顶空气相色谱法研究柠檬醛+α-紫罗兰酮+β-紫罗兰酮体系的汽液平衡

2020-07-21郑佩王琳琳梁杰珍陈小鹏童张法韦小杰唐锐

化工学报 2020年7期

郑佩，王琳琳，2，梁杰珍，2，陈小鹏，2，童张法，2，韦小杰，2，唐锐

（1 广西大学化学化工学院，广西南宁530004； 2 广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西南宁530004）

引言

紫罗兰酮又称香堇酮，是一种名贵香料，具有柏木香味，天然存在于高茎当归、树莓、金合欢、悬钩子、龙涎香和紫罗兰等植物中。紫罗兰酮分子式为C13H20O，根据双键位置不同，存在α，β，γ-三种异构体，γ-异构体至今尚未见报道其天然存在[1-3]。α-紫罗兰酮广泛用于精细化工、化妆品及香料工业[4-5]，每年用量大约为1000 t[6]。β-紫罗兰酮除作为高档香料用于调香外，同时也是用于合成维生素A(VA)、维生素E(VE)视黄酸和β-胡萝卜素等的医药中间体[7-8]，而且具有较强的生物活性，近年来发现β-紫罗兰酮具有良好的抗癌活性、抗增殖能力和诱导凋亡作用[9-11]。从植物中提取天然紫罗兰酮成本昂贵且得率不高，目前主要通过柠檬醛为原料合成得到以α，β-紫罗兰酮为主的紫罗兰酮异构体混合物[3,12]，再经分离提纯分别获得较纯的α，β-紫罗兰酮产品。柠檬醛主要存在于柠檬草油、桉叶油、山苍子油和紫苏等植物精油中[13-14]，可作为调味剂、防腐剂和芳香剂使用[15-16]，亦具有抗菌、抗氧化性、抗病毒、治疗心血管疾病和抗白血病的功效[17-19]，同时根据《柠檬醛发展前景趋势与行业市场分析报告(2018投资版)》报告，中国30%左右的柠檬醛应用于合成紫罗兰酮[20]。

虽然紫罗兰酮在药物合成、精细化工以及化妆品等行业有广泛的应用，但α，β-紫罗兰酮是同分异构体，分离和提纯十分困难。为了解决柠檬醛-紫罗兰酮制备体系的分离提纯问题，需要进行α，β-紫罗兰酮及柠檬醛体系的汽液平衡数据的测定与关联。目前汽液平衡数据的测定主要采用Ellis 和Rose 双循环相平衡釜，每个平衡点的测定需要配制试样140～200 ml，汽液平衡稳定的时间在2 h 以上[21-24]。由于试剂用量大，价格昂贵，而且柠檬醛、α，β-紫罗兰酮又是热敏性物质，其汽液平衡测定难度非常大，因此柠檬醛-紫罗兰酮制备体系的汽液平衡数据尚未见有文献报道。近年来发展起来的顶空气相色谱法具有汽液平衡时间短，每个平衡点测定的试剂用量仅需3～5 ml[25-26]，又可精确地控制样品平衡温度，减少取样分析对汽液平衡过程的扰动[25,27]等特点。

本文采用顶空气相色谱法测定柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)和α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)体系在333.15、368.15 和403.15 K 时的汽液平衡数据，使用Redlich-Kister 面积检验法[28]和Van Ness 点检验法[29-30]对平衡数据进行热力学一致性检验，分别使用NRTL[31]和UNIQUAC[32]活度系数模型对平衡数据进行关联，拟合回归获得活度系数模型的二元交互参数，并使用NRTL 活度系数模型计算了所测体系的超额自由焓(GE)，为紫罗兰酮-柠檬醛体系的分离提纯提供基础数据。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

柠檬醛(3,7-二甲基-2,6-辛二烯-1-醛，质量分数为97.58%，CAS，5392-40-5)、α-紫罗兰酮(4-(2,6,6-三甲基-2-环己烯-1-基)-3-丁烯-2-酮，质量分数为98.97%，CAS，127-41-3)和β-紫罗兰酮(4-(2,6,6-三甲基-1-环己烯-1-基)-3-丁烯-2-酮，质量分数为98.48%，CAS，14901-07-6)均由Sigma Aldrich公司提供，其化学结构如图1 所示。三种试剂均在高纯氮气保护下进行高真空减压蒸馏，经气相色谱法定量分析，其质量分数>99.3%。

图1 试剂化学结构Fig.1 Chemical structures of reagents

图2 汽液平衡实验装置Fig.2 Schematic diagram of vapor-liquid equilibrium experimental installation

1.2 仪器与装置

汽液平衡测定实验装置为顶空气相色谱系统，由平衡装置——顶空自动进样器(Agilent 7697A)和定量分析装置——气相色谱仪(GC，Agilent 7890B)组成，顶空汽液平衡实验装置如图2 所示。其中顶空自动进样器主要由抓手、加热箱、定量环以及传输线构成。根据本实验体系的特点，气相色谱仪采用氢离子火焰检测器(FID)，HP-5 色谱柱(30 m ×0.32 mm×0.25 m)，载气为N2。

1.3 实验方法

使用分析天平(Mettler Toledo，精密度±10-5g)配制一系列不同配比的柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)和α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)样品，均匀混合后用移液枪(Genex, 1000–5000 μl)准确移取4 ml 样品至顶空瓶(Agilent，20 ml)中，将用铝制瓶盖和硅胶垫密封好后的顶空瓶放置于样品盘上，分别设置顶空自动进样器和气相色谱运行参数，然后开始进行等温汽液平衡数据的实验测定。

1.4 重复性实验

为了检验顶空自动进样器的重现性，取10个乙醇[95%(质量)]样品，每个样品4 ml，进行重现性测定[33]。按文献[33]仪器参数进行实验，顶空自动进样器条件为：加热箱温度333.15 K；定量环温度338.15 K；传输线温度383.15 K；平衡时间22 min；GC 循环时间12 min。气相色谱条件为：进样口温度393.15 K；检测器温度473.15 K;柱温473.15 K。10 次测量结果的相对标准偏差小于1%，表明顶空自动进样器系统重现性良好。

1.5 实验装置可靠性检验

为了检验实验装置的可靠性，测量了353.15 K下乙醇(1)+碳酸二乙酯(2)体系的汽液平衡数据，将实验值与文献值[34]进行对比，结果如图3 所示。由图3可见，实验值与文献值吻合良好，证明实验装置和实验方法是可靠的。

图3 353.15 K下乙醇(1)+碳酸二乙酯(2)的汽液平衡p-x1-y1图Fig.3 p-x1-y1 diagram of ethanol(1)+diethyl carbonate(2)system at 353.15 K

1.6 分析测试方法

1.6.1 气相色谱条件使用Agilent 7890B 气相色谱仪对气相组成进行分析，分析条件为：FID 检测；进样口温度为523.15 K；检测器温度为523.15 K；柱箱温度为353.15 K；程序升温温度设为柱箱温度，之后以15 K·min-1升温至423.15 K,再以10 K·min-1升温至483.15 K；载气为N2，气速为25ml·min-1。

1.6.2 顶空自动进样器顶空自动进样器为汽液平衡测定装置，主要操作参数为平衡时间、平衡温度，本实验中平衡温度分别设为333.15、368.15 和403.15 K，所以该实验主要是确定平衡时间。该实验中，配制样品的试剂为柠檬醛和β-紫罗兰酮，配制浓度为33.51%(摩尔分数)的柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮（2）溶液。顶空进样器分析条件为：平衡时间分别设为5、10、20、30、40、60、80、100、120 和150 min；加热箱温度分别为333.15、368.15 和403.15 K；定量环温度分别比加热箱的高10 K；传输线温度分别比定量环的高10 K；GC 循环时间为15 min，实验结果如表1所示。

表1 不同平衡时间和温度条件下的y1Table 1 y1 at the different equilibrium time and temperature

表2 顶空自动进样器条件Table 2 Parameters of headspace sampler

从表1 可以看出，当平衡30 min 后柠檬醛浓度几乎不变，因此将平衡时间设置为30 min，则顶空进样器条件如表2所示。

2 结果与讨论

2.1 汽液相平衡数据

采用顶空气相色谱法测定汽液平衡数据，气相组成(yi,e)可以直接测得。液相组成(xi,e)根据气相组成(yi,e)和质量守恒计算[35-37]，即由式(1)计算

式中，C0是样品原始浓度；V0是样品体积；CL是样品平衡液相浓度；VL是样品平衡液相体积；Cg是样品平衡气相浓度；Vg是样品平衡气相体积。

平衡压力(p)则根据气相组成(yi,e)和热力学相平衡方程计算[27,38]

柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)以及α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)二元体系在333.15、368.15 和403.15 K 时的汽液平衡数据如表4～表6 所示，其p-x1-y1相图如图4～图6 所示。由图4～图6 可以看出，柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)和柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)体系不存在共沸现象，而α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)体系存在共沸现象，且不同温度的共沸点不同。当平衡温度为333.15 K时，共沸点为x1=0.6075;当平衡温度为368.15 K 时，共沸点为x1= 0.5908; 当平衡温度为403.15 K 时，共沸点为x1=0.5473。

图4 柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)体系的p-x1-y1相图Fig.4 p vs x1,y1 diagram of citral(1)+α-ionone(2)system

表3 式（3）对应参数Table 3 Corresponding parameters of Eq.（3）

表4 柠檬醛（1）+α-紫罗兰酮（2）在333.15、368.15及403.15 K下的汽液平衡实验数据Table 4 VLE data for citral（1）+α-ionone（2）at 333.15，368.15 and 403.15 K

图5 柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)体系p-x1-y1相图Fig.5 p vs x1,y1 diagram of citral(1)+β-ionone(2)system

表5 柠檬醛（1）+β-紫罗兰酮（2）在333.15、368.15及403.15 K下的汽液平衡实验数据Table 5 VLE data for citral（1）+β-ionone（2）at 333.15，368.15 and 403.15 K

图6 α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)体系的p-x1-y1相图Fig.6 p vs x1,y1 diagram of α-ionone(1)+β-ionone(2)system

表6 α-紫罗兰酮（1）+β-紫罗兰酮（2）在333.15、368.15及403.15 K下的汽液平衡实验数据Table 6 VLE data for α-ionone（1）+β-ionone（2）at 333.15，368.15 and 403.15 K

2.2 热力学一致性检验

为了验证所测等温汽液平衡数据的可靠性，分别采用Redlich-Kister面积检验法[28]和van Ness点检验法[29-30]对p-T-x-y数据进行热力学一致性检验。Redlich-Kister 面积检验法通过Aspen plusV10 软件进行回归，若面积检验值小于2，则该汽液平衡数据符合热力学一致性。van Ness 点检验法则是通过计算实验的气相组成与采用模型计算的气相组成之间的平均绝对偏差(Δy)来检验热力学一致性，若Δy小于0.01[40-41]，则该汽液平衡数据符合热力学一致性，检验结果如表7所示。

从表7 可以看出，面积检验值均小于2%，点检验值均小于0.01，所以柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)和α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)二元体系在333.15、368.15 以及403.15 K 时的汽液平衡数据均符合热力学一致性，表明该实验中所测体系的数据都是可靠的。

2.3 实验数据关联

采用NRTL和UNIQUAC活度系数模型[31-32]对柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)以及α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)二元体系在333.15、368.15 以及403.15 K 下的汽液平衡数据进行关联。利用Aspen plus V10.0 软件、Britt-Luecke算法使最大似然目标函数最小化回归上述活度系数模型的二元相互作用参数，结果如表8[42-43]所示。由式(5)和式(6)计算气相组成(y1)的平均绝对偏差(AAD)及均方根偏差(RMSD)，结果如表9所示。

表7 等温汽液平衡实验数据的热力学一致性检验Table 7 Thermodynamic consistency test of isothermal vapor-liquid equilibrium experimental data

表8 NRTL和UNIQUAC活度系数模型的交互作用参数Table 8 Activity coefficient models parameters of NRTL and UNIQUAC models

式中，y1,e表示气相组成的实验值；y1,c表示气相组成的计算值；N表示实验数据组数。

由表9 可见，柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)体系在所测温度下，气相组成(y1)的计算值与实验值的最大平均绝对偏差(AAD)为0.0044，最大均方根偏差(RMSD)为0.0052；柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)体系在所测温度下，气相组成(y1)的计算值与实验值的最大平均绝对偏差(AAD)为0.0060，最大均方根偏差(RMSD)为0.0076；α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)体系在所测温度下，气相组成(y1)的计算值与实验值的最大平均绝对偏差(AAD)为0.0032，最大均方根偏差(RMSD)为0.0044，表明模型计算值与实验值吻合良好，即NRTL 和UNIQUAC 活度系数模型均能很好地关联柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)以及α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)二元体系在333.15、368.15以及403.15 K时的汽液平衡数据。

图7 柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)体系的GE-x1图Fig.7 GE-x1 diagram for citral(1)+α-ionone(2)system

表9 气相组成（y1）的平均绝对偏差（AAD）和均方根偏差（RMSD）Table 9 The root mean square deviation（RMSD）and the average absolute deviations（AAD）for the vapor phase mole fraction（y1）

采用NRTL 活度系数模型分别计算了柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)以及α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)二元体系在333.15、368.15 以及403.15 K 下的超额自由焓(GE)。超额自由焓(GE)-x1关系如图7～图9 所示。由图7～图9 可知，柠檬醛(1) +α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)和α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)体系GE的最大值分别为0.4002、0.2315 和–0.7143 kJ·mol-1，在整个组成范围内，柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)和柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮二元体系在333.15、368.15 以及403.15 K 下的超额自由焓(GE)均为正值，表明柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)和柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮二元体系是正偏差体系；α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)二元体系在333.15、368.15以及403.15 K下的超额自由焓(GE)为负值，表明该体系为负偏差体系。

图8 柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)体系的GE-x1图Fig.8 GE-x1 diagram for citral(1)+β-ionone(2)system

图9 α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)体系的GE-x1图Fig.9 GE-x1 diagram for α-ionone(1)+β-ionone(2)system

3 结论

（1）采用顶空气相色谱法测定了柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)和α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)体系在333.15、368.15 和403.15 K 温度下的汽液相平衡数据，经Redlich-Kister 面积检验法和van Ness 点检验法均符合热力学一致性。

（2）α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)体系存在不同温度的共沸现象，且不同温度的共沸点不同。当平衡温度为333.15 K 时，共沸点为x1= 0.6075; 当平衡温度为368.15 K 时，共沸点为x1= 0.5908; 当平衡温度为403.15 K时，共沸点为x1=0.5473。

（3）采用NRTL 和UNIQUAC 活度系数模型对柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)和α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)体系进行等温汽液平衡数据关联，气相组成(y1)的计算值与实验值的平均绝对偏差(AAD)分别不超过0.0044、0.0060和0.0032，均方根偏差(RMSD)分别不超过0.0052、0.0076和0.0044。

（4）柠檬醛(1)+α-紫罗兰酮(2)、柠檬醛(1)+β-紫罗兰酮(2)和α-紫罗兰酮(1)+β-紫罗兰酮(2)体系GE的最大值分别为0.4002、0.2315 和–0.7143 kJ·mol-1，前二者对理想溶液产生正偏差，后者产生负偏差。

符号说明

AAD——平均绝对偏差，无量纲

a——活度系数模型参数，无量纲

C——浓度，g·ml-1

GE——超额自由焓，kJ·mol-1

N——实验点数

p——压力，Pa

——饱和蒸气压，Pa

RMSD——均方根偏差，无量纲

T——温度，K

V——体积，ml