四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相及其制备方法和用途与流程

本发明涉及功能材料合成技术领域，尤其是涉及一种四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相，本发明还涉及该固定相的制备方法和用途。

背景技术：

随着科学的发展，痕量复杂化合物的分离分析愈来愈重要，高效液相色谱法迅速发展，色谱柱和色谱固定相作为液相色谱仪的核心部分，一直是高效液相色谱研究的热点，特别是高选择性固定相的研究备受关注。近年来，新型液相色谱固定相不断涌现，冯钰锜课题组对杯芳烃固定相开展了研究，并与ODS柱进行了对比，发现很多混合物在杯芳烃衍生物键合固定相上的分离较ODS柱有着明显的优势。所以新型分子结构键合固定相的设计、制备、性能和机理研究是当今高效液相色谱领域的核心内容之一。

杯芳烃化学是一个新兴的学科分支, 杯[n]芳烃(Calix[n]arene)是由苯酚单元通过亚甲基在羟基的邻位桥联而形成的一类环状低聚物, 因其独特的分子（离子）识别能力，被誉为冠醚和环糊精之后的第三代主体分子的杰出代表。以杂原子氮、氧、硫为桥取代传统杯芳烃中桥连亚甲基，苯酚基团被吡啶、三嗪芳杂环取代后，桥氮原子以sp2、sp3或杂化状态与相邻的芳杂环形成不同程度的共轭作用，使杯杂芳烃在构象、分子识别性能方面具有丰富的多样性。其所具有的潜在色谱分离介质的作用位点，如芳环（疏水作用和π-π 作用）、杂原子（氢键作用、配位作用）、大环空腔（包结作用），可质子化氮原子（阴离子交换作用），将杯三嗪用于液相色谱固定相，则有望得到一种新型的分离材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种功能基团丰富的四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相。本发明还提供该固定相的制备方法和用途。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相，其结构式为

。

本发明四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相的制备方法包括下述步骤：

第一步，硅胶的活化：

称取粒径5 μm，孔径100 Å，比表面积300 m²/g的多孔硅胶浸入 HCl/H2O（1:3,v/v）溶液中，浸泡12 h，机械搅拌，N2保护下回流24 h除去金属离子，经过滤并用高纯水洗至中性，70℃下真空干燥12 h脱去表面水，得到表面均匀分布羟基的活化硅胶（A），储于干燥器中备用；

第二步，氨丙基三乙氧基硅胶（APS）的制备：

按1:9之体积比将3-氨丙基三乙氧基硅烷和无水甲苯置于容器中，机械搅拌下加入第一步制备的活化硅胶，在N2保护下回流，反应24 h后停止，过滤后依次用甲苯、甲醇、丙酮、超纯水、丙酮分别洗涤，然后70℃下真空干燥12h，得到氨丙基三乙氧基硅烷键合硅胶（APS），储于干燥器中备用；

第三步，四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪大环分子的合成

用N.N-二异丙基乙基胺（DIPEA）作为缚酸剂，四氢呋喃（THF）作溶剂，2.7-二羟基萘和三聚氰氯按物质的量比1:1投料，在冰浴条件下进行滴加反应4.5 h，再在35℃条件下搅拌反应48h，反应液旋至近干后，加入少量柱层析硅胶（100~200目），过100~200 目硅胶柱，淋洗液为石油醚和乙酸乙酯（V/V = 5:2），产物在40°℃下真空干燥12小时，得到四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪，储于干燥器中备用；

第四步，四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相（TONCS）的制备

按3:1:1之质量比将第二步制备的氨丙基三乙氧基硅胶（APS）、第三步合成的四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪和无水K2CO3一起放入容器中，再加入无水四氢呋喃（THF），85 ℃下N2保护回流24 h后，停止反应后经过滤，依次用无水四氢呋喃，丙酮，甲醇，水，丙酮进行洗涤，在70 ℃下真空干燥12 h，得到四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相成品，储于干燥器中备用。

本发明制备的四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相作为高效液相色谱分离材料的用途。

本发明制备的四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相功能基团丰富，并能与多类如：极性，非极性或者酸性、碱性，中性的溶质探针（多环芳烃类，羟基多环芳烃，胺类，酚类，单取代苯类，磺胺类，核苷类，等）发生包结、π-π、氢键、荷电转移、配位、包结作用、离子交换等作用，对溶质探针的分离选择性具有很好的调控作用，实现复杂基体中痕量靶标物质的分析测定。

本发明的有益效果体现在：

1）制备的固定相可与溶质发生包结、π-π、氢键作用，包结作用，阴离子交换作用等，作用位点丰富，为难分离的物质提供了分离的可能性，同时能分离羟基多环芳烃的同分异构体；

2）本发明固定相的三嗪环大分子采用一锅法合成，制备方法简单、反应条件温和，产量较高，材料价格低廉，固定相重现性好、柱压低且稳定、柱效较高，具有较高的分离能力，较强的分子作用力，也适用做吸附萃取材料，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明固定相的结构式。

图2是本发明固定相的反应式。

图3是本发明固定相的红外光谱图。

图4是本发明固定相对六种多环芳烃的液相分离色谱图。

图5是本发明固定相对九种胺类的液相分离色谱图。

图6是本发明固定相对七种单取代苯的液相分离色谱图。

图7是本发明固定相对七种酚类物质液相分离色谱图。

图8是本发明固定相对六种核苷的液相分离色谱图。

图9是本发明固定相对五种磺胺的液相分离色谱图。

图10是本发明固定相对五种羟基多环芳烃的液相分离色谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行更加清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一、如图1所示，本发明的四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相的结构式为

。

二、本发明四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相可以通过如图2所示的反应过程得到，其制备方法包括下述步骤：

第一步，硅胶的活化：

称取粒径5 μm，孔径100 Å，比表面积300 m²/g的多孔硅胶6g浸入120mL HCl/H2O（1:3,v/v）溶液中，浸泡12 h，机械搅拌，N2保护下回流24 h除去金属离子，再用G5砂芯漏斗过滤，用高纯水反复洗至中性，70℃下真空干燥12 h脱去表面水，得到表面均匀分布羟基的活化硅胶（A），储于干燥器中备用；

第二步，氨丙基三乙氧基硅胶（APS）的制备：

移取10 mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷于250 mL的圆底烧瓶中，再加入90 mL用金属钠除水并新蒸的无水甲苯，在机械搅拌下迅速加入6.0 g活化硅胶，然后装上回流管和CaCl2干燥器，在N2保护下回流，反应24 h后停止，用G5的砂芯漏斗过滤，依次用甲苯、甲醇、丙酮、超纯水、丙酮分别洗涤两遍，然后转移到小烧杯中，在70 ℃下真空干燥12h，即得到氨丙基三乙氧基硅烷键合硅胶（APS），储于干燥器中备用；

第三步，四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪大环分子的合成

用DIPEA(N.N-二异丙基乙基胺)作为缚酸剂，四氢呋喃（THF）作溶剂，2.7-二羟基萘和三聚氰氯按物质的量比1:1投料，在冰浴条件下进行滴加反应4.5 h，再在35℃条件下搅拌反应48h，反应液旋至近干后，加入少量柱层析硅胶（100~200 目），过100-200 目硅胶柱，淋洗液为石油醚和乙酸乙酯（V/V = 5:2），产物在40°℃下真空干燥12小时，得到四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪，储于干燥器中备用；

第四步，四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相（TONCS）的制备

称取3.0 g氨丙基三乙氧基硅胶（APS）、1.0 g四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪、1.0 g无水K2CO3，一并加入到250 mL的三口烧瓶中，再加入150 mL用金属钠除水并新蒸的无水四氢呋喃（THF）；装上回流管，85 ℃下N2保护回流24 h后，停止反应；用G5砂芯漏斗过滤，依次用THF，丙酮，甲醇，水，丙酮各洗三次，在70 ℃下真空干燥12 h，得到四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相成品，储于干燥器中。

三、本发明制备的四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相的分析表征

1、红外分析结果

如图3所示，使用红外光谱考察本发明固定相的结构，2935,2877 cm^-1处的吸收峰应该对应于偶联剂上亚甲基的吸收，芳环的特征吸收出现在1513., 1556, 和 1607cm⁻¹由此可以说明四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪大环分子成功的键合到了硅胶表面。

2、元素分析结果

利用元素分析可以证明每一步都成功实现了反应，如下表1所示：在氨丙基三乙氧基硅胶硅胶上含有N，而硅胶本身不含N，证明氨丙基三乙氧基硅烷成功键合到硅胶上；从表中可知在四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相中碳、氮、氢的含量明显增加，说明得到了目标产物。

3、热重分析结果

通过对本发明制备的四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相（TONCS）进行热重分析，可以看到TONCS的失重温度约在400℃， 由此说明本发明制备的TONCS具有较高的热力学和化学稳定性。

四、本发明制备的四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相对不同种类化合物的分离

1、色谱柱的填装

将本发明制备的四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相采用匀浆法装入清洗干净的不锈钢色谱柱（150*4.6mm i.d.）中。匀浆液为四氯化碳，顶替液为甲醇，装柱压力为：40 MPa。称取2.0 g 四氧萘杂杯[2]芳烃[2]三嗪键合硅胶固定相倒入100mL 烧杯中，加入50 mL 四氯化碳，超声20-30 min，使固定相均匀分散在匀浆液中，然后迅速倒入装柱机的匀浆罐中，立即拧紧匀浆罐的上盖，启动泵，调节泵的频率，使压力迅速上升并维持在40 MPa，30 min 后，升高压力至45 MPa,保持10min，停泵，缓慢地降压。待压力降至零后，慢慢的卸下色谱柱，用干净而又光滑的刀片慢慢的削平顶端填料，装上筛板和柱接头。标上柱方向（与装柱子方向相同）、固定相名称、柱尺寸和装填日期，待用。

2、对以下各类化合物的分离

1）对六种多环芳烃（萘、邻三联苯、芴、菲、荧蒽、屈）的分离。色谱分离条件：流动相为甲醇：水=85 ：15，流速为1 mL/min，检测波长为254 nm，柱温为30℃。

其液相分离色谱图如图4所示：色谱峰1，萘；2，邻三联苯；3，芴；4，菲；5，荧蒽；6，屈。从图中可知，六种多环芳烃在TONCS柱和C18柱上的保留顺序一致，具有一定的疏水性，说明自制的TONCS柱具有反相色谱的特征，但在C18柱上邻三联苯和芴不能完全分离，且菲和屈保留时间一致，不能分离，而在TONCS柱上却能达到基线分离，且保留能力较强，出峰时间较晚，说明TONCS柱和溶质之间除了疏水作用以外，其可能存在的较强的π-π作用也起到了重要作用。

2）对九种胺类（邻苯二胺、乙酰苯胺、间甲苯胺、N-甲基苯胺、间硝基苯胺、N,N-二甲基苯胺、联苯胺、甲萘胺、邻联甲苯胺）的分离。色谱分离条件：流动相为甲醇:水=55:45，流速为1 mL/min，检测波长为254 nm，柱温为30℃。

其液相分离色谱图如图5所示：色谱峰：1，邻苯二胺；2，乙酰苯胺；3，间甲苯胺；4，N-甲基苯胺；,5，间硝基苯胺；6，N,N-二甲基苯胺；7，联苯胺；8，甲萘胺；9，邻联甲苯胺。

结论：九种苯胺类物质能得到较好的分离

3）对七种单取代苯（苯甲醇、苯胺、苯乙酮、苯乙醚、甲苯、溴苯、碘苯）的分离。色谱分离条件：流动相为乙腈:水=35：65，流速为1 mL/min，检测波长为254 nm，柱温为30℃。

其液相分离色谱图如图6所示：色谱峰：1，苯甲醇；2，苯胺；3，苯乙酮；,4苯乙醚，5，甲苯；6，溴苯；7，碘苯。

结论：其中单取代苯能得到较好的分离

4）对七种酚类（间苯二酚、苯酚、邻甲酚、对氨基苯酚、3-硝基酚、对硝基酚、甲萘酚）的分离。色谱分离条件：流动相为甲醇:水=55:45，流速为1 mL/min，检测波长为254 nm，柱温为30℃。

其液相分离色谱图如图7所示：色谱峰：1，间苯二酚；2，苯酚；3，邻甲酚；4，对氨基苯酚；5，3-硝基酚,6，对硝基酚；7，甲萘酚

结论：七种苯酚类物质能得到较好的分离

5）对六种核苷（胞苷、5-氟尿嘧啶、胸腺嘧啶、腺嘌呤、6-氯嘌呤、2-氟-6-氯嘌呤）的分离。色谱分离条件：流动相为甲醇:水=25:75，流速为1 mL/min，检测波长为254 nm，柱温为30℃。

其液相分离色谱图如图8所示：色谱峰：1，胞苷；2，5-氟尿嘧啶；3，胸腺嘧啶；4，腺嘌呤；5，6-氯嘌呤；6，2-氟-6-氯嘌呤.

结论：六种核苷类物质能得到较好的分离

6）对五种磺胺（磺胺、磺胺二甲异嘧啶、磺胺甲嘧啶、磺胺氯哒嗪、磺胺硝苯）的分离。色谱分离条件：流动相为乙腈：水=30:70，流速为1 mL/min，检测波长为254 nm，柱温为30℃。

其液相分离色谱图如图9所示：色谱峰：1，磺胺；2，磺胺二甲异嘧啶；3，磺胺甲嘧啶；4，磺胺氯哒嗪；5，磺胺硝苯

结论：五种磺胺类物质能得到较好的分离

7）对五种羟基多环芳烃（1-羟基萘、2-羟基芴、3-羟基菲、4-羟基菲、3-羟基屈）的分离。色谱分离条件：流动相为甲醇:水=95:5，流速为1.0mL/min，检测波长为270 nm，柱温为30℃。

其液相分离色谱图如图10所示：色谱峰：1，1-羟基萘；2，2-羟基芴；3，3-羟基菲；4，4-羟基菲；5，3-羟基屈。

结论：五种羟基多环芳烃能得到较好的分离，其峰形对称，其中3-羟基菲和4-羟基菲为官能团位置异构的同分异构体，其也能得到很好的分离，说明该TONCS柱不仅具有疏水作用的特点，可能还具有氢键作用力。说明该柱子和溶质之间具有多重作用力。