多波长高效液相色谱法同时检测对二甲苯及其氧化产物

徐 跞，何鹏程，陈大伟，袁 霞

（湘潭大学 化工学院，湖南 湘潭 411105）

对苯二甲酸（PTA）是生产聚酯的重要工业原料，随着我国经济的高速增长，对PTA的需求量日益扩大［1］。工业上采用对二甲苯（PX）为原料，空气为氧化剂，乙酸钴、乙酸锰为催化剂，乙酸为溶剂，溴化物为促进剂，在高温高压（200～300 ℃，1.5～3.0 MPa）条件下，采用液相催化氧化法制备PTA。为了获得高纯度的PTA，减少杂质对后期加氢精制以及聚合的影响，需要准确测定产品中氧化副产物的含量。同时，不使用溴化物和乙酸等腐蚀性介质，开发环境友好，条件温和的PX氧化制备PTA的新工艺是目前研究的热点。PX上两个甲基的活性不同，导致其氧化产物复杂，对甲基苯甲醇（TALC）、对甲基苯甲醛（TALD）、对甲基苯甲酸（p-TA）、对羧基苯甲醛（4-CBA）都是可能的氧化中间产物，因此，建立PX氧化体系的分析方法，实现原料及多种氧化产物的快速定量分析成为开展氧化新工艺研究的前提和必要条件，对工业生产的质量控制也有非常重要的作用。

PX氧化产物的沸点差别很大，为138～425 ℃，增加了检测难度。常见的检测方法有极谱法、气相色谱法、毛细管电泳法、毛细管胶束电动色谱法、液相色谱法、气相-液相色谱组合法。极谱法［2］操作简单，但是分析精度不高且不能分析产物中的PTA。毛细管胶束电动色谱法［3］的分析精度同样令人难以满意。采用气相色谱法［4］需要将产物中高沸点的PTA转化为其对应的酯，过程不仅复杂，而且会使高沸点物质在色谱柱累积，p-TA的测量误差超过5%，4-CBA的测量误差超过20%，降低了结果准确性。陈丹等［5-8］采用气相-液相色谱组合法进行分析，需要同时使用液相色谱仪和气相色谱仪，操作繁琐，费时费力。毛细管电泳法［9-10］则只能检测产物中可以解离产生阴离子的p-TA，4-CBA，PTA。传统的高效液相色谱法一般采用单波长检测［11-14］，不能同时在各种物质较大的吸收波处进行检测，误差较大。肖洋等［15］采用双波长检测，但仍无法避免上述问题。

本工作使用高效液相色谱法，采用二极管阵列检测器，选择苯乙酮为内标物，建立多波长同时检测PX及其氧化产物的新方法，为后期的氧化新工艺研究打基础。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

PX、TALC、TALD、p-TA、4-CBA、PTA、苯乙酮：分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。二甲基亚砜（DMSO）、磷酸、甲醇、乙腈：色谱纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。一级去离子水：自制。

安捷伦1260型高效液相色谱仪：德国Agilent Technilogies公司。带二元泵以及工作站，配有二极管阵列检测器，色谱柱型号ZORBAX SB—C18，4.6 mm×250 mm。

1.2 梯度洗脱程序

流动相使用0.85%（体积分数，下同）的磷酸溶液和甲醇与乙腈的混合物（体积比3∶2）。由于流动相中有水，有机弱酸会水解，使色谱峰拖尾。为了抑制有机酸水解，需要在水中加入磷酸。某酸的解离常数为pKa，根据公式pH=pKa+lg（c1/c2）（c1：磷酸溶液中已经水解的磷酸的浓度，mol/L；c2：磷酸溶液中未水解的磷酸的浓度，mol/L）进行理论计算，对于p-TA，PTA，4-CBA等弱酸，已解离浓度与未解离浓度比为1∶100时，弱酸主要以分子形式存在，流动相的pH值为2.00～（pKa-2.00）为最佳［15］。在1 000 mL一级去离子水中加入10 mL磷酸配制成磷酸溶液，pH值为1.96。

配置PTA溶液时发现，先用少量DMSO将PTA溶解（PTA难以用一般溶剂溶解，因此先用DMSO溶解），分别用甲醇、乙腈，以及体积比1∶1的磷酸溶液与甲醇/乙腈混合溶液进行稀释，放置12 h后，只有使用甲醇稀释的溶液无固体析出，故选择甲醇作为溶剂定容。在梯度洗脱建立的过程中，虽然使用了磷酸溶液作为流动相来抑制PTA水解，但发现PTA仍然出现前拖、肩峰，4-CBA出现前拖。实验发现，先用甲醇将PTA溶液定容至50 mL，取少许定容后的溶液，使用体积比1∶1的流动相再次定容所得的溶液静置12 h无固体析出，而且PTA和4-CBA的峰形对称。为了使体系的各物质能够进行完全分离，采用二元梯度洗脱程序进行分析，经过大量实验摸索，最终确定的流动相梯度洗脱程序见表1。由表1可见，起始采用70%的磷酸溶液和30%的甲醇/乙腈溶液，0～4 min线性变化为50%磷酸溶液与50%甲醇/乙腈溶液，保持该比例至6 min；6～8 min线性变化为20%的磷酸溶液与80%甲醇/乙腈溶液，8～12 min保持20%的磷酸溶液与80%甲醇/乙腈溶液；12～13 min线性变化为70%的磷酸溶液与30%的甲醇/乙腈溶液，13～17 min维持该比例不变。每个试样的分析时间仅为17 min。

表1 流动相梯度洗脱程序Ta ble 1 Program of gradient elution with the mobile phase

2 结果与讨论

2.1 检测波长的选择

由于甲醇的紫外吸收尾值在210～220 nm，在210 nm以下吸收较强，所以各物质尽量在210 nm以上测量。苯乙酮、PX及其氧化产物的紫外吸收光谱图见图1。由图1可见，综合比较内标物与各物质的紫外吸收光谱，选择在210 nm处检测PX与TALC，239 nm处检测p-TA，242 nm处检测PTA，250 nm处检测TALD与4-CBA。

同一试样中各物质在紫外检测波长下的色谱图见图2。从图2可以看出，对于同一试样而言，PX与TALC在波长为210 nm的响应强于其余三种所选定的波长，p-TA在波长为239 nm的响应强于其余三种所选定的波长，PTA在波长为242 nm的响应强于其余三种所选定的波长，TALD和4-CBA在250 nm波长下的响应强于其余三种所选定的波长。

图1 苯乙酮、PX及其氧化产物的紫外吸收光谱图Fig.1 UV absorption spectra of acetophenone，p-xylene(PX)and its oxidation products.

图2 各物质在紫外检测波长下的色谱图Fig.2 Spectra at wavelengths of UV detection.

2.2 内标定量分析法的建立

准确称取苯乙酮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。将其中的PTA，4-CBA，p-TA分别先用DMSO溶解，TALC用甲醇溶解。然后将所有物质定容至50 mL，取6个50 mL容量瓶，编号为1～6，将标定好的苯乙酮溶液分别取1 mL加入容量瓶内，最后分别在1～6号容量瓶内加入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，摇匀静置。使用上述液相色谱条件进行分析，每次进样20 μL，每个试样进样6次，建立6级校正曲线，各物质线性回归方程见表2。由表2可见，回归方程的线性相关性均在0.999 1以上。

表2 线性回归方程Table 2 Linear regression equation

2.3 回收率及相对标准偏差的测定

精密度和相对标准偏差检测结果见表3。按表3配方称取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可见：各物质的回收率在98.59%～101.38%，说明定量分析的结果准确性好；相对标准偏差小于1.50%，说明该方法精密度高、重现性好。

表3 精密度和相对标准偏差Table 3 Precision and relative standard deviation

2.4 检测范围的测定

分别称取苯乙酮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 先将TALC，p-TA，4-CBA，PTA溶解，并用甲醇将所有物质定容至50 mL。分别取0.2，0.4，0.6，0.8，5.0，6.0，7.0 mL的PX溶液与1.0 mL的苯乙酮溶液混合后使用体积比1∶1的流动相标定至50 mL，记作试样1～试样7。进样检测，发现低浓度时，试样1的检测结果不在误差允许范围内，而试样2～试样4的结果在误差允许范围内；高浓度时，试样7的检测结果不在误差允许范围内，试样5～试样6的检测结果在误差允许范围内。再次取6.2，6.4，6.6，6.8 mL的PX溶液分别与1.0 mL的苯乙酮溶液混合后用流动相标定至50 mL，记作试样8～试样11。进样检测，发现试样8～试样9的检测结果在误差允许范围内，而试样10～试样11的检测结果不在误差允许范围内，即可得到PX的检测范围应为0.4～6.4 mL标样标定至50 mL所对应的浓度，即PX的检测范围为15.4～246.8 mg/L。同理可测出其余各物质的检测范围，TALC的检测范围为3.6～89.0 mg/L，TALD的检测范围为5.0～119.4 mg/L，p-TA的检测范围为9.0～138.0 mg/L，4-CBA的检测范围为3.2～88.3 mg/L，PTA的检测范围为7.8～134.1 mg/L。

3 实际反应产物检测

将小试的PX氧化产物用DMSO溶解，分离出催化剂，取少许产物用流动相稀释至合适的浓度进行检测。紫外检测波长下氧化产物的分析色谱图见图3。由图3可见，在不同的检测波长下，溶液中的产物得到很好的分离，说明建立的分析方法适用于实际反应试样的定性定量分析。

图3 紫外检测波长下氧化产物的色谱图Fig.3 The product spectra at wavelengths of UV detection.

4 结论

1）建立了多波长高效液相色谱法同时测定PX及其氧化产物的方法。多波长的使用可以使多种物质以及内标物在最大吸收波长附近进行检测。分别在210 nm处检测PX和TALC，239 nm处检测p-TA，242 nm处检测PTA，250 nm处检测TALD和4-CBA。以苯乙酮作为内标物，在优化的洗脱条件下各组分具有较好的分离度。

2）对于高浓度的溶液，先使用甲醇稀释，再使用含水的流动相稀释，可以有效抑制PTA的析出，增加了检测结果的准确性。

3）回归方程的线性相关性均在0.999 1以上，回收率为98.59%～101.38%，相对标准偏差小于1.50%，而分析时长仅为17 min。该方法的精密度高、准确性好、分析时间短，为后续氧化新工艺的研究奠定了基础，对工业产品的质量检验具有重要的参考意义。