咪唑側(cè)基功能化聚離子液體修飾的混合模式色譜固定相的制備及其色譜性能

王 婕, 劉 宏, 吳 丹, 趙碧紅, 申繼偉, 王超展, 衛(wèi)引茂*

(1.西北大學化學與材料科學學院, 陜西 西安 710127; 2.陜西華邦檢測服務有限公司, 陜西 西安 710018; 3.西安藍曉科技新材料股份有限公司, 陜西 西安 710076)

近年來,混合模式色譜法(MMC)在復雜樣品分離中的應用日益受到重視。與單一模式的反相液相色譜法相比,MMC可以對溶質(zhì)提供多種相互作用,在同時分離極性和非極性化合物等復雜樣品方面表現(xiàn)出極大的靈活性[1]。原則上,MMC固定相至少需要兩種不同性質(zhì)的基團進行功能化,例如將反相和親水、親水和離子交換、反相和離子交換功能團組合,以產(chǎn)生與分析物的多重相互作用[2-4]?；谠撛瓌t,通常采用兩種策略制備MMC固定相:(1)將兩種含有不同官能團的有機小分子修飾于基質(zhì)表面[5,6],這種方法目前比較常用;(2)用高分子聚合法將含有兩種功能團的單體聚合于基體表面[7,8],該方法在基體上形成均聚物、共聚物等。通過改變兩種單體比例,可調(diào)控固定相表面兩種官能團的比率,制備選擇性可調(diào)的色譜固定相[7,8]。

聚離子液體(PILs)修飾的固定相可以與溶質(zhì)之間產(chǎn)生多種相互作用力,如靜電、疏水和離子交換、偶極相互作用等,是一種受到關(guān)注的MMC固定相[9,10]。目前,改變PILs固定相保留特性的方法主要有兩種:選擇新型的陽離子[11]和在陽離子上引入不同功能基[12]。研究表明,PILs中陽離子或陰離子種類對固定相的色譜性能具有顯著影響[11-14],由于陽離子的種類是有限的,相對而言在PILs陽離子取代基上引入不同功能基更加靈活多樣[15],故設計陽離子取代基結(jié)構(gòu)將是調(diào)控固定相選擇性的一條重要途徑。目前,陽離子取代基以烷基鏈居多,其他陽離子取代基報道較少。而且,聚離子液體陽離子部分多為單一功能團,難以通過基團種類調(diào)整改變選擇性[11-14]。

表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(SI-ATRP)是一種活性可控自由基聚合技術(shù),通過控制聚合時間或單體用量,可以控制材料表面聚合物刷的厚度[1]。本文采用SI-ATRP技術(shù),將分子內(nèi)含有苯環(huán)和腈基功能基的1-(4-乙烯基芐基)-3-氰甲基溴化咪唑鹽聚合于硅膠表面,制備一種聚離子液體陽離子部分含有兩種功能團的新型聚離子液體固定相,并研究聚離子液體中陽離子咪唑基上取代苯環(huán)和腈基對色譜保留的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

LC-20色譜儀(日本島津公司)由兩臺LC-20AT泵和一臺SPD-20A紫外檢測器組成;HPPS-20-400裝填機(上海兆帕流體動力有限公司)。

硅膠(5 μm, 310 m2/g, 12 nm,日本FUJI公司);咪唑(純度為99%,國藥集團化學試劑有限公司);乙二胺四乙酸二鈉(EDTANa2,純度為99%,廣東光華科技股份有限公司); 2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)、4-乙烯基芐氯、2,2′-聯(lián)吡啶(純度均≥90%,上海麥克林生化有限公司);溴代乙腈、溴化亞銅(CuBr)、酮基布洛芬、吲哚美辛、對氨基苯甲酸、4-羥基苯乙酸、苯甲酸、3,4-二羥基苯甲酸、肉桂酸(純度均≥98%,薩恩化學技術(shù)上海有限公司); 2,4-二甲基苯胺、3-硝基苯胺、2-硝基苯胺、4-硝基苯胺、2,4-二硝基苯胺、N-苯基芐胺、萘、苊、芴、菲、芘(純度均≥99%,上海阿拉丁試劑有限公司);芬布芬(純度為99%,阿法埃莎中國化學有限公司);雙氯酚酸(純度≥98%,上海書亞醫(yī)藥科技有限公司);尼美舒利和耐丁美酮(純度均≥98%,南京羅邁美生物科技有限公司)。

1.2 單體的合成

參照文獻[16]合成1-(4-乙烯基芐基)-3-氰甲基咪唑(VBzIm)。在NaHCO3溶液中,加入咪唑、丙酮,室溫攪拌1 h。然后,滴加4-乙烯基芐氯,在氮氣保護下于50 ℃反應20 h。抽濾,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)溶劑,殘余液體分散于乙醚中并用1.0 mol/L鹽酸水溶液萃取3次,水相用2.0 mol/L NaOH溶液中和,最后用乙醚萃取。除去乙醚后得黃色油狀VBzIm。

將1.5 g VBzIm和0.244 g溴乙腈分別溶解于5 mL干燥乙腈中,混合后加入45 mg TEMPO,在60 ℃下反應24 h。加入乙醚,析出固體用少量乙醚洗滌,產(chǎn)物1-(4-乙烯基芐基)-3-氰甲基溴化咪唑鹽儲存于冰箱中待用。

1.3 固定相的制備

按照圖1路線制備色譜固定相。主要包括固體引發(fā)劑的制備和ATRP聚合反應兩步。

圖1 固定相制備路線

1.3.1固體引發(fā)劑的制備

在4 g硅膠中加入80 mL 4 mol/L稀鹽酸,超聲分散15 min,于120 ℃攪拌回流6 h。硅膠用蒸餾水洗至中性,再用甲醇和丙酮交替洗滌后,真空干燥待用。

將2 g干燥硅膠分散于20 mL重蒸甲苯中,超聲分散15 min。滴加0.4 mL 4-氯甲基苯基三甲氧基硅烷,110 ℃下回流24 h。

硅膠用甲苯、丙酮、甲醇洗滌,最后真空干燥得到固體引發(fā)劑Silica-Cl。

1.3.2ATRP聚合反應

單體在硅膠表面進行的ATRP聚合反應參照文獻[17,18]進行。在1.5 g Silica-Cl中,加入0.117 g 2,2′-聯(lián)吡啶、0.6 g 1-(4-乙烯基芐基)-3-氰甲基溴化咪唑鹽以及15 mL甲醇-水(1∶1, v/v),超聲分散15 min。經(jīng)過兩次冷凍-抽真空-解凍循環(huán)后,在N2保護下快速加入53.8 mg CuBr,再次進行冷凍-抽真空-解凍循環(huán)操作。在50 ℃下攪拌反應6 h,固體用水、甲醇洗滌,再用EDTANa2溶液(0.25 mol/L)洗滌除去銅離子,最后用甲醇和丙酮洗滌,真空干燥,得Silica-PILs固定相。

1.4 色譜條件

將Silica-PILs固定相用異丙醇勻漿,以甲醇為頂替劑,在50 MPa壓力下將其裝填在100 mm×4.6 mm不銹鋼色譜柱中。

流動相為乙腈-水或乙腈-10 mmol/L甲酸銨緩沖溶液。流速為1 mL/min;進樣量為20 μL;柱溫為30 ℃;檢測波長為254 nm。調(diào)整保留時間tm=t-t0,保留因子k=tm/t0,式中t為保留時間,t0為死時間,即NaNO2的保留時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜固定相的制備和表征

在SI-ATRP中,有機鹵化物通常用作聚合反應的引發(fā)劑,引發(fā)單體在二氧化硅表面原位聚合形成刷型聚合物鏈。如圖1所示,首先在二氧化硅表面修飾芐基氯充當固體引發(fā)劑。然后,1-(4-乙烯基芐基)-3-氰甲基溴化咪唑鹽單體在CuBr/2,2′-聯(lián)吡啶催化作用下在硅膠表面原位聚合得到刷型聚離子液體鏈。與常采用的烷基取代乙烯基咪唑離子液體結(jié)構(gòu)不同,本文單體結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)和腈基。因此,Silica-PILs除了咪唑陽離子外,聚合物鏈中豐富的苯環(huán)也可以增大固定相與物質(zhì)之間的π-π相互作用。另外,由于聚合物鏈中-CN具有反應活性,Silica-PILs為后續(xù)進一步修飾為-COOH和其他功能團奠定了基礎。本課題組前期研究表明[7,8],通過控制單體的濃度或聚合時間,可以很容易地控制聚合物結(jié)構(gòu)和厚度。本文單體總質(zhì)量濃度和聚合時間分別為40 g/L和6 h。

用紅外光譜、熱重和元素分析對固定相進行表征。與Silica-Cl相比,Silica-PILs在2 929和2 846 cm-1處出現(xiàn)了-CH的特征吸收峰,在1 560 cm-1處出現(xiàn)了咪唑環(huán)的特征吸收峰,在2 103 cm-1處出現(xiàn)了-C≡N的特征吸收峰(見圖2)。與裸硅膠相比,Silica-Cl和Silica-PILs分別失重1.6%和7.23%,表明有有機物鍵合于硅膠表面,提示芐基氯和聚合物鏈成功接枝于硅膠表面。此外,元素分析結(jié)果表明,接枝聚合物鏈后,Silica-PILs中C元素含量比Silica-Cl增加了5.99%,同時出現(xiàn)了N元素(含量為1.56%)。所有結(jié)果均表明固定相制備成功。

圖2 Silica-Cl和Silica-PILs的(a)紅外譜圖及(b)熱重分析

2.2 色譜柱的保留機理

2.2.1反相模式

考慮到固定相上含有非極性基團,本文首先選擇5種多環(huán)芳烴(萘、苊、芴、菲和芘)作為疏水性溶質(zhì)評價固定相的反相色譜性能。圖3顯示了固定相的分離性能及流動相中乙腈濃度對物質(zhì)保留的影響。在這5種多環(huán)芳烴中,苊和芴分離度為0.1,不能完全分離。當流動相中乙腈的體積比從20%增加到50%時,多環(huán)芳烴的保留逐漸減弱。說明溶質(zhì)的保留遵循反相色譜中有機相比例增加,物質(zhì)保留減弱的普遍規(guī)律。

圖3 多環(huán)芳烴的(a)分離及(b)其保留隨流動相中乙腈比例的變化

2.2.2離子交換模式

流動相pH不僅影響溶質(zhì)的存在狀態(tài),而且能改變固定相表面的帶電性質(zhì)和電荷數(shù)量。為了探索固定相Silica-PILs的保留特性,使用乙腈和不同pH的甲酸銨緩沖溶液作為流動相,考察了酸性、中性和堿性溶質(zhì)的保留異同。

中性物質(zhì)(萘、萘丁美酮和苊)的保留基本不隨pH的改變發(fā)生變化。隨著pH增加,苯胺(pKa=4.61)、3,3-二氨基聯(lián)苯胺(pKa=4.39)、N-苯基芐胺(pKa=3.89)等堿性物質(zhì)的保留隨著pH增大而增加,但當pH大于5.0時保留基本保持恒定。這是因為隨著pH增大,3種胺的質(zhì)子化程度減弱,其與咪唑靜電排斥逐漸減小而氫鍵作用逐漸增強,表明溶質(zhì)與Silica-PILs之間還存在靜電作用力。對于酸性物質(zhì),在pH小于5.0時,苯甲酸(pKa=4.20)、3,4-二羥基苯甲酸(pKa=4.45)、肉桂酸(pKa=4.34)3種酸的保留增強,這是由于這些物質(zhì)的解離程度逐漸增大,它們與固定相之間的離子交換作用增強的緣故(見圖4)。但當pH大于5.0時,3種有機酸的保留呈現(xiàn)減弱的趨勢。這可能是因為在高pH下,咪唑鹽陽離子與氫氧根作用,從而抑制了咪唑陽離子與溶質(zhì)之間的陰離子交換能力?？傊?pH效應證實了Silica-PILs是反相-離子交換混合模式固定相。

圖4 pH對(a)有機堿和(b)有機酸保留的影響

2.2.3π-π作用

聚離子液體配體中存在苯環(huán)、咪唑陽離子、亞甲基等能夠與溶質(zhì)作用的多個部分。對于固定相的疏水性和芳香選擇性,可以用烷基苯和稠環(huán)芳烴的分離進行驗證[19,20]。通過測定固定相對亞甲基的選擇性,可以評價傳統(tǒng)的十八烷基硅烷鍵合硅膠(ODS)或其他烷基化固定相的疏水性。本文首先評價了烷基苯和稠環(huán)芳烴在ODS色譜柱上的保留,分別以烷基苯和多環(huán)芳烴保留因子的對數(shù)lgk對溶質(zhì)在水-正辛醇中分配系數(shù)的對數(shù)lgP作圖(見圖5),發(fā)現(xiàn)兩條直線的斜率幾乎相同,說明了這兩種溶質(zhì)保留僅與其疏水性有關(guān)。但是,在Silica-PILs上,多環(huán)芳烴lgk與lgP作圖的斜率顯著大于烷基苯,說明Silica-PILs對多環(huán)芳烴的保留率高于烷基苯,例如,蒽的疏水性小于丙苯,但是其lgk值卻明顯高于丙苯,說明Silica-PILs可以對分子提供π-π作用。同時,該斜率也大于咪唑側(cè)基為烷基的離子液體固定相[19,20],說明了本文離子液體中苯環(huán)增強了離子液體對多環(huán)芳烴的π-π作用。

圖5 溶質(zhì)在(a)Silica-PILs和(b)ODS固定相上lg k與lg P之間的關(guān)系

2.3 非甾體類抗炎藥的分離

非甾體抗炎藥(NSAIDs)是一類不含有甾體結(jié)構(gòu)的抗炎藥,包括阿司匹林、對乙酰氨基酚、吲哚美辛、萘普生、萘普酮、雙氯芬酸、布洛芬、尼美舒利、羅非昔布、塞來昔布等,該類藥物具有抗炎、抗風濕、止痛、退熱和抗凝血等作用,在臨床上廣泛用于治療骨關(guān)節(jié)炎、類風濕性關(guān)節(jié)炎、多種發(fā)熱,緩解各種疼痛癥狀。為驗證色譜柱的應用性能,用Silica-PILs對5種NSAIDs混合物進行分離(見圖6),可看出5種藥物在10 min內(nèi)分離完全,說明該色譜固定相具有一定應用價值。

圖6 5種非甾體類抗炎藥的色譜分離圖

此外,對色譜柱的穩(wěn)定性也進行了考察。當使用pH 3.0到9.0的流動相進行了300多次分離后,5種非甾體類抗炎藥的保留時間和分離效率與最初使用時基本相同,尼美舒利、酮基布洛芬、苯布芬、吲哚美辛和雙氯芬酸保留時間的相對標準偏差(RSD)分別為0.43%、0.49%、0.62%、0.69%和0.59%。表明在連續(xù)使用期間,柱效率保持良好。需要指出,硅基介質(zhì)的穩(wěn)定性在很大程度上取決于所用流動相的pH值,一般在pH 2.0～8.0范圍內(nèi)具有穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文通過SI-ATRP將1-(4-乙烯基芐基)-3-氰甲基咪唑鹽接枝到硅膠表面,制備了一種刷型聚離子液體色譜固定相。該色譜固定相具有良好的分離能力,對物質(zhì)保留存在反相-離子交換混合作用力。不同于咪唑烷基取代的離子液體固定相,由于在咪唑陽離子取代基上引入了苯環(huán)和氰基,該聚離子液體固定相對物質(zhì)保留能夠提供顯著的π-π作用。說明對咪唑側(cè)基功能化是制備新型離子液體固定相的可行方法。需要說明的是,本文離子液體中腈基具有反應活性,未來可轉(zhuǎn)化為羧基、四唑等其他功能團,進一步研究聚離子液體中不同咪唑側(cè)基功能團對色譜性能的影響,這部分工作尚在進行之中。