纤维素(粒径90μ m,阿拉丁公司);乙酸、浓硫酸、二氯甲烷、甲醇(国药集团化学试剂有限公司);乙酸酐(上海凌峰化学试剂有限公司);熔融石英毛细管柱(0.25 mm I. D.,河北永年光纤维厂)。实验中采用的测试试剂均为分析纯。HP-5色谱柱由安捷伦公司购得,原长度为30 m,截取10 m用于对比测试,其内径0.25 mm,膜厚0.25μ m。

PIL-C12-NTf₂(见图1)由武汉大学化学与分子科学学院邢钧课题组合成。

图1

Fig. 1

图1 PIL-C12-NTf2的结构示意图 Fig.1 Structure of PIL-C12-NTf2

AL 104分析天平(梅特勒-托利多公司,上海); Classic系列超纯水制备装置(力康生物医疗科技控股有限公司，香港); 85-1型磁力搅拌器(武汉科尔仪器设备有限公司); ZKXF型真空干燥箱(上海树立仪器仪表有限公司);NEXUS670型傅里叶红外光谱仪(Nicolet公司); Mercury VX-300型核磁共振仪(Varian公司,共振频率:300 MHz)。CT-1A氮空氢-三气发生器(北京信和诚科技发展有限公司); 9710 FID气相色谱仪(浙江福立分析仪器有限公司)。

CTA按照文献^[1]方法合成,具体操作如下：称取6.0 g纤维素加到20 mL冰乙酸和0.2 mL浓硫酸的混合液中,室温下搅拌1 h;然后依次向反应体系中加入30 mL乙酸酐和10 mL乙酸,50 ℃油浴中反应45 min后再加入体积分数为80%的乙酸,升温至60 ℃,反应30 min;冷却后加入蒸馏水,静置12 h,过滤,置于真空干燥箱中干燥48 h(温控为60 ℃),得到白色固体10.036 g,产率为94.2% 。

首先将新的熔融石英毛细管柱(12 m×0.25 mm)依次用甲醇(5 mL×2)和二氯甲烷(5 mL×2)冲洗;然后,在N₂气氛下按照以下程序进行预处理:40 ℃保持60 min,然后以5 ℃/min 升至150 ℃,保持60 min；再以5 ℃/min 升至310 ℃,保持180 min。预处理结束后,空柱将用于涂渍固定液。

再称取一定量CTA及PIL-C12-NTf₂的混合物(1 ∶ 19,m/m)为固定相,无水二氯甲烷为溶剂,配制质量浓度为3 g/L 的固定相溶液,并采用静态法涂渍毛细管柱。所得色谱柱按如下程序老化后置于干燥器内待用。老化方法:在N₂气流下,30 ℃保持30 min,然后以1 ℃/min 升至100 ℃,保持60 min;再以1 ℃/min 升至200 ℃,保持60 min;最后以0.5 ℃/min 升至280 ℃，保持240 min。在本文中,将以CTA@PIL-C12-NTf₂代表该柱,其实际柱长为10 m。按照上述方法共制备3根同样的气相色谱柱,用于制备重现性的评价。

为了对比研究,本文使用一支自制的PIL-C12-NTf₂柱,其柱参数为内径0.25 mm,膜厚0.23μ m,长度10 m。该柱的制备方法与上文的方法基本相同,但固定相为PIL-C12-NTf₂,涂渍用固定液的质量浓度为3.5 g/L,最高老化温度是300 ℃。

图2是三醋酸纤维素与纤维素的红外谱图。比较可知:(1)CTA在 3100～3750 cm^-1处的羟基伸缩振动峰明显减弱,谱带最大吸收处的波数从 3425 cm^-1上移到 3480 cm^-1,因此可以判断,纤维素中的羟基在酯化反应后已大幅度减少,但仍然存在一定量未酯化的羟基;(2)CTA在 1754 cm^-1处有强吸收,同时在 1240 cm^-1处也有吸收,而这些吸收峰属于乙酰酯键的吸收峰,因此可以推断纤维素中的羟基确实发生了酯化反应。

图2

Fig. 2

图2 三醋酸纤维素酯(CTA)与纤维素的红外谱图 Fig.2 IR spectra of cellulose triacetate (CTA)and cellulose Peaks

首先通过扫描电镜测定了一支CTA@PIL-C12-NTf₂柱的膜厚,结果约为0.21μ m。在柱温110 ℃时,用萘测得该柱的柱效为 3165 plates/m(保留因子(k)=4.95)。持续进样一个月之后,在相同测试条件下,该柱的k值基本不变,柱效保持在约 3200 plates/m。该结果证明,CTA@PIL-C12-NTf₂固定相具有良好的涂渍性能和使用稳定性。

在相同色谱条件下,所制备的其他2根色谱柱的柱效均在(3100±100) plates/m范围内。

为了了解这种固定相的极性,分别测定了CTA@PIL-C12-NTf₂和PIL-C12-NTf₂的麦氏常数。结果表明,PIL-C12-NTf₂的麦氏常数为407;而含有5%(质量分数)CTA的混合固定相CTA@PIL-C12-NTf₂,其麦氏常数下降了约25% ,仅为295。由此可见,少量CTA即可明显影响固定相的性质。

为了进一步了解CTA@PIL-C12-NTf₂固定相的特点,采用Abraham等^{[14, 15, 16, 17]}提出的溶剂化参数模型的方法,分别测定了CTA@PIL-C12-NTf₂和PIL-C12-NTf₂的作用力参数。

溶剂化参数模型与麦氏常数测定方法不同,所选择的描述对象由麦氏常数测定方法中的几个分子扩大到数十个探针分子。根据式(1),将测得的探针分子的k值与它们相应的描述符(E,S,A,B和L)进行多元线性回归后,得出固定相的各种特征作用力：

利用溶剂化参数模型,分别在70 ℃和120 ℃下测定了CTA@PIL-C12-NTf₂和PIL-C12-NTf₂固定相的作用力参数,结果见表2。两种固定相的共同点是主要作用力都是偶极作用(s)、氢键碱性作用(a)及色散力作用(l),并且所有作用力都随着测定温度的升高而降低。不同点在于:(1)与PIL-C12-NTf₂相比,CTA@PIL-C12-NTf₂的氢键酸性作用(b)明显降低,而氢键碱性作用(a)显著增强,其原因是CTA中含有大量的酯基,引入了电负性强的O元素,从而增强了固定相接受质子的能力;(2) CTA@PIL-C12-NTf₂的偶极作用(s)及 π 电子和n电子作用(e)显著增加,这个结果则可归结于CTA中的羰基(C=O)的偶极作用和碳-氧双键的共轭作用;(3) CTA@PIL-C12-NTf₂中的色散力作用(l)有所降低,这是因为十二碳烷基(C12)是固定相色散力作用的重要来源,而CTA@PIL-C12-NTf₂中C12基团的含量低于PIL-C12-NTf₂。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同洗脱液洗脱能力的比较 Table 1Probe molecules and the corresponding solute descriptors Probe molecule E S A B L Phenol 0.805 0.89 0.6 0.31 3.766 1,2-Dichlorobenzene 0.872 0.78 0 0.04 4.518 o-Xylene 0.663 0.56 0 0.16 3.939 Octylaldehyde 0.16 0.65 0 0.45 4.361 p-Xylene 0.613 0.52 0 0.16 3.839 Cyclohexanol 0.46 0.54 0.32 0.57 3.758 Nitrobenzene 0.871 1.11 0 0.28 4.511 N,N-Dimethylformamide 0.367 1.31 0 0.74 3.173 m-Xylene 0.623 0.52 0 0.16 3.839 Toluene 0.601 0.52 0 0.14 3.325 Benzaldehyde 0.82 1 0 0.39 4.008 Pyridine 0.794 0.87 0 0.62 3.003 Aniline 0.955 0.96 0.26 0.53 3.993 1-Butanol 0.224 0.42 0.37 0.48 2.601 Acetic acid 0.265 0.65 0.61 0.44 1.75 1-Octanol 0.199 0.42 0.37 0.48 4.619 Acetophenone 0.818 1.01 0 0.49 4.501 2-Chloroaniline 1.033 0.92 0.25 0.31 4.674 Pyrrole 0.613 0.73 0.41 0.29 2.865 Benzonitrile 0.742 1.11 0 0.33 4.039 1-Chlorohexane 0.201 0.4 0 0.1 3.777 p-Cresol 0.82 0.87 0.57 0.31 4.312 Ethyl phenyl ether 0.681 0.7 0 0.32 4.242 Naphthalene 1.34 0.92 0 0.2 5.161 1,4-Dioxane 0.329 0.75 0 0.64 2.892 Cyclohexanone 0.403 0.86 0 0.56 3.792 Ethyl acetate 0.106 0.62 0 0.45 2.314 Methyl acetate 0.08 0.6 0 0.45 3.874 Benzene 0.61 0.52 0 0.14 2.786 1-Hexyne 0.166 0.23 0.13 0.1 2.51 2-Propanol 0.212 0.36 0.33 0.56 1.764 2-Pentanone 0.143 0.68 0 0.51 2.755 Valeraldehyde 0.163 0.65 0 0.45 2.851

表1 不同洗脱液洗脱能力的比较 Table 1Probe molecules and the corresponding solute descriptors

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 CTA@PIL-C12-NTf2和PIL-C12-NTf2固定相的作用力参数 Table 2 Solvation parameters of CTA@PIL-C12-NTf2 and PIL-C12-NTf2 stationary phases Stationary phase Temperature/ ℃ c e s a b l N R CTA@PIL-C12-NTf2 70 -2.919 0.113 1.291 1.500 0.417 0.586 29 0.97 120 -3.079 0.079 1.198 1.092 0.266 0.462 27 0.98 PIL-C12-NTf2 70 -2.647 -0.081 0.846 1.201 1.791 0.644 27 0.97 120 -2.681 -0.068 0.890 0.871 1.239 0.479 29 0.98 N: number of probe molecules; R: regression coefficient.

表2 CTA@PIL-C12-NTf2和PIL-C12-NTf2固定相的作用力参数 Table 2 Solvation parameters of CTA@PIL-C12-NTf2 and PIL-C12-NTf2 stationary phases

2.4.1对二取代芳香位置异构体的分离选择性

本文首先评价了CTA@PIL-C12-NTf₂对二取代芳香异构体的分离性能,图3和4分别为二氯苯和二甲苯的分离色谱图。可见,CTA@PIL-C12-NTf₂对弱极性化合物如二甲苯、二氯苯等芳香化合物位置异构体具有良好的分离选择性。

图3

Fig. 3

图3 二氯苯在CTA@PIL-C12-NTf2上的分离色谱图 Fig.3Chromatogram of dichlorobenzenes separated on the column of CTA@PIL-C12-NTf2 1. m-dichlorobenzene; 2. p-dichlorobenzene; 3. o-dichlorobenzene. Oven temperature: 110 ℃.

图4

Fig.4

图4 二甲苯在CTA@PIL-C12-NTf2上的分离色谱图 Fig.4 Chromatogram of dimethylbenzenes separated on the column of CTA@PIL-C12-NTf2 1. p-dimethylbenzene; 2. m-dimethylbenzene; 3. o-dimethylbenzene. Oven temperature: 40 ℃.

此外,本文还分别测定了CTA@PIL-C12-NTf₂和PIL-C12-NTf₂对多种二取代芳香化合物位置异构体的选择性因子( α )。结果表明,两种固定相仅在分离二甲苯异构体时表现出非常相似的选择性,在分离其他二取代芳香位置异构体时,两种固定相的选择性却存在明显的差异：(1)PIL-C12-NTf₂对甲基苯乙酮异构体的分离选择性较好;但在硝基苯胺及 α ,β -甲基萘的分离中,CTA@PIL-C12-NTf₂则展现出更佳的选择性;(2)在氯代苯甲醛及氯甲苯异构体的分离中,CTA@PIL-C12-NTf₂对o-/p-异构体的选择性较好,而PIL-C12-NTf₂却对m-/p-异构体的选择性更强;(3)在二氯苯、甲基苯胺及甲基苯甲酸甲酯等的分离中,CTA@PIL-C12-NTf₂对m-/p-异构体的选择性较好,而PIL-C12-NTf₂则对o-/m-异构体的选择性更强。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 CTA@PIL-C12-NTf2和PIL-C12-NTf2对三取代芳香异构体的选择性因子( α ) Table 3 Selectivity factors ( α ) of the tri-substituted aromatic isomers on the columns of CTA@PIL-C12-NTf2 and PIL-C12-NTf2 Analyte α Analyte α CTA@PIL-C12-NTf2 PIL-C12-NTf2 CTA@PIL-C12-NTf2 PIL-C12-NTf2 2,6-Dichloroaniline 1 1 2,6-Xylenol 1 1 2,4-Dichloroaniline 1.834 1.726 2,4-Xylenol 1.691 1.633 2,5-Dichloroaniline 1.834 1.726 2,5-Xylenol 1.691 1.633 2,3-Dichloroaniline 2.119 1.995 2,3-Xylenol 2.067 1.976 3,5-Dichloroaniline 2.733 2.425 3,5-Xylenol 2.536 2.473 3,4-Dichloroaniline 3.036 2.779 3,4-Xylenol 2.963 2.899

表3 CTA@PIL-C12-NTf2和PIL-C12-NTf2对三取代芳香异构体的选择性因子( α ) Table 3 Selectivity factors ( α ) of the tri-substituted aromatic isomers on the columns of CTA@PIL-C12-NTf2 and PIL-C12-NTf2

2.4.2对三取代芳香位置异构体的分离选择性

本文还考察了CTA@PIL-C12-NTf₂对三取代位置异构体的选择性。图5是二氯苯酚的6种异构体在两种固定相上的分离色谱图。虽然两种固定相均不能分离2,5-二氯苯酚和2,6-二氯苯酚,但CTA@PIL-C12-NTf₂能够在更短的时间内使其他各异构体完全分离,且色谱峰分布比较均匀。而PIL-C12-NTf₂却不能使前3个色谱峰达到基线分离。

此外,分别测定了CTA@PIL-C12-NTf₂和PIL-C12-NTf₂对二甲基苯酚及二氯苯胺异构体的选择性因子(见表3)。两种固定相也各有两对异构体无法分离,它们是2,4-二氯苯胺/2,5-二氯苯胺、2,4-二甲酚/2,5-二甲酚。但是,CTA@PIL-C12-NTf₂对其余位置异构体的选择性均优于PIL-C12-NTf₂。

图5

Fig. 5

图5 二氯苯酚在(a)CTA@PIL-C12-NTf2和(b)PIL-C12-NTf2上的分离色谱图 Fig.5 Chromatograms of dichlorophenols separatedon the columns (a) CTA@PIL-C12-NTf2 and (b) PIL-C12-NTf2 1. 2,4-dichlorophenol; 2. 2,5-dichlorophenol; 3. 2,6-dichlorophenol; 4. 2,3-dichlorophenol; 5. 3,5-dichlorophenol; 6. 3,4-dichlorophenol. Programmed temperature: 80 ℃,20 ℃/min to 250 ℃.

上述结果表明,CTA可有效改善固定相对三取代芳香位置异构体的选择性。其原因有可能是CTA中的糖单元具有特定的构象,这使得糖单元上的酯基及未酯化的羟基具有特定的空间分布,而酯基与羟基又可以分别具有氢键碱性及氢键酸性作用。因此,CTA@PIL-C12-NTf₂与不同异构体之间的相互作用必然会出现差别,从而可增强对位置异构体的选择性。

进一步考察了CTA@PIL-C12-NTf₂对C9同分异构体的分离性能(见图6)。除了2,3-二甲基庚烷与4-乙基庚烷未能基线分离外,其他几种同分异构体在CTA@PIL-C12-NTf₂上都得到了较好的分离。在研究过程中还发现了下面这样一个有趣的现象。虽然PIL-C12-NTf₂与CTA@PIL-C12-NTf₂在组成上差异不大,但PIL-C12-NTf₂对这几种同分异构体几乎没有分离能力,谱峰严重重叠;但是在性质差异显著的HP-5柱上,却得到了与CTA@PIL-C12-NTf₂相似的分离谱图。造成这一特殊现象的原因还需要进一步研究。

图6

Fig. 6

图6C9H20异构体在CTA@PIL-C12-NTf2上的分离色谱图 Fig.6 Chromatogram of C9H20 isomers on CTA@PIL-C12-NTf2 column 1. 2,2,4,4-tetramethylpentane; 2. 2,2,4-trimethylhexane; 3. 3,3-dimethylheptane; 4. 2,3-dimethylheptane; 5. 4-ethylheptane; 6. n-nonane. Oven temperature: 35 ℃.