凝胶色谱与紫外分析桐油甲酯D-A反应的研究

李科，蒋剑春，聂小安，陈洁，黄金瑞，陈水根



凝胶色谱与紫外分析桐油甲酯D-A反应的研究

李科1，蒋剑春1，2，聂小安1，2，陈洁1，黄金瑞1，陈水根1

（1中国林业科学研究院林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室；国家林业局林产化学工程重点开放性实验室；江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏南京210042；2中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091）

选用具有高共轭脂肪酸含量的桐油与马来酸二异辛酯作为二烯体与亲二烯体，研究了合成C22-三元酸一甲二辛酯增塑剂的工艺并探讨了酮油甲酯与马来酸二异辛酯D-A反应转化率的计算问题。通过对比分析得率、凝胶色谱、紫外3种测试方法，结果表明得率、凝胶色谱、紫外都可作为检测手段评估D-A反应的进行程度。其中得率误差较大，凝胶色谱计算转化率较为准确，紫外可利用270nm处的吸收判断反应程度，可是计算结果偏大，但可利用各波段吸收特征有效判断反应类型；综合分析凝胶色谱与紫外的结果得出桐油甲酯与马来酸二异辛酯的D-A反应最佳合成条件为桐油甲酯与马来酸二异辛酯在摩尔比为1∶1时，在220℃下反应5h，转化率为97.4%。

D-A反应；凝胶色谱；紫外；桐油；增塑剂

增塑剂（塑化剂）是高分子材料（塑料）加工时为降低加工温度增加可塑性而添加的一种助剂，PVC材料中增塑剂的使用量可达到40%，用量非常巨大。然而近年来由增塑剂所引起的负面报道越来越多，引起了人们的高度关注[1-2]。因此业内也出现了大量的环保型增塑剂产品[3-5]，其中来源于植物的油脂基增塑剂也受到广泛关注[6-7]，这其中就包括结构接近邻苯类的C22-三元酸三酯增塑剂[8-10]，其主要通过具有共轭键的脂肪酸酯与马来酸二酯的Diels-Alder反应（D-A反应）[11-12]制备，但文献中有关D-A反应转化率的计算几乎没有看到，只是通过液相-质谱定性[8]或通过分子蒸馏粗略的计算产率[10]。本文通过凝胶色谱与紫外初步尝试了测定桐油甲酯与马来酸二异辛酯D-A反应的转化率，并与得率进行了对比和综合分析，非常值得相关研究者参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

桐油，工业级，林化所南京科技开发总公司提供；甲醇，南京化学试剂有限公司，氢氧化钾，西陇化工股份有限公司，马来酸二异辛酯，阿拉丁试剂，化学试剂均为AR。

1.2 实验仪器

常熟双杰测试仪器厂JJ1000精密电子天平、IKA RE20数显型顶置式机械搅拌器、上海平环燃烧设备工程技术有限公司DW调温电热器、巩义市科华仪器设备有限公司ZNHW型电子节能控温仪、梅特勒-托利多AB135-S天平、Waters1515凝胶色谱仪、美国安捷伦Aglient Technologies 6890N气 相-质谱联用仪。

1.3 实验方法

1.3.1 桐油甲酯的制备

在500mL三口烧瓶中加入100g桐油（TO），升温至70℃，加入27g甲醇与1.0g KOH的混合溶液，搅拌保温90min，适当降温后减压蒸馏到80℃至无甲醇馏分为止。将所得混合物倒入分液漏斗静置分层，上层即为粗桐油甲酯，下层为粗甘油。放去粗甘油，水洗油相3～4次以除去残余碱及甘油，分离后再减压蒸馏至85℃除尽微量水，所得黄色透明液体即为桐油甲酯。

所得甲酯经GC-MS分析其中组分与含量，条件是：采用6890/5973型GC-MS检测器，分析反应产物中脂肪酸甲酯的成分及含量。填充柱为Agilent HP-5MSHP-5MS毛细管柱（5% Phenyl Methyl Silox），30m×250μm×0.25μm；载气为干燥的He；柱温110℃，保温3min；10℃/min升至280℃，保温10min；汽化室温度280℃。

1.3.2 C22-三元酸一甲二辛酯的合成

通过桐油甲酯（METO）与马来酸二异辛酯（DOM）的D-A反应合成C22-三元酸一甲二辛酯，具体方法为向250mL的三口烧瓶中加入50g桐油甲酯和相应质量的马来酸二辛酯，升温至设定温度，搅拌保温反应至设定时间结束。取样（微量）测凝胶色谱与紫外，适当降温后减压蒸馏至200℃去除未反应的甲酯与马来酸酯，计算得率，再用双氧水脱色即得C22-三元酸一甲二辛酯产品（浅黄色油状透明液体）。无论D-A反应发生在9，12位上还是11，14位上，其产品都是结构和性能类似的C22-三元酸一甲二辛酯，都是所需产品（无需加以区分）。此外根据文献[13]报道，-桐酸甲酯的D-A反应主要发生在11，14位上，所以其主要合成方程式可表示如式(1)。

其中凝胶色谱的分析条件为：四氢呋喃为流动相，柱温35℃，进样量25μL，进样质量分数2%，流速1mL/min。

为确定D-A反应的最佳工艺条件，本研究采用了L9(33)的正交实验，因素与水平设计参见表1。

表1 正交实验因素水平设计

1.3.3 D-A转化率的测定

通过得率、凝胶色谱、紫外3种方法计算桐油甲酯与马来酸二辛酯D-A反应的得率或转化率以综合判断反应进行的程度。以下是各方法的计算公式。

方法一：减压蒸馏后的质量′除以反应前甲酯的总质量；得相对得率。

方法二：减压蒸馏前凝胶色谱中相应分子量对应的含量（峰面积或峰高之比）计算如下。

式中，tm、j、m分别代表C22-三元酸一甲二辛酯、甲酯、马来酸二辛酯的量（峰面积）。

由于实验存在3种物质的量之比，所以对正交表中除含因素水平2的转化率按照实测含量计算，其他所测得的峰面积必须修正为同一比例（甲酯∶马来酸辛酯=1∶1）下的峰面积比。参考式(5)，如果色谱图中可清晰得到tm、j、m，修正含量采用式(4)，及无论反应进行到何种程度，反应的物料之比始终为1∶1，甲酯量与马来酸辛酯量之差的绝对值始终为多出的量；如果j、m的对应峰难以分开，修正含量则采用式(5)，即过量的部分占起始含量的9.09%，而起始含量等于两倍的tm与j、m之和。

方法三：同摩尔浓度的的共轭键的紫外吸收减少值除以甲酯的紫外吸收值计算共轭甲酯的转化率。

式中，j、tm分别为甲酯、C22-三元酸一甲二辛酯在共轭段的吸光度；j、tm分别为甲酯、C22-三元酸一甲二辛酯溶液的浓度。

2 结果与讨论

2.1 桐油甲酯成分分析

经GC-MS测定，所合成的桐油脂肪酸甲酯的组成及含量可参见表2。

表2 桐油脂肪酸甲酯组成

从表2中可以看出实验所选用的桐油不饱和脂肪酸含量高达89.76%以上，其中具有共轭结构的酮酸含量为70.87%，适合作为D-A反应的原料合成C22-三元酸一甲二辛酯。此外实验所得甲酯含量接近100%，酸值仅为0.05mgKOH/g。

2.2 分析方法的确定

实验中所用的三种计算得率或转化率的方法，其中方法一最为简单易于操作，而通过凝胶色谱和紫外计算转化率则需要进一步验证可行性和可操作性。为此采用这两种方法对反应前后的物料变化分别进行了测定。

2.2.1 凝胶色谱分析

为确定甲酯化、D-A反应的效果及判断凝胶色谱在计算D-A反应中转化率中的应用，实验采用凝胶色谱测定了反应前后的分子量变化，参见图1。图中自左至右分别为桐油、桐油甲酯、C22-三元酸一甲二辛酯（实验8）的凝胶色谱图。

从图1中通过分子量首先可以看出，凝胶色谱可有效地分辨桐油、桐油甲酯及所合成的C22-三元酸一甲二辛酯；此外对比桐油与桐油甲酯谱图发现桐油在16min后无出峰，可知桐油中几乎不含有脂肪酸结构，较为纯净；亦可发现桐油甲酯在16min前几乎无出峰，可判断所合成的桐油甲酯中几乎不含有未反应的桐油，反应较为完全；对比桐油甲酯与C22-三元酸一甲二辛酯的谱图发现在16min前出现了较为明显的非甲酯峰，而桐油甲酯中并无高分子量的桐油，可初步判断确实合成了类似C22-三元酸一甲二辛酯的物质且没有发生低聚反应。这说明凝胶色谱可以作为检测C22-三元酸一甲二辛酯的手段；且从C22-三元酸一甲二辛酯的谱图中还可以看出凝胶色谱可有效区分C22-三元酸一甲二辛酯与桐油甲酯的峰形，可有效计算峰面积。这说明凝胶色谱可作为转化率计算的一种手段。

此外，从图1中可以看出，甲酯与马来酸辛酯的峰很难分开，为避免错误或产生较大误差，故而

采用1.3.3节中的式(5)计算转化率。其中所需9组实验的凝胶色谱分析结果参见表3。

2.2.2 紫外分析

为确定桐油甲酯与马来酸二辛酯的D-A反应及反应前后紫外变化情况，采用紫外光谱测定反应前的桐油甲酯与所合成的C22-三元酸一甲二辛酯（溶剂为正己烷，浓度约为25μg/mL），参见 图2。

图2为桐油甲酯及实验1与实验2的紫外吸收对比图，从图中可以看出桐油甲酯中含有大量的共轭三键（270nm）结构，与GC-MS分析结果吻合；实验1谱图中的共轭三键明显减少，实验2近乎消失，且两者在230nm处并无出现共轭双键的峰，这说明反应体系中是甲酯的共轭双键与马来酸二辛酯发生了D-A反应，两桐油甲酯分子间并无反应，更无低聚反应，与凝胶色谱分析结果吻合；产物在小于210nm处出现了较甲酯明显的孤立双键的紫外吸收，进一步验证了桐油甲酯与马来酸二辛酯间D-A反应的发生。此外，由于紫外吸收的吸光度与所测溶液的浓度成正比，故可以通过浓度及反应前后吸光度之比来判断反应的程度。

表3 凝胶色谱分析结果

但从图2中还可以看出，D-A反应后体系中共轭三键吸收减弱明显，所以为测定进一步准确及便于计算转化率，提高了9组正交实验测定样的浓度，采用270nm处的紫外吸光度作为采集数据，对应的溶液浓度及测定结果参见表4与图3。

从表4数据及图3中可以看出，产物在270nm处的特征吸收变化明显且区分清晰，理论上可作为反应程度的参照，从图中可以简单识别实验1、实验7、8、9在230nm附近出现了微量的共轭双键的紫外吸收，这说明甲酯的过量会导致甲酯间的聚合；此外产物较原料桐油甲酯在200nm处的孤立双键吸收峰也更为明显和突出，这说明桐油甲酯的共轭三键参与了D-A反应并产生了大量的孤立双键，但吸收度过大且无法确定百分百转化的吸收度，加之其他脂肪酸及马来酸辛酯孤立双键的影响，所以不适合作为反应程度的参考，只能用作定性。所以本研究选用270nm处的共轭三键吸收度变化值计算转化率。

表4 紫外浓度与吸收度

注：同浓度吸光度是按式(3)把浓度转化为25.38μg/mL时的吸光度。

从本方法中可以看出，采用紫外测定最可能导致误差的环节是测试样的称量与浓度计算，为避免错误减少误差，应尽量采用高精度分析天平并准确定容。并应快速测定以防止溶剂挥发影响测试样真实浓度。

2.3 C22-三元酸一甲二辛酯合成工艺及转化率分析

2.3.1 D-A反应正交实验与分析

采用1.3.2节的正交表实验条件合成C22-三元酸一甲二辛酯，以得率、凝胶色谱、紫外作为指标势，以水平为横坐标，得率或转化率之和（值）的数据与统计参见表5。

从表5中的分析结果可以看出：凝胶色谱实验9结果过大，紫外分析转化率总体偏高；采用得率、凝胶色谱与紫外所得出的因素影响程度及最佳工艺略有不同，为进一步确定各种方法的准确性与最佳的分析手段和最佳工艺，需要对3种方法所得结果做进一步的分析。

2.3.2 转化率（得率）趋势对比

为确定得率、凝胶色谱与紫外3种方法分析结果的准确性，对正交实验中9组实验所得到的结果做水平变化趋势对比，参见图4。

从图4中可以看出，无论是得率、凝胶色谱还是紫外，均随实验改变的变化接近。这能说明3种方法在某种程度上都能反应出体系变化的趋势，此外凝胶色谱与紫外分析结果更为接近（实验1较实验2转化率低），这说明采用得率的偏差更大，但不能说明总体影响程度，为此需要进一步分析3种方法水平导致的总体变化趋势。

2.3.3 3种方法水平对比分析

为确定最优工艺，考察3种方法各自的水平趋势，以水平为横坐标，得率或转化率之和（值）为纵坐标做趋势图，参见图5。

表5 D-A反应结果与数据分析

从物料比、温度、时间这3个水平和趋势图可以看出，凝胶色谱与紫外在3个水平上都较为接近，而得率仅在温度趋势上一致，造成这一现象的主要原因是蒸馏时的真空度、密闭性、混合体系共泡点乃至蒸馏时间等因素差异导致的，这进一步说明凝胶色谱与紫外更能反应实际变化情况，结合表5中反应出的紫外总体数据偏高的情况，这主要是因为桐油甲酯与C22-三元酸一甲二辛酯的分子量不同致使物质的量浓度差异而导致的，故采用凝胶色谱更为准确。影响桐油甲酯与马来酸二辛酯D-A反应的因素主次顺序依次是、、，反应温度的影响最为突出；其中最优化的条件是333，但是紫外表明甲酯过量会增加甲酯间的聚合，此外紫外分析采用2最佳，故而最佳条件为233，这说明反应温度和时间还可以提高和延长，但从表5中的转化率也可看出桐油甲酯与马来酸二辛酯在220℃下5h内已经可以达到较为充分的反应，此外升温和延长时间可能会促进共聚反应，亦可使产品色泽加深。后实验验证，在此优化条件下，凝胶色谱转化率为97.4%，高于表5中除实验9其他数据。所以采用凝胶色谱法对D-A反应的优化条件是可取的。

2.4 结构表征

为进一步判断反应情况及结构变化，对桐油甲酯及实验所得C22-三元酸一甲二辛酯产品进行了红外分析，参见图6。

从图6中可以看出，桐油与桐油甲酯的谱图很接近，但桐油甲酯在1380cm–1处的甲基C—H反对称弯曲振动吸收峰明显强于桐油，这是桐油甲酯中甲基基团增倍所致；对比三酸酯，桐油甲酯在990cm–1处出现了明显的共轭双键特征吸收峰，而在C22-三元酸一甲二辛酯中则明显消失，这说明共轭双键已经参加反应；此外，C22-三元酸一甲二辛酯在3006cm–1处的==C—H伸缩吸收峰明显较桐油甲酯的要弱，这是因为双键参加反应使烯氢浓度降低而引起的。这都说明了桐油甲酯与马来酸辛酯发生了D-A反应，进一步验证了凝胶色谱与紫外分析的准确性。

3 结论

通过研究结果表明，得率、凝胶色谱、紫外3种方法都可有效反应出桐油甲酯与马来酸二辛酯D-A反应的变化趋势；但得率更易在较为接近的实验中由于真空度、共泡点等因素产生误差，紫外虽可较为准确地反映变化趋势，但在桐油甲酯与马来酸二辛酯的反应中，由于反应后溶质的分子量变大而使紫外计算转化率偏高，所以凝胶色谱所测的反应转化率更为接近，更为准确；但凝胶色谱不能完全反应出反应方向，最后通过综合分析凝胶色谱与紫外的结果得出桐油甲酯与马来酸二辛酯D-A反应的最佳工艺，即桐油甲酯与马来酸二异辛酯在物质的量之比为1∶1时在220℃下反应5h，转化率可达97.4%。

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Study on conversion rate of methyl esterD-A reaction by gel chromatography and UV analysis

LI Ke1，JIANG Jianchun1，2，NIE Xiao’an1，2，CHEN Jie1，HUANG Jinrui1，CHEN Shuigen1

（1Institute of Chemical Industry of Forestry Products，CAF；National Engineering Laboratory for Biomass Chemical Utilization；Key and Open Laboratory on Forest Chemical Engineering，SFA，Nanjing 210042，Jiangsu，China；2Institute of New Technology of Forest，CAF，Beijing 100091，China）

Tung oil with conjugated fatty acids and diisooctyl maleate were employed as raw materials to study the synthetic process of C22-tricarboxylic diisooctyl-monomethyl ester and conversion rate calculation of D-A reaction of methyl eleostearate and diisooctyl maleate. Three test methods were used including analysis of yield，gel chromatography，and ultraviolet. The test results showed that all three methods can be used to evaluate the progress of D-A reaction. However，the yield measurement was least accurate. The gel chromatography was the most precise to calculate conversion rate. The UV method could calculate the 270nm absorption reaction progress but the calculation results was too high. The UV method was able to use the band absorption characteristics to judge the reaction type effectively. Combining the analytical results from the gel chromatography and UV concluded that the optimum technological conditions were：the molar ratio of tung oil methyl ester to diisooctyl maleate is 1∶1，the reaction temperature is 220℃，reaction time is 5h，and the conversion of tung oil methyl ester can be up to 97.4%.

D-A reaction；gel chromatography；UV；tung oil；plasticize

TQ645.1；O657

A

1000–6613（2017）01–0040–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.005

2016-05-27；修改稿日期：2016-07-26。

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（CAFYBB2014MA011）及江苏省生物质绿色燃料与化学品重点实验室项目（JSBGFU14007）。

李科（1985—），男，博士研究生，助理研究员，主要从事生物质资源利用及精细化学品开发研究。E-mail： liketaiping@163.com。