法制备气相色谱手性柱，使之兼有环糊精气谱柱的手性选择性和溶胶凝胶气谱柱的热稳定性，对手性农药对映体进行分离分析，改变以往极少用气相色谱分析检测手性农药对映体的局面，为研究手性农药各对映体在生物体和环境中的立体选择性提供必要的分析手段。关 键 词(用分号分开，最多5个)溶胶凝胶；环糊精衍生物；气相色谱；手性农药 项目组主要参与者（注: 项目组主要参与者不包括项目申请人，国家杰出青年科学基金项目不填写此栏。）编号姓 名出生年月性别职 称学 位单位名称电话电子邮箱项目分工每年工作时间（月）总人数高级中级初级博士后博士生硕士生4112说明: 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请人负责填报（含申请人），总人数由各分项自动加和产生。经费申请表 （金额单位：万元）科目申请经费备注（计算依据与说明）一.研究经费15.70001.科研业务费4.7000（1）测试/计算/分析费1.0000红外、核磁、高分辨质谱等测试费（2）能源/动力费1.2000水费、电费（3）会议费/差旅费1.0000参加学术会议（4）出版物/文献/信息传播费1.5000文学检索费、复印费、版面费（5）其他2.实验材料费10.5000（1）原材料/试剂/药品购置费10.5000实验药品、有机溶剂、毛细管柱（2）其他3.仪器设备费0.5000（1）购置0.5000添加少量玻璃仪器（2）试制4.实验室改装费5.协作费二.国际合作与交流费0.00001.项目组成员出国合作交流2.境外专家来华合作交流三.劳务费1.8000研究生劳务费四.管理费0.5000合 计18.0000与本项目相关的其他经费来源国家其他计划资助经费其他经费资助（含部门匹配）其他经费来源合计0.0000报告正文第 5 页 （一）立项的依据与研究内容1 项目的立项依据目前使用的农药中，具有手性的农药约占四分之一的比例，其中绝大多数仍然以外消旋体生产和使用，低活性或无活性异构体不仅不能有效地防治作物病虫草害、浪费人力物力，而且污染环境、降低农产品质量，还可能产生毒副作用，以及导致药害1。在日益倡导环境保护与可持续发展的今天，光学纯高活性农药的开发和使用便显得极为迫切。要研究手性农药各单一光学异构体结构与活性的关系，测定外消旋体中有效体与无效体的比例，以及在环境和生物转化过程中对有效体进行监控，都要求对手性农药进行分离分析。这类分析检测工作一般是用色谱手段尤其是以在色谱手性固定相上的直接分离来实现，其中气相色谱手性固定相法以其快速、灵敏、分离性能好、定量准确、不使用有机溶剂等优点引起人们的关注，在气相色谱手性分离研究中发展最快、应用最广的手性固定相是各种类型的环糊精衍生物。环糊精（CD）独特的空腔结构和分子本身具有多个手性中心，使之具有良好的手性拆分能力。齐素华等合成了全甲基、全戊基环糊精衍生物固定相，并将两种固定相混涂于毛细管柱中用于手性化合物的分离，发现混合固定相对于一些手性化合物的分离效果要好于单一的固定相2。尹明明等用3种2,6-O-烯丙基-3- O-酰基-环糊精作为毛细管气相色谱手性固定相，对15对环丙烷衍生物对映异构体进行拆分，发现分离结果同固定相和溶质的结构与性质均有关3。Takahisa等以2,3-O-甲氧甲基-6-O-叔丁基二甲基硅烷基-CD作为气谱手性固定相，对脂肪醇、酮、内酯等外消旋手性化合物进行分离，获得了良好的分离结果4。Agasse等将环糊精6位单羟基取代为不同基团、其余羟基全部取代为甲基作为气谱手性固定相，分离了脂肪醇、内酯、内酰胺等大量的手性化合物5。Panik等将2,6-O-甲基-3-O-戊基-CD和2,6-O-甲基-3-O-戊基-CD作为气谱手性固定相分离了8种乳酸衍生物，并通过热力学数据得出化合物取代基的结构决定其在手性固定相上的分离结果的结论6。史雪岩等以苄基、庚基和辛基为衍生基团，并变换它们在-CD上的衍生位置制备了几种气相色谱手性固定相，分离了大量环氧化合物和环丙烷类化合物7-8。尽管人们已经合成了许多类型的环糊精衍生物并分离了大量手性化合物，但是对于自然界众多的手性化合物来说，目前的固定相还远远不能满足手性拆分的需要，继续设计和合成各种具有特定结构的、新的环糊精固定相，以满足分离不同手性化合物的需要仍具有重要意义。但是，使用气相色谱进行手性农药分离具有一个无法克服的缺陷，那就是传统的手性气谱柱的制备方法是将固定相涂敷在毛细管内壁上，高温下固定相的流失较为严重，因而这些手性柱的最高允许使用温度往往不能很高。而手性农药的分子量通常较大，低温下又不易气化，因此手性农药对映体难以用气相色谱进行分析检测。采用溶胶凝胶法制备的手性气谱柱可以解决这个问题，它的原理是将环糊精分子中裸露的羟基通过硅烷试剂和毛细管内表面的硅羟基键合起来，从而达到将环糊精分子以化学键的形式固定在毛细玻璃管内壁上，避免了高温下固定相的流失，使手性柱能承受更高的温度。另外，由于溶胶凝胶柱的内表面具有凹凸不平的多孔结构，增加了其比表面积，因而增加了与样品的接触面，可使其柱容量增加三倍左右，这更有利于对环境中微量农药残留的分析检测。1997年王东新与Malik首次研制出溶胶凝胶毛细管气相色谱柱，该色谱柱在热稳定性、柱容量、分离性能等方面都表现出优良的性能，可在高达400以上的温度下使用。此后，北京理工大学的葛晓霞和李良采用溶胶凝胶法制备了全烷基-CD和2,6-O-苄基-CD毛细管气相色谱柱，分离了苯衍生物的位置异构体9-10。迄今为止，将溶胶凝胶环糊精气相色谱法用于手性分离的报道仅有两例，而将其用于手性农药分离方面的研究国内外均未见报道。王东新以环糊精与低聚硅氧烷的共聚物为固定相制成了溶胶凝胶毛细管气相色谱柱，并对手性内酯进行了分离11-12。梁敏敏用全烷基环糊精溶胶凝胶毛细管柱，分离了手性化合物香芹酮、薄荷醇、樟脑和柠檬油精13。在前期研究基础上，本课题拟合成新的环糊精固定相2,6-O-甲氧甲基-CD、2,6- O-乙氧甲基-CD、2,6-O-丙氧甲基-CD，再采用溶胶凝胶法制备气相色谱手性柱，使之兼有环糊精气谱柱的手性选择性和溶胶凝胶气谱柱的热稳定性，对手性农药对映体进行分离分析，改变以往极少用气相色谱分析检测手性农药对映体的局面，为研究手性农药各对映体在生物体和环境中的立体选择性提供必要的分析手段。参考文献：1 刘维屏，徐超，周珊珊. 手性污染物与环境安全. 环境化学，2006，25（3）：2472512 Qi S H，Ai P，Wang C. The characteristics of a mixed stationary phase containing Permethylated-CD and Perpentylated-CD in gas chromatography. Separation and Purification Technology，2006，48（3）：3103133 尹明明，史雪岩，边庆花，王敏. 毛细管气相色谱手性固定相2,6-O-烯丙基-3-O-酰基-环糊精对环丙烷衍生物对映体的拆分. 分析化学，2005，33(12)：174717494 Takahisa E，Engel K H. 2,3-di-O-methoxymethyl-6-O-tert-butyldimethylsilyl- cyclodextrin a useful stationary phase for gas chromatographic separation of enantiomers. J. Chromatogr A，2005，1076（1）：1481545 Tisse S，Agasse V P，Cardinael P. Capillary gas chromatographic properties of three new mono-ester permethylated -cyclodextrin derivatives. Anal.Chim.Acta.，2006，560（1）：2072176 Spanik I，Zebrowski W，Majek P. GC separation of 2-substituted ethyl propionate enantiomers on permethylated and 2,6-dimethyl-3-pentyl - and -cyclodextrin stationary phases. J. Sep. Sci.，2005，28（12）：134713567 Shi X Y，Guo H C，Wang M. Enantioseparation of chiral epoxides using four new cyclodextrin derivatives as chiral stationary phases of capillary gas chromatography. Anal.Chim.Acta.，2005，553（1）：43498 Shi X Y，Liang P，Gao X W. The capillary gas chromatographic properties of four -cyclodextrin derivatives with allyl groups or propyl groups on 3-position or 6-position of -cyclodextrin. Anal.Chim.Acta.，2005，548（1）：86949 葛晓霞，齐美玲，李良，华菲，邵青龙，傅若农. 溶胶凝胶法制备四种环糊精衍生物毛细管气相色谱柱. 色谱，2005，23（3）：30530710 李良，史雪岩，戴荣继，邓玉林，傅若农，顾峻岭. 溶胶凝胶法制备全丙基-环糊精毛细管气相色谱柱. 分析化学，2004，32（3）：28929411 王东新. 环糊精聚硅氧烷共聚物溶胶凝胶气相色谱毛细管柱分离特性研究. 分析化学，2005，33（8）：1095109912 王东新，Abdul Malik. 接枝聚硅氧烷环糊精固定相溶胶-凝胶毛细管气相色谱柱分离内酯对映体. 分析化学，2007，35（3）：36036413 Minmin Liang，Meiling Qia，Changbin Zhang. Peralkylated-cyclodextrin used as gas chromatographic stationary phase prepared by sol-gel technology for capillary column. J. Chromatogr A，2004，1059（1-2）：111119 2 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题2.1 研究内容（1） 合成新的环糊精衍生物2,6-O-甲氧甲基-CD、2,6-O-乙氧甲基-CD、2,6-O-丙氧甲基-CD。（2）将所合成的固定相采用溶胶凝胶法制备气相色谱手性柱。考察制柱过程中固定相浓度、反应时间、催化剂用量、pH值等因素对手性柱的柱性能和手性分离性能的影响，优化环糊精溶胶凝胶手性柱的制备条件。（3）用所制备的手性气相色谱柱对苯氧羧酸类除草剂、拟除虫菊酯类杀虫剂、三唑类杀菌剂等手性农药对映体进行分析检测，并建立相应的气相色谱分析方法。2.2 研究目标（1）合成手性分离能力强、分离适用范围广的新的环糊精手性固定相。（2）确定各环糊精溶胶凝胶手性柱的最佳制备条件。（3）为手性农药找到高效、灵敏、快速、简便的气相色谱分析方法。2.3 拟解决的关键科学问题（1）环糊精衍生物的纯化与表征由于环糊精分子中含有数量众多的反应性质和活性相似的羟基，对其衍生化后产生了一系列组成相近、取代度和取代位置略有不同的混合物，所以对环糊精衍生物的纯化和表征是一个难点。（2）手性柱制备条件的优化与选择手性气相色谱柱制备过程中的固定相浓度、反应时间、催化剂用量、pH值等因素对手性柱的柱性能和手性分离性能都具有影响，因此针对每一种环糊精手性固定相选择最佳制备条件尤为重要。3 拟采取的研究方案及可行性分析3.1 拟采取的研究方案（1）固定相的合成根据环糊精分子中2,3,6-位羟基活性的不同，控制反应条件，将环糊精2,6-位羟基上的氢取代为不同链长的醚，合成新的环糊精衍生物。（2）手性气相色谱柱的制备首先将环糊精衍生物和3-(2,3)-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷在一定溶剂中反应数小时，接着加入单体四甲氧基硅烷和催化剂盐酸溶液，然后将混合物超声搅拌，离心分离，滤去沉淀物。再把清液填充到毛细管柱中，在柱中保持一段时间后，将柱内液体吹出，最后程序升温进行老化。 让固定相含活性端羟基。 单体的水解和缩聚。 固定相与溶胶凝胶网状结构进行缩合。 产物再与毛细管内壁上的硅羟基缩合。（3）手性农药的分离分析用所制备的手性气谱柱对目前国内大面积使用的，具有代表性和广谱性的手性农药进行分析检测并建立分析方法：苯氧羧酸类除草剂。吡氟氯禾灵、吡氟禾草灵、喹禾灵等；拟除虫菊酯类杀虫剂。氯氟氰菊酯、氯氰菊酯、甲氰菊酯等；三唑类杀菌剂。三唑酮、三唑醇、戊唑醇等。3.2 可行性分析（1）理论上可行。环糊精衍生物独特的空腔结构以及分子本身具有多个手性中心，使其具有良好的手性分离能力；溶胶凝胶法将环糊精分子以化学键的形式固定在石英毛细管内壁上，使色谱柱能承受更高的温度。因此，该气谱柱