C型硅膠與偶聯劑KH-560鍵合反應初探

雷 鳴，王 艷，趙 昊，彭奇均

（江南大學化學與材料工程學院，江蘇 無錫 214122）

研究開發

C型硅膠與偶聯劑KH-560鍵合反應初探

雷 鳴，王 艷，趙 昊，彭奇均

（江南大學化學與材料工程學院，江蘇 無錫 214122）

運用甲苯回流法制備了3-縮水甘油基丙基硅膠鍵合相，并通過正交實驗及單因素實驗，探討了物料配比、反應溫度、反應時間等條件對鍵合相形成的影響規律。結果表明：KH-560含量的適當增加、反應溫度的升高、反應時間的延長均能促進鍵合相的形成。同時還發現反應溫度過高、反應時間過長會導致KH-560的分解。適合硅膠和 KH-560鍵合的反應條件是：硅膠∶KH-560=1∶2（質量比）；反應溫度 65～80 ℃；反應時間48～72 h。該條件可避免KH-560的分解。最后通過元素分析法所得氫含量與理論計算氫含量的比較，得出KH-560分子上只有1個甲氧基參與了鍵合反應。

3-縮水甘油基丙基硅膠；鍵合相；硅烷偶聯劑KH-560

手性配體交換色譜固定相可用于氨基酸、羥基酸、氨基醇等手性化合物的光學拆分，對生命科學、不對稱合成以及醫藥、食品、衛生等領域的研究具有重要意義[1]。目前應用較為廣泛的是硅膠鍵合型固定相，即利用硅膠表面的硅羥基與硅烷偶聯劑（如氯代硅烷或烷氧基硅烷）反應，形成鍵合相。再通過該鍵合相與某種光學純的手性化合物（如L-氨基酸）反應，形成滿足不同分離目的的固定相[2]。從前人的研究報道中發現，人們對于硅膠和硅烷偶聯劑 KH-560的反應（圖 1）存在不同的認識，即KH-560上甲氧基參與反應的程度不一致。

Gübitz 等[3]、Wachsmann 等[4]、Pesek 等[5]在合成手性配體交換固定相時，認為偶聯劑上只有一個甲氧基參與反應。吳邦桂等[6]、付春梅等[7]、祝馨怡[8]亦支持這一觀點。生成的產物結構如圖 1中（Ⅰ）所示。

圖1 硅膠與KH-560的反應

Pirkle[9]在合成手性固定相分離氨基酸對映體的研究中發現，偶聯劑（分子結構與KH-560類似）上有兩個乙氧基與硅膠發生了鍵合反應。Sadeghi[10]在使用水楊酸偶氮磺胺吡啶修飾硅膠從水中提取鈾離子的研究中發現，偶聯劑有2個甲氧基與硅膠發生鍵合反應。Song[11]在合成配體交換手性固定相的研究中認為有兩個甲氧基參與了鍵合反應，生成的產物結構如圖1中(Ⅱ)所示。

Mayani等[12]在合成手性固定相并探討其潛在應用的研究中認為偶聯劑上3個乙氧基都參與了鍵合反應，生成的產物結構如圖1中(Ⅲ)所示。

本文欲通過正交實驗和單因素實驗，探索各反應條件對反應產物生成的影響規律。再通過元素分析法研究KH-560上甲氧基參與反應的程度。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硅膠，C 型，目數 100～200，粒度 75～150 μm，孔徑 80～100 ?，（1 ? =0.1 nm），比表面積 300～400 m2/g，青島海洋化工有限公司生產；偶聯劑KH-560，純度 98%，上海耀華有限公司生產；甲苯、環己酮，AR，鈉粒干燥，國藥集團化學試劑有限公司生產；元素分析儀，型號Vario EL Ⅲ，德國Elementar公司生產；氣相色譜儀，型號9790型，福立分析儀器有限公司生產；電子天平，型號JA1203，上海精科天平廠生產；攪拌器，型號GS12-Ⅱ，上海醫械專機廠生產。

1.2 KH-560的定量分析

對于圖1的反應過程，反應結束后，溶液中應含有 KH-560、甲苯及甲醇。因甲醇易揮發，不宜定量分析；KH-560不揮發，可以定量分析。采用氣相色譜-內標法，可測定溶液中含有的KH-560。

1.2.1 內標物的選取

氣相色譜條件：SE-54弱極性柱（30 m×0.32 mm，0.4 μm），N240 m L/m in，H245 m L/min，空氣600 m L/min，靈敏度100，程序升溫40 ℃/m in，從45 ℃（3min）升至 280 ℃（2 m in），汽化室 300 ℃，氫火焰檢測器300 ℃。

分別測定備選內標物環己酮、二甲亞砜、乙二醇及反應后溶液中組分甲醇、甲苯、KH-560的保留時間。

1.2.2 標準曲線的繪制

準確稱量6份KH-560標準樣品，每份樣品均加入1 m L內標物，并稱量，甲苯定容至10 m L，氣相色譜測定KH-560和內標物的峰面積。

1.2.3 相對標準偏差和回收率的測定

配制 5份含有甲醇、甲苯、KH-560和內標物的樣品10 m L，其中KH-560和內標物需準確稱量。氣相色譜測得KH-560和內標物的峰面積，代入標準曲線方程計算得出KH-560的測出量，重復測定5次，計算相對標準偏差（RSD）。再向樣品中添加一定量的KH-560，將測出量與實際含量相比，得回收率。

1.3 反應條件

由于前人制備3-縮水甘油基丙基硅膠的反應條件存在較大差別，故本文先通過正交試驗對反應條件進行優化，在較優的反應條件基礎上，通過單因素實驗，考察各反應條件對反應產物生成的影響規律。

1.3.1 反應條件的優化

正交實驗考察物料配比、反應溫度、反應時間等因素。定義鍵合量為每克原料硅膠反應后質量增加的克數[式（1）]。以鍵合量為考察指標，鍵合量高為優。各因素水平分布如表1所示。

表1 考察因素水平分布

根據正交表L9（34）安排實驗。反應前，原料硅膠在150 ℃干燥至恒重。每組反應均在帶攪拌及回流裝置的燒瓶中進行，50 m L甲苯作溶劑，氮氣保護。反應結束，過濾。為去除產物對KH-560和甲苯的吸附，固體產物用20 m L 甲苯浸泡15 m in，過濾、洗滌，至氣相色譜檢測洗滌液中不含KH-560，再將洗滌后的產物在 45 ℃真空干燥（5 mbar，1bar=105Pa）至恒重，冷卻、稱重、計算鍵合量。

1.3.2 單因素實驗

根據正交實驗各因素水平趨勢圖，安排實驗點，實驗條件同上，考察各因素對反應產物生成的影響規律。

不加硅膠，其余條件同單因素實驗條件，作為對照，測定KH-560含量，計算轉化率，考察KH-560自身是否發生變化。

1.4 甲氧基的參與程度

元素分析儀測原料硅膠含氫量 T[H]硅膠、產物的含碳量 T[C]產物及含氫量 T[H]產物，由 T[C]產物值計算不同個數的甲氧基參與反應時的理論含氫量A c[H]產物，比較 T[H]產物和 A c[H]產物，可知甲氧基參與反應的程度。

假設有x mol的KH-560（C9H20O5Si）發生反應，根據元素守恒原則，KH-560分子上 n個甲氧基參與反應的含碳量如式（2）所示。

由此計算得x 。

理論含氫量的計算如式（3）所示。

2 結果與討論

2.1 內標物的選取

圖2顯示該色譜條件下，備選內標物（3#、5#、6#）與反應后溶液中組分（1#、2#、4#）能完全分離。但實驗發現乙二醇與甲苯不能互溶。二甲亞砜凝固點較高（18.4 ℃），在室溫較低時，不便于操作。且兩者峰型不理想，因此不能作為內標物。環己酮不存在上述問題，化學性質穩定，故以環己酮作為測定KH-560的內標物。

2.2 標準曲線的繪制

氣相色譜測得KH-560和環己酮的峰面積如表2所示。

圖2 反應組分與備選內標物氣相色譜圖

表2 KH-560和環己酮的質量和峰面積

圖3 內標法測KH-560標準曲線

以AKH-560/A環己酮為橫坐標，mKH-560/m環己酮為縱坐標，繪制標準曲線，如圖3所示。KH-560濃度為0.04～0.45 g/m L，該標準曲線滿足方程y=1.8778x-0.0209，相關系數為0.9998，擬合很好。

2.3 相對標準偏差和回收率的測定

表3顯示，氣相色譜-內標法測KH-560，測量結果的相對標準偏差為0.3%～1.5%。當KH-560含量＞10%時（3～5組），相對標準偏差＜1%，平均回收率 100%。表明本分析方法的精密度和準確度均較高，可以作為檢測反應液中KH-560的定量分析方法。

2.4 反應條件的篩選

正交實驗結果表明（表4），第9組反應產物鍵合量最高，其反應條件最有可能為較優條件。因此，以第9組反應條件作為單因素研究的初始條件。從反應后溶液顏色比較，第8、第9兩組溶液變黃，懷疑是KH-560自身發生了化學變化。從極差大小判斷，在3個被考察因素中，影響硅膠鍵合量大小的主次順序是：物料配比＞反應時間＞反應溫度。

根據各水平鍵合量之和（Σ鍵合量）及水平分布，畫水平趨勢圖，如圖4所示。

表3 測定KH-560的RSD和回收率

表4 正交實驗結果

圖4 各因素水平趨勢圖

圖 4顯示，在考察的水平范圍內，KH-560用量的增加、反應溫度的升高、反應時間的延長均能促進Σ鍵合量的增加。

當KH-560用量＞1∶1時，Σ鍵合量增加顯著，因此單因素實驗主要考察KH-560用量＞1∶1的條件，即考察 m硅膠∶mKH-560=1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3六個實驗點。

當反應溫度＜80 ℃時，Σ鍵合量增加顯著，但從表4的結果分析，溶液顏色變化主要跟溫度有關，因此單因素實驗考察40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃八個實驗點。

反應時間在24～72 h之間對Σ鍵合量的影響近似直線。因此單因素實驗考察12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h六個實驗點。

2.5 單因素實驗

2.5.1 KH-560用量對產物生成的影響

圖5所示為硅膠2.360 g，按上述配比逐漸增加KH-560用量，在反應溫度為110℃，反應時間為72 h條件下，硅膠鍵合量的變化規律（曲線a）及對照反應中KH-560分解轉化率的變化規律（曲線b）。

圖5 KH-560用量對鍵合量及自身分解轉化率的影響

當m硅膠∶mKH-560＜1∶2時，原料KH-560的增加對反應起促進作用，硅膠鍵合量隨KH-560用量增加而增加；當m硅膠∶mKH-560＜1∶2時，原料KH-560的增加對反應的促進作用不明顯，硅膠鍵合量基本保持不變。

KH-560在110 ℃、反應72 h的條件下均發生了分解反應，如圖6所示。但其轉化率并不隨用量的增加而發生變化，基本保持在5%～6%。

圖6 對照反應KH-560的熱分解氣相色譜圖

2.5.2 反應溫度對產物生成的影響

圖7所示為m硅膠∶mKH-560=1∶2、反應時間72 h時，在不同的溫度下反應，硅膠鍵合量的變化規律（曲線a）及對照反應中KH-560分解轉化率的變化規律（曲線b）。

圖7曲線a顯示，隨著反應溫度的升高，硅膠鍵合量在60 ℃之前及70 ℃以后增長緩慢，在60～70 ℃之間增長顯著。這是因為甲醇沸點為64.8 ℃，當反應溫度大于此溫度時，反應生成的甲醇能迅速隨氮氣從反應體系揮發，從而促進了反應的進行。

圖7曲線b顯示，當溫度＜80 ℃時，作為對照的KH-560沒有發生變化；當溫度＞90 ℃時，KH-560開始發生熱分解反應，分解轉化率隨著反應溫度的升高而升高。

圖7 反應溫度對鍵合量及KH-560分解轉化率的影響

2.5.3 反應時間對產物生成的影響

圖8所示為m硅膠∶mKH-560=1∶2，反應溫度為110 ℃，在不同反應時間條件下，硅膠鍵合量的變化規律（曲線a）及對照反應中KH-560分解轉化率的變化規律（曲線b）。

圖8 反應時間對鍵合量及KH-560分解轉化率的影響

圖8曲線a顯示，隨著反應時間的延長，硅膠鍵合量逐漸增大。當反應時間低于36 h以及高于60 h 時，鍵合量的增長趨于平緩；當反應時間在36～60 h 時，鍵合量的增長顯著。

圖8曲線b顯示，在反應溫度為110℃條件下，反應時間低于36 h，作為對照的KH-560沒有發生變化；反應時間高于48 h，KH-560發生分解，其轉化率隨反應時間的延長而升高。

綜上所述，為避免KH-560發生熱分解反應，又要有利于硅膠與KH-560的鍵合，其反應條件應控制：物料配比 m硅膠∶mKH-560=1∶2；反應溫度控制在65～80 ℃；反應時間控制在48～72 h。考慮到反應溫度的升高及反應時間的延長均可促進KH-560的分解，因此還應盡量避免反應溫度高同時反應時間長的情況。

2.6 甲氧基參與程度的分析

分別以m硅膠∶mKH-560=1∶2，在65 ℃ 、反應72 h得產物A 2.787 g；以m硅膠∶mKH-560=1∶1，在80 ℃、反應48 h得產物B 2.749 g。通過元素分析儀測得原料硅膠、產物A和產物B的含碳量T[C]及含氫量T[H]，再根據式（2）和式（3）計算產物在各種假設情況下的理論含氫量A c[H]，列于表5。

表5表明，在不同的反應條件下所得硅膠鍵合產物含氫量，與1個甲氧基參與反應的理論含氫量非常接近。從數值上看，理論含氫量略微偏大，這是因為所得固體產物在過濾、洗滌等步驟中有少許損失，從而使代入計算的產物質量偏小所致。因此，可以確定硅膠與KH-560發生鍵合反應時，KH-560分子上只有1個甲氧基參與了反應。

表5 原料硅膠及產物C、H元素的分析結果

3 結 論

（1）氣相色譜-標法用于本文檢測 KH-560的定量分析方法是可靠的，當KH-560含量＞10%時，測量結果的相對標準偏差＜1%。同時 KH-560的平均回收率為100%。

（2）KH-560用量的增加、反應溫度的升高、反應時間的延長均能促進硅膠和KH-560的鍵合。但反應溫度過高、反應時間過長會導致KH-560的分解。

（3）適合硅膠和KH-560鍵合的反應條件是：m硅膠∶mKH-560=1∶2；反應溫度65～80 ℃；反應時間48～72 h。該條件可避免KH-560的分解。

（4）通過元素分析所得含氫量與理論計算的氫含量比較，可以確定硅膠與KH-560發生鍵合反應時，KH-560分子上只有1個甲氧基參與了反應。

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Study on the reaction of type C silica gel and KH-560 coupling agent

LEI Ming，WANG Yan，ZHAO Hao，PENG Qijun
（School of Chemical and Material Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，Jiangsu，China）

The bonded phase, 3-glycidoxypropyl silica gel, was prepared by the method of toluene reflux. The reaction conditions, including material ratio, reaction temperature and reaction time on the formation of bonded phase, were investigated through orthogonal test and one-factor test. The results indicated that the proper increasing of the content of KH-560, the reaction temperature and reaction time could promote the formation of bonded phase. But the results also showed that the overhigh reaction temperature and the overlong reaction time w ill cause the dissociation of KH-560. The suitable reaction conditions for the formation of silica gel and KH-560 bonded was：silica gel:KH-560 = 1:2 （ mass ratio）; reaction temperature 65—80 ℃; reaction time 48—72 h. The decomposition of KH-560 can be avoided under this condition. Finally，compared w ith the hydrogen content between elemental analysis and theoretical calculation, it could be identified that there was only one methoxy group of the KH-560 molecule involved in the bonded reaction.

3-glycidoxypropyl silica gel；bonded phase；KH-560

TQ 031.2

A

1000-6613（2012）06-1263-06

2011-12-10；修改稿日期：2012-03-03。

雷鳴（1986—），男，碩士研究生。E-mail leim ing_213@126.com。聯系人：彭奇均，教授。E-mail qjpeng@yahoo.com。