CN104689807A

CN104689807A - 咪唑双阳离子液体亲水作用色谱固定相及其制备和应用

Info

Publication number: CN104689807A
Application number: CN201310656229.6A
Authority: CN
Inventors: 许国旺; 乔利珍; 石先哲; 路鑫
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-06-10

Abstract

本发明涉及咪唑双阳离子液体键合硅胶亲水作用色谱固定相。本发明还提供了上述亲水作用色谱固定相的制备方法，首先制备了N-端烯基的咪唑双阳离子液体以及在硅球表面接枝了3-巯基丙基基团，然后利用“巯基-烯基”点击化学反应将N-端烯基的咪唑双阳离子液体键合至3-巯基丙基修饰的硅球表面。该双阳离子液体键合硅胶亲水作用色谱固定相对典型亲水性化合物如核苷、核酸碱基和有机酸均显示很好的保留和分离选择性，且柱效理想，最高可达130,000/m，作为亲水作用色谱固定相显示良好的应用前景。

Description

咪唑双阳离子液体亲水作用色谱固定相及其制备和应用

技术领域

本发明属于高效液相色谱固定相，具体涉及咪唑双阳离子液体键合硅胶亲水作用色谱固定相以及其制备方法和对极性与亲水性物质的分离应用。

背景技术

作为一种现代分离分析技术，高效液相色谱目前已经在食品安全、环境与药物检测等诸多领域发挥了重要的作用。其中，固定相在色谱分离过程中起着举足轻重的作用，对其的开发研究一直是色谱领域的热点。亲水作用色谱（HILIC）于1990年由Alpert首先提出，其采用极性固定相，能够很好的保留反相色谱中不保留或保留弱的极性与亲水性化合物，同时采用与反相色谱类似的水和水溶性溶剂为流动相，解决了正相色谱中样品的溶解性与质谱的兼容性问题，基于此，亲水作用色谱又被称为含水正相色谱。近年来，HILIC受到极大的关注，得到了很好的发展与应用，然而也存在着一些问题，比如，柱效相比于反相色谱固定相较低，峰形不够对称，另外，尽管已经有一系列商品化的HILIC固定相（不同极性基团修饰如氨基，酰胺，二醇基，sulfoalkylbetaine等修饰的硅胶和聚合物，或者仅仅是裸硅胶），然而考虑到极性基团种类与数量的不同所导致的极性化合物的多样性，现有HILIC固定相对极性和亲水性物质的覆盖度仍然不够，满足不了分离分析的需求。因此，发展新的HILIC固定相对于扩展其应用范围有重要的意义。

离子液体是在室温或近室温下呈液态的由离子构成的有机熔融盐，其具有一系列优点，较低的熔点、良好的溶解性、较好的化学稳定性和热稳定性、几乎没有蒸汽压，难以挥发，目前已在催化、分离、萃取、电化学等方面得到很好的应用，尤其是其可设计性与多重相互作用使得其在分离领域得到极大的关注。在分离领域，离子液体主要用于样品预处理和毛细管气相色谱固定相，目前已经有商品化的毛细管气相色谱固定相出现。近年来，离子液体键合硅胶作为液相色谱固定相的报道引起研究者的兴趣，研究表明，离子液体HPLC固定相具有很好的色谱保留行为，其具有多重相互作用，包括静电作用、离子交换作用、π-π作用以及偶极相互作用和氢键键合作用。咪唑离子液体，由于其原料易得，合成简单，因此液相色谱固定相方面的应用主要涉及咪唑离子液体。目前，所报道的离子液体HPLC固定相都是基于单阳离子液体，大部分主要呈现反相色谱与离子交换保留行为来分离阴阳离子以及一些中性化合物。咪唑离子液体通常是由N-单取代咪唑与卤代烷烃类之间的亲核取代反应制备，所制备的离子液体一方面要具备易于进行硅胶表面键合的功能基团（通常来源于单取代咪唑，比如双键），另一方面商品化可得到的具备别的功能基团的卤代烷烃类非常有限，常见的是疏水性的烷烃链，所有这些因素使得通过简单的常规方法所得到的离子液体更适合作为反相色谱固定相的键合分子。目前也有少量报道关于离子液体键合硅胶作为HILIC固定相，一种是在离子液体中引入酯基并且咪唑环正离子位于外侧，另一种是功能化的阴阳离子分别通过化学键键合至硅胶表面，然而，上述方法均涉及额外的合成步骤，而且所得固定相的柱效并不理想。

双阳离子液体于近年来得到极大的关注，目前已经应用于毛细管气相色谱固定相，有机合成和电化学等方面并取得很好的结果。然而，目前为止并没有双阳离子液体用于高效液相色谱固定相方面的报道。之前的研究表明，双阳离子液体相比于单阳离子液体的主要优势是更高的热稳定性和更强的可设计性，而基于线性自由能关系的Abraham溶剂化参数模型表明双阳离子液体的相互作用参数与同类型的单阳离子液体相似。Abraham溶剂化参数模型所利用的气相色谱是基于气-液分配的，不同于液相色谱的保留机理，也并没有考虑在HILIC模式中通常会存在的静电相互作用。另外，当离子液体被固定到支撑材料的表面时，其液体性质丢失，但是其别的独特性能和对材料的表面修饰功能并不会改变。因此，当双阳离子液体被固定相到材料表面时，其会增强表面的离子性和亲水性，这将有利用HILIC模式下对亲水性特别是离子型化合物的保留。

综上所述，本发明提供了咪唑双阳离子液体键合硅胶亲水作用色谱固定相及其制备方法，利用“巯基-烯基”点击化学反应，将带烯基的双阳离子液体键合至3-巯基丙基修饰的硅球表面，与常规单阳离子液体键合硅胶固定相相比，制备方法同样简便，并未涉及额外的步骤。所制备的咪唑双阳离子液体键合硅胶亲水作用色谱固定相对典型亲水性化合物如核苷、核酸碱基以及有机酸均显示很好的保留与分离选择性，并且柱效理想，最高可达130,000/m，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明提供了咪唑双阳离子液体键合硅胶亲水作用色谱固定相及其制备和应用。该固定相新颖，柱效高，对典型亲水化合物具有很好的保留与分离选择性。

本发明的技术路线是：

一种双阳离子液体键合硅胶固定相，该固定相为亲水作用色谱固定相，键合分子为咪唑双阳离子液体，

通过“巯基-双键”点击化学反应，将双阳离子液体A键合至3-巯基丙基修饰的二氧化硅球表面；

化合物A的结构如下：

其中，n为0或1，m为1～4的正整数，X^-为Br^-,NTf₂ ^-,PF₆ ^-,BF₄ ^-,TfO^-或者其他形式的负离子。

3-巯基丙基修饰的二氧化硅球是通过(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷或(3-巯基丙基)三乙氧基硅烷与干燥的二氧化硅球在无水甲苯中回流制得的。

所述双阳离子液体可以是一端通过“巯基-烯基”点击化学反应连接在硅球表面，也可以是两端均键合至硅球表面。

本发明还提供了上述咪唑双阳离子液体键合硅胶亲水作用色谱固定相的制备方法：

1）所述化合物A为1,4-双(3-烯丙基咪唑)丁烷二溴盐、1,4-双(3-烯丙基咪唑)丁烷二(双-三氟甲基磺酰亚胺)盐、1,8-双(3-烯丙基咪唑)辛烷二溴盐、1,8-双(3-烯丙基咪唑)辛烷二(双-三氟甲基磺酰亚胺)盐或1,4-双(3-乙烯基咪唑)丁烷二溴盐、1,4-双(3-乙烯基咪唑)丁烷二(双-三氟甲基磺酰亚胺)盐、1,8-双(3-乙烯基咪唑)辛烷二溴盐、1,8-双(3-乙烯基咪唑)辛烷二(双-三氟甲基磺酰亚胺)盐，其制备过程为：将N-烯丙基咪唑或N-乙烯基咪唑与1,4-二溴丁烷或1,8-二溴辛烷以摩尔比2:1～4:1溶解在甲醇溶剂中，氩气保护下搅拌加热回流反应2～5天，提纯后即得浅黄色粘稠的Br^-阴离子的双阳离子液体，然后将其溶于水中，加入2.4～3摩尔当量的双-三氟甲基磺酰亚胺锂盐（LiNTf₂）的水溶液，再加入与水同等体积的二氯甲烷后搅拌40～60小时，提纯后即得NTf₂ ^-阴离子的双阳离子液体；

2）以无水甲苯作溶剂，将干燥过的二氧化硅球与(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷或(3-巯基丙基)三乙氧基硅烷以质量比1:1～2:1在氩气保护下于100～120℃回流反应20～28小时得到表面键合有3-巯基丙基的硅球；

3）2～4g表面键合有3-巯基丙基的硅球分散于甲醇中，加入1.5～5g咪唑双阳离子液体A和上述二种原料总质量0.5～2%的引发剂AIBN，搅拌均匀后加热至50～70℃在氩气保护下回流24～40小时即得目标固定相；

4）利用匀浆法，将所得到的双阳离子液体键合硅球填料装填成2.1mm×10cm的液相色谱柱：将所得到的目标固定相填料1g分散在10mL甲醇中制成匀浆液，以40mL甲醇作为顶替液，在60MPa的压力下填充至2.1mm×10cm的不锈钢管柱中。

利用所述咪唑双阳离子液体键合硅胶亲水作用色谱固定相在亲水作用色谱模式下对典型亲水性化合物如核苷、核酸碱基和有机酸进行分离，显示很好的保留和分离选择性；且柱效理想，最高可达130,000/m，作为亲水作用色谱固定相显示良好的应用前景。

附图说明

图1为所制备的咪唑双阳离子液体固定相的示意图；

图2和图3分别为咪唑双阳离子液体C4DIL-Br和C8DIL-Br的¹H NMR；

图4为八种核苷混合物在双阳离子液体以及相应的单阳离子液体固定相上的分离色谱图，色谱峰:(1)胸腺嘧啶;(2)3-甲基尿苷;(3)6-甲基腺苷;(4)5-甲基尿苷;(5)1-甲基腺苷;(6)1-甲基鸟苷;(7)肌苷;(8)胞苷;流动相:95%ACN(10mM NH₄FA)/H₂O(10mM NH₄FA)=95/5,等度洗脱,DAD:254nm;流速:0.2mL/min;

图5为四种碱基在双阳离子液体以及相应的单阳离子液体固定相上的分离，色谱峰:(1)胸腺嘧啶;(2)尿嘧啶;(3)腺嘌呤;(4)胞嘧啶；流动相:95%ACN(10mM NH₄FA)/H2O(10mMNH₄FA)=95/5,等度洗脱;DAD:254nm;流速:0.2mL/min;

图6为八种有机酸在双阳离子液体固定相上的分离图，色谱峰:(1)苯酚;(2)对甲氧基苯甲酸;(3)苯甲酸;(4)4-羟基苯甲酸;(5)3-氯苯甲酸;(6)间羟基苯甲酸；(7)对硝基苯甲酸;(8)3,5-二硝基苯甲酸;流动相:95%ACN(10mM NH₄FA,0.1%FA)/H2O(10mM NH₄FA,0.1%FA)=95/5,等度洗脱;TUV:254nm;流速:0.2mL/min.

具体实施方式

下面通过实例进一步阐释本发明，实例仅限于说明本发明以便于理解，而非对本发明的限定。

实施例一：双阳离子液体的制备

将1-烯丙基咪唑与1,4-二溴丁烷以摩尔比3.5:1溶解在甲醇溶剂中，氩气保护下搅拌加热至65℃回流反应约五天，冷却后，真空旋转蒸发除去甲醇，剩余混合物用乙酸乙酯洗涤五次除去未反应的原料，得到浅黄色粘稠液体，即双阳离子液体1,4-双(3-烯丙基咪唑)丁烷二溴盐(C4DIL-Br)，60℃真空干燥。接着，通过阴离子交换反应得到1,4-双(3-烯丙基咪唑)丁烷二(双-三氟甲基磺酰亚胺)盐(C4DIL-NTf₂)，步骤如下：将3.5g C4DIL-Br溶于水中，在搅拌条件下加入2.4摩尔当量的双-三氟甲基磺酰亚胺锂盐（LiNTf₂）的水溶液，加入与水同等体积的二氯甲烷后，在35℃下搅拌40小时，静置分层后除去上层水层，二氯甲烷层继续用水洗涤直至洗出液用AgNO₃检测不到Br^-的存在，旋转蒸发除去溶剂，即得C4DIL-NTf₂，颜色比C4DIL-Br浅，粘度小一些。

用同样的方法得到1,8-双(3-烯丙基咪唑)辛烷二溴盐(C8DIL-Br)和1,8-双(3-烯丙基咪唑)辛烷二(双-三氟甲基磺酰亚胺)盐(C8DIL-NTf₂)。其中，Br^-阴离子的双阳离子液体溴盐以氘代水作溶剂用核磁共振氢谱进行表征，结果如图2和图3所示。阴离子交换产物NTf₂ ^-阴离子的双阳离子液体用红外光谱进行表征，红外吸收光谱图中约1190cm^-1、620cm^-1处明显的S=O伸缩振动吸收峰，1350cm^-1处C-F伸缩振动吸收峰，表明阴离子交换的成功。

除此之外，制备了相应的单阳离子液体用于比较。将1-乙烯基咪唑与1-溴辛烷或1-烯丙基咪唑与1-溴丁烷以摩尔比1:1在氮气保护下避光搅拌，直至反应液变粘稠搅拌不动为止，加乙酸乙酯洗涤5次除去未反应的原料，旋转蒸发除去乙酸乙酯，即得到产物1-烯丙基-1-正丁基咪唑溴盐（C4IL-Br）或1-乙烯基-3-正辛基咪唑溴盐（C8IL-Br），真空60℃干燥。然后进行离子交换，将C4IL-Br或C8IL-Br溶解在二氯甲烷中，以摩尔比1:1.2加入溶解在水中的LiNTf₂，40℃剧烈搅拌12小时，静置分层后除去上层水层，二氯甲烷层继续用水洗涤直至洗出液用AgNO₃检测不到Br^-的存在，旋转蒸发除去溶剂，即得到C4IL-NTf₂和C8IL-NTf₂。

实施例二：双阳离子液体键合硅胶固定相的制备

将二氧化硅球（粒径3μm，比表面积310m²g^-1）100℃真空干燥24小时，冷却后分散于无水甲苯中搅拌均匀，加入相当于硅球表面硅羟基摩尔数1.2-1.5倍的(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷，在氩气保护下110℃回流反应24小时，离心，甲醇洗涤五次，得到表面键合有3-巯基丙基的二氧化硅球，真空60℃干燥。

通过巯基与双键的点击化学反应，将所制备的双阳离子液体C4DIL-Br，C4DIL-NTf₂和C8DIL-NTf₂键合至表面键合有3-巯基丙基的硅球表面。将表面键合有3-巯基丙基的硅球分散在甲醇中，加入双阳离子液体（双键基团摩尔数为硅球表面巯基的2-3倍）和二者1%-2%质量比的引发剂AIBN，氩气保护下60℃回流反应24小时，离心，甲醇洗涤五次，产物目标固定相真空60℃干燥。

利用匀浆法，将所得到的双阳离子液体键合硅球填料装填成2.1mm×10cm的液相色谱柱：将所得到的目标固定相填料1g分散在10mL甲醇中制成匀浆液，以40mL甲醇作为顶替液，在60MPa的压力下填充至不锈钢管柱中。

利用同样的方法，得到单阳离子液体C4IL-NTf₂和C8IL-NTf₂键合硅胶固定相并装填成同样规格的色谱柱。图1为所制备的双阳离子液体键合硅胶固定相示意图，同时列出了相应的单阳离子液体固定相。

实施例三：双阳离子液体键合硅胶固定相的评价

首先，对离子液体键合硅胶固定相进行元素分析，表1列出了元素表征结果。同时列出了双阳离子液体键合硅胶固定相柱效，柱效以胞嘧啶为探针，流动相为95%ACN(10mMNH₄FA)/H₂O(10mM NH₄FA)=95/5(v/v),等度洗脱,DAD254nm检测，流速为0.2mL/min。

表1离子液体键合硅胶固定相的性质

其次，用核苷混合物、核酸碱基混合物以及取代苯甲酸混合物来评价双阳离子液体键合硅胶固定相在亲水作用色谱条件下的保留行为和选择性。图4和图5分别给出了核苷混合物和核酸碱基混合物在所得双阳离子液体色谱柱上的分离色谱图，同时给出相同条件下在相应的单阳离子液体色谱柱上的分离结果。可以看出，所制备的双阳离子液体色谱柱在亲水作用色谱条件下能够很好的保留典型亲水化合物核苷和核酸碱基，并且显示较好的选择性，特别是色谱柱A和B以极高柱效对核苷混合物显示很好的分离选择性，表2列出了二者以核苷混合物为对象时的柱效，可以看出，柱A和柱B以任何一个峰来计算，柱效基本都在10万以上。而在相同的色谱条件下，相应的单阳离子液体色谱柱对核苷与核酸碱基显示较弱的亲水保留和较差的分离选择性。

表2双阳离子液体色谱柱A和B分离核苷混合物的柱效

另外，所制备的双阳离子液体键合硅胶固定相在亲水作用色谱模式下还对取代苯甲酸混合物进行了分离，结果如图6所示，对取代苯甲酸显示很好的保留与选择性。

由此可见，咪唑双阳离子液体键合硅胶固定相显示很好的亲水保留行为，柱效高，作为HILIC固定相具有很大的应用潜力。

Claims

1.咪唑双阳离子液体亲水作用色谱固定相，其特征在于：

该固定相为亲水作用色谱固定相，键合分子为咪唑双阳离子液体，

化合物A的结构如下：

其中，n为0或1，m为1～4的正整数，X^-为Br^-、NTf₂ ^-、PF₆ ^-、BF₄ ^-、TfO^-或者其他形式的负离子。

2.根据权利要求1所述的固定相，其特征在于：

所述固定相中双阳离子液体A的键合摩尔量为2.0～7.0×10^-5mol/g；3-巯基丙基的键合摩尔量为4.0～12.5×10^-5mol/g。

3.根据权利要求1所述的固定相，其特征在于：3-巯基丙基修饰的二氧化硅球是通过(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷或(3-巯基丙基)三乙氧基硅烷与干燥的二氧化硅球在无水甲苯中回流制得的。

4.根据权利要求1所述的固定相，其特征在于：所述双阳离子液体可以是一端通过“巯基-烯基”点击化学反应连接在硅球表面，也可以是两端均键合至硅球表面。

5.一种如权利要求1所述的固定相的制备方法，其特征在于：包括如下三个制备步骤：

1）以无水甲苯作溶剂，将干燥过的二氧化硅球与(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷或(3-巯基丙基)三乙氧基硅烷以质量比1:1～2:1在氩气保护下于100～120℃回流反应20～28小时得到表面键合有3-巯基丙基的硅球；

2）2～4g表面键合有3-巯基丙基的硅球分散于甲醇中，加入1.5～5g咪唑双阳离子液体A和上述二种原料总质量0.5～2%的引发剂AIBN，搅拌均匀后加热至50～70℃在氩气保护下回流24～40小时即得目标固定相；

3）利用匀浆法，将所得到的双阳离子液体键合硅球填料装填成2.1mm×10cm的液相色谱柱：将所得到的目标固定相填料1g分散在10mL甲醇中制成匀浆液，以40mL甲醇作为顶替液，在60MPa的压力下填充至2.1mm×10cm的不锈钢管柱中。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

所述化合物A为1,4-双(3-烯丙基咪唑)丁烷二溴盐、1,4-双(3-烯丙基咪唑)丁烷二(双-三氟甲基磺酰亚胺)盐、1,8-双(3-烯丙基咪唑)辛烷二溴盐、1,8-双(3-烯丙基咪唑)辛烷二(双-三氟甲基磺酰亚胺)盐或1,4-双(3-乙烯基咪唑)丁烷二溴盐、1,4-双(3-乙烯基咪唑)丁烷二(双-三氟甲基磺酰亚胺)盐、1,8-双(3-乙烯基咪唑)辛烷二溴盐、1,8-双(3-乙烯基咪唑)辛烷二(双-三氟甲基磺酰亚胺)盐中的一种或二种以上。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：

所述化合物A制备过程为：将N-烯丙基咪唑或N-乙烯基咪唑与1,4-二溴丁烷或1,8-二溴辛烷以摩尔比2:1～4:1溶解在甲醇溶剂中，氩气保护下搅拌加热回流反应2～5天，提纯后即得浅黄色粘稠的Br^-阴离子的双阳离子液体，然后将其溶于水中，加入2.4～3摩尔当量的双-三氟甲基磺酰亚胺锂盐（LiNTf₂）的水溶液，再加入与水同等体积的二氯甲烷后搅拌40～60小时，提纯后即得NTf₂ ^-阴离子的双阳离子液体。

8.一种权利要求1所述固定相的应用，将其在亲水作用色谱模式下对典型亲水性化合物（如核苷、核酸碱基和有机酸）进行分离，显示很好的保留和分离选择性。