丁二酸中雜質(zhì)含量的分析研究

蘇鳳仙,陳建梅,徐哲峰

(1. 中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院,江蘇儀征 211900;2. 江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇儀征 211900)

丁二酸又名琥珀酸,是一種常見(jiàn)的天然有機(jī)酸,常被用作聚丁二酸對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBST)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等新型生物可降解聚酯的合成原料。丁二酸雜質(zhì)對(duì)聚合反應(yīng)和聚合產(chǎn)物都會(huì)產(chǎn)生一定的影響,在二元酸二元醇的酯化縮聚反應(yīng)階段,雜質(zhì)的存在可能是導(dǎo)致聚合反應(yīng)過(guò)早終止、聚合物相對(duì)分子質(zhì)量較低和聚合物力學(xué)性能較差的主要因素之一[1-2]。

隨著生物可降解聚酯的廣泛使用,作為聚合原料的丁二酸的質(zhì)量也越來(lái)越被重視。丁二酸的生產(chǎn)工藝有許多種,基于生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量考慮,現(xiàn)在使用廣泛的丁二酸生產(chǎn)工藝主要為順酐電解法、順酐加氫法和生物發(fā)酵法。不同的廠(chǎng)家和不同的生產(chǎn)工藝會(huì)帶來(lái)產(chǎn)品雜質(zhì)的變化,順酐加氫法工藝通常含有雜質(zhì)酒石酸和丁二酸酐,順酐電解法工藝通常含有雜質(zhì)酒石酸、富馬酸和馬來(lái)酸,生物發(fā)酵法工藝通常含有雜質(zhì)甲酸、乙酸、乳酸、檸檬酸、草酸、酒石酸、蘋(píng)果酸、富馬酸和馬來(lái)酸等,丁二酸的部分雜質(zhì)可能對(duì)生物可降解聚酯的合成影響較大,不僅會(huì)降低聚合物的分子量,而且會(huì)增加分子鏈的支化度,所以分析丁二酸雜質(zhì)含量對(duì)生物可降解聚酯的研發(fā)和生產(chǎn)至關(guān)重要。

丁二酸產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 34686—2017[3]《工業(yè)用丁二酸》推薦采用酸堿滴定法分析丁二酸純度,雖然操作簡(jiǎn)便,但是誤差較大,且該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有涉及有機(jī)雜質(zhì)的分析方法和指標(biāo)要求,所以該標(biāo)準(zhǔn)不能完全適用于丁二酸純度與有機(jī)雜質(zhì)含量的分析。丁二酸的分析在許多文獻(xiàn)資料中也有報(bào)道,王訓(xùn)道等[4]以Cu2+為反離子與丁二酸形成絡(luò)合物,再采用反相液相色譜法分析;余作龍等[5]采用C18鍵合液相色譜柱和磷酸二氫鉀水溶液作為流動(dòng)相分析丁二酸發(fā)酵液中的丁二酸含量;嚴(yán)勵(lì)等[6]采用毛細(xì)管電泳儀、磷酸二氫鈉-硼酸鈉為緩沖溶液分離丁二酸發(fā)酵液中的有機(jī)酸等。雖然文獻(xiàn)資料多次報(bào)道有機(jī)二元酸的分析,但主要介紹混合液中微量丁二酸的分析,很少涉及丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)含量分析的相關(guān)內(nèi)容。

本文主要采用液相色譜法探索丁二酸有機(jī)雜質(zhì)含量的分析方法,進(jìn)一步評(píng)價(jià)丁二酸的質(zhì)量,為生物可降解聚酯的研發(fā)與生產(chǎn)進(jìn)行原料篩選與質(zhì)量把關(guān)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料及試劑

丁二酸,工業(yè)純,市售;甲酸,分析純,國(guó)藥集團(tuán);乙酸,分析純,國(guó)藥集團(tuán);草酸,分析純,國(guó)藥集團(tuán);乳酸,分析純,國(guó)藥集團(tuán);順丁烯二酸,分析純,國(guó)藥集團(tuán);反丁烯二酸,分析純,國(guó)藥集團(tuán);蘋(píng)果酸,分析純,國(guó)藥集團(tuán);酒石酸,分析純,國(guó)藥集團(tuán);檸檬酸,分析純,國(guó)藥集團(tuán);氦氣,純度大于99.999%,南京特種氣體廠(chǎng);氮?dú)?純度大于99.99%,南京特種氣體廠(chǎng);氫氣,純度大于99.99%,南京特種氣體廠(chǎng)。

1.2 儀器與設(shè)備

氣相色譜儀,7890A型,配有氫火焰離子檢測(cè)器,安捷倫科技有限公司;氣質(zhì)聯(lián)用儀,7890B-5977A型,配有電子轟擊離子源、四級(jí)桿質(zhì)量分析器與光電倍增管檢測(cè)器,安捷倫科技有限公司;液相色譜儀,e2695型,沃特斯科技有限公司;電子分析天平,XRS105型,梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.3 分析方法

Prevail Organic Acid型色譜柱,尺寸為250 mm×4.6 mm×5 μm;柱溫35 ℃,保持10 min;流動(dòng)相為25 mmol/L磷酸二氫鉀水溶液,流動(dòng)相pH值:2.5(用磷酸調(diào)節(jié));波長(zhǎng)為215 nm;流速為1.0 mL/min;稱(chēng)樣量為1.0 g;進(jìn)樣量為10 μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析方法的確定

有機(jī)物的分析常采用色譜法,色譜法包括氣相色譜法和液相色譜法等,由于氣相色譜法具有高靈敏度、高分離效果、高選擇性等特點(diǎn),所以被廣泛應(yīng)用于有機(jī)物的分析,而且氣相色譜所用的流動(dòng)相為氣體,相對(duì)液相色譜的化學(xué)溶劑流動(dòng)相,氣相色譜更綠色潔凈,對(duì)環(huán)境更友好,所以對(duì)化工有機(jī)物,常常推薦采用氣相色譜法分析。只有當(dāng)待測(cè)組分受熱易分解、沸點(diǎn)較高,氣相色譜法不能滿(mǎn)足分析要求時(shí),才推薦采用液相色譜法分析。

2.1.1 氣相色譜法初探

丁二酸為白色晶體,沸點(diǎn)為236.15 ℃,在235 ℃時(shí)易分解,分解產(chǎn)物為丁二酸酐。為了減少丁二酸的受熱分解,將氣相色譜進(jìn)樣口溫度、檢測(cè)器溫度和柱溫都設(shè)定在230 ℃以下,并分別探索了不同色譜柱對(duì)丁二酸有機(jī)雜質(zhì)的分離情況,如圖1所示。

由圖1可知,不同色譜柱對(duì)丁二酸的分離效果差異較大,從分離效果考慮,DB-1柱分析的丁二酸主組分峰面積較大,更適合分析丁二酸。

(a):DB-WAX柱;(b):DB-1柱

2.1.2 氣質(zhì)聯(lián)用法定性

采用氣質(zhì)聯(lián)用法對(duì)有機(jī)組分進(jìn)行定性分析,發(fā)現(xiàn)主組分為丁二酸酐,說(shuō)明丁二酸在此條件下發(fā)生反應(yīng)生成丁二酸酐,定性結(jié)果如圖2所示。根據(jù)氣質(zhì)聯(lián)用定性結(jié)果,說(shuō)明圖1中保留時(shí)間為7.038 min的組分為丁二酸酐。

(a):丁二酸分析主組分質(zhì)譜圖;(b):標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)質(zhì)譜圖

考慮到高溫可能促進(jìn)丁二酸的反應(yīng),所以繼續(xù)降低進(jìn)樣口溫度、檢測(cè)器溫度和柱溫,設(shè)定在150 ℃以下,再進(jìn)行分析比較,效果仍然不理想,丁二酸仍然自縮生成丁二酸酐,如圖3所示。雖然氣相色譜設(shè)定溫度遠(yuǎn)低于丁二酸分解溫度,但是樣品在進(jìn)樣口是氣化狀態(tài),分子膨脹,且有載氣的壓力作用,丁二酸更容易發(fā)生反應(yīng)。

綜上所述,氣相色譜儀進(jìn)樣口與柱溫等條件的高溫加速丁二酸的反應(yīng),生成丁二酸酐,所以氣相色譜法不適用于分析丁二酸,需要采用液相色譜法分析。

2.2 色譜條件研究

色譜條件是有機(jī)物分離分析的關(guān)鍵因素,色譜條件合適與否,通常影響分析的分離度、分離效率、響應(yīng)值、分析速度(時(shí)間)以及定量的結(jié)果等,所以選擇合適的色譜條件在有機(jī)物定量中非常重要。液相色譜的色譜條件包含色譜柱、流動(dòng)相、檢測(cè)器紫外波長(zhǎng)、進(jìn)樣量、流速等,通過(guò)摸索以上幾種色譜條件,選擇一個(gè)較合適的分析條件,以期達(dá)到待測(cè)物的完美分離。

(a):230 ℃;(b):150 ℃

2.2.1 色譜柱對(duì)丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)分離的影響

丁二酸中可能存在的雜質(zhì)有甲酸、乙酸、乳酸、檸檬酸、草酸、酒石酸、蘋(píng)果酸、富馬酸和馬來(lái)酸等,對(duì)于此類(lèi)組分的分析常采用有機(jī)酸柱和ODS柱,為了進(jìn)一步比較確定合適的色譜柱,分別采用Aminex HPX-87H柱、Agilent Zorbax ODS柱、Prevail Organic Acid柱,探索不同色譜柱對(duì)丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)的分離效果,分離效果圖如圖4所示。

由圖4可知,Agilent Zorbax ODS柱和Aminex HPX-87H柱分離效果較差,不能分離丁二酸中有機(jī)雜質(zhì),Prevail Organic Acid柱分離效果較好,色譜峰響應(yīng)值較高,分析時(shí)間較短,所以色譜柱選擇Prevail Organic Acid有機(jī)酸柱。

2.2.2 流動(dòng)相對(duì)丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)分離的影響

液相色譜法中,試樣中各組分能被高效的分離,首先在于選擇合適色譜柱,其次是流動(dòng)相,適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)相能改善組分分離效果,提高組分峰響應(yīng)值。分別采用稀硫酸、磷酸二氫鉀水溶液作為流動(dòng)相,再在磷酸二氫鉀水溶液中加入甲醇調(diào)節(jié)流動(dòng)相極性,探索不同流動(dòng)相對(duì)丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)的分離效果,分離效果圖如圖5所示。

(a):Aminex HPX-87H柱;(b):Prevail Organic Acid柱;(c):Agilent Zorbax ODS柱

(a):0.02 mol/L稀硫酸;(b):水,磷酸二氫鉀,甲醇體積比為97∶1∶2;(c):25 mmol/L磷酸二氫鉀水溶液

由圖5可知,作為流動(dòng)相,磷酸二氫鉀水溶液比硫酸水溶液更能使丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)高效分離且色譜峰響應(yīng)值較高,加甲醇調(diào)節(jié)流動(dòng)相極性對(duì)丁二酸有機(jī)雜質(zhì)的分離不僅沒(méi)有改善,而且影響一些雜質(zhì)的分離效果,所以磷酸二氫鉀水溶液作為流動(dòng)相更合適。

2.2.3 pH值對(duì)丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)分離的影響

丁二酸雜質(zhì)偏酸性,所以酸性流動(dòng)相更有利于分離這些組分,用磷酸調(diào)節(jié)流動(dòng)相的pH值,調(diào)至流動(dòng)相pH值分別為2.0、2.5、3.0時(shí)分析丁二酸中有機(jī)雜質(zhì),分離效果如圖6所示。

由圖6可知,當(dāng)pH值為2.5時(shí),丁二酸中各雜質(zhì)色譜峰響應(yīng)值最高,所以流動(dòng)相pH值需要用磷酸調(diào)節(jié)至2.5。

(a):pH=2.0;(b):pH=2.5;(c):pH=3.0

2.2.4 波長(zhǎng)對(duì)丁二酸有機(jī)雜質(zhì)響應(yīng)值的影響

紫外波長(zhǎng)是影響樣品響應(yīng)值的另一個(gè)關(guān)鍵因素,在合適波長(zhǎng)條件下,樣品組分能獲得較高的響應(yīng)值。分別考察波長(zhǎng)條件為196、215和230 nm時(shí)丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)色譜峰響應(yīng)值,分析效果如圖7所示。從圖7可以看出,當(dāng)波長(zhǎng)條件為215 nm時(shí),丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)分析效果好、色譜峰響應(yīng)值高,所以選擇波長(zhǎng)條件為215 nm。

經(jīng)過(guò)色譜柱、流動(dòng)相、流動(dòng)相pH值、波長(zhǎng)等條件的探索,最終確定色譜條件:Prevail Organic Acid柱、流動(dòng)相為25 mmol/L磷酸二氫鉀水溶液、流動(dòng)相pH值為2.5、波長(zhǎng)為215 nm。在此色譜條件下,丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)能被有效地分離,色譜峰響應(yīng)值高、分析效率高。

(a):196 nm;(b):215 nm;(c):230 nm

2.3 丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)的定性分析

液相色譜定性方法有許多種,本文采用標(biāo)準(zhǔn)品比照法定性,定性結(jié)果如圖8和表1所示。

圖8 丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)定性色譜圖

表1 丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)定性結(jié)果

2.4 丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)的定量分析

2.4.1 定量方法的探索

液相色譜的定量方法有多種,廣泛使用的有兩種,分別為外標(biāo)法與內(nèi)標(biāo)法?？紤]到丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)較多,內(nèi)標(biāo)物選擇困難,有可能選擇的內(nèi)標(biāo)物會(huì)干擾有機(jī)雜質(zhì)的分離度和定量準(zhǔn)確性,所以本文采用外標(biāo)法定量,繪制4級(jí)校正曲線(xiàn),如圖9～17所示。丁二酸中9個(gè)有機(jī)雜質(zhì)定量校正曲線(xiàn)的線(xiàn)性范圍寬,說(shuō)明本方法測(cè)試量程大,適用范圍寬;由表2可知,有機(jī)雜質(zhì)定量校正曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)都高于0.995,說(shuō)明校正曲線(xiàn)的相關(guān)性高、線(xiàn)性關(guān)系好,方法定量準(zhǔn)確度高。

圖9 草酸定量校正曲線(xiàn)

圖10 酒石酸定量校正曲線(xiàn)

圖11 甲酸定量校正曲線(xiàn)

圖12 蘋(píng)果酸定量校正曲線(xiàn)

圖13 乳酸定量校正曲線(xiàn)

圖14 檸檬酸定量校正曲線(xiàn)

圖15 乙酸定量校正曲線(xiàn)

圖16 富馬酸定量校正曲線(xiàn)

圖17 馬來(lái)酸定量校正曲線(xiàn)

表2 丁二酸中雜質(zhì)的線(xiàn)性方程

2.4.2 丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)含量的分析

稱(chēng)取1.0 g丁二酸試樣于25 mL容量瓶中,用蒸餾水溶解、定容、搖勻后分析,丁二酸試樣中有機(jī)雜質(zhì)含量按公式(1)計(jì)算:

(1)

式中Xi為試樣中雜質(zhì)組分i的含量,%;Ki為試樣中雜質(zhì)組分i定量校正曲線(xiàn)的斜率;Ai為試樣中雜質(zhì)組分i的峰面積;m為試樣的質(zhì)量,g。

2.4.3 丁二酸純度的分析

丁二酸試樣的純度,以%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))表示,按式(2)計(jì)算:

W=100-∑Xi

(2)

式中W為試樣的純度,%;Xi為試樣中雜質(zhì)組分i的含量,%。

2.5 方法學(xué)考察

2.5.1 精密度的評(píng)價(jià)

在生產(chǎn)與科研的分析報(bào)告中常用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示精密度,精密度包含重復(fù)性和再現(xiàn)性,本文僅考察重復(fù)性。對(duì)丁二酸分別分析,以雜質(zhì)富馬酸與酒石酸為考察對(duì)象,考察兩個(gè)雜質(zhì)的保留時(shí)間和含量的重復(fù)性,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 丁二酸雜質(zhì)含量分析方法的重復(fù)性

2.5.2 準(zhǔn)確度的評(píng)價(jià)

準(zhǔn)確度為真值與測(cè)定值差值大小的一種量度,丁二酸雜質(zhì)含量的真值未知,本方法準(zhǔn)確度的評(píng)價(jià)以雜質(zhì)酒石酸為考察對(duì)象,采用加標(biāo)回收率的方法檢驗(yàn)分析方法的準(zhǔn)確度。稱(chēng)取適量丁二酸試樣,分別添加適量的酒石酸標(biāo)樣,以式(3)計(jì)算回收率,結(jié)果見(jiàn)表4。

(3)

式中K為回收率,%;X1為樣品原樣量,g;X2為樣品添加量,g;X3為樣品實(shí)測(cè)量,g。

表4 丁二酸雜質(zhì)的回收率

2.5.3 線(xiàn)性范圍與檢出限的考察

線(xiàn)性范圍,指響應(yīng)值(或峰面積)隨組分濃度變化曲線(xiàn)上直線(xiàn)部分所對(duì)應(yīng)的組分濃度變化范圍。在色譜分析中一般將檢出限定義為信噪比(S/N)3∶1時(shí)的濃度,以式(4)計(jì)算:

(4)

式中D為檢出限,%;S/N為該濃度下的信噪比;Q為進(jìn)樣濃度,%。

以式(4)計(jì)算丁二酸中雜質(zhì)含量分析方法的檢出限,結(jié)果列于表5。由表5可知,該方法具有較寬的線(xiàn)性范圍和良好的線(xiàn)性,相關(guān)系數(shù)在0.99以上,方法也具有較高的靈敏度,檢出限優(yōu)于0.001 5%,能滿(mǎn)足丁二酸原料的測(cè)試需求。

表5 線(xiàn)性范圍與檢出限結(jié)果

由表3可知,重復(fù)性中丁二酸保留時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于0.65%,丁二酸含量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于3.0%;由表4可知,丁二酸分析方法回收率范圍為88.30%～117.24%。說(shuō)明本方法的重復(fù)性好,回收率優(yōu),精密度與準(zhǔn)確度較高;由表5可知,本方法的線(xiàn)性范圍寬、檢出限低,能用于生物可降解材料原料質(zhì)量的評(píng)價(jià)。

3 結(jié) 論

a) 建立了丁二酸雜質(zhì)含量的分析方法:采用Prevail Organic Acid柱、流動(dòng)相為25 mmol/L磷酸二氫鉀水溶液、流動(dòng)相pH值為2.5、波長(zhǎng)為215 nm的色譜條件下,丁二酸中有機(jī)雜質(zhì)能被有效地分離,色譜峰響應(yīng)值高、分析效率高。

b) 該方法的精密度與準(zhǔn)確度較好,重復(fù)性?xún)?yōu)于3.0%,回收率范圍為88.30%～117.24%,檢測(cè)限優(yōu)于0.001 5%,滿(mǎn)足丁二酸的測(cè)試需求。