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如何改善可挥发碱性有机胺类化合物的色谱分析?

2024-02-22

有机胺类化合物是由氨分子中一个或多个氢原子被烃基所取代后而形成的,它们在医药、精细化工、环境科学、食品科学等领域都是常见的目标分析物。

胺类化合物的应用领域比较广泛,最早发展起来的染料工业就是以苯胺为基础的。在药物化学中,胺类结构是重要药效基团之一存在于大多数药物结构中,如蛋白质、核酸、许多激素、抗生素和生物碱等都是胺的复杂衍生物。此外胺类结构还能优化化合物的油水分配系数。虽然某些胺对生命活动至关重要,但是也有一些胺对生物体是有害的,不少胺类化合物如萘胺、联苯胺等有致癌作用。

有机胺类化合物可分为碱性化合物、酸性化合物和中性化合物,对于其显碱性这是大家对有机胺的第一印象,这类碱性物质的高活性也常常使气相分析面临重重困难,并夹杂着吸附,响应低等一系列问题。这里我们主要阐述碱性有机胺在气相色谱法中常见的分析问题、以及产生原因的分析和常用的解决方法

含氮类化合物通常包括碳氮键、氮氮键、氮氧键和氮氢键类,其可组成硝基类化合物、胺类化合物、烯胺类化合物、重氮、叠氮、脂肪胺类等;结构包括吡啶环类、酰胺键类、哌嗪类等。有机胺类化合物可分为三类:碱性化合物、酸性化合物和中性化合物

有机胺作为碱性化合物:主要是因为氮最外围有5个电子,包括1对孤对电子和3个单电子,其中3个单电子分别与氢或碳原子形成三个σ键,未共用的1对孤对电子占据另一个sp3杂化轨道,呈棱锥形结构,导致氮上电子云密度增加,给电子能力增强,接受质子的能力增强,碱性增强,其可划分为路易斯碱,其碱性强弱排序为脂肪胺(叔胺>仲胺>伯胺)>氨气>芳香胺。

胺类结构

1 胺类结构

有机胺作为酸性化合物:当氮上链接过多的吸电子基团,比如硝基、羰基、磺酸基、酰基等,化合物对氮上孤对电子的约束性大大加强,碱性减弱,吸电子基团的增加或吸电子能力增强有机胺将由路易斯碱摇身一变为路易斯酸。有机胺的孤独电子同时会与其结构内的不饱和键形成p-π共轭,也表现出吸电子基团的现象,这就是芳香胺的碱性弱于氨水的一个主要原因。

有机胺作为中性化合物:这种条件下可理解为氮上连着吸电子基团,吸电子能力的大小刚刚好与其给电子能力大小相同,既没有给电子也没有吸电子的倾向,或者说其电离倾向性及其微弱,我们便可以认为该有机胺为中性化合物,比如吡啶联苯类化合物等。

碱性有机胺在分析方法开发上的难度:

碱性有机胺在分析方法开发的难度上要远大于其他两种性质的胺类化合物,主要是碱性的有机胺类化合物经常会出现峰展宽、峰型不对称、拖尾因子过大(>2.0)、与相邻峰分离小、灵敏度差等问题,这都与它的给电子能力有关,给电子能力越强影响越显著。

对于胺类纯度和痕量残留的检测分析,常用的分析手段为气相色谱法或液相色谱法,我们这里主要阐述碱性有机胺在气相色谱法中常见的分析问题、以及产生原因的分析和常用的解决方法。

气相色谱法在化合物开发和检测中,我们认为目标化合物的分子量小于300,常温或加热(300℃)条件下呈稳定气态分子的化合物均可用气相的方式进行检测分析(铵盐类除外),而碱性的可挥发性有机胺在气相检测的过程中常常出现吸附残留的情况,表现为空白干扰、峰型前沿、拖尾、灵敏度低等一系列问题,造成使用方法开发、检测和验证的困扰。

对于吸附的问题,我们结合多年的气相分析方法开发和检测经验,认为这与进样方式的选择、仪器类型和配样方式有很大的关系:

从进样方式的选择上来看,气相分为直接进样顶空进样两种形式。

直接进样时样品经由进样针吸取、玻璃棉、衬管、分流平板、色谱柱到检测器;顶空进样时样品在顶空瓶中加热、经由取样针进样、定量环、六通阀、传输线、衬管、分流平板、色谱柱到检测器,碱性有机胺的给电子特性会使其与遇到的任何吸电子基团进行结合,从而导致吸附问题的产生。在直接进样中易产生吸附的位置主要是未惰性处理的玻璃棉、未惰性处理的衬管、表面未镀金惰性处理的分流平板和活性位点未屏蔽色谱柱[1];

顶空进样对比直接进样,增加了顶空瓶、定量环和传输线的吸附位置。上述提到的吸附位置主要是存在吸电子基团,这些吸电子基团可以是玻璃棉和衬管中的其他化合物,也可能是一些金属离子的吸附,金属管路、玻璃器材、色谱柱等。

分流不分流进样

2 分流不分流进样

以色谱柱吸附为例,气相色谱中常用的色谱柱为不锈钢柱和毛细管色谱柱,色谱柱可分为多孔层开口柱(Porous Layer Open Tubular)和管壁涂渍开口柱(Wall Coated Open Tubular),这里主要对毛细管色谱柱进行阐述, WCOT型色谱柱的构造是由高纯度的合成石英管路作为主框架,外层涂覆聚酰亚胺作为耐高温处理,内壁涂渍化学涂层作为固定相。

这里碱性有机胺的吸附主要是由于固定相涂覆石英内壁不完全或柱效过低的色谱柱,石英材质中的金属离子裸露仍存在活性位点,从而引起色谱柱吸附,同时色谱柱老化不完全残留的化合物也会引起碱性有机胺的吸附,气相其他位置的吸附与其相同。

管壁涂渍开口柱内表面未完全屏蔽的活性位点.jpg

3 管壁涂渍开口柱内表面未完全屏蔽的活性位点

再一类是进样玻璃瓶的吸附情况,在排除了样品不稳定和一切可变量的因素前提下,仅以碱性有机胺与玻璃的接触时间作为唯一变量,考察了顶空玻璃瓶对N,N-二异丙基乙胺(DIPEA)的吸附影响,笔者验证了每毫升含DIPEA为100μg的样品溶液,统计数据如下表1:

碱性有机胺与玻璃接触的吸附性考察(静态顶空法)

1 碱性有机胺与玻璃接触的吸附性考察(静态顶空法)

同时取出的4个样品,在30h内DIPEA峰面积随时间逐渐减小(DIPEA自身未发生降解),通过储备液重新配置DIPEA或重新取用之前的对照品进行检测,检测结果与0h结果相同,进一步的阐述了碱性有机胺和玻璃的吸附情况会随着接触时间的增加而增加。

如何避免碱性有机胺的气相吸附问题

那么,该如何避免碱性有机胺的气相吸附问题,从而避免产生峰型问题和灵敏度不够的问题?笔者通过积累总结了以下几种方法,仅作为笔者对于可挥发性碱性有机胺,在气相分析方法开发解决峰型和灵敏度问题的个人见解。

(1)提高进样口的温度,温度提高有助于加快分子间运动的速度和样品在进样口的气化成都,减小碱性有机胺与活性位点接触的时间,从而减少吸附;

(2)适当的提高碱性有机胺的浓度,提前使活性位点达到吸附饱和,使剩余的碱性有机胺不再被吸附;

(3)在稀释剂中适量添加给电子能力更强的胺或其他化合物,主要作用是使活性位点与其相结合,以保护被测碱性有机胺不被吸附,比如在测定二乙胺时加入适量的三乙胺,这点与第二点类似;

(4)使用经表面活性剂处理过的色谱柱,用表面活性剂可降低固定液、溶剂的比表面自由能,使固定液与溶剂表面张力减小。表面活性剂是由憎水剂和亲水基组成的化合物,能黏附于玻璃衬管的硅醇基团及路易斯酸中心,形成定向的单分子层,既起脱活又有固定分散作用[2~4]。

胺类化合物专用色谱柱,胺类化合物专用的色谱柱其内表面经过特殊处理的固定相涂覆,屏蔽活性位点的能力远高于其他的色谱柱,从而减小吸附,但值得注意的是,胺类专用的气相色谱柱它的最高耐受温度普遍偏低,柱流失普遍偏高,使用时需注意操作规范;

(5)使用惰性处理的衬管和分流平板,顶空传输线使用石英材质;

(6)直接进样可采用塑料进样小瓶或加入内衬管;

(7)色谱柱与进样系统在使用前进行充分的老化操作,去除内壁可能残留的其他化合物。

原料药的生产往往包含复杂的化学和生物变化过程,原料的生产过程是基于一个个的化学单元反应,以及一个个的单元化工操作进行的,在其生产的过程中往往会产生副产物,因此需要纯化和精制。原料药的杂质如有关物质、残留有机溶剂、无机杂质的水平,相关理化性质如晶型、粒度,原料药的稳定性和可能的污染和交叉污染等都是影响原料药质量、安全和有效性的关键因素。

文章部分内容摘自网络

参考文献:

[1] 许国旺,侯晓例,朱书奎.分析化学手册第三版.5.气相色谱分析M.北京:化学工业出版社,2016.10:116.

[2] Rutten G A F M,Luyten J A.HRC&CC,1972,74:177.

[3] Franken J J,Trijbels M M F. HRC&CC,1974,91:425.

[4] Sandra P,Verzele M.Chromatographia,1979,8:419

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