定量核磁法測定CL-20標準物質中有機雜質的含量

劉 可，王民昌*，徐 敏，張麗涵，張 皋，陳智群

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.氟氮化工資源高效開發(fā)與利用國家重點實驗室，陜西 西安 710065)

定量核磁法測定CL-20標準物質中有機雜質的含量

劉 可1,2，王民昌1,2*，徐 敏1,2，張麗涵1,2，張 皋1,2，陳智群1,2

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.氟氮化工資源高效開發(fā)與利用國家重點實驗室，陜西 西安 710065)

采用定量核磁共振波譜法(qNMR)測定六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)標準物質中有機雜質的含量。核磁譜圖解析證明，主要有機雜質成分為殘余溶劑乙酸乙酯和中間體五硝基-乙酰基六氮雜異伍茲烷(MPIW)，以不含四甲基硅烷(TMS)的氘代丙酮為溶劑，將六甲基二硅醚的四氯化碳標準溶液加入待測液中作為內標，以其譜峰(δ=0.06)作為內標峰對兩種有機雜質進行定量分析。考察了延遲時間和采樣次數(shù)對準確定量的影響，結果顯示為確保定量結果的準確性，延遲時間D1應不小于20 s，采樣次數(shù)為32次。采用優(yōu)化后的實驗參數(shù)進行純度分析，測得CL-20標準物質中有機雜質乙酸乙酯和MPIW的質量分數(shù)分別為0.035 16%和0.156 2%，相對標準偏差(RSD)分別為0.91%和0.86%。

定量核磁共振；核磁共振氫譜；六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)；有機雜質

六硝基六氮雜異伍茲烷(HNIW,又稱CL-20)是一種新型的立體籠狀多硝銨化合物，1987年由美國海軍武器中心(NWC)的Nielsen等[1]首次合成，是目前能量最高、綜合性能最為良好的單質炸藥之一，其在高性能、低特征信號推進劑及高能混合炸藥中的應用已經(jīng)進行深入而系統(tǒng)的研究[2-5]。定量核磁共振波譜法(qNMR)相對其他定量方法，具有簡單方便、不依賴對照品等優(yōu)點，目前已被中國藥典所收錄，應用于各類藥物的定量分析[6-12]，并且由于其采樣量少和不破壞樣品的特點，也在含能材料(火炸藥和推進劑等)的分析檢測中得到了應用[13-15]。CL-20中的微量殘余溶劑雜質對其使用性能、穩(wěn)定性、貯存和運輸安定性均有著重要影響，而現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對于火炸藥產(chǎn)品的質量監(jiān)控提出了更高要求，為保證CL-20及其產(chǎn)品純度的有效性和統(tǒng)一性，制備了CL-20的標準物質。但由于制備得到的標準物質純度≥99.5%，較難采取常規(guī)化學方法進行純度定量。因此為提高準確度并減小不確定度，利用qNMR對標準物質中雜質進行鑒別并測定其含量，即采用雜質扣除法進行有效定值。

本文以研制的CL-20純度標準物質為研究對象，采用1H NMR內標法對其殘余溶劑雜質進行測定，并考察了測試過程中實驗參數(shù)對純度定值結果的影響，為CL-20中有機雜質定量提供了一種新方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker ADVANCE 500型超導核磁共振波譜儀(瑞士布魯克公司)，配備BBO寬帶多核探頭；AL204型電子天平(分度0.1 mg，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)；氘代丙酮(美國CIL公司)；六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)，國家二級標準物質(西安近代化學研究所制)；六甲基二硅醚(光譜純，北京化工廠)；四氯化碳(分析純，廣州光華試劑廠)。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品配制 稱取約100 mg六甲基二硅醚(精確至0.1 mg)置于25 mL容量瓶中，用四氯化碳稀釋至刻度，搖勻待用，計算得該內標溶液中六甲基二硅醚的質量分數(shù)為0.25%。稱取約90 mg待測CL-20標準物質和約30 mg剛配制好的內標溶液置于直徑5 mm的核磁樣品管中，最后加入0.6 mL不含TMS的氘代丙酮，搖勻并編號為1號試樣。以同樣的方法，制備2～5號樣品作為參照。

1.2.2 實驗條件 為縮短弛豫時間，使用小角度脈沖，激發(fā)脈沖角度定為30°；探頭溫度298 K，時間域數(shù)據(jù)點32 k，單個FID的采集時間(AQ)為3.28 s。考慮到內標物和雜質化學結構的差異，質子被激發(fā)后弛豫時間也將有所差異，一些核磁實驗參數(shù)(如延遲時間和采樣次數(shù)等)的選取可能對定值結果有影響，故在實驗過程中嘗試不同的延遲時間和采樣次數(shù)，對照不同實驗參數(shù)條件下測定的雜質含量值，從而選取適用于該被測物體系的核磁實驗參數(shù)。

2 結果與討論

2.1 雜質定量方法及內標的選擇

式中，nS(ni)為內標物(待測物)峰的含氫(包括1H和2H等)個數(shù)，α1H為H-1原子的同位素豐度(0.999 85)，MS(Mi)為內標物(選測雜質)的分子量。

內標物的選擇通常需綜合考慮多方面因素，作為被測物量值的溯源，應具備以下條件：① 內標應具有較高的純度，以確保最終定值結果的準確性；② 結構簡單，化學性質穩(wěn)定，在NMR圖譜中表現(xiàn)為尖銳單峰，吸收峰與所測的樣品峰之間避免干擾；③ 不與被測樣品反應，且具有良好的溶解性。綜合以上因素，本實驗采用六甲基二硅醚為內標樣，其在氘代丙酮中只在δH0.05處有1單峰，且與大部分有機物質子出峰區(qū)域距離較遠，符合內標物選擇的條件。

圖1 CL-20標準物質的核磁定量譜圖Fig.1 1H NMR spectrum of CL-20 standard for quantitation

2.2 譜峰歸屬及鑒別

以氘代丙酮(DMCO-d6)為溶劑并加入內標溶液的待測CL-20標準樣品的譜圖如圖1所示。在1H NMR譜圖中，CL-20主要顯示兩個單峰，通過峰的積分可指認出兩個峰的歸屬，δ8.34處的峰為與C(3)，C(4)，C(5)和C(6)相連的質子，δ8.19處的峰為與C(1)和C(2)相連的質子，δ0.06處的單峰為六甲基二硅醚內標物信號，δ2.05處為氘代丙酮溶劑的峰，δ2.81處的二重峰信號為溶劑中殘留水的信號，δ5.60處的單峰信號為內標四氯化碳溶液中的二氯化碳雜質信號峰。參照CL-20生產(chǎn)工藝過程，δ1.96(s，3H，CH3CO)、δ4.05(q，2H，CH2CH3)、δ1.20(t，3H，CH2CH3)可能為標準物質中有機雜質乙酸乙酯的信號，在試樣中加入少量乙酸乙酯，發(fā)現(xiàn)此3處信號均有所增長，故判斷此信號為CL-20中殘余有機溶劑乙酸乙酯的信號。結合質譜分析，剩余δ2.26處的單峰應歸屬為CL-20合成過程中間體五硝基-乙酰基六氮雜異伍茲烷(MPIW,結構如圖1)中的甲基峰(s，3H，CH3CO)，MPIW其他環(huán)上連接的質子信號則混雜在δ7.9～8.2區(qū)間。由此確定CL-20標準樣品中的主要有機雜質為中間體MPIW和殘余溶劑乙酸乙酯，依據(jù)定量峰選擇的基本原則，盡量選擇偶合裂分少且周圍干擾峰較少的峰作為定量積分的基準，因此本實驗選取乙酸乙酯的δ1.96(s，3H，CH3CO)信號和MPIW的甲基峰δ2.26(s，3H，CH3CO)信號作為定量峰進行分析。

2.3 實驗參數(shù)的選擇

在保證其他實驗參數(shù)一致的條件下，設置不同的延遲時間，得到以六甲基二硅醚為內標對標準物質中有機雜質的定量結果如圖2所示。由圖2可看出，以六甲基二硅醚為內標物對中間體MPIW和殘余溶劑乙酸乙酯的定量結果，隨著延遲時間D1從1 s增至3 s時，兩種有機雜質的含量測定值發(fā)生了較大變化，從3 s到20 s時，乙酸乙酯的含量變化趨勢變緩，而MPIW的測定含量也在延遲時間增至20 s后基本無變化。因此，為了得到較高準確度的定量核磁結果，延遲時間應至少設定為20 s。

表1 不同采樣次數(shù)條件下CL-20標準物質中有機雜質的定量結果Table 1 Quantitative result of organic impurity at different number of sampling

在確定延遲時間為20 s的前提下，比較了采樣次數(shù)對積分面積準確性和重復性的影響，以乙酸乙酯δ(1.97)處峰的相對積分面積為代表進行研究，結果如表1所示。由表1可見，隨著采樣次數(shù)的增加，雜質含量測定值的穩(wěn)定性越好，譜圖信噪比越佳，在采樣次數(shù)達到32次以上時，含量測定值基本無變化，綜合考慮確定采樣次數(shù)(NS)為32次。

2.4 雜質定量結果

固定D1=20 s，NS=32，對所配制的5組待測樣品進行測定，每個樣品采集2個數(shù)據(jù)，共10組數(shù)據(jù)。結果表明，采用六甲基二硅醚內標溶液對兩種有機雜質定量的結果為：CL-20標準物質中殘余溶劑乙酸乙酯和中間體MPIW的質量分數(shù)分別為0.035 16%和0.156 2%，相對標準偏差(RSD)分別為0.91%和0.86%。

3 結 論

本文建立了CL-20標準物質中有機雜質含量的定量核磁分析檢測方法，以六甲基二硅醚為內標，氘代丙酮為溶劑，對實驗條件進行優(yōu)化，確定延遲時間D1=20 s，采樣次數(shù)NS=32。通過對核磁譜圖分析標準物質樣品中主要的有機雜質為乙酸乙酯和中間體五硝基-乙酰基六氮雜異伍茲烷，并選取δ2.25和δ1.97為定量峰，通過積分計算定值得到了二者在CL-20標準物質中的含量。該方法操作簡便快速，能夠對被測樣品中微量雜質進行精準定量，是一種較有發(fā)展前景的雜質定量方法。

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Determination of Organic Impurity in Reference Materials CL-20 by Quantitative Nuclear Magnetic Resonance(qNMR)

LIU Ke1,2，WANG Min-chang1,2*， XU Min1,2，ZHANG Li-han1,2，ZHANG Gao1,2，CHEN Zhi-qun1,2

(1.Xi'an Modern Chemistry Research Institure,Xi'an 710065，China；2.State Key Laboratory of Fluorine & Nitrogen Chemicals,Xi'an 710065，China)

A quantitative nuclear magnetic resonance(qNMR) method was established for the determination of the organic impurities contents in the reference material hexanitrohexaazaisowurtzitane(CL-20).The main impurities in the reference material were confirmed to be ethyl acetate and monoacetylpentanitrohexaazais-owurtzitane(MPIW) by analyzing the NMR spectrum.Hexamethyldisiloxane in CCl4solution with its NMR peak ofδ0.06 was selected as the internal standard which was added into the CL-20 in acetone-d6 solution without tetramethylsilane(TMS).After investigating the effect of delay time (D1) and number of sampling(NS) on quantitative NMR experiments,the experimental parameters were chosen with D1of 20 s and NS of 32.Using the optimized experiment parameters,it was found that the contents of ethyl acetate and MPIW were 0.035 16% and 0.156 2%,with RSDs of 0.91% and 0.86%,respectively.

quantitative nuclear magnetic resonance(qNMR);1H NMR;CL-20；organic impurity

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.03.021

2016-09-21；

2016-09-30

國家自然科學基金國際(地區(qū))合作與交流項目(5151130036)

O482.532;TQ564.42

A

1004-4957(2017)03-0414-04

*通訊作者： 王民昌，高級工程師，研究方向：核磁共振表征技術，Tel:029-882916614，E-mail:wmc204@yahoo.com