基于七元瓜環(huán)衍生物的毛細管氣相色譜柱的制備及分離性能研究

董美玉　冉金鳳　王莎莎　董南

基金項目：國家自然科學地區(qū)基金資助項目（21665005）;貴州省科技計劃資助項目（黔科合基礎-ZK[2021]一般054）

摘 要：合成了4-乙烯芐氧基七元瓜環(huán)并與端羥基聚二甲基硅氧烷一起作為固定相，溶膠-凝膠法制備了柱長10 m的石英毛細管氣相色譜柱。該色譜固定相的平均極性為121，柱效為1 231 N/m。該色譜柱具有良好的分離重復性，日內(nèi)精密度的相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）小于0.14%，日間精密度的RSD小于0.33%，不同色譜柱之間重復性的RSD小于0.65%。該色譜柱對芳香位置異構(gòu)體、正構(gòu)烷烴、酯類、酮類、醇類以及Grob試劑的混合物均具有良好的分離選擇性。

關鍵詞：4-乙烯芐氧基七元瓜環(huán);端羥基聚二甲基硅氧烷;氣相色譜;固定相;溶膠-凝膠方法

中圖分類號：O657.7? 文獻標志碼：A

毛細管氣相色譜（gas chromatography）是一種高分辨率的分析方法。固定相的選擇性和有效的色譜柱制備方法是影響色譜柱高分離效率的兩個主要因素[1]。瓜環(huán)是繼杯芳烴（calixaren）、冠醚（crown ether）、環(huán)糊精（cyclodextrin）之后備受矚目的一類新型大分子化合物，它擁有疏水性的內(nèi)部空腔和環(huán)繞空腔兩端端口的羰基氧原子，可以通過空腔疏水作用、離子-偶極作用、氫鍵等與不同種類的分子發(fā)生主客體相互作用[2-3]。瓜環(huán)本身的結(jié)構(gòu)也是惰性的，具有良好的化學和熱穩(wěn)定性。良好的物理化學性質(zhì)和優(yōu)異的分子識別能力使瓜環(huán)很早就進入了色譜工作者的視野。2004年劉思敏等[4]首次將全羥基取代六元瓜環(huán)與硅膠鍵合，制備成親水性液相色譜固定相，成功分離了多種生物堿。NAGARAJAN等[5]將全羥基取代六元瓜環(huán)與烯丙基溴化合物反應得到的烷基化衍生物鍵合到硅膠上應用于液相色譜固定相。李來生等[6-7]以全羥基取代六元瓜環(huán)和七元瓜環(huán)分別作為氣相色譜填充柱的固定相，成功分離烷烴、鹵代烴、醇、酮、胺等以及一些芳香族異構(gòu)體，但是色譜柱效較低（863～936 N/m），色譜峰型較寬、對稱性不好。齊美琳等分別采用六、七、八元瓜環(huán)和瓜環(huán)聚合物利用靜態(tài)法制備了一系列的毛細管氣相色譜固定相[8-10]，分離了非極性的多環(huán)芳烴、中等極性的酯、酮、較強極性的醇、胺類等，也可較好分離Grob試劑和不同極性化合物組成的混合物。我們課題組采用合成的全羥基取代五元瓜環(huán)或單羥基取代七元瓜環(huán)，以溶膠-凝膠化學鍵合的方式制備了毛細管氣相色譜固定相[11]。此固定相涂層的均勻性、化學穩(wěn)定性較涂漬法有所改善，因此制得的色譜柱的柱效和分離選擇性得到了進一步提高。

為了進一步提高色譜柱的選擇性，拓展瓜環(huán)在氣相色譜固定相方面的應用范圍，豐富固定相的種類，在本文中將單羥基七元瓜環(huán)進一步衍生為4-乙烯芐氧基七元瓜環(huán)，與端羥基聚二甲基硅氧烷一起作為固定相，溶膠-凝膠法制備一種新型的毛細管氣相色譜柱并對色譜柱的色譜性能及分離選擇性進行研究。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

島津Solution氣相色譜儀（日本）;PX-85ZH 分析天平（上海奧斯豪有限公司）;VORTEX-5-漩渦混合器（海門市其林貝爾儀器制造有限公司）; TGL-16C 高速離心機（上海安亭儀器廠）;UC-6H加熱型超聲波清洗器（上海泰坦科技科技股份有限公司）;彈性石英毛細管柱（10 m×0.25 mm，河北永年縣銳灃色譜器件有限公司）。

γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH-560）、三氟乙酸（TFA）、端羥基聚二甲基硅氧烷（OH-PDMS）、甲基三甲氧基硅烷（MTMOS）和含氫硅油（PMHS）均購自上海Aladdin公司;分析純二氯甲烷（上海申博化工有限公司）;色譜級甲醇（天津市科密歐化學試劑有限公司）;單羥基七元瓜環(huán)（（HO）1Q[7]）實驗室自制。

1.2 4-乙烯芐氧基七元瓜環(huán)的合成和分離

在100 mL的兩口燒瓶中加入500 mg單羥基七元瓜環(huán)（（HO）1Q[7]）、5 mL 二甲基甲酰胺（DMF）和30 mL 二甲基亞砜（DMSO），持續(xù)攪拌直至單羥基七元瓜環(huán)溶解。在氮氣的保護下將反應體系冷卻至0 ℃，加入850 mg NaH，攪拌反應2 h。隨后向反應液中加入210 uL的4-乙烯基芐氯，移除反應液的冰浴，讓其自然恢復到室溫并繼續(xù)反應8 h。反應結(jié)束后，用適量乙醚沉淀反應液，減壓抽濾后再用甲醇反復抽濾洗滌3次，最后得到白色產(chǎn)物，產(chǎn)率為60%。C51H50N28O151H NMR （400 MHz， D2O），δ （ppm）：7.4 （d， 2H）， 7.2 （d， 2H）， 6.6 （m， 1H）， 5.67 （brm， 12H）， 5.30 （brm，14H）， 5.15 （d， 2H）， 4.4（s， 1H）， 4.3（d， 2H）， 4.15（d， 2H）， 4.08（m， 12H）。

1.3 毛細管色譜柱的制備

彈性石英毛細管柱的預處理：首先取10 m內(nèi)徑為0.25 mm的彈性石英毛細管柱，用N2將5 mL的二氯甲烷壓入并浸泡10 min，通氮氣將柱內(nèi)的溶液推出且繼續(xù)通氮氣15 min使其干燥。然后將1.0 mol/L的NaOH溶液推入毛細管柱浸泡30 min，蒸餾水瀝洗至中性，再用0.1 mol/L的HCL溶液瀝洗毛細管柱中和未被沖洗干凈的NaOH溶液，用蒸餾水洗凈至中性，最后彈性石英毛細管柱在氮氣的保護下120 ℃干燥2 h。

毛細管色譜柱的制備：在分析天平上稱取20 mg 4-乙烯芐氧基七元瓜環(huán)倒入5 mL 聚乙烯塑料管中，依次加入TFA（95%）300 μL、CH2CI2 700 μL、OH-PDMS 300 μL、MTMOS 50 μL、PMHS 50 μL、KH-560 100 μL，在渦旋振蕩器上混勻5 min，再放入高速離心機中以12 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min，取出上清液的溶膠-凝膠溶液作為色譜柱的固定相。在氮氣作用下將此上清液緩緩推入預處理好的毛細管內(nèi)，直至溶膠-凝膠固定相充滿整根色譜柱。將兩端密封， 溶膠-凝膠溶液在柱內(nèi)保持15 min，然后通氮氣將溶膠-凝膠溶液推出管外，在氮氣保護下靜置1 h，讓涂層干燥并與石英毛細管內(nèi)壁發(fā)生鍵合。將該柱放入氣相色譜儀，一端接氣化室，另一端放空，在氮氣保護下進行程序升溫老化。首先在初溫40 ℃以1 ℃/min升溫至150 ℃保持360 min，再以同樣的速率升溫至280 ℃保留240 min進行固化，即完成了端羥基聚二甲基硅氧烷/4-乙烯芐氧基七元瓜環(huán)（PDMS/4-VBOQ[7]）毛細管氣相色譜柱的制備。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜柱的柱效和極性

在柱溫為100 ℃，載氣為1 mL/min流速的條件下用萘測量色譜柱的柱效，其值為1 231 N/m，表明色譜柱有較高的柱效。

麥氏（McReynolds）常數(shù)是評價固定相極性和選擇性的重要指標。在120 ℃測定該色譜柱的麥氏常數(shù)，并與商用色譜柱SE-54和OV-1701的固定相進行比較，結(jié)果如表1所示。

PDMS/4-VBOQ[7]固定相的總極性為607，平均極性為121，根據(jù)麥氏常數(shù)三級分度法，ΔΙ平均<100為弱極性固定相，100～400為中等極性固定相，400以上為極性固定相，因此PDMS/4-VBOQ[7]屬于中等極性固定相，介于弱極性SE-54柱與中等極性OV-1701柱之間。5種探針化合物在PDMS/4-VBOQ[7]色譜柱上的流出順序是正丁醇（Y′）>硝基丙烷（U′）>吡啶（S′）>2-戊酮（Z′）>苯（X′），表明在PDMS/4-VBOQ[7]色譜柱上Y′（氫鍵作用-質(zhì)子給予和接受體）和U′（偶極作用，電子接受體）的作用力比較強。

2.2 色譜柱的分離重現(xiàn)性

色譜柱的分離重復性是保證色譜柱分析數(shù)據(jù)準確可靠的重要參數(shù)。本文對PDMS/4-VBOQ[7]色譜柱的日內(nèi)重復性、日間重復性和色譜柱之間的重現(xiàn)性進行了考察，結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，該色譜柱的日內(nèi)精密度RSD小于0.14%，日間RSD小于0.33%，不同色譜柱之間重復性的RSD小于0.65%，表明該自制色譜柱精密度高、重現(xiàn)性好，可用于實際樣品的測定。

2.3 Grob試劑的測試

Grob試劑在色譜技術中有著廣泛的作用，是目前應用最廣泛的評價固定相色譜分離性能的綜合試劑。它由不同極性、不同官能團、不同酸堿的化合物組成，既可評價色譜的分離性能，還可體現(xiàn)色譜柱表面的活性和吸附特性。圖1是Grob試劑在自制色譜柱上的分離色譜圖。從圖中可看出，PDMS/4-VBOQ[7]色譜柱對Grob試劑的12個組分都有很好的分離效果，且峰型尖銳對稱，表明該色譜柱具有較好的惰性，對各類化合物都有較好的分離選擇性。其中2，3-丁二醇的色譜峰拖尾，表明其與固定相之間的作用力較強，可能是由醇羥基與4-乙烯基芐氧七元瓜環(huán)之間的氫鍵作用導致。2，6-二甲基苯胺（216 ℃）比2，6-二甲基苯酚（203 ℃）后流出，表明固定相顯酸性，對堿性組分有一定的吸附作用。

2.4 分離選擇性的研究

選取一些常見的較難分離的芳香位置異構(gòu)體，探討自制毛細管柱的分離情況。毛細管柱對位置異構(gòu)體的分離因子α、保留因子k′ 和分離度R如表3所示。

從表中可以看出，無論是對極性還是弱極性的芳香位置異構(gòu)體，自制色譜柱都有較好的分離效果，說明在瓜環(huán)上鍵合苯基有利于對芳香位置異構(gòu)體的分離。另外，對正構(gòu)烷烴、酮類、酯類以及醇類混合物在柱長10 m的自制色譜柱上分別進行分離，色譜圖如圖2～5。由圖可見，自制PDMS/4-VBOQ[7]色譜柱不僅對各類化合物均有較好的分離選擇性，而且分離效率高。

3 結(jié)論

采用溶膠-凝膠法制備了端羥基聚二甲基硅氧烷/4-乙烯芐氧基七元瓜環(huán)新型毛細管氣相色譜柱。該色譜柱分離選擇性好、分離效率高，既可分離非極性化合物、極性化合物、較難分離的芳香位置異構(gòu)體，也可較好分離Grob 試劑的混合物。這些實驗結(jié)果表明瓜環(huán)衍生物在氣相色譜固定相方面有很大的應用潛力。參考文獻：

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（責任編輯：曾 晶）

作者簡介：董美玉（1970—），女，助理研究員，碩士，研究方向：色譜分析，E-mail：dmeiyu123@163.com.

通訊作者：董 南，E-mail：ndong@gzu.edu.cn.

Preparation and Separation Performance of Capillary Gas

Chromatographic Column Based on Cucurbit[7]uril Derivatives

DONG Meiyu， RAN Jinfeng， WANG Shasha， DONG Nan*

（School of Chemistry and Chemical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract： A 10 m quartz capillary gas chromatographic column was prepared by sol-gel method with 4-ethylbenzoxy cucurbit[7]uril and hydroxyl-terminated polydimethylsiloxane as stationary phase. The average polarity of the stationary phase was 121， and the column efficiency was 1 231 plates/m. The homemade column exhibited good separation repeatability， its relative standard deviation （RSD） of intra-day was less than 0.14%， inter-day precision was less than 0.33%， and the RSD of reproducibility between columns was less than 0.65%. The column has good selectivity for the separation of aromatic isomers， n-alkanes， esters， ketones ， alcohols and mixtures of Grob reagents.

Key words： 4-ethylbenzoxy cucurbit[7]uril; hydroxyl-terminated polydimethylsiloxane; gas chromatography; stationary phase; sol-gel method