環(huán)糊精包結(jié)分離制備高純度辛基二茂鐵同分異構(gòu)體

洪 清，馬曉燕，郭志賢，王靈俠，孫 坤，朱 林，高 燕

(西北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，陜西省高分子科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710129)

2016-04-18；

2016-06-01。

國(guó)防科工局火炸藥技術(shù)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目([2014]1481)。

洪清(1992—)，女，碩士，研究方向?yàn)樾粱F分離純化研究。E-mail1491915682@qq.com

馬曉燕，女，教授，研究方向?yàn)槎F衍生物的分離純化研究。E-mail：m_xiaoyana@nwpu.edu.cn

環(huán)糊精包結(jié)分離制備高純度辛基二茂鐵同分異構(gòu)體

洪 清，馬曉燕，郭志賢，王靈俠，孫 坤，朱 林，高 燕

(西北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，陜西省高分子科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710129)

以辛基二茂鐵工業(yè)品與本實(shí)驗(yàn)室前期分離得到的三種一元辛基二茂鐵混合制劑(C8-Fc)為原料，以β-環(huán)糊精包結(jié)硅膠得到包結(jié)分離柱Immo-CD-1，確定了包結(jié)分離制備高純度辛基二茂鐵同分異構(gòu)體的原料；在此基礎(chǔ)上，利用正交實(shí)驗(yàn)的方法，確定了包結(jié)分離的主要影響因素與最佳條件，發(fā)現(xiàn)水分含量對(duì)于分離效果的影響最為顯著，經(jīng)Immo-CD-1柱分離得到純度為97.2 %的(4-辛基)-二茂鐵、純度大于96 %的(3-辛基)-二茂鐵以及(2-辛基)-二茂鐵和(3-辛基)-二茂鐵的混合物；利用類似的方法，以羥丙基-β-環(huán)糊精為主體材料制備包結(jié)分離柱Immo-CD-2，并對(duì)上述所得到的(2-辛基)-二茂鐵和(3-辛基)-二茂鐵混合物進(jìn)行包結(jié)分離，經(jīng)優(yōu)化分離后，得到純度大于95 %的(2-辛基)-二茂鐵。

辛基二茂鐵；柱層析分離；β-環(huán)糊精；包結(jié)分離

0 引言

二茂鐵及其衍生物因具有穩(wěn)定性、低毒性、生物活性等特點(diǎn)[1]，已被廣泛用于醫(yī)學(xué)、電化學(xué)、液晶材料、感光材料、燃料油節(jié)油消煙劑、燃?xì)庵即呋瘎┑戎T多領(lǐng)域[2-4]。辛基二茂鐵作為二茂鐵衍生物之一，是目前使用最廣的火箭燃料催化劑，添加到火箭燃料中能促進(jìn)燃料的充分燃燒并起到消煙作用，在航空、航天和航海工業(yè)中已經(jīng)發(fā)揮巨大的作用[5-7]。辛基二茂鐵按照辛基取代基在茂環(huán)上的異構(gòu)情況可分為正辛基二茂鐵、(2-辛基)-二茂鐵、(3-辛基)-二茂鐵和(4-辛基)-二茂鐵。目前，作為催化劑使用的辛基二茂鐵是采用正辛基氯為烷基化試劑，在Lewis酸催化下進(jìn)行二茂鐵烷基取代反應(yīng)而合成的一種烷基鏈異構(gòu)的異構(gòu)體混合物，其中(2-辛基)-二茂鐵、(3-辛基)-二茂鐵和(4-辛基)-二茂鐵三種同分異構(gòu)體(碳原子數(shù)為8，簡(jiǎn)稱C8-Fc)含量比例接近1∶1∶1[8-9]。此外，由于二茂鐵2個(gè)茂環(huán)具有同等的活性，在烷基化反應(yīng)時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生二元取代，得到2個(gè)C8取代的二茂鐵，稱之為C16-Fc。二茂鐵取代基碳數(shù)不同，二茂鐵環(huán)的有效含量不同，催化作用不同；同分異構(gòu)體雖然碳數(shù)相等，但是支鏈長(zhǎng)短不同，空間位阻不同，在推進(jìn)劑中的相容性不同，遷移速率也不同，進(jìn)而會(huì)明顯影響武器的彈道性能以及長(zhǎng)儲(chǔ)存穩(wěn)定性等[10]。由于目前沒有純度較高的辛基二茂鐵同分異構(gòu)體，不同結(jié)構(gòu)辛基二茂鐵在推進(jìn)劑中的催化作用、遷移性等無法進(jìn)行研究，所以研究辛基二茂鐵同分異構(gòu)體的高效分離，對(duì)探索不同結(jié)構(gòu)辛基二茂鐵的催化性能、遷移性能等具有重要的意義。

二茂鐵衍生物是一種金屬有機(jī)化合物，沸點(diǎn)高，難以采用常規(guī)方法分離，辛基二茂鐵三種同分異構(gòu)體的物理化學(xué)性質(zhì)相近，分離更為困難[11-12]。前期采用制備型高效液相色譜將上述辛基二茂鐵三種同分異構(gòu)體進(jìn)行分離，得到三種一元辛基二茂鐵的同分異構(gòu)體，其純度可達(dá)到99.3%[13]。但由于制備色譜上樣量小，只有微升級(jí)別，分離提純的成本相當(dāng)高，效率相當(dāng)?shù)汀１菊n題組前期研究通過一種常壓柱分離的方法，將工業(yè)品辛基二茂鐵中C8-Fc與C16-Fc分離成兩種制劑[14-15]。本文就是以常壓柱分離得到的C8-Fc制劑為原料，通過外緣親水而內(nèi)腔疏水的環(huán)糊精包結(jié)硅膠填充層析柱分離出純度較高的(2-辛基)-二茂鐵、(3-辛基)-二茂鐵、(4-辛基)-二茂鐵三種同分異構(gòu)體，為其理論研究及工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

高純一元辛基二茂鐵制劑(C8-Fc，常壓色譜柱分離工業(yè)級(jí)辛基二茂鐵得到，相對(duì)含量大于98.80%，其主要物質(zhì)見圖1)，自制環(huán)糊精包結(jié)硅膠填料Immo-CD-1、Immo-CD-2，石油醚(天力化工廠，分析純)，正己烷(廣東光華科技，分析純)，甲醇(東光科達(dá)化工，色譜純)，超純水(自制)。氣相色譜 (島津GC2014)，高效液相色譜儀(L-2000型，紫外檢測(cè)器，日本日立公司)，自制層析柱(30×400 mm)，真空烘箱(上海精密儀器公司)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(瑞士Buchi公司)。

1.2 GC工作條件

色譜柱：SE-54型毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm，填料為5 %苯基-95 %甲基聚硅氧烷，非極性固定相， 溫度上限320 ℃，低流失)。分流比：1∶50。載氣：高純氮?dú)?。進(jìn)樣量：0.5 μl。進(jìn)樣口溫度：260 ℃；程序升溫：前10 min保持為230 ℃，繼而以5 ℃/min的速率升溫至260 ℃，再保持9 min。

1.3 填料Immo-CD-1和Immo-CD-2的制備

Immo-CD-1：將β-環(huán)糊精溶于水中得到環(huán)糊精水溶液，倒入硅膠中混和均勻，攪拌待水分蒸至混合物呈白色粉末狀時(shí)，將此混合物放入烘箱烘干，用分樣篩篩出所需粒徑的顆粒，真空干燥后，再加占填料總質(zhì)量0 %～5 %的水放入烘箱，在60～80 ℃使水分平衡8～12 h，制備出層析柱填料Immo-CD-1；所述環(huán)糊精水溶液的濃度為10.0 %～12.0 %；硅膠與環(huán)糊精的質(zhì)量比是5∶1～3∶1；

Immo-CD-2：將羥丙基-β-環(huán)糊精水溶液與硅膠混和均勻，不斷攪拌蒸干水分后烘干，用分樣篩篩出所需粒徑的顆粒后真空干燥，再加一定質(zhì)量的水，放入烘箱在60～80 ℃條件下，使水分平衡8～12 h，得到層析柱填料Immo-CD-2。

1.4 制備三種一元辛基二茂鐵

用正己烷攪拌自制的填料Immo-CD-1，填入30×400 mm層析柱，柱頭加入0.2 g高純C8-Fc，正己烷淋洗，待柱子底端出現(xiàn)黃色液體時(shí)用5 ml小瓶接樣，共接收39個(gè)小瓶。除溶劑后，利用儀器分析，可得純度為97.2 %高純的(4-辛基)-二茂鐵及純度為96.1 %的(3-辛基)-二茂鐵，還有(2-辛基)-二茂鐵和(3-辛基)-二茂鐵的混合物。用正己烷攪拌自制的填料Immo-CD-2，填入30×400 mm層析柱，柱頭加入0.2 g以上實(shí)驗(yàn)得到的(2-辛基)-二茂鐵和(3-辛基)-二茂鐵混合物，以正己烷為淋洗劑。可得純度為95.3 %的(2-辛基)-二茂鐵。

2 結(jié)果與討論

2.1 分離原料選擇

工業(yè)級(jí)(2-辛基)-二茂鐵、(3-辛基)-二茂鐵和(4-辛基)-二茂鐵三種異構(gòu)體是采用二茂鐵烷基取代反應(yīng)而得到的，合成產(chǎn)物是一種烷基鏈異構(gòu)的異構(gòu)體混合物。其中，包含三種一元辛基二茂鐵同分異構(gòu)體，此外還包含相對(duì)含量較高的多元烷基化產(chǎn)物以及合成所用原材料含有的雜質(zhì)。本課題組前期研究通過常規(guī)填料柱分離的方法，從工業(yè)品辛基二茂鐵中分離得到高純C8-Fc制劑，其氣相色譜分析結(jié)果見圖2，該制劑中三種一元辛基二茂鐵同分異構(gòu)體的總含量可達(dá)到98%。

為了得到高純的(2-辛基)-二茂鐵、(3-辛基)-二茂鐵和(4-辛基)-二茂鐵，采用包結(jié)分離方法將三種同分異構(gòu)體進(jìn)行分離。本課題組研究了在相同實(shí)驗(yàn)條件下，即水分含量控制為4 %，固擔(dān)比(環(huán)糊精和硅膠的比例)為4∶1，硅膠顆粒為200～300目時(shí)，原料的選擇對(duì)于分離效果的影響。將制備獲得的填料加入4.5 mm×150 mm的空液相色譜柱中，加入高效液相色譜儀進(jìn)行分離分析，結(jié)果見圖3。

從圖3中可看出，采用辛基二茂鐵工業(yè)品作為原料時(shí)，三種同分異構(gòu)體雖然可達(dá)到很好的基線分離，但(4-辛基)-二茂鐵與C16-Fc卻沒有很好的分離開來；當(dāng)原料采用高純C8-Fc混合制劑時(shí)，可看出三種同分異構(gòu)體可有效的分離開來，且不會(huì)與其他雜質(zhì)峰重疊，可達(dá)到很好的分離效果。所以，在本研究中，采用高純C8-Fc混合制劑作為原料，分離得到高純度辛基二茂鐵異構(gòu)體。

2.2 分離效果影響因素

采用環(huán)糊精包結(jié)分離方法制備三種高純一元辛基二茂鐵，但利用純環(huán)糊精作為固定相存在很多問題，如機(jī)械強(qiáng)度不足，易隨流動(dòng)相流失等。本文采用硅膠作為擔(dān)體，既可固定環(huán)糊精，又可提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度。此外，固定相中水分含量會(huì)影響環(huán)糊精和辛基二茂鐵之間的主客體相互作用進(jìn)而影響分離效果。正交實(shí)驗(yàn)是研究與處理多因素的一種科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)在于能在很多的實(shí)驗(yàn)條件中選出代表性強(qiáng)的少數(shù)實(shí)驗(yàn)條件，推斷找到最好的生產(chǎn)條件，同時(shí)還可作進(jìn)一步分析,提出比實(shí)驗(yàn)結(jié)果本身更多的因素分析。所以，采用正交實(shí)驗(yàn)方法研究了固擔(dān)比、水分等影響因素對(duì)三種同分異構(gòu)體分離效果的影響。

2.2.1 Immo-CD-1分離(4-辛基)-二茂鐵效果的影響因素正交分析

本研究通過前期實(shí)驗(yàn)探索，得到Immo-CD-1包結(jié)柱分離的主要影響因素以及各因素水平范圍，如表1所示。

表1 Immo-CD-1的各因素水平列表

采用L18(6×37)正交實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)分離實(shí)驗(yàn)，以獲得環(huán)糊精包結(jié)分離得到高純度一元辛基二茂鐵的最佳工藝條件。利用C8-Fc為分離原料，將得到的填料Immo-CD-1填入30×400 mm層析柱，分離過程中用5 ml樣品瓶接樣后除溶劑，氣相色譜分析每批次中(4-辛基)-二茂鐵的最高純度，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及各因素分析結(jié)果見表2。

因素各水平的比較：由表2可見，Immo-CD-1色譜柱分離效果最佳的實(shí)驗(yàn)條件組合為A2B2C3，表明在所考察的水平范圍內(nèi)，當(dāng)水分含量為4%，固擔(dān)比為4∶1，硅膠粒徑為300～400目時(shí)，Immo-CD-1色譜柱能達(dá)到最佳分離的目的。

因素重要性的比較：將正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,通過比較不同因素間的均方K和修正極差R', 可得出各因素對(duì)分離效果的影響大小。從表2中可看出，R'A>R'B>R'C，表明由Immo-CD-1色譜柱分離得到(4-辛基)-二茂鐵時(shí)，水分含量對(duì)于分離效果的影響最大，固擔(dān)比次之，硅膠粒徑最小，即水分含量>固擔(dān)比>硅膠粒徑。

表2 Immo-CD-1柱分離的正交實(shí)驗(yàn)分配與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 Immo-CD-2分離(2-辛基)-二茂鐵純度效果影響因素正交分析

本研究將得到的填料Immo-CD-2，填入30×400 mm層析柱，分離經(jīng)過Immo-CD-1柱分離得到的(2-辛基-)二茂鐵和(3-辛基)-二茂鐵的混合物，各因素及水平數(shù)如表3所示，采用了L9(34)三因素三水平正交設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分離實(shí)驗(yàn)。分離結(jié)束后，利用氣相色譜分析每批次中(2-辛基)-二茂鐵的最高純度，濃度結(jié)果和各因素分析結(jié)果見表4。

因素各水平的比較：由表4可見，Immo-CD-2色譜柱分離效果最佳的實(shí)驗(yàn)條件組合為A2B2C3，表明在所考察的水平范圍內(nèi)，當(dāng)水分含量為5.8%，固擔(dān)比為4.0∶1.0，硅膠粒徑為300～400目時(shí)，Immo-CD-2色譜柱能達(dá)到最佳分離的目的。

表3 Immo-CD-2的各因素水平列表

表4 Immo-CD-2柱分離的正交實(shí)驗(yàn)分配與結(jié)果

因素重要性的比較：將正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，通過比較不同因素間的均方K和極差R，可得出各因素對(duì)分離效果的影響大小。從表中可看出，R'A>R'C>R'B，表明由Immo-CD-2色譜柱分離得到(2-辛基)-二茂鐵時(shí)，水分含量對(duì)于分離效果的影響最大，硅膠粒徑次之，固擔(dān)比最小，即水分含量>硅膠粒徑>固擔(dān)比。

3 擴(kuò)大工藝制備三種一元辛基二茂鐵

采用上述正交分析所獲得最佳條件即水分含量為4 %，固擔(dān)比為4∶1，硅膠粒徑為300～400目自制填料Immo-CD-1。將得到的填料裝入30×400 mm玻璃層析柱，正己烷作為淋洗劑，對(duì)常壓色譜柱分離得到的高純C8-Fc制劑進(jìn)行分離?？疾鞓悠贩蛛x情況，并利用氣相色譜每隔一個(gè)小瓶測(cè)試1次，對(duì)每個(gè)小瓶中的3個(gè)組分分析，得到圖4。從圖4中可看出，在7號(hào)小瓶之前，主要物質(zhì)為(4-辛基)-二茂鐵，將1～7號(hào)瓶樣品進(jìn)行混合，測(cè)試其相對(duì)含量為97.2%；9～13號(hào)小瓶中沒有辛基二茂鐵，只有溶劑；而15號(hào)小瓶之后開始出現(xiàn)了(3-辛基)-二茂鐵，含量最高只有96.8%，且在之后的樣品中都存在(3-辛基)-二茂鐵；(2-辛基)-二茂鐵開始出現(xiàn)在25號(hào)小瓶且相對(duì)含量逐漸升高，相對(duì)含量最高為92.24%，一直和(3-辛基)-二茂鐵混合在一起，無法分開；30號(hào)及之后樣品收集并除去溶劑。以上分析可知，該方法可獲得高純度的(4-辛基)-二茂鐵、純度大于96%的(3-辛基)-二茂鐵以及(2-辛基)-二茂鐵和(3-辛基)-二茂鐵的混合物。

高純C8-二茂鐵經(jīng)過一次Immo-CD-1柱分離后，可得到(2-辛基)-二茂鐵和(3-辛基)-二茂鐵的混合樣，為了得到純度更高(2-辛基)-二茂鐵，將混合樣收集除溶劑后，再利用Immo-CD-2柱進(jìn)行分離，控制填料條件為水分含量為5.8%，固擔(dān)比為4.0∶1.0，硅膠粒徑為300～400目，共收集20個(gè)小瓶。樣品中，在12號(hào)之前，(2-辛基)-二茂鐵純度都大于97%。由此可得出，以Immo-CD-2為填料的層析柱可用來制備高純度的(2-辛基)-二茂鐵。

4 結(jié)論

(1)利用前期常規(guī)柱分離得的高純C8-Fc制劑為原料，采用環(huán)糊精包結(jié)分離方法，自制兩種Immo-CD層析柱，分離制備三種高純度辛基二茂鐵異構(gòu)體。利用正交分析得到，Immo-CD-1色譜柱達(dá)到最佳分離的條件為水分含量為4%，固擔(dān)比為4：1，硅膠粒徑為300～400目；Immo-CD-2色譜柱最佳條件為水分含量為5.8%，固擔(dān)比為4.0∶1.0，硅膠粒徑為300～400目。

(2)兩種Immo-CD填料中的水分含量對(duì)三種辛基二茂鐵同分異構(gòu)體的分離效果影響最為顯著。

(3)通過兩種Immo-CD色譜柱一次分離，(2-辛基)-二茂鐵純度可達(dá)95.3 %、(3-辛基)-二茂鐵達(dá)96.1%以及 (4-辛基)-二茂鐵達(dá)97.2 %。

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Inclusionseparationofcyclodextrinforpreparationofoctylferroceneisomersinhighpurity

HONG Qing, MA Xiao-yan, GUO Zhi-xian, WANG Ling-xia, SUN Kun, ZHU Lin, GAO Yan

(The Key Laboratory of Polymer Science and Technology, School of Science, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710129, China)

Octylferrocene is one of the most widely used rocket fuel catalyst.However the current commercial octylferrocene is a mixture of (2-octyl)-ferrocene, (3-octyl)-ferrocene,(4-octyl)-ferrocene (C8-Fc) and multi-substituted ferrocene. The separation and purification of the commercial octylferrocene compounds is crucial for achieving their maximum catalytic efficiency. The C8-Fc was chosen as the raw material for preparation of octylferrocene isomers in high purity with β-cyclodextrin coated silicone as the packing agent (Immo-CD-1). When the C8-Fc was used as the raw material and Immo-CD-1 was the stationary phase, the influencing factors including the content of water, the particle size of supporter and the loading ratio of the silicone coated with cyclodextrins were optimized by orthogonal experiments. The main innovation of this research is that the content of water in the Immo-CD-1 has greatest effect on the separation. A positive column chromatography separation with Immo-CD-1 as the stationary phase, n-hexane as the eluent, C8-Fc as raw material could get the relative content of 97.2% (4-octyl)-ferrocene and relative content of 96.1% (3-octyl)-ferrocene,as well as a mixture of (3-octyl)-ferrocene and (2-octyl)-ferrocene. The separation column of Immo-CD-2 was prepared with hydroxypropyl-β-cyclodextrin coated silicone as the packing and separation of the mixture of (3-octyl)-ferrocene and (2-octyl)-ferrocene was carried out. The relative purity of (2-octyl)-ferrocene can reach 95.3 %.

octylferrocene;column chromatography separation;β-cyclodextrin; inclusion separation.

V512

A

1006-2793(2017)05-0596-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.05.011

(編輯：薛永利)