多波長高效液相色譜法同時檢測對二甲苯及其氧化產物

徐 躒，何鵬程，陳大偉，袁 霞

（湘潭大學 化工學院，湖南 湘潭 411105）

對苯二甲酸（PTA）是生產聚酯的重要工業原料，隨著我國經濟的高速增長，對PTA的需求量日益擴大［1］。工業上采用對二甲苯（PX）為原料，空氣為氧化劑，乙酸鈷、乙酸錳為催化劑，乙酸為溶劑，溴化物為促進劑，在高溫高壓（200～300 ℃，1.5～3.0 MPa）條件下，采用液相催化氧化法制備PTA。為了獲得高純度的PTA，減少雜質對后期加氫精制以及聚合的影響，需要準確測定產品中氧化副產物的含量。同時，不使用溴化物和乙酸等腐蝕性介質，開發環境友好，條件溫和的PX氧化制備PTA的新工藝是目前研究的熱點。PX上兩個甲基的活性不同，導致其氧化產物復雜，對甲基苯甲醇（TALC）、對甲基苯甲醛（TALD）、對甲基苯甲酸（p-TA）、對羧基苯甲醛（4-CBA）都是可能的氧化中間產物，因此，建立PX氧化體系的分析方法，實現原料及多種氧化產物的快速定量分析成為開展氧化新工藝研究的前提和必要條件，對工業生產的質量控制也有非常重要的作用。

PX氧化產物的沸點差別很大，為138～425 ℃，增加了檢測難度。常見的檢測方法有極譜法、氣相色譜法、毛細管電泳法、毛細管膠束電動色譜法、液相色譜法、氣相-液相色譜組合法。極譜法［2］操作簡單，但是分析精度不高且不能分析產物中的PTA。毛細管膠束電動色譜法［3］的分析精度同樣令人難以滿意。采用氣相色譜法［4］需要將產物中高沸點的PTA轉化為其對應的酯，過程不僅復雜，而且會使高沸點物質在色譜柱累積，p-TA的測量誤差超過5%，4-CBA的測量誤差超過20%，降低了結果準確性。陳丹等［5-8］采用氣相-液相色譜組合法進行分析，需要同時使用液相色譜儀和氣相色譜儀，操作繁瑣，費時費力。毛細管電泳法［9-10］則只能檢測產物中可以解離產生陰離子的p-TA，4-CBA，PTA。傳統的高效液相色譜法一般采用單波長檢測［11-14］，不能同時在各種物質較大的吸收波處進行檢測，誤差較大。肖洋等［15］采用雙波長檢測，但仍無法避免上述問題。

本工作使用高效液相色譜法，采用二極管陣列檢測器，選擇苯乙酮為內標物，建立多波長同時檢測PX及其氧化產物的新方法，為后期的氧化新工藝研究打基礎。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

PX、TALC、TALD、p-TA、4-CBA、PTA、苯乙酮：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司。二甲基亞砜（DMSO）、磷酸、甲醇、乙腈：色譜純，天津市科密歐化學試劑有限公司。一級去離子水：自制。

安捷倫1260型高效液相色譜儀：德國Agilent Technilogies公司。帶二元泵以及工作站，配有二極管陣列檢測器，色譜柱型號ZORBAX SB—C18，4.6 mm×250 mm。

1.2 梯度洗脫程序

流動相使用0.85%（體積分數，下同）的磷酸溶液和甲醇與乙腈的混合物（體積比3∶2）。由于流動相中有水，有機弱酸會水解，使色譜峰拖尾。為了抑制有機酸水解，需要在水中加入磷酸。某酸的解離常數為pKa，根據公式pH=pKa+lg（c1/c2）（c1：磷酸溶液中已經水解的磷酸的濃度，mol/L；c2：磷酸溶液中未水解的磷酸的濃度，mol/L）進行理論計算，對于p-TA，PTA，4-CBA等弱酸，已解離濃度與未解離濃度比為1∶100時，弱酸主要以分子形式存在，流動相的pH值為2.00～（pKa-2.00）為最佳［15］。在1 000 mL一級去離子水中加入10 mL磷酸配制成磷酸溶液，pH值為1.96。

配置PTA溶液時發現，先用少量DMSO將PTA溶解（PTA難以用一般溶劑溶解，因此先用DMSO溶解），分別用甲醇、乙腈，以及體積比1∶1的磷酸溶液與甲醇/乙腈混合溶液進行稀釋，放置12 h后，只有使用甲醇稀釋的溶液無固體析出，故選擇甲醇作為溶劑定容。在梯度洗脫建立的過程中，雖然使用了磷酸溶液作為流動相來抑制PTA水解，但發現PTA仍然出現前拖、肩峰，4-CBA出現前拖。實驗發現，先用甲醇將PTA溶液定容至50 mL，取少許定容后的溶液，使用體積比1∶1的流動相再次定容所得的溶液靜置12 h無固體析出，而且PTA和4-CBA的峰形對稱。為了使體系的各物質能夠進行完全分離，采用二元梯度洗脫程序進行分析，經過大量實驗摸索，最終確定的流動相梯度洗脫程序見表1。由表1可見，起始采用70%的磷酸溶液和30%的甲醇/乙腈溶液，0～4 min線性變化為50%磷酸溶液與50%甲醇/乙腈溶液，保持該比例至6 min；6～8 min線性變化為20%的磷酸溶液與80%甲醇/乙腈溶液，8～12 min保持20%的磷酸溶液與80%甲醇/乙腈溶液；12～13 min線性變化為70%的磷酸溶液與30%的甲醇/乙腈溶液，13～17 min維持該比例不變。每個試樣的分析時間僅為17 min。

表1 流動相梯度洗脫程序Ta ble 1 Program of gradient elution with the mobile phase

2 結果與討論

2.1 檢測波長的選擇

由于甲醇的紫外吸收尾值在210～220 nm，在210 nm以下吸收較強，所以各物質盡量在210 nm以上測量。苯乙酮、PX及其氧化產物的紫外吸收光譜圖見圖1。由圖1可見，綜合比較內標物與各物質的紫外吸收光譜，選擇在210 nm處檢測PX與TALC，239 nm處檢測p-TA，242 nm處檢測PTA，250 nm處檢測TALD與4-CBA。

同一試樣中各物質在紫外檢測波長下的色譜圖見圖2。從圖2可以看出，對于同一試樣而言，PX與TALC在波長為210 nm的響應強于其余三種所選定的波長，p-TA在波長為239 nm的響應強于其余三種所選定的波長，PTA在波長為242 nm的響應強于其余三種所選定的波長，TALD和4-CBA在250 nm波長下的響應強于其余三種所選定的波長。

圖1 苯乙酮、PX及其氧化產物的紫外吸收光譜圖Fig.1 UV absorption spectra of acetophenone，p-xylene(PX)and its oxidation products.

圖2 各物質在紫外檢測波長下的色譜圖Fig.2 Spectra at wavelengths of UV detection.

2.2 內標定量分析法的建立

準確稱取苯乙酮0.100 0 g，PX 0.096 9 g，TALC 0.044 1 g，TALD 0.049 7 g，p-TA 0.037 4 g，4-CBA 0.041 1 g，PTA 0.048 9 g。將其中的PTA，4-CBA，p-TA分別先用DMSO溶解，TALC用甲醇溶解。然后將所有物質定容至50 mL，取6個50 mL容量瓶，編號為1～6，將標定好的苯乙酮溶液分別取1 mL加入容量瓶內，最后分別在1～6號容量瓶內加入1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 mL除苯乙酮外的以上各溶液，定容至50 mL，搖勻靜置。使用上述液相色譜條件進行分析，每次進樣20 μL，每個試樣進樣6次，建立6級校正曲線，各物質線性回歸方程見表2。由表2可見，回歸方程的線性相關性均在0.999 1以上。

表2 線性回歸方程Table 2 Linear regression equation

2.3 回收率及相對標準偏差的測定

精密度和相對標準偏差檢測結果見表3。按表3配方稱取PX，TALD，TALC，p-TA，4-CBA，PTA，加入DMSO使其完全溶解，用甲醇定容至50 mL。取上述溶液2 mL加入50 mL容量瓶中，再加入2 mg/mL的苯乙酮溶液1 mL，定容至50 mL。由表3可見：各物質的回收率在98.59%～101.38%，說明定量分析的結果準確性好；相對標準偏差小于1.50%，說明該方法精密度高、重現性好。

表3 精密度和相對標準偏差Table 3 Precision and relative standard deviation

2.4 檢測范圍的測定

分別稱取苯乙酮0.100 0 g，PX 0.096 4 g，TALC 0.044 5 g，TALD 0.062 2 g，p-TA 0.037 5 g，4-CBA 0.039 4 g，PTA 0.049 3 g。用 DMSO 先將TALC，p-TA，4-CBA，PTA溶解，并用甲醇將所有物質定容至50 mL。分別取0.2，0.4，0.6，0.8，5.0，6.0，7.0 mL的PX溶液與1.0 mL的苯乙酮溶液混合后使用體積比1∶1的流動相標定至50 mL，記作試樣1～試樣7。進樣檢測，發現低濃度時，試樣1的檢測結果不在誤差允許范圍內，而試樣2～試樣4的結果在誤差允許范圍內；高濃度時，試樣7的檢測結果不在誤差允許范圍內，試樣5～試樣6的檢測結果在誤差允許范圍內。再次取6.2，6.4，6.6，6.8 mL的PX溶液分別與1.0 mL的苯乙酮溶液混合后用流動相標定至50 mL，記作試樣8～試樣11。進樣檢測，發現試樣8～試樣9的檢測結果在誤差允許范圍內，而試樣10～試樣11的檢測結果不在誤差允許范圍內，即可得到PX的檢測范圍應為0.4～6.4 mL標樣標定至50 mL所對應的濃度，即PX的檢測范圍為15.4～246.8 mg/L。同理可測出其余各物質的檢測范圍，TALC的檢測范圍為3.6～89.0 mg/L，TALD的檢測范圍為5.0～119.4 mg/L，p-TA的檢測范圍為9.0～138.0 mg/L，4-CBA的檢測范圍為3.2～88.3 mg/L，PTA的檢測范圍為7.8～134.1 mg/L。

3 實際反應產物檢測

將小試的PX氧化產物用DMSO溶解，分離出催化劑，取少許產物用流動相稀釋至合適的濃度進行檢測。紫外檢測波長下氧化產物的分析色譜圖見圖3。由圖3可見，在不同的檢測波長下，溶液中的產物得到很好的分離，說明建立的分析方法適用于實際反應試樣的定性定量分析。

圖3 紫外檢測波長下氧化產物的色譜圖Fig.3 The product spectra at wavelengths of UV detection.

4 結論

1）建立了多波長高效液相色譜法同時測定PX及其氧化產物的方法。多波長的使用可以使多種物質以及內標物在最大吸收波長附近進行檢測。分別在210 nm處檢測PX和TALC，239 nm處檢測p-TA，242 nm處檢測PTA，250 nm處檢測TALD和4-CBA。以苯乙酮作為內標物，在優化的洗脫條件下各組分具有較好的分離度。

2）對于高濃度的溶液，先使用甲醇稀釋，再使用含水的流動相稀釋，可以有效抑制PTA的析出，增加了檢測結果的準確性。

3）回歸方程的線性相關性均在0.999 1以上，回收率為98.59%～101.38%，相對標準偏差小于1.50%，而分析時長僅為17 min。該方法的精密度高、準確性好、分析時間短，為后續氧化新工藝的研究奠定了基礎，對工業產品的質量檢驗具有重要的參考意義。