论文总字数：22654字

摘 要

环糊精因具有内腔疏水而外部亲水的特性，与很多有机和无机分子形成包合物及分子组装体系，使得其在色谱固定相研究领域中占有重要地位。环糊精衍生物具有比母体环糊精更优良的特性，已广泛应用于化合物的气相色谱分离中。

针对2,4-二甲酚和2,5-二甲酚同分异构体体系，本文自制了全甲基-β-环糊精毛细管色谱柱，与稀释剂OV-1701复配，显示了很好的协同作用，建立了2,4-二甲酚和2,5-二甲酚同分异构体体系的气相色谱检测方法。该法能较好分离2,4-二甲酚、2,5-二甲酚，且分析准确迅速。色谱柱为0.25 mm × 30 m × 0.5 μm。色谱条件：汽化室温度为220 ℃，检测室温度为220 ℃，柱温为160 ℃，分流比为200:1， FID检测。

关键词：毛细管色谱柱 环糊精 2,4-二甲酚

Analysis of 2,4-xylenol by Gas Capillary Chromatography

Abstract

Cyclodextrins are able to form host-guest complexes or molecular assembly system with many organic and inorganic molecules, with their features of lumen hydrophobicity and outside hydrophilia. Because of the unique property imparted by their structure, it has a very important position in the research field of chromatographic stationary phase. Being better characteristics than the maternal cyclodextrin, cyclodextrin derivatives have been widely used in the gas chromatographic separation of the compounds.

In view of 2,4-xylenol and 2,5-xylenol isomers system, the responding analysis methods were developed with self-made permethylated β- cyclodextrin capillary column. It shows synergistic effect well with OV-1701 used as the thinner. The analysis methods of 2,4-xylenol and 2,5-xylenol were effective and accurate. The size of chromatographic column was 0.25 mm × 30 m × 0.5 μm. The experiment conditions were as follows: the injection and detection temperature were 220 ℃, oven temperature was 160 ℃, split ratio was 200:1, FID detector.

Key words: Capillary chromatographic column; Cyclodextrin; 2,4-xylenol

目录

摘要 I

第一章 文献综述 2

1.1引言 2

1.2 毛细管色谱固定相简介 4

1.2.1常用固定液 4

1.2.2特殊固定液 5

1.3 本课题研究意义 8

第二章 气相色谱基本理论 10

2.1 毛细管柱气相色谱柱性能评价 10

2.1.1 塔板理论 10

2.1.2 分离度 10

2.1.3 拖尾因子 11

2.1.4 液膜厚度 11

2.2毛细管柱气相色谱条件的选择 11

2.2.1 色谱柱的选择 12

2.2.2 载气的选择 13

2.2.3 温度的选择 13

2.2.4 分流比和尾吹 14

2.3色谱定性和定量分析方法 15

2.3.1 色谱定性分析方法 15

2.3.2 色谱定量分析方法 16

第三章 实验部分 19

3.1 全甲基-β-环糊精固定相的合成 19

3.2 试剂和仪器 20

3.2.1 试剂 20

3.2.2 仪器 20

3.3毛细管色谱柱的制备 21

第四章 色谱柱性能检测结果与讨论 23

4.1毛细管色谱柱的柱效检测 23

4.2 讨论 28

第五章 结论 29

致谢 32

第一章 文献综述

1.1引言

色谱分析法是一种分离分析手段。它广泛应用于药学、医学、生物学、化工生产等领域。 色谱分析法按两相分类，可分为气相色谱法、气固色谱法和气液色谱法等。本实验使用的是气相色谱法，所以重点介绍气相色谱法。

气相色谱法是利用不同物质在不同相态的选择性分配，以流动相对固定相中的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。对于该种方法，分离是核心，因此担负分离作用的色谱柱是色谱系统的心脏。

莫国莉^[1]等人在其文献中提到，1903年俄国植物学家Tswett用一根填充碳酸钙的柱子，以石油醚为流动相使绿叶浸取液中不同色素分离成单独的谱带。这标志着色谱法的诞生。 而毛细管柱气相色谱法是由美国学者Golay^[2]在填充柱气相色谱法的基础上提出来的。他最初用聚乙烯毛细管考察了空气峰的分离情况，并成功地在金属毛细管内壁涂渍了一层极薄而均匀的聚乙二醇的固定液，使用热导池检测器首次实现了毛细管气相色谱的分离。由于这种柱子的固定液涂在内壁上中心是空的，故称为开管柱，习惯上称为毛细管柱。它与传统的填充柱相比在分离效率和分析速度方面都有了新的提高。其柱效率比其他的填充柱大约提高了7~8倍^[3]。1957年，Golay在国际气相色谱研讨会上，报告了他的研究成果，首次从理论上分析了影响柱效的因素，并发表了第一篇关于毛细管柱气相色谱柱的报告，该报告标志着毛细色谱管色谱法的诞生。1958年，在第二届国际色谱讨论会上,他又提出了壁涂毛细管柱色谱的动力理论，展示了分离间、对二甲苯和己烷异构体的色谱图^[4]。他的研究成果奠定了毛细管气相色谱基础。

1959年Scott更成功地采用尼龙为柱材料，制作出了不同长度和不同内径的毛细管柱^[5]。60年代就几乎完全用金属毛细管柱涂渍固定液，它具有价格便宜，易得固有机械强度好等优点，但缺点是内壁活性大。到了70年代就开始改用玻璃材料制作毛细管柱。1979年，Dandeneau和Zerenner在国际第二次毛细管报告会上提出的弹性石英毛细管色谱柱，他们用熔融二氧化硅即弹性石英毛细管柱做毛细管的研究，从此毛细管的制备又达到了一个新的水平。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^[6-7]。因此到80年代后期石英毛细管柱已逐步取代了玻璃毛细管柱而成为现今最佳的毛细管柱材料。无论玻璃或石英毛细管柱,在涂渍过程中要得到高柱效,固定液必须在柱内表面形成一个均匀的、完整的牢固液膜。因此,要使玻璃或石英柱上的固定液具有好的涂渍,必须对毛细管内壁进行各种处理,即提高它表面具有的临界表面张力,以便提高它的可湿润性。以及随后在上世纪80年代研究开发了多种优良的毛细管色谱固定相和毛细管壁处理工艺,使得毛细管的制备又上了一个新的台阶。

之后，色谱工作者对新型气相色谱固定相、毛细管柱内壁改性、固定相涂渍方法等进行了大量的研究和应用。经过几十年的不断发展和完善，目前毛细管色谱已成为分离复杂多组分混合物、及多项目分析的主要手段。

随着毛细管柱气相色谱法的发展，目前已有了大量商品化的常规毛细管色谱柱，如：SE-30（100%甲基聚硅氧烷）、SE-54（5%苯基 95%二甲基聚硅氧烷）、PEG-20M（聚乙二醇-20000）、XE-60（50%腈丙甲基 50%苯基甲基聚硅氧烷）等等。

在实际工业分析中，同分异构气相色谱分析是公认的分析难题。同分异构体体系的主要特点是结构相似、沸点相近，有的沸点相差甚至不超过1℃。2,4-二甲酚、2,5-二甲酚等同分异构体的沸点数据见表1-1 。同时同分异构体体系中的一些杂质如酸、碱等会与色谱柱固定液反应，从而使得同分异构体难以分离，或峰形不好，影响结果。

表1-1 甲酚、二甲酚同分异构体的沸点

Table 1-1 The boiling points of cresol and dimethyl phenol isomers

异构体化学品在医药、农药、化工等领域中应用广泛，研究异构体的分析方法对于生产和产品质量检测具有重要意义。本实验研究毛细管色谱柱对2,4-二甲酚的分析。在甲酚体系中，采用常规色谱柱分析比较困难，尤其对2,4-二甲酚和2,5-二甲酚混合物的分析更加困难，它们沸点相差很小。常规的SE-30和SE-54毛细管色谱柱对二甲酚中的2,4-二甲酚和2,5-二甲酚无分离效果。而由于环糊精特殊的空腔结构，对间、对位异构体有特殊的选择性，与SE-30与SE-54复配，显示出协同效应，能够很好的分离混酚体系。故研究用环糊精毛细管色谱法来分离2,4-二甲酚和2,5-二甲酚。

1.2 毛细管色谱固定相简介

色谱固定相是色谱试剂中的重要组成成分。随着气相色谱法发展成为十分普及的分析方法，固定相的应用也越来越普遍。在研究和实际应用中使用过1000多种固定相，成为商品的固定相也有几百种。所以了解气相色谱固定相的结构、性能和应用情况，对进行气相色谱实验和研究是十分必要的。如果说色谱柱是色谱分离的核心，那么色谱柱的灵魂就是固定相。

在建立一个气相色谱法之前，首先要选择一个合适的固定相。气相色谱的固定相分为气-固色谱固定相和气-液色谱固定相。与气-固色谱固定相相比，气-液色谱固定相因固定液种类众多、选择余地大，应用更为广泛。因此，下面着重介绍气-液色谱固定相。

在选择固定相时有以下的要求：

1. 挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，以免流失。
2. 稳定性好，在操作温度下不发生分解。在操作温度下呈液体状态。
3. 对试样各组分有适当的溶解能力，否则被载气带走而起不到分配作用。
4. 具有高的选择性，即对沸点相近的不同物质有尽可能高的分离能力。
5. 化学稳定性好，不与被测物质起化学反应。

1.2.1常用固定液

气-液色谱固定液种类众多，常用的有聚乙二醇类和聚硅氧烷类等。表1-2中列出了常用的气-液色谱固定液。

表1-2 常用气-液色谱固定液

Table 1-2 Commonly used gas-liquid chromatography stationary phase

1.2.2特殊固定液

气相色谱固定相通常是按照样品中各组分沸点不同或样品中各组分在固定相中的溶解度不同来进行分离的。因此分离一些沸点接近且极性相似的同分异构体，是个困难的问题。用一般的物理和化学分析方法很难加以分离测定。因而，需要研究特殊固定液加以分离。但是一些特殊固定液与普通固定液相比，缺点是成膜性差，涂渍困难。但特殊固定液能够对一些特殊异构体进行分析，比如有些固定液能对间位和对位有很好的分离，而普通固定液不能分离。在实际应用中可以把特殊固定液与通用固定液复合使用，兼顾了二者的优点。这些固定液都是同分异构体中的一种构型有特殊作用力的物质，目前研究较多的有液晶、有机皂土、冠醚、环糊精（CD）等等。

1. 液晶

液晶是在一定温度范围内介于结晶固体和“正常”的各向同性液体之间的中间物。它既具有液体的流动相又具有晶体的有序排列。在液晶态的液晶对几何异构体具有特殊的选择性，因而可以在气相色谱分析中用作固定液，分离沸点相近、性质相似的异构体。

方国祯^[8]等人在其文献中说到，1888年Reinitzer F发现了液晶，直到二十世纪五十年代人们才对液晶的应用作了尝试。1963年H.Kelker首先提出用对，对-二甲氧基氧化偶氮苯液晶作为气相色谱固定液分离二甲苯异构体，能成功分离二元取代苯异构体的分离。小分子液晶虽然对很多环芳烃等异构体有较高的选择性，但是这类液晶的性质有其局限性，高温下挥发性大，液膜在、毛细管管壁不稳定，且柱效不高^[9-13]。

高分子液晶是在一定的温度范围内具有液晶特性的高聚物，按液晶分子段所在的位置可分为主链高分子液晶和侧链高分子液晶。目前用于气相色谱固定液的主要是侧链高分子液晶。1982年Finkelmann等人首次把聚硅氧烷侧链高分子液晶作为色谱固定液，克服了小分子液晶涂渍毛细管液膜时稳定性差、柱效低、柱流失严重等缺陷问题^[14-17]。从此以后，液晶固定液从低分子液晶发展到高分子液晶阶段。它既保留了小分子液晶独特的选择性，又提高了柱效和热稳定性，将其涂渍在毛细管柱上可制成交联柱，扩大了液晶相的温度范围。因此，高分子液晶是一种很有希望的固定液。

1. 冠醚

冠醚是一类具有一定大小环腔的大环聚醚化合物，具有王冠状结构，环外沿是亲脂性撑基，环内沿是富电子的杂原子O、N、S等。冠醚因其环上氧原子的高电子云密度及富电子的环腔结构，使它对多种极性化合物，特别是异构体具有独特的选择性。把它应用与毛细管柱上，能够对一些难分离的极性化合物产生较好的分离。

自1967年Pedersen首次发现冠醚能和金属离子形成稳定的络合物之后，冠醚在分析化学中得到了广泛的应用。低分子冠醚在气相色谱中的应用始于1981年。Viglock和Buba Chinkowa将18-冠-6用作气相色谱固定液。1985年，李如松首先在国内报道了低分子冠醚在气相色谱中的应用，他利用苯并-24-冠-8等固定液的填充柱分离了酚和苯的衍生物。Zagorevskava等人则把低分子冠醚涂渍在碳分子筛上分离各种烷烃、芳烃和含氯化合物。傅若农等制备了两种饱和漆酚冠醚固定液，对醇、酚和一些芳香化合物有非常好的分离效果。高分子冠醚在毛细管色谱中的应用是1985年由Fin.D.D首先报道的。最近俄罗斯用双苯并18-冠-6和OV-101作成层状固定液的毛细管柱分离25种有机物有效^[18-20]。但是冠醚和高分子冠醚的合成比较困难，目前还没有出现高分子冠醚的商品柱。

1. 有机皂土

有机皂土是蒙脱土（一种粘土矿物，膨润土的主要成分），用含有16~18个碳原子的烷基铵盐或烷基碱处理后制得的有机络合物。因其对苯的取代异构体有特殊的选择性，可用来分离间、对二甲苯。其分离机理是利用有机皂土的层状结构和被分离物质产生超分子化学效应，对间位异构体有较强的作用力，从而和对位异构体分离开，被分离化合物嵌在有机皂土脂肪胺的烷基链之间。

在应用中，有机皂土一般和DNP，PEGA等固定液复合使用制成填充柱，用于二甲苯，二氯苯以及酚类的分离与分析。因填充柱的柱效低，分离效果不是很理想，尤其当某一同分异构体为高含量时，不能和峰后的微量杂质完全分离。因此，有机皂土固定相涂在毛细管上将很有应用前景。例如:秦金平等^[21]人自行研制了有机皂土( Bentone - 34) 高效石英毛细管色谱柱。建立了对二甲苯中微量杂质的色谱分析方法。该法具有分离效果好,分析速度快的优点。

1. 环糊精

环糊精（cyclodextrin ，CD）是由环糊精葡萄糖残基转移酶作用于淀粉、糖原、麦芽寡聚糖等葡萄糖聚合物形成的，由6~12个D-吡喃葡萄糖单元以α-1,4-葡萄糖苷键连接而成的环状低聚糖。含6、7、8个葡萄糖单元数的环糊精分别称为α-环糊精、β-环糊精和γ-环糊精，其中β-环糊精应用最为广泛。β-环糊精的环状结构如图1-1。

图1-1 β-环糊精的环状结构

Fig.1-1 The circular constructional detail of cyclodextrin column

β-环糊精由7个葡萄糖分子连续成的环状结构化合物。它具有略呈锥形的中空圆筒立体环状结构，在其空洞结构中，外侧上端（较大开口端）由C₂和C₃的仲羟基构成，下端（较小开口端）由C₆的伯羟基构成，具有亲水性，而空腔内由于受到C-H键的屏蔽作用形成了疏水区。利用这个特殊的筒结构，它可以与许多无机、有机分子结合成主客体包合物，并能改变被包合物的化学和物理性质，具有保护、稳定、增溶客体分子和选择性定向分子的特性。其分离机理是利用对位易进空腔，间位不易进入空腔的特性进行分离。在用色谱柱进行分离的时候，则表现为对位保留时间长，间位保留时间短。因而在食品、环境、医药、高分子合成、化妆用品、化学检测等方面都有广泛的应用。

1. 环糊精的改性

所谓改性就是指在保持环糊精大环基本骨架不变情况下引人修饰基团，得到具有不同性质或功能的产物，因此也被称为修饰。改性后的环糊精也叫环糊精衍生物。对天然环糊精进行改性可提高环糊精的不对称度, 使环糊精的手性部分

与客体的手性部分更好地作用, 提高手性识别的程度和应用范围 。同时修饰环糊精可改善其包合性能。

修饰分为两种, 一种为对称取代 ( 如所有的羟基均被取代) 或手性识别是随机取代， 其总体效应为对称取代， 这种取代不会影响或改变环糊精的对称性及其对映选择性; 另一种为单取代或特殊的联合取代 。 这种取代较大程度地提高了环糊精的不对称性并增加了环糊精手性中心与客体手性中心相互作用的可能性, 加强了对映选择性 。

由于α-CD分子空洞孔隙较小，通常只能包接较小分子的客体物质，应用范围较小；γ-CD的分子洞大，但其生产成本高，工业上不能大量生产，其应用受到限制；β-CD的分子洞适中，应用范围广，生产成本低，是目前工业上使用最多的环糊精产品。但β-CD的疏水区域及催化活性有限，使其在应用上受到一定限制。为了克服环糊精本身存在的缺点，研究人员尝试对环糊精用不同方法进行改性，以改变环糊精性质并扩大其应用范围。国内外改性环糊精研究已有长足进展，取得了很多成果。但仍然是一大难点。

1.3 本课题研究意义

环糊精类物质由于其特殊的结构和与手性化合物特殊的作用, 被广泛地用于气相色谱固定相中手性药物、 环境污染物等的分离分析。虽然高分辨气相色谱要求样品挥发性好, 热稳定性高, 限制了其用途, 但其以高效、灵敏、快速、 易于实现、定量准确的特点, 适宜于分离挥发性和热稳定性好的手性化合物。

环糊精类固定相的结构特殊，并且具有良好的拆分性能。因此，环糊精类固定相是目前应用最为广泛的手性固定相之一。环糊精为手性拆分提供了良好的环境。当某些对映异构体样品进入到色谱柱后, 其分子能够进入环糊精的疏水空腔形成包结物, 由于包结物存在的能量差异使得异构体得以拆分。

环糊精及其衍生物固定相在气相色谱手性对映异构体的分离应用范围更广,分离能力更强, 它对医药、农药、环境污染物的分离应用具有重要意义。环糊精衍生物上取代基性质和位置对手性分离有较大影响。但是何位取代基、何种基团选择性最好,目前尚无定论。虽然已对环糊精衍生物作 GC 固定相的分离机理有一些研究, 但尚且无确定解释。由环糊精类固定相的巨大潜力和发展状况，可以预料在今后的发展中, 合成新型的环糊精固定相、对环糊精衍生物的手性分离机理的研究及其在实际应用的研究将会成为非常热门的研究课题之一 。

在实际工业分析中，同分异构体气相色谱分析是公认的分析难题。甲酚、二甲酚是重要的医药染料中间体。在二甲酚体系中，由于2,4-二甲酚甲酚和2,5-二甲酚的沸点非常相近，采用常规色谱柱分析比较困难。环糊精在分离同分异构体上的特性，我们拟采用环糊精衍生物制备特殊毛细管色谱柱，用于二甲酚异构体的分离，并考察其分离性能。

第二章 气相色谱基本理论

2.1 毛细管柱气相色谱柱性能评价

理想的毛细管色谱柱应具有高选择性、高惰性、高柱效和高热稳定性（在高温下固定液流失小）。

请支付后下载全文，论文总字数：22654字