咪唑侧基功能化聚离子液体修饰的混合模式色谱固定相的制备及其色谱性能
王婕, 刘宏, 吴丹, 赵碧红, 申继伟, 王超展, 卫引茂*
色谱, 2020, 38(4): 424-429
DOI: 10.3724/SP.J.1123.2019.07029
近年来, 混合模式色谱法(MMC)在复杂样品分离中的应用日益受到重视。与单一模式的反相液相色谱法相比, MMC可以对溶质提供多种相互作用, 在同时分离极性和非极性化合物等复杂样品方面表现出极大的灵活性。原则上, MMC固定相至少需要两种不同性质的基团进行功能化, 例如将反相和亲水、亲水和离子交换、反相和离子交换功能团组合, 以产生与分析物的多重相互作用。基于该原则, 通常采用两种策略制备MMC固定相:(1)将两种含有不同官能团的有机小分子修饰于基质表面, 这种方法目前比较常用; (2)用高分子聚合法将含有两种功能团的单体聚合于基体表面, 该方法在基体上形成均聚物、共聚物等。通过改变两种单体比例, 可调控固定相表面两种官能团的比率, 制备选择性可调的色谱固定相。 聚离子液体(PILs)修饰的固定相可以与溶质之间产生多种相互作用力, 如静电、疏水和离子交换、偶极相互作用等, 是一种受到关注的MMC固定相。目前, 改变PILs固定相保留特性的方法主要有两种:选择新型的阳离子和在阳离子上引入不同功能基。研究表明, PILs中阳离子或阴离子种类对固定相的色谱性能具有显著影响, 由于阳离子的种类是有限的, 相对而言在PILs阳离子取代基上引入不同功能基更加灵活多样, 故设计阳离子取代基结构将是调控固定相选择性的一条重要途径。目前, 阳离子取代基以烷基链居多, 其他阳离子取代基报道较少。而且, 聚离子液体阳离子部分多为单一功能团, 难以通过基团种类调整改变选择性。 表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)是一种活性可控自由基聚合技术, 通过控制聚合时间或单体用量, 可以控制材料表面聚合物刷的厚度。本文采用SI-ATRP技术, 将分子内含有苯环和腈基功能基的1-(4-乙烯基苄基)-3-氰甲基溴化咪唑盐聚合于硅胶表面, 制备一种聚离子液体阳离子部分含有两种功能团的新型聚离子液体固定相, 并研究聚离子液体中阳离子咪唑基上取代苯环和腈基对色谱保留的影响。 在SI-ATRP中, 有机卤化物通常用作聚合反应的引发剂, 引发单体在二氧化硅表面原位聚合形成刷型聚合物链。如图1所示, 首先在二氧化硅表面修饰苄基氯充当固体引发剂。然后, 1-(4-乙烯基苄基)-3-氰甲基溴化咪唑盐单体在CuBr/2,2′-联吡啶催化作用下在硅胶表面原位聚合得到刷型聚离子液体链。与常采用的烷基取代乙烯基咪唑离子液体结构不同, 本文单体结构中含有苯环和腈基。因此, Silica-PILs除了咪唑阳离子外, 聚合物链中丰富的苯环也可以增大固定相与物质之间的π-π相互作用。另外, 由于聚合物链中-CN具有反应活性, Silica-PILs为后续进一步修饰为-COOH和其他功能团奠定了基础。本课题组前期研究表明, 通过控制单体的浓度或聚合时间, 可以很容易地控制聚合物结构和厚度。本文单体总质量浓度和聚合时间分别为40 g/L和6 h。 图 1 固定相制备路线 Fig. 1 Preparation route of stationary phase VBzIm: 1-(4-vinylbenzyl)-3-cyanomethylimidazole; ACN: acetonitrile; ILs: ionic liquids; SI-ATRP: surface-initiated atom transfer radical polymerization; PILs: poly(ionic liquids). 用红外光谱、热重和元素分析对固定相进行表征。与Silica-Cl相比, Silica-PILs在2 929和2 846 cm-1处出现了-CH的特征吸收峰, 在1 560 cm-1处出现了咪唑环的特征吸收峰, 在2 103 cm-1处出现了-C≡N的特征吸收峰(见图2)。与裸硅胶相比, Silica-Cl和Silica-PILs分别失重1.6%和7.23%, 表明有有机物键合于硅胶表面, 提示苄基氯和聚合物链成功接枝于硅胶表面。此外, 元素分析结果表明, 接枝聚合物链后, Silica-PILs中C元素含量比Silica-Cl增加了5.99%, 同时出现了N元素(含量为1.56%)。所有结果均表明固定相制备成功。 图 2 Silica-Cl和Silica-PILs的(a)红外谱图及(b)热重分析 Fig. 2 (a) Infrared spectra and (b) thermogravimetric analysis of Silica-Cl and Silica-PILs 反相模式 考虑到固定相上含有非极性基团, 本文首先选择5种多环芳烃(萘、苊、芴、菲和芘)作为疏水性溶质评价固定相的反相色谱性能。图3显示了固定相的分离性能及流动相中乙腈浓度对物质保留的影响。在这5种多环芳烃中, 苊和芴分离度为0.1, 不能完全分离。当流动相中乙腈的体积比从20%增加到50%时, 多环芳烃的保留逐渐减弱。说明溶质的保留遵循反相色谱中有机相比例增加, 物质保留减弱的普遍规律。 图 3 多环芳烃的(a)分离及(b)其保留随流动相中乙腈比例的变化 Fig. 3 Changes in (a) separation and (b) retention of polycyclic aromatic hydrocarbons for different acetonitrile contents in mobile phase Mobile phase: acetonitrile-water (25:75, v/v). Peak Nos.: 1. naphthalene; 2. acenaphthene; 3. fluorene; 4. phenanthrene; 5. pyrene. 离子交换模式 流动相pH不仅影响溶质的存在状态, 而且能改变固定相表面的带电性质和电荷数量。为了探索固定相Silica-PILs的保留特性, 使用乙腈和不同pH的甲酸铵缓冲溶液作为流动相, 考察了酸性、中性和碱性溶质的保留异同。 中性物质(萘、萘丁美酮和苊)的保留基本不随pH的改变发生变化。随着pH增加, 苯胺(pKa=4.61)、3,3-二氨基联苯胺(pKa=4.39)、N-苯基苄胺(pKa=3.89)等碱性物质的保留随着pH增大而增加, 但当pH大于5.0时保留基本保持恒定。这是因为随着pH增大, 3种胺的质子化程度减弱, 其与咪唑静电排斥逐渐减小而氢键作用逐渐增强, 表明溶质与Silica-PILs之间还存在静电作用力。对于酸性物质, 在pH小于5.0时, 苯甲酸(pKa=4.20)、3,4-二羟基苯甲酸(pKa=4.45)、肉桂酸(pKa=4.34)3种酸的保留增强, 这是由于这些物质的解离程度逐渐增大, 它们与固定相之间的离子交换作用增强的缘故(见图 4)。但当pH大于5.0时, 3种有机酸的保留呈现减弱的趋势。这可能是因为在高pH下, 咪唑盐阳离子与氢氧根作用, 从而抑制了咪唑阳离子与溶质之间的阴离子交换能力。总之, pH效应证实了Silica-PILs是反相-离子交换混合模式固定相。 图 4 pH对(a)有机碱和(b)有机酸保留的影响 Fig. 4 Effects of pH on retention of (a) organic bases and (b) organic acids Mobile phase: acetonitrile-10 mmol/L ammonium formate (15:85, v/v). π-π作用 聚离子液体配体中存在苯环、咪唑阳离子、亚甲基等能够与溶质作用的多个部分。对于固定相的疏水性和芳香选择性, 可以用烷基苯和稠环芳烃的分离进行验证。通过测定固定相对亚甲基的选择性, 可以评价传统的十八烷基硅烷键合硅胶(ODS)或其他烷基化固定相的疏水性。本文首先评价了烷基苯和稠环芳烃在ODS色谱柱上的保留, 分别以烷基苯和多环芳烃保留因子的对数lg k对溶质在水-正辛醇中分配系数的对数lg P作图(见图5), 发现两条直线的斜率几乎相同, 说明了这两种溶质保留仅与其疏水性有关。但是, 在Silica-PILs上, 多环芳烃lg k与lg P作图的斜率显著大于烷基苯, 说明Silica-PILs对多环芳烃的保留率高于烷基苯, 例如, 蒽的疏水性小于丙苯, 但是其lg k值却明显高于丙苯, 说明Silica-PILs可以对分子提供π-π作用。同时, 该斜率也大于咪唑侧基为烷基的离子液体固定相, 说明了本文离子液体中苯环增强了离子液体对多环芳烃的π-π作用。 图 5 溶质在(a)Silica-PILs和(b)ODS固定相上lg k与lg P之间的关系 Fig. 5 Relationship between lg k and lg P of solutes on (a) Silica-PILs and (b) octadecylsilyl-bonded silica (ODS) stationary phases Mobile phase for Silica-PILs: CH3CN-H2O (25:75, v/v); mobile phase for ODS: CH3CN-H2O (50:50, v/v). Solutes: 1. toluene; 2. ethylbenzene; 3. propylbenzene; 4. butylbenzene; 5. pentylbenzene; 6. benzene; 7. naphthalene; 8. anthracene; 9. pyrene. 非甾体类抗炎药的分离 非甾体抗炎药(NSAIDs)是一类不含有甾体结构的抗炎药, 包括阿司匹林、对乙酰氨基酚、吲哚美辛、萘普生、萘普酮、双氯芬酸、布洛芬、尼美舒利、罗非昔布、塞来昔布等, 该类药物具有抗炎、抗风湿、止痛、退热和抗凝血等作用, 在临床上广泛用于治疗骨关节炎、类风湿性关节炎、多种发热, 缓解各种疼痛症状。为验证色谱柱的应用性能, 用Silica-PILs对5种NSAIDs混合物进行分离(见图6), 可看出5种药物在10 min内分离完全, 说明该色谱固定相具有一定应用价值。 图 6 5种非甾体类抗炎药的色谱分离图 Fig. 6 Chromatographic separation of five non-steroidal anti-inflammatory drugs Mobile phase: acetonitrile-10 mmol/L ammonium formate (15:85, v/v). Peak Nos.: 1. nimesulide; 2. ketoprofen; 3. fenbufen; 4. indomethacin; 5. diclofenac. 此外, 对色谱柱的稳定性也进行了考察。当使用pH 3.0到9.0的流动相进行了300多次分离后, 5种非甾体类抗炎药的保留时间和分离效率与最初使用时基本相同, 尼美舒利、酮基布洛芬、苯布芬、吲哚美辛和双氯芬酸保留时间的相对标准偏差(RSD)分别为0.43%、0.49%、0.62%、0.69%和0.59%。表明在连续使用期间, 柱效率保持良好。需要指出, 硅基介质的稳定性在很大程度上取决于所用流动相的pH值, 一般在pH 2.0~8.0范围内具有稳定性。 结论 本文通过SI-ATRP将1-(4-乙烯基苄基)-3-氰甲基咪唑盐接枝到硅胶表面, 制备了一种刷型聚离子液体色谱固定相。该色谱固定相具有良好的分离能力, 对物质保留存在反相-离子交换混合作用力。不同于咪唑烷基取代的离子液体固定相, 由于在咪唑阳离子取代基上引入了苯环和氰基, 该聚离子液体固定相对物质保留能够提供显著的π-π作用。说明对咪唑侧基功能化是制备新型离子液体固定相的可行方法。需要说明的是, 本文离子液体中腈基具有反应活性, 未来可转化为羧基、四唑等其他功能团, 进一步研究聚离子液体中不同咪唑侧基功能团对色谱性能的影响, 这部分工作尚在进行之中。 中国化学会： http://www.ccspublishing.org.cn/article/doi/10.3724/SP.J.1123.2019.07029 中国知网： http://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=SPZZ202004009
