GC色谱柱(4)

甲乙酮 0 0 100 0 0 硝基甲烷 0 0 0 100 0 吡啶 0 0 0 0 100 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

如果将表2-4中标准物的组分常数代入式2-6，则可得到相应的固定相常数为:

?I?IX??I苯/100；Y?乙醇；Z?甲乙酮

100100U??I?I硝基甲烷；

S?吡啶

100100

(2—6)

求得的X，Y，Z，U，S值，即表示固定相极性的罗氏常数。数值越大极性越强。

对于罗氏所建议的方法，有些人仍认为不够完善。1970年麦克雷诺(McReynolds)对这一方法提出改进方案。他采用丁醇、 2-戊酮和硝基丙烷分别取代罗氏所用的乙醇、甲乙酮和硝基甲烷，实验温度改为120℃。 为了与罗氏常数相区别，相应的麦氏常数用X'，Y'，Z'，U'，S'表示。许多色谱手册都列有这两种常数，但罗氏常数现在人们已经不太常用，使用比较广泛的是麦氏常数。

固定相的评价是一个比较复杂的问题。不论是罗氏常数还是麦氏常数，许多人认为都还有不少缺点[13-15]。为了寻求比较完美的表征方法，近年来Abraham等人[16-19 ]提出了一种“溶剂化参数模型”（solvation parameter model）。这一模型将溶质分子从气相溶解到固定相的过程分为三个阶段：(1)在固定相中形成一定大小的空穴。这一过程要打破溶剂-溶剂分子间的“键”，是一个吸收能量的过程。溶质分子越大，需要打破的溶剂-溶剂分子间的“键”越多，吸收的能量也越多。如果仅考虑这一阶段，溶质分子越大，其保留值越小；(2)孔穴周围的溶剂分子重新排列。这一过程虽然与熵及焓有关，但对Gibbs自由能的贡献不大；(3)溶质进入孔穴。这一过程产生溶质和溶剂之间的各种作用力。所有作用力都会导致释放能量，有利于溶质的溶解。根据这一模型，Abraham提出某溶质在某固定相上的保留值用下式表示：

Log KL = C + r R2 +s∏2 + aα2 + bβ2 + l㏒L HHH16(2-7) 式中KL为比保留体积；R2、∏2、α2、β2、㏒L是描述溶质性能的参数：R2： 溶质修正的摩尔折光指数；∏2 ：溶质的偶极；α2 ：溶质的氢键酸性（给质子性）；β

16HHH2

HHH16

： 氢键碱性

（受质子性）；㏒L： 溶质在正十六烷烃上25℃时的保留值。这些溶质性能的参数可以从平衡常数或从气相色谱测定的数据计算而得到。而式中的c、r、s、a、b、l是表征固定相保留能力的常数，每种固定相有其特定值。其中c为常数；r是表示溶剂与n-电子对及?-电子对作用能力的常数；s表示溶剂参与静电和诱导作用能力的常数；a是度量溶剂参与氢键碱性作用能力的常数；b为度量溶剂参与氢键酸性作用能力的常数；l则是溶剂孔穴形成和溶剂-溶质间

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色散力大小的常数。从色谱角度它表示分离同系物能力的大小。

溶剂化参数模型有其科学性的方面，但是要确定一个新的固定相的溶剂化参数，其实验和计算过程不如测定麦氏常数的方法那样简单易行，得到的表征固定相保留能力的常数c、r、s、a、b、l，其代表性是否优于麦氏常数，仍有待人们继续作进一步深入探索。

(2)选择固定液的原则和方法

到目前为止，固定液的选择尚无严格规律可循，多数情况下往往是根据文献的记载再经过实验比较才能最后确定。这里仅讨论固定液选择的一般原则和方法。

对于日常分析的样品，通常可知道大多数组分的性质，初步确定难分离物质对。此时固定液的选择应遵循“相似相溶”的基本原则。即对于非极性的样品，应首先考虑用非极性固定液分离。这时固定液与被分离组分间主要靠色散力起作用，固定液的次甲基越多，则色散力越强，各组分基本上按沸点顺序彼此分离，沸点低的组分先流出。如果被分离的组分是极性和非极性的混合物，则同沸点的极性物质先流出。对于极性物质的分离，应首先考虑选用极性固定液。这类固定液分子中含有极性基团，组分与固定液分子间的作用力主要为静电力，诱导力和色散力处于次要地位。各组分流出色谱柱的次序按极性排列，极性小的先流出，极性大的后流出。如果样品是极性和非极性的混合物，则非极性组分先流出，而且固定液极性越强，非极性组分流出越快，极性组分的保留时间就越长。对于分离能形成氢键的样品，如水、醇、胺类物质，一般可选择氢键型固定液。此时组分与固定液分子间的作用力主要为氢键作用力，样品组分主要按形成氢键能力的大小顺序分离。

利用固定液与被分离组分分子间生成弱的化学键这种特殊的作用力，有时也能实现一些组分的分离。例如在极性和氢键型固定液中加入硝酸银，由于固定液中的银离子能和样品分子中的不饱和键生成松散的化学加成物，增大了烯烃在色谱柱内的保留，使其在同碳数的烷烃之后流出。又如使用硬脂酸锌等重金属脂肪酸脂作固定液时，由于脂肪胺与这种固定液的络合能力存在差异，故可选择地分离胺类。此外，某些固定液对芳烃具有特殊选择性，在实际工作中常有一定价值。常用的这类固定液有: 聚乙二醇、磷酸三甲酚酯、四氯代邻苯二甲酸脂、3,5—二硝基苯甲酸乙二醇脂等。 这些固定液往往与被分离的芳烃形成所谓的π-络合物，固而对芳烃产生选择性保留，而脂肪烃则较快地流出色谱柱。

(3)常用固定液

可以用作气相色谱固定液的物质很多，已被采用的有近千种。按我国国家标准GB2991-82的规定，根据化学结构的不同，这些固定液可被分为烃类、聚硅氧烷类、聚二醇及聚烷基氧化物、酯类、其它含氧化合物、含氮化合物、含硫及硫杂环化合物、含卤素化合物及其聚合物、无机盐、其它固定液，共10类。在这些已被使用的近千种固定液中，实际上有许多固定液其色谱分离性能相同或者近似，我们可以限定少数几种或几十种固定液代替种类繁多的固定液，使人们在有限的几种固定液范围内进行选择，使分析工作简化。

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1970年，Preston等[20 ]依据文献资料的统计，提出了21种最为常用的固定液。后来Leary等[ 21]采用“最相邻技术”考察了各种固定液的相似程度，认为12种可以作为常用固定液。Leary确定常用固定液的标准是，色谱性能具有代表性； 便于重复制备与精制；热稳定性好，使用温度范围宽；具有各种类型的作用力，极性范围广。现在文献中出现次数最多，使用几率最大，即可以认为最常使用的固定液为: OV-101(甲基聚硅氧烷)；OV-17(50%苯基的甲基聚硅氧烷)；OV-210(50%三氟丙基的甲基聚硅氧烷)；Carbowax 20M(聚乙二醇，平均分子量2万)；DEGS(二乙二醇脂丁二酸)。 这组常用固定液性能稳定，极性间距均匀，应用面广，可从解决大量的一般性分析问题。

表2－5 五种常用固定液的性能

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 固定液 型 号 麦氏平均极性 常用溶剂 使用温度 类似型号

──────────────────────────────────── 甲基聚硅氧烷 OV-101 43 氯仿 0/350 SE—30 ──────────────────────────────────── 苯基(50%)甲 OV-17 177 已烷 0/350 基聚硅氧烷

──────────────────────────────────── 三氟丙基(50%) OV-210 300 氯仿 0/275 QF—1 甲基聚硅氧烷

──────────────────────────────────── 聚乙二醇-200M Carbowax 20M 462 氯仿 60/250

──────────────────────────────────── 二乙二醇丁 DEGS 586 丙酮 20/200 二酸脂

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

（4）新型高选择性固定液

新型高选择性固定液是一类特殊固定液，主要用于一些特殊样品的分析，例如不对称选择合成中对映体纯度及过剩量的测定，手性药物中对映体纯度以及天然产物绝对构象的测定等。这类特殊固定液不仅在毛细管气相色谱中应用广泛，在填充柱气相色谱中也有不错的应用效果。

新型高选择性固定液主要有过渡金属混合物、液晶、手性化合物及有机盐类等。过渡金属混合物通常用于分离顺反异构体，被称为―超选择性‖的填料。将其涂敷在载体或吸附

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剂的表面可用于各种顺反异构体的分离。液晶是“液态晶体”的简称。是某些有机物在一定的温度范围内所呈现的一种中间状态，即所谓的“中介相”。在这种中介相状态下，分子排列有特殊的取向，分子的运动也有特殊的规律，从而液晶既具有液体的流动性和表面张力，又有像晶体一样的各向异性。液晶有三种类型，即近晶型、向列型和胆甾型。它们的化学结构通常为：

FMF

F：CnH2N╋1, CnH2N╋1O, CnH2N╋1OCO, CnH2N╋1OCOO; M: -N=N-, -CH=N-, -C≡C-, -CO-O-, N=N

O利用液晶作气相色谱固定液的优点是它们的高选择性，特别适合分离几何异构体和位置异构体的混合物。例如有人使用苯甲酸甲脂衍生物液晶固定相分离笨、甲苯、乙苯以及间位、邻位和对位的二甲苯混合物获得很好的结果。液晶固定液在填充柱中使用已经很成功，在毛细管柱上使用也显示出既有高柱效又有高选择性。但是这种固定液成膜性能较差，涂渍比较困难，易出现高温下固定相流失是其缺点。在国内，傅若农教授的实验室在这一领域已经作了许多开拓性的研究，合成了一批具有低相变温度的高分子液晶固定液[39]。

手性色谱固定液现在已发展成为一种分离对映体的特殊固定液。目前主要有三类：(1)氢键型手性色谱固定液；(2)形成包合物的手性色谱固定液; (3)金属配体交换的手性色谱固定液。

氢键型手性固定液 这类手性色谱固定液主要用于分离氨基酸、羟基酸、羧酸、醇、胺、内酯、内酰胺等化合物的对映体。它们以手性氨基酸衍生物为选择体，利用对映体之间的氢键作用来达到分离的目的。将这类固定液再与聚硅氧烷固定液或毛细管壁交联，则形成手性聚硅氧烷固定液和交联手性固定液，其选择性和热稳定性都有较大的提高。缬氨酰叔丁胺因其对对映体的选择性强、外消旋趋势小而被选为常用的手性中心。许多研究表明，与手性碳原子相连的二级烷基、苯基取代基，与酰胺基相连的三级烷基取代基这类结构的手性中心对许多化合物都有高选择性。另外，手性中心的含量也是影响固定液的对映体选择性、耐温性的重要因素，如果手性中心含量太高就会使固定液的软化点升高，而含量太低则会降低固定液的对映体选择能力，较理想的手性中心含量为13～25％。新近合成并交联的一种高温手性聚合物固定液，在聚合物中引入一个更稳定的手性中心，在280℃加热10h不流失，不发生外消旋，是手性聚合物固定液在热稳定性上的重要进展。

形成包合物的手性固定液 在形成包合物的手性固定液中，冠醚、环糊精及其衍生物和杯芳烃是近几年发展起来的一些高选择性手性固定液。由于它们都具有独特的环腔结构，所以是色谱中超分子化学理论的主要研究对象。环糊精类衍生物固定液主要拆分各种手性对映体，而冠醚类固定液主要分离各种位置异构体。

环糊精固定液主要是?-、?-、?-环糊精的烷基化或酰基化衍生物，具有许多手性中心和

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特殊的笼状结构，能与被分析的化合物形成包合物，可分离非极性和弱极性的烃类、卤代烃类和环氧类化合物。 其中以?-环糊精作色谱固定液的应用最为广泛。?-环糊精的内腔由亲脂性的–C-O-C–和=C-H 组成，自由羟基都伸向腔体外侧，中间空穴为0.5~0.8 nm，这种环状大分子空腔结构能包含许多化合物，能与对映体分子形成非对映包结物，导致对映体分子有选择地保留，其空穴大小对于手性化合物的对映体选择包结起着重要的作用。

环糊精衍生物分离对映体具有以下特点：1. 可分离一些在手性酰胺固定液上不能分离的含氮化合物；2. 对醇、二醇、多醇和糖类手性化合物对映体选择性极高，这些化合物不需要衍生化就能得到基线分离；3. 可直接分离外消旋混合物；4. 能分离一些易挥发、强极性的外消旋物。总之，由于环糊精分子上2,3,6位羟基活性的差异，它们可以选择性地分离多种类型的手性化合物。不难预见，这种高选择性的手性固定液在合成肽、香料、激素和手性药物的立体化学等方面将有广阔的应用前景。

冠醚也是一类有一定大小环腔的大环聚醚化合物，具有王冠状结构。环外沿是亲脂性的一撑基(-CH2-CH2-)，环内沿是富电子的杂原子O、 N、S 等，极性集中在环内的氧原子上，所以它可以高选择性地配合阳离子及极性化合物。冠醚作为色谱固定液还处于初级阶段，其分离机理目前尚不明了。这类色谱固定液又可分为小分子冠醚固定性、聚硅氧烷高分子冠醚固定液、小分子开链冠醚固定液和套索冠醚固定液。将小分子冠醚固定液涂渍在白色硅藻土、耐火砖或白色101载体上，对酚和苯的衍生物、氨基化合物及硝基苯酚和硝基苯胺的各种异构体等都能取得很好的分离结果。将小分子冠醚高分子化，采用交联或共聚、加成等方法，使得高分子冠醚固定液色谱柱不仅柱效提高，而且最高使用温度可达300℃，对多种化合物的不同异构体都具有良好的选择性。国内傅若农教授等制备了两种饱合漆酚冠醚固定液，对醇、酚和一些芳香化合物取得了很好的分离效果。开链冠醚是一种具有类似冠醚-CH2-CH2O-结构单元的非环多醚化合物，能分离一些非极性固定液不能分离的沸点相近的极性化合物，但热稳定性差，使用温度范围小(80~200℃)，柱寿命短，载气中如有水、氧等极易引起固定液降解，采用交联、键合PFG固定液或接枝到聚硅氧烷链等可弥补其不足。这类固定液可分析极性范围较宽的样品，如胺类异构体。武汉大学吴采樱教授合成的两种开链冠醚聚硅氧烷固定液，最高使用温度达310℃，对醇、酚、多种芳烃异构体具有良好的分离性能。套索冠醚固定液是在氮杂18冠6上引入―臂‖基团，构成了独特的三维立体结构，使其具有更有利于溶剂分子的多点识别和包合作用，具有柱效高、易涂渍、表面惰性好、无活性吸附等特点，是一种适用于分离醇、卤代烃、芳香烃等各类异构体的一种中等极性、高选择性、色谱性能良好的特殊色谱固定液。

同时具有冠醚和环糊精包结能力的杯芳烃是另一类环状低聚物。通过控制杯芳烃中苯酚单元的数目、改变相邻苯酚单元的桥联基或对杯芳烃的上、下缘进行改性等，可以制得数量众多且性能不同的功能化杯芳烃。胡旭波等合成的杯芳冠醚聚有机硅氧烷将杯芳冠醚的环腔结构与聚硅氧烷的柔顺性、易成膜性结合在一起，获得了有效塔板N=4500m-1的柱效，

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