丁二酸中杂质含量的分析研究

苏凤仙,陈建梅,徐哲峰

(1. 中国石化仪征化纤有限责任公司研究院,江苏仪征 211900;2. 江苏省高性能纤维重点实验室,江苏仪征 211900)

丁二酸又名琥珀酸,是一种常见的天然有机酸,常被用作聚丁二酸对苯二甲酸丁二醇酯(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。丁二酸杂质对聚合反应和聚合产物都会产生一定的影响,在二元酸二元醇的酯化缩聚反应阶段,杂质的存在可能是导致聚合反应过早终止、聚合物相对分子质量较低和聚合物力学性能较差的主要因素之一[1-2]。

随着生物可降解聚酯的广泛使用,作为聚合原料的丁二酸的质量也越来越被重视。丁二酸的生产工艺有许多种,基于生产成本和产品质量考虑,现在使用广泛的丁二酸生产工艺主要为顺酐电解法、顺酐加氢法和生物发酵法。不同的厂家和不同的生产工艺会带来产品杂质的变化,顺酐加氢法工艺通常含有杂质酒石酸和丁二酸酐,顺酐电解法工艺通常含有杂质酒石酸、富马酸和马来酸,生物发酵法工艺通常含有杂质甲酸、乙酸、乳酸、柠檬酸、草酸、酒石酸、苹果酸、富马酸和马来酸等,丁二酸的部分杂质可能对生物可降解聚酯的合成影响较大,不仅会降低聚合物的分子量,而且会增加分子链的支化度,所以分析丁二酸杂质含量对生物可降解聚酯的研发和生产至关重要。

丁二酸产品标准如GB/T 34686—2017[3]《工业用丁二酸》推荐采用酸碱滴定法分析丁二酸纯度,虽然操作简便,但是误差较大,且该标准没有涉及有机杂质的分析方法和指标要求,所以该标准不能完全适用于丁二酸纯度与有机杂质含量的分析。丁二酸的分析在许多文献资料中也有报道,王训道等[4]以Cu2+为反离子与丁二酸形成络合物,再采用反相液相色谱法分析;余作龙等[5]采用C18键合液相色谱柱和磷酸二氢钾水溶液作为流动相分析丁二酸发酵液中的丁二酸含量;严励等[6]采用毛细管电泳仪、磷酸二氢钠-硼酸钠为缓冲溶液分离丁二酸发酵液中的有机酸等。虽然文献资料多次报道有机二元酸的分析,但主要介绍混合液中微量丁二酸的分析,很少涉及丁二酸中有机杂质含量分析的相关内容。

本文主要采用液相色谱法探索丁二酸有机杂质含量的分析方法,进一步评价丁二酸的质量,为生物可降解聚酯的研发与生产进行原料筛选与质量把关。

1 试 验

1.1 原料及试剂

丁二酸,工业纯,市售;甲酸,分析纯,国药集团;乙酸,分析纯,国药集团;草酸,分析纯,国药集团;乳酸,分析纯,国药集团;顺丁烯二酸,分析纯,国药集团;反丁烯二酸,分析纯,国药集团;苹果酸,分析纯,国药集团;酒石酸,分析纯,国药集团;柠檬酸,分析纯,国药集团;氦气,纯度大于99.999%,南京特种气体厂;氮气,纯度大于99.99%,南京特种气体厂;氢气,纯度大于99.99%,南京特种气体厂。

1.2 仪器与设备

气相色谱仪,7890A型,配有氢火焰离子检测器,安捷伦科技有限公司;气质联用仪,7890B-5977A型,配有电子轰击离子源、四级杆质量分析器与光电倍增管检测器,安捷伦科技有限公司;液相色谱仪,e2695型,沃特斯科技有限公司;电子分析天平,XRS105型,梅特勒-托利多仪器有限公司。

1.3 分析方法

Prevail Organic Acid型色谱柱,尺寸为250 mm×4.6 mm×5 μm;柱温35 ℃,保持10 min;流动相为25 mmol/L磷酸二氢钾水溶液,流动相pH值:2.5(用磷酸调节);波长为215 nm;流速为1.0 mL/min;称样量为1.0 g;进样量为10 μL。

2 结果与讨论

2.1 分析方法的确定

有机物的分析常采用色谱法,色谱法包括气相色谱法和液相色谱法等,由于气相色谱法具有高灵敏度、高分离效果、高选择性等特点,所以被广泛应用于有机物的分析,而且气相色谱所用的流动相为气体,相对液相色谱的化学溶剂流动相,气相色谱更绿色洁净,对环境更友好,所以对化工有机物,常常推荐采用气相色谱法分析。只有当待测组分受热易分解、沸点较高,气相色谱法不能满足分析要求时,才推荐采用液相色谱法分析。

2.1.1 气相色谱法初探

丁二酸为白色晶体,沸点为236.15 ℃,在235 ℃时易分解,分解产物为丁二酸酐。为了减少丁二酸的受热分解,将气相色谱进样口温度、检测器温度和柱温都设定在230 ℃以下,并分别探索了不同色谱柱对丁二酸有机杂质的分离情况,如图1所示。

由图1可知,不同色谱柱对丁二酸的分离效果差异较大,从分离效果考虑,DB-1柱分析的丁二酸主组分峰面积较大,更适合分析丁二酸。

(a):DB-WAX柱;(b):DB-1柱

2.1.2 气质联用法定性

采用气质联用法对有机组分进行定性分析,发现主组分为丁二酸酐,说明丁二酸在此条件下发生反应生成丁二酸酐,定性结果如图2所示。根据气质联用定性结果,说明图1中保留时间为7.038 min的组分为丁二酸酐。

(a):丁二酸分析主组分质谱图;(b):标准谱库质谱图

考虑到高温可能促进丁二酸的反应,所以继续降低进样口温度、检测器温度和柱温,设定在150 ℃以下,再进行分析比较,效果仍然不理想,丁二酸仍然自缩生成丁二酸酐,如图3所示。虽然气相色谱设定温度远低于丁二酸分解温度,但是样品在进样口是气化状态,分子膨胀,且有载气的压力作用,丁二酸更容易发生反应。

综上所述,气相色谱仪进样口与柱温等条件的高温加速丁二酸的反应,生成丁二酸酐,所以气相色谱法不适用于分析丁二酸,需要采用液相色谱法分析。

2.2 色谱条件研究

色谱条件是有机物分离分析的关键因素,色谱条件合适与否,通常影响分析的分离度、分离效率、响应值、分析速度(时间)以及定量的结果等,所以选择合适的色谱条件在有机物定量中非常重要。液相色谱的色谱条件包含色谱柱、流动相、检测器紫外波长、进样量、流速等,通过摸索以上几种色谱条件,选择一个较合适的分析条件,以期达到待测物的完美分离。

(a):230 ℃;(b):150 ℃

2.2.1 色谱柱对丁二酸中有机杂质分离的影响

丁二酸中可能存在的杂质有甲酸、乙酸、乳酸、柠檬酸、草酸、酒石酸、苹果酸、富马酸和马来酸等,对于此类组分的分析常采用有机酸柱和ODS柱,为了进一步比较确定合适的色谱柱,分别采用Aminex HPX-87H柱、Agilent Zorbax ODS柱、Prevail Organic Acid柱,探索不同色谱柱对丁二酸中有机杂质的分离效果,分离效果图如图4所示。

由图4可知,Agilent Zorbax ODS柱和Aminex HPX-87H柱分离效果较差,不能分离丁二酸中有机杂质,Prevail Organic Acid柱分离效果较好,色谱峰响应值较高,分析时间较短,所以色谱柱选择Prevail Organic Acid有机酸柱。

2.2.2 流动相对丁二酸中有机杂质分离的影响

液相色谱法中,试样中各组分能被高效的分离,首先在于选择合适色谱柱,其次是流动相,适当的流动相能改善组分分离效果,提高组分峰响应值。分别采用稀硫酸、磷酸二氢钾水溶液作为流动相,再在磷酸二氢钾水溶液中加入甲醇调节流动相极性,探索不同流动相对丁二酸中有机杂质的分离效果,分离效果图如图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,磷酸二氢钾,甲醇体积比为97∶1∶2;(c):25 mmol/L磷酸二氢钾水溶液

由图5可知,作为流动相,磷酸二氢钾水溶液比硫酸水溶液更能使丁二酸中有机杂质高效分离且色谱峰响应值较高,加甲醇调节流动相极性对丁二酸有机杂质的分离不仅没有改善,而且影响一些杂质的分离效果,所以磷酸二氢钾水溶液作为流动相更合适。

2.2.3 pH值对丁二酸中有机杂质分离的影响

丁二酸杂质偏酸性,所以酸性流动相更有利于分离这些组分,用磷酸调节流动相的pH值,调至流动相pH值分别为2.0、2.5、3.0时分析丁二酸中有机杂质,分离效果如图6所示。

由图6可知,当pH值为2.5时,丁二酸中各杂质色谱峰响应值最高,所以流动相pH值需要用磷酸调节至2.5。

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

2.2.4 波长对丁二酸有机杂质响应值的影响

紫外波长是影响样品响应值的另一个关键因素,在合适波长条件下,样品组分能获得较高的响应值。分别考察波长条件为196、215和230 nm时丁二酸中有机杂质色谱峰响应值,分析效果如图7所示。从图7可以看出,当波长条件为215 nm时,丁二酸中有机杂质分析效果好、色谱峰响应值高,所以选择波长条件为215 nm。

经过色谱柱、流动相、流动相pH值、波长等条件的探索,最终确定色谱条件:Prevail Organic Acid柱、流动相为25 mmol/L磷酸二氢钾水溶液、流动相pH值为2.5、波长为215 nm。在此色谱条件下,丁二酸中有机杂质能被有效地分离,色谱峰响应值高、分析效率高。

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

2.3 丁二酸中有机杂质的定性分析

液相色谱定性方法有许多种,本文采用标准品比照法定性,定性结果如图8和表1所示。

图8 丁二酸中有机杂质定性色谱图

表1 丁二酸中有机杂质定性结果

2.4 丁二酸中有机杂质的定量分析

2.4.1 定量方法的探索

液相色谱的定量方法有多种,广泛使用的有两种,分别为外标法与内标法。考虑到丁二酸中有机杂质较多,内标物选择困难,有可能选择的内标物会干扰有机杂质的分离度和定量准确性,所以本文采用外标法定量,绘制4级校正曲线,如图9～17所示。丁二酸中9个有机杂质定量校正曲线的线性范围宽,说明本方法测试量程大,适用范围宽;由表2可知,有机杂质定量校正曲线的相关系数都高于0.995,说明校正曲线的相关性高、线性关系好,方法定量准确度高。

图9 草酸定量校正曲线

图10 酒石酸定量校正曲线

图11 甲酸定量校正曲线

图12 苹果酸定量校正曲线

图13 乳酸定量校正曲线

图14 柠檬酸定量校正曲线

图15 乙酸定量校正曲线

图16 富马酸定量校正曲线

图17 马来酸定量校正曲线

表2 丁二酸中杂质的线性方程

2.4.2 丁二酸中有机杂质含量的分析

称取1.0 g丁二酸试样于25 mL容量瓶中,用蒸馏水溶解、定容、摇匀后分析,丁二酸试样中有机杂质含量按公式(1)计算:

(1)

式中Xi为试样中杂质组分i的含量,%;Ki为试样中杂质组分i定量校正曲线的斜率;Ai为试样中杂质组分i的峰面积;m为试样的质量,g。

2.4.3 丁二酸纯度的分析

丁二酸试样的纯度,以%(质量分数)表示,按式(2)计算:

W=100-∑Xi

(2)

式中W为试样的纯度,%;Xi为试样中杂质组分i的含量,%。

2.5 方法学考察

2.5.1 精密度的评价

在生产与科研的分析报告中常用相对标准偏差表示精密度,精密度包含重复性和再现性,本文仅考察重复性。对丁二酸分别分析,以杂质富马酸与酒石酸为考察对象,考察两个杂质的保留时间和含量的重复性,结果见表3。

表3 丁二酸杂质含量分析方法的重复性

2.5.2 准确度的评价

准确度为真值与测定值差值大小的一种量度,丁二酸杂质含量的真值未知,本方法准确度的评价以杂质酒石酸为考察对象,采用加标回收率的方法检验分析方法的准确度。称取适量丁二酸试样,分别添加适量的酒石酸标样,以式(3)计算回收率,结果见表4。

(3)

式中K为回收率,%;X1为样品原样量,g;X2为样品添加量,g;X3为样品实测量,g。

表4 丁二酸杂质的回收率

2.5.3 线性范围与检出限的考察

线性范围,指响应值(或峰面积)随组分浓度变化曲线上直线部分所对应的组分浓度变化范围。在色谱分析中一般将检出限定义为信噪比(S/N)3∶1时的浓度,以式(4)计算:

(4)

式中D为检出限,%;S/N为该浓度下的信噪比;Q为进样浓度,%。

以式(4)计算丁二酸中杂质含量分析方法的检出限,结果列于表5。由表5可知,该方法具有较宽的线性范围和良好的线性,相关系数在0.99以上,方法也具有较高的灵敏度,检出限优于0.001 5%,能满足丁二酸原料的测试需求。

表5 线性范围与检出限结果

由表3可知,重复性中丁二酸保留时间的相对标准偏差优于0.65%,丁二酸含量的相对标准偏差优于3.0%;由表4可知,丁二酸分析方法回收率范围为88.30%～117.24%。说明本方法的重复性好,回收率优,精密度与准确度较高;由表5可知,本方法的线性范围宽、检出限低,能用于生物可降解材料原料质量的评价。

3 结 论

a) 建立了丁二酸杂质含量的分析方法:采用Prevail Organic Acid柱、流动相为25 mmol/L磷酸二氢钾水溶液、流动相pH值为2.5、波长为215 nm的色谱条件下,丁二酸中有机杂质能被有效地分离,色谱峰响应值高、分析效率高。

b) 该方法的精密度与准确度较好,重复性优于3.0%,回收率范围为88.30%～117.24%,检测限优于0.001 5%,满足丁二酸的测试需求。