C型硅膠與偶聯(lián)劑KH-560鍵合反應(yīng)初探

雷 鳴，王 艷，趙 昊，彭奇均

（江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

研究開(kāi)發(fā)

C型硅膠與偶聯(lián)劑KH-560鍵合反應(yīng)初探

雷 鳴，王 艷，趙 昊，彭奇均

（江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

運(yùn)用甲苯回流法制備了3-縮水甘油基丙基硅膠鍵合相，并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)及單因素實(shí)驗(yàn)，探討了物料配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件對(duì)鍵合相形成的影響規(guī)律。結(jié)果表明：KH-560含量的適當(dāng)增加、反應(yīng)溫度的升高、反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)均能促進(jìn)鍵合相的形成。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度過(guò)高、反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致KH-560的分解。適合硅膠和 KH-560鍵合的反應(yīng)條件是：硅膠∶KH-560=1∶2（質(zhì)量比）；反應(yīng)溫度 65～80 ℃；反應(yīng)時(shí)間48～72 h。該條件可避免KH-560的分解。最后通過(guò)元素分析法所得氫含量與理論計(jì)算氫含量的比較，得出KH-560分子上只有1個(gè)甲氧基參與了鍵合反應(yīng)。

3-縮水甘油基丙基硅膠；鍵合相；硅烷偶聯(lián)劑KH-560

手性配體交換色譜固定相可用于氨基酸、羥基酸、氨基醇等手性化合物的光學(xué)拆分，對(duì)生命科學(xué)、不對(duì)稱(chēng)合成以及醫(yī)藥、食品、衛(wèi)生等領(lǐng)域的研究具有重要意義[1]。目前應(yīng)用較為廣泛的是硅膠鍵合型固定相，即利用硅膠表面的硅羥基與硅烷偶聯(lián)劑（如氯代硅烷或烷氧基硅烷）反應(yīng)，形成鍵合相。再通過(guò)該鍵合相與某種光學(xué)純的手性化合物（如L-氨基酸）反應(yīng)，形成滿(mǎn)足不同分離目的的固定相[2]。從前人的研究報(bào)道中發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)于硅膠和硅烷偶聯(lián)劑 KH-560的反應(yīng)（圖 1）存在不同的認(rèn)識(shí)，即KH-560上甲氧基參與反應(yīng)的程度不一致。

Gübitz 等[3]、Wachsmann 等[4]、Pesek 等[5]在合成手性配體交換固定相時(shí)，認(rèn)為偶聯(lián)劑上只有一個(gè)甲氧基參與反應(yīng)。吳邦桂等[6]、付春梅等[7]、祝馨怡[8]亦支持這一觀點(diǎn)。生成的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)如圖 1中（Ⅰ）所示。

圖1 硅膠與KH-560的反應(yīng)

Pirkle[9]在合成手性固定相分離氨基酸對(duì)映體的研究中發(fā)現(xiàn)，偶聯(lián)劑（分子結(jié)構(gòu)與KH-560類(lèi)似）上有兩個(gè)乙氧基與硅膠發(fā)生了鍵合反應(yīng)。Sadeghi[10]在使用水楊酸偶氮磺胺吡啶修飾硅膠從水中提取鈾離子的研究中發(fā)現(xiàn)，偶聯(lián)劑有2個(gè)甲氧基與硅膠發(fā)生鍵合反應(yīng)。Song[11]在合成配體交換手性固定相的研究中認(rèn)為有兩個(gè)甲氧基參與了鍵合反應(yīng)，生成的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)如圖1中(Ⅱ)所示。

Mayani等[12]在合成手性固定相并探討其潛在應(yīng)用的研究中認(rèn)為偶聯(lián)劑上3個(gè)乙氧基都參與了鍵合反應(yīng)，生成的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)如圖1中(Ⅲ)所示。

本文欲通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)，探索各反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物生成的影響規(guī)律。再通過(guò)元素分析法研究KH-560上甲氧基參與反應(yīng)的程度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

硅膠，C 型，目數(shù) 100～200，粒度 75～150 μm，孔徑 80～100 ?，（1 ? =0.1 nm），比表面積 300～400 m2/g，青島海洋化工有限公司生產(chǎn)；偶聯(lián)劑KH-560，純度 98%，上海耀華有限公司生產(chǎn)；甲苯、環(huán)己酮，AR，鈉粒干燥，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；元素分析儀，型號(hào)Vario EL Ⅲ，德國(guó)Elementar公司生產(chǎn)；氣相色譜儀，型號(hào)9790型，福立分析儀器有限公司生產(chǎn)；電子天平，型號(hào)JA1203，上海精科天平廠生產(chǎn)；攪拌器，型號(hào)GS12-Ⅱ，上海醫(yī)械專(zhuān)機(jī)廠生產(chǎn)。

1.2 KH-560的定量分析

對(duì)于圖1的反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)結(jié)束后，溶液中應(yīng)含有 KH-560、甲苯及甲醇。因甲醇易揮發(fā)，不宜定量分析；KH-560不揮發(fā)，可以定量分析。采用氣相色譜-內(nèi)標(biāo)法，可測(cè)定溶液中含有的KH-560。

1.2.1 內(nèi)標(biāo)物的選取

氣相色譜條件：SE-54弱極性柱（30 m×0.32 mm，0.4 μm），N240 m L/m in，H245 m L/min，空氣600 m L/min，靈敏度100，程序升溫40 ℃/m in，從45 ℃（3min）升至 280 ℃（2 m in），汽化室 300 ℃，氫火焰檢測(cè)器300 ℃。

分別測(cè)定備選內(nèi)標(biāo)物環(huán)己酮、二甲亞砜、乙二醇及反應(yīng)后溶液中組分甲醇、甲苯、KH-560的保留時(shí)間。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確稱(chēng)量6份KH-560標(biāo)準(zhǔn)樣品，每份樣品均加入1 m L內(nèi)標(biāo)物，并稱(chēng)量，甲苯定容至10 m L，氣相色譜測(cè)定KH-560和內(nèi)標(biāo)物的峰面積。

1.2.3 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和回收率的測(cè)定

配制 5份含有甲醇、甲苯、KH-560和內(nèi)標(biāo)物的樣品10 m L，其中KH-560和內(nèi)標(biāo)物需準(zhǔn)確稱(chēng)量。氣相色譜測(cè)得KH-560和內(nèi)標(biāo)物的峰面積，代入標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算得出KH-560的測(cè)出量，重復(fù)測(cè)定5次，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）。再向樣品中添加一定量的KH-560，將測(cè)出量與實(shí)際含量相比，得回收率。

1.3 反應(yīng)條件

由于前人制備3-縮水甘油基丙基硅膠的反應(yīng)條件存在較大差別，故本文先通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，在較優(yōu)的反應(yīng)條件基礎(chǔ)上，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，考察各反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物生成的影響規(guī)律。

1.3.1 反應(yīng)條件的優(yōu)化

正交實(shí)驗(yàn)考察物料配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素。定義鍵合量為每克原料硅膠反應(yīng)后質(zhì)量增加的克數(shù)[式（1）]。以鍵合量為考察指標(biāo)，鍵合量高為優(yōu)。各因素水平分布如表1所示。

表1 考察因素水平分布

根據(jù)正交表L9（34）安排實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)前，原料硅膠在150 ℃干燥至恒重。每組反應(yīng)均在帶攪拌及回流裝置的燒瓶中進(jìn)行，50 m L甲苯作溶劑，氮?dú)獗Ｗo(hù)。反應(yīng)結(jié)束，過(guò)濾。為去除產(chǎn)物對(duì)KH-560和甲苯的吸附，固體產(chǎn)物用20 m L 甲苯浸泡15 m in，過(guò)濾、洗滌，至氣相色譜檢測(cè)洗滌液中不含KH-560，再將洗滌后的產(chǎn)物在 45 ℃真空干燥（5 mbar，1bar=105Pa）至恒重，冷卻、稱(chēng)重、計(jì)算鍵合量。

1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn)

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)各因素水平趨勢(shì)圖，安排實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)條件同上，考察各因素對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物生成的影響規(guī)律。

不加硅膠，其余條件同單因素實(shí)驗(yàn)條件，作為對(duì)照，測(cè)定KH-560含量，計(jì)算轉(zhuǎn)化率，考察KH-560自身是否發(fā)生變化。

1.4 甲氧基的參與程度

元素分析儀測(cè)原料硅膠含氫量 T[H]硅膠、產(chǎn)物的含碳量 T[C]產(chǎn)物及含氫量 T[H]產(chǎn)物，由 T[C]產(chǎn)物值計(jì)算不同個(gè)數(shù)的甲氧基參與反應(yīng)時(shí)的理論含氫量A c[H]產(chǎn)物，比較 T[H]產(chǎn)物和 A c[H]產(chǎn)物，可知甲氧基參與反應(yīng)的程度。

假設(shè)有x mol的KH-560（C9H20O5Si）發(fā)生反應(yīng)，根據(jù)元素守恒原則，KH-560分子上 n個(gè)甲氧基參與反應(yīng)的含碳量如式（2）所示。

由此計(jì)算得x 。

理論含氫量的計(jì)算如式（3）所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)標(biāo)物的選取

圖2顯示該色譜條件下，備選內(nèi)標(biāo)物（3#、5#、6#）與反應(yīng)后溶液中組分（1#、2#、4#）能完全分離。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)乙二醇與甲苯不能互溶。二甲亞砜凝固點(diǎn)較高（18.4 ℃），在室溫較低時(shí)，不便于操作。且兩者峰型不理想，因此不能作為內(nèi)標(biāo)物。環(huán)己酮不存在上述問(wèn)題，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，故以環(huán)己酮作為測(cè)定KH-560的內(nèi)標(biāo)物。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

氣相色譜測(cè)得KH-560和環(huán)己酮的峰面積如表2所示。

圖2 反應(yīng)組分與備選內(nèi)標(biāo)物氣相色譜圖

表2 KH-560和環(huán)己酮的質(zhì)量和峰面積

圖3 內(nèi)標(biāo)法測(cè)KH-560標(biāo)準(zhǔn)曲線

以AKH-560/A環(huán)己酮為橫坐標(biāo)，mKH-560/m環(huán)己酮為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖3所示。KH-560濃度為0.04～0.45 g/m L，該標(biāo)準(zhǔn)曲線滿(mǎn)足方程y=1.8778x-0.0209，相關(guān)系數(shù)為0.9998，擬合很好。

2.3 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和回收率的測(cè)定

表3顯示，氣相色譜-內(nèi)標(biāo)法測(cè)KH-560，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.3%～1.5%。當(dāng)KH-560含量＞10%時(shí)（3～5組），相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜1%，平均回收率 100%。表明本分析方法的精密度和準(zhǔn)確度均較高，可以作為檢測(cè)反應(yīng)液中KH-560的定量分析方法。

2.4 反應(yīng)條件的篩選

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（表4），第9組反應(yīng)產(chǎn)物鍵合量最高，其反應(yīng)條件最有可能為較優(yōu)條件。因此，以第9組反應(yīng)條件作為單因素研究的初始條件。從反應(yīng)后溶液顏色比較，第8、第9兩組溶液變黃，懷疑是KH-560自身發(fā)生了化學(xué)變化。從極差大小判斷，在3個(gè)被考察因素中，影響硅膠鍵合量大小的主次順序是：物料配比＞反應(yīng)時(shí)間＞反應(yīng)溫度。

根據(jù)各水平鍵合量之和（Σ鍵合量）及水平分布，畫(huà)水平趨勢(shì)圖，如圖4所示。

表3 測(cè)定KH-560的RSD和回收率

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 各因素水平趨勢(shì)圖

圖 4顯示，在考察的水平范圍內(nèi)，KH-560用量的增加、反應(yīng)溫度的升高、反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)均能促進(jìn)Σ鍵合量的增加。

當(dāng)KH-560用量＞1∶1時(shí)，Σ鍵合量增加顯著，因此單因素實(shí)驗(yàn)主要考察KH-560用量＞1∶1的條件，即考察 m硅膠∶mKH-560=1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3六個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

當(dāng)反應(yīng)溫度＜80 ℃時(shí)，Σ鍵合量增加顯著，但從表4的結(jié)果分析，溶液顏色變化主要跟溫度有關(guān)，因此單因素實(shí)驗(yàn)考察40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃八個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

反應(yīng)時(shí)間在24～72 h之間對(duì)Σ鍵合量的影響近似直線。因此單因素實(shí)驗(yàn)考察12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h六個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

2.5 單因素實(shí)驗(yàn)

2.5.1 KH-560用量對(duì)產(chǎn)物生成的影響

圖5所示為硅膠2.360 g，按上述配比逐漸增加KH-560用量，在反應(yīng)溫度為110℃，反應(yīng)時(shí)間為72 h條件下，硅膠鍵合量的變化規(guī)律（曲線a）及對(duì)照反應(yīng)中KH-560分解轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律（曲線b）。

圖5 KH-560用量對(duì)鍵合量及自身分解轉(zhuǎn)化率的影響

當(dāng)m硅膠∶mKH-560＜1∶2時(shí)，原料KH-560的增加對(duì)反應(yīng)起促進(jìn)作用，硅膠鍵合量隨KH-560用量增加而增加；當(dāng)m硅膠∶mKH-560＜1∶2時(shí)，原料KH-560的增加對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)作用不明顯，硅膠鍵合量基本保持不變。

KH-560在110 ℃、反應(yīng)72 h的條件下均發(fā)生了分解反應(yīng)，如圖6所示。但其轉(zhuǎn)化率并不隨用量的增加而發(fā)生變化，基本保持在5%～6%。

圖6 對(duì)照反應(yīng)KH-560的熱分解氣相色譜圖

2.5.2 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物生成的影響

圖7所示為m硅膠∶mKH-560=1∶2、反應(yīng)時(shí)間72 h時(shí)，在不同的溫度下反應(yīng)，硅膠鍵合量的變化規(guī)律（曲線a）及對(duì)照反應(yīng)中KH-560分解轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律（曲線b）。

圖7曲線a顯示，隨著反應(yīng)溫度的升高，硅膠鍵合量在60 ℃之前及70 ℃以后增長(zhǎng)緩慢，在60～70 ℃之間增長(zhǎng)顯著。這是因?yàn)榧状挤悬c(diǎn)為64.8 ℃，當(dāng)反應(yīng)溫度大于此溫度時(shí)，反應(yīng)生成的甲醇能迅速隨氮?dú)鈴姆磻?yīng)體系揮發(fā)，從而促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行。

圖7曲線b顯示，當(dāng)溫度＜80 ℃時(shí)，作為對(duì)照的KH-560沒(méi)有發(fā)生變化；當(dāng)溫度＞90 ℃時(shí)，KH-560開(kāi)始發(fā)生熱分解反應(yīng)，分解轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)溫度的升高而升高。

圖7 反應(yīng)溫度對(duì)鍵合量及KH-560分解轉(zhuǎn)化率的影響

2.5.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物生成的影響

圖8所示為m硅膠∶mKH-560=1∶2，反應(yīng)溫度為110 ℃，在不同反應(yīng)時(shí)間條件下，硅膠鍵合量的變化規(guī)律（曲線a）及對(duì)照反應(yīng)中KH-560分解轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律（曲線b）。

圖8 反應(yīng)時(shí)間對(duì)鍵合量及KH-560分解轉(zhuǎn)化率的影響

圖8曲線a顯示，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，硅膠鍵合量逐漸增大。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間低于36 h以及高于60 h 時(shí)，鍵合量的增長(zhǎng)趨于平緩；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在36～60 h 時(shí)，鍵合量的增長(zhǎng)顯著。

圖8曲線b顯示，在反應(yīng)溫度為110℃條件下，反應(yīng)時(shí)間低于36 h，作為對(duì)照的KH-560沒(méi)有發(fā)生變化；反應(yīng)時(shí)間高于48 h，KH-560發(fā)生分解，其轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。

綜上所述，為避免KH-560發(fā)生熱分解反應(yīng)，又要有利于硅膠與KH-560的鍵合，其反應(yīng)條件應(yīng)控制：物料配比 m硅膠∶mKH-560=1∶2；反應(yīng)溫度控制在65～80 ℃；反應(yīng)時(shí)間控制在48～72 h?？紤]到反應(yīng)溫度的升高及反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)均可促進(jìn)KH-560的分解，因此還應(yīng)盡量避免反應(yīng)溫度高同時(shí)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的情況。

2.6 甲氧基參與程度的分析

分別以m硅膠∶mKH-560=1∶2，在65 ℃ 、反應(yīng)72 h得產(chǎn)物A 2.787 g；以m硅膠∶mKH-560=1∶1，在80 ℃、反應(yīng)48 h得產(chǎn)物B 2.749 g。通過(guò)元素分析儀測(cè)得原料硅膠、產(chǎn)物A和產(chǎn)物B的含碳量T[C]及含氫量T[H]，再根據(jù)式（2）和式（3）計(jì)算產(chǎn)物在各種假設(shè)情況下的理論含氫量A c[H]，列于表5。

表5表明，在不同的反應(yīng)條件下所得硅膠鍵合產(chǎn)物含氫量，與1個(gè)甲氧基參與反應(yīng)的理論含氫量非常接近。從數(shù)值上看，理論含氫量略微偏大，這是因?yàn)樗霉腆w產(chǎn)物在過(guò)濾、洗滌等步驟中有少許損失，從而使代入計(jì)算的產(chǎn)物質(zhì)量偏小所致。因此，可以確定硅膠與KH-560發(fā)生鍵合反應(yīng)時(shí)，KH-560分子上只有1個(gè)甲氧基參與了反應(yīng)。

表5 原料硅膠及產(chǎn)物C、H元素的分析結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）氣相色譜-標(biāo)法用于本文檢測(cè) KH-560的定量分析方法是可靠的，當(dāng)KH-560含量＞10%時(shí)，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜1%。同時(shí) KH-560的平均回收率為100%。

（2）KH-560用量的增加、反應(yīng)溫度的升高、反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)均能促進(jìn)硅膠和KH-560的鍵合。但反應(yīng)溫度過(guò)高、反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致KH-560的分解。

（3）適合硅膠和KH-560鍵合的反應(yīng)條件是：m硅膠∶mKH-560=1∶2；反應(yīng)溫度65～80 ℃；反應(yīng)時(shí)間48～72 h。該條件可避免KH-560的分解。

（4）通過(guò)元素分析所得含氫量與理論計(jì)算的氫含量比較，可以確定硅膠與KH-560發(fā)生鍵合反應(yīng)時(shí)，KH-560分子上只有1個(gè)甲氧基參與了反應(yīng)。

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Study on the reaction of type C silica gel and KH-560 coupling agent

LEI Ming，WANG Yan，ZHAO Hao，PENG Qijun
（School of Chemical and Material Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，Jiangsu，China）

The bonded phase, 3-glycidoxypropyl silica gel, was prepared by the method of toluene reflux. The reaction conditions, including material ratio, reaction temperature and reaction time on the formation of bonded phase, were investigated through orthogonal test and one-factor test. The results indicated that the proper increasing of the content of KH-560, the reaction temperature and reaction time could promote the formation of bonded phase. But the results also showed that the overhigh reaction temperature and the overlong reaction time w ill cause the dissociation of KH-560. The suitable reaction conditions for the formation of silica gel and KH-560 bonded was：silica gel:KH-560 = 1:2 （ mass ratio）; reaction temperature 65—80 ℃; reaction time 48—72 h. The decomposition of KH-560 can be avoided under this condition. Finally，compared w ith the hydrogen content between elemental analysis and theoretical calculation, it could be identified that there was only one methoxy group of the KH-560 molecule involved in the bonded reaction.

3-glycidoxypropyl silica gel；bonded phase；KH-560

TQ 031.2

A

1000-6613（2012）06-1263-06

2011-12-10；修改稿日期：2012-03-03。

雷鳴（1986—），男，碩士研究生。E-mail leim ing_213@126.com。聯(lián)系人：彭奇均，教授。E-mail qjpeng@yahoo.com。