工业级卡托辛成分分析及其双核二茂铁制备工艺

冯海涛，索齐，张驰，刘晓菊，马晓燕

(西北工业大学 化学与化工学院,陕西 西安 710129)

0 引言

二茂铁及其衍生物属于非苯芳环金属有机化合物，具有可逆的氧化还原性和低毒性等性质[1]，在功能材料、生物医学、催化化学等诸多领域有着广泛地应用[2-5]。作为复合固体推进剂燃速催化剂，二茂铁衍生物相较于无机固体燃速催化剂，不但拥有优异的燃速催化性，其液体的物理状态在推进剂中还具有良好的分散性[6-8]。

二茂铁衍生物按照分子中二茂铁结构单元的个数，可分为单核二茂铁和双核二茂铁。目前用于推进剂燃速催化剂的单核二茂铁有辛基二茂铁、叔丁基二茂铁等。叔丁基二茂铁分子量小、沸点低，在推进剂生产中易挥发，药柱成型时易产生气泡，导致药柱力学性能下降；更为严重的是在武器长储过程中易迁移，严重时导致药柱与衬层之间脱粘，使得弹道性能不稳定，甚至在点火时发生爆燃、机毁人亡等安全事故[9-11]，因此逐渐被抗迁移的双核二茂铁如2,2-双(乙基二茂铁)丙烷(卡托辛)[12]所取代。卡托辛不但分子量相对较大、沸点高、不易挥发、耐迁移，而且其分子结构中铁含量高，催化效果优良[13-14]，因而逐步成为二茂铁类燃速催化剂的首选。

卡托辛的合成需经过二茂铁的酰化、还原和再烷基化等过程。而酰基化及烷基化过程均会产生多取代、还原过程不完全及各步合成过程原材料残留等问题，因而在卡托辛中除含有多种不同双核二茂铁之外，还存在二茂铁、乙基二茂铁、二乙基二茂铁、酰基化二茂铁等低分子量的单核二茂铁。本文借鉴田丹等近年来在国防标准物质研制的经验[15-16]，利用气相色谱- 质谱联用(GC-MS)和高效液相色谱(HPLC)技术对工业级卡托辛进行了定性定量分析；根据其成分的结构特性及各成分极性、溶解度的差异，确定了从工业级卡托辛分离制备高含量双核二茂铁的工艺，从而为该类燃速催化剂的耐迁移性、相关推进剂安全生产及长储稳定奠定基础。

1 实验方法

1.1 仪器与试剂

工业级卡托辛原料,天元营口化工研究所生产；石油醚，60～90 ℃沸程，广东光华科技股份有限公司生产；甲醇，分析纯，广东光华科技股份有限公司生产；二氯甲烷，色谱纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司生产；中性氧化铝，200～300目，天津科密欧化学试剂有限公司生产。气相色谱仪，美国ThermoFisher Scientific公司Thermo Trace 1300型号；高效液相色谱仪，日本日立公司L-7110型号。

1.2 GC-MS分析

GC色谱柱为美国ThermoFisher Scientific公司生产的TG-1MS型号。柱长30 m，内径320 μm，固定相深层液膜厚度0.25 μm，温度上限为350 ℃，100% 二甲基聚硅氧烷，超低流失，非极性，毛细管柱；气相测试条件：载气用高纯氮气，恒流1.2 mL/min，分流比1∶17，进样口310 ℃；进样量1 μL，FID检测器310 ℃，柱箱程序升温：初始温度120 ℃，35 ℃/min升温至220 ℃，随后10 ℃/min升温至300 ℃并保持7 min；质谱条件:采用的电子轰击(EI)离子源温度为300 ℃，EI电压为75 eV，采用全扫描模式，溶剂延迟为3.5 min.使用面积归一法确定各组分含量。

称取样品0.05 g，以正己烷溶解后定容于10 mL容量瓶中制成样品溶液，进行气相色谱分析，剔除溶剂峰后归一化法计算样品相对含量。取5次平行测定数据的算术平均值作为最终结果。

1.3 HPLC分析

HPLC色谱柱为美国ThermoFisher Scientific公司生产的ODS-2 HYPERSIL型号，柱长150 mm，内径4.6 mm，填料粒径5 μm；检测波长254 nm；流动相的体积比为甲醇∶水=87∶13，0.45 μm孔径滤膜过滤；流速为1.0 mL/min；进样量为10 μL；柱温为恒温25 ℃。

1.4 柱层析法分离提纯制备双核二茂铁

100 ℃活化固定相6 h，冷却后以雾化器加入一定质量百分数的超纯水后放入烘箱，在60～70 ℃下使水分平衡4 h，冷却后密封待用。层析柱柱长200 mm，内径20 mm，石油醚为流动相，湿法装柱，使用超纯水洗净的石英砂均匀撒入层析柱最上端(约厚1 cm)。将占固定相总质量0.15%～0.45%的样品自层析柱的柱头加入，其液面到石英砂下缘时，再加入流动相；调节真空泵的真空度，使流动相流速适宜，待层析柱中样品分带以后，分别接取各色带的淋洗液，旋蒸除溶剂后，用GC检测。

1.5 溶解- 析出法分离提纯制备双核二茂铁

将甲醇与石油醚以比例混合配置溶剂，在恒温水浴超声振荡器中将溶剂加热至临近沸点，在超声震荡下缓慢加入卡托辛工业品原料，直至溶液刚好饱和，再将溶液置于-20 ℃冷冻静置3 h后，烧杯底部析出黏稠膏状物，趁冷倒出上层浅黄色溶液并取出下层黏稠膏状物，用GC检测。

2 结果与讨论

2.1 工业级卡托辛的组成分析

2.1.1 GC-MS分析工业级卡托辛组成

利用GC-MS分析工业品卡托辛，色谱图见图1，质谱图见图2.

图1 工业级卡托辛的GC图Fig.1 GC diagram of industrial grade catocene

图2 GC-MS分析工业级卡托辛的质谱图Fig.2 Mass spectra of industrial grade catocene analyzed by GC-MS

由图1可知，工业级卡托辛是由10余种组分组成的混合物，依据出峰时间先后，该混合物在GC上可分为两种类型：一种保留时间较短，在3.0～8.0 min之间，总相对含量为15.18%；另一种保留时间相对较长，在8.0～18.0 min之间，总相对含量为84.82%。由图2可知，这两种类型组分的相对分子质量差异较大，低沸点的相对分子质量在186～286之间，高沸点的相对分子质量在440～496之间。

二茂铁属于芳香性化合物，可发生Friedel-Crafts反应。对二茂铁进行乙酰化、还原可合成乙基二茂铁；以乙基二茂铁为原料，在酸性条件下进行二次烷基化反应，便可得到卡托辛。在此合成过程中，各步都会有少量原料残留。此外，由于二茂铁存在两个对称的富电子环戊二烯，都可能进行酰基化反应，因而在乙酰化反应中会有二乙酰化产物。根据以上卡托辛的合成过程，结合GC-MS分析结果，可确定出卡托辛中各类有机组分的结构，结果见表1.卡托辛含有：二茂铁、乙基二茂铁、乙烯基二茂铁、二乙基二茂铁和乙酰基二茂铁等单核二茂铁，相对含量为15.18%；2,2-双(乙基二茂铁)丙烷、(二茂铁- 乙基二茂铁)丙烷和乙酰基取代的卡托辛等双核二茂铁，相对含量为84.82%，其中2,2-双(乙基二茂铁)丙烷(卡托辛)存在4个同分异构体，总相对含量为72.14%。

表1 工业级卡托辛主要组分及相对含量(GC-MS)Tab.1 Main components and relative contents (GC-MS) of industrial grade catocene

2.1.2 HPLC分析工业级卡托辛的组成

HPLC分析工业级卡托辛，色谱图见图3.由图3可知，保留时间在0～10.0 min之间为单核二茂铁，保留时间在13.0～24.82 min为双核二茂铁。样品测试时间延长至最大保留时间的4倍，期间不再有其他峰，证明样品中二茂铁衍生物组分均已出峰。单核二茂铁组分与双核二茂铁组分的出峰时间相差较大，表明两组分极性相差较大，因此可通过柱层析法对其进行分离。

图3 工业级卡托辛的HPLC图Fig.3 HPLC diagram of industrial grade catocene

2.2 柱层析法分离提纯制备双核二茂铁

由HPLC分析可知，单、双核二茂铁组分的极性差异较大，可通过制备量相对较大、操作简单的正相柱层析进行分离；固定相可选用柱层析硅胶与中性氧化铝，流动相选用非极性溶剂。在薄层色谱法研究中发现，以石油醚、正戊烷作流动相时对其分离效果较好。由于正戊烷沸点过低，极易挥发，故最终选用石油醚作为流动相。

研究中发现，固定相的含水量是影响分离效果的关键因素，因此以200～300目中性氧化铝为固定相，考察了固定相含水量对收率、纯度、分离效率的影响，结果如表2所示。由表2可知，当固定相的含水量在2%时，可将工业级卡托辛分为3个色带：第一带为二茂铁、乙基二茂铁、二乙基二茂铁等烷基化的单核二茂铁；第二带为双核二茂铁；第三带为酰基化二茂铁、氧化聚合物等极性较大的杂质。

表2 固定相含水量对工业级卡托辛分离效果的影响Tab.2 Effect of water content of stationary phase on separation efficiency of industrial grade catocene

在固定相含水量为2%条件下，考察了SiO2-C、Al2O3-N及其粒径对工业级卡托辛分离效果的影响，结果见表3.

表3 固定相种类及粒径对工业级卡托辛分离效果的影响Tab.3 Effects of types and particle size of stationary phase on separation efficiency of industrial grade catocene

研究发现，当以硅胶为固定相时，收率较低且一次柱层析所需时间更长，因而选择中性氧化铝为固定相，最佳粒径为200～300目，该条件下得到的样品收率纯度最高，所需时间也较短。

通过GC对柱层析法纯化得到的双核二茂铁进行了分析，色谱图见图4，剔除溶剂峰后通过面积归一化法确定其相对含量。由图4可知，保留时间在8～18 min之间的为双核二茂铁，总相对含量为99.52%。重复批次实验结果见表4，柱层析法分离制备双核二茂铁相对含量的平均值为99.59%，表明柱层析法完全可以纯化制备纯度大于99.50%的双核二茂铁。

表4 柱层析分离工艺重复性实验Tab.4 Repeatability experiment of column chromatography separation process

图4 柱层析法制备的双核二茂铁GC图Fig.4 GC diagram of binuclear ferrocene prepared by column chromatography

采用1H NMR对柱层析法分离提纯的双核二茂铁进行分析，氢谱图见图5.由图5可知：化学位移4.09处出现的多重峰归属于茂环的氢质子吸收峰；化学位移2.42处出现的四重峰归属于双核二茂铁的亚甲基氢质子吸收峰；化学位移1.80处出现的单峰归属于双核二茂铁中乙酰基的氢质子吸收峰；化学位移1.62处出现的四重峰归属于桥碳甲基的氢质子吸收峰；化学位移1.16处出现的三重峰归属于双核上甲基的氢质子吸收峰。对化学位移4.09×10-6、2.42×10-6、1.62×10-6和1.16×10-6积分高度进行计算，各位置氢原子比值接近8∶2∶6∶3，可以确定其为双核二茂铁，而无单核二茂铁等组分。

图5 柱层析法制备的双核二茂铁1H NMRFig.5 1H NMR of binuclear ferrocene prepared by column chromatography

2.3 溶解- 析出法分离提纯制备双核二茂铁

柱层析法虽可分离工业级卡托辛，获得高纯度的双核二茂铁，但分离效率较低，成本相对较高。在研究卡托辛的溶解性时发现，尽管二茂铁类化合物的极性都较差，但低温下单核二茂铁在甲醇溶剂中的溶解度都比双核二茂铁大，而高温超声条件下双核二茂铁的溶解度也会增加。利用这种溶解度差异，可用溶解- 析出法来分离工业级卡托辛，制备双核二茂铁。首先制备甲醇与石油醚的混合溶剂，在高温超声条件下得到工业级卡托辛的饱和溶液，再将此饱和溶液在低温条件下静置以析出双核二茂铁。

利用此方法，探究了溶剂的配比对分离效果及收率的影响，结果如表5所示。由表5可知，最佳溶剂配比为甲醇∶石油醚=91∶9(体积比)，静置时间4 h，一次纯化得到纯度高于96.50%的双核二茂铁，收率为70%。

表5 溶剂配比对双核二茂铁纯度和收率的影响Tab.5 Effect of solvent ratio on purity and yield of binuclear ferrocene

通过GC对溶解- 析出法纯化得到的双核二茂铁进行分析，色谱图见图6，剔除溶剂峰后通过面积归一化法确定了各组分的相对含量。由GC测试数据可知：保留时间在3～8 min之间为单核二茂铁，总相对含量为3.11%；保留时间在8～18 min之间的为双核二茂铁，总相对含量为96.89%。重复批次实验结果见表6，从中可看出溶解- 析出法分离制备双核二茂铁相对含量的平均值为96.68%，表明溶解- 析出法完全可以纯化制备纯度大于96.5%的双核二茂铁。

图6 溶解- 析出法制备的双核二茂铁GC图Fig.6 GC diagram of binuclear ferrocene prepared by dissolution-precipitation method

表6 溶解- 析出法分离工艺重复性实验Tab.6 Repeatability experiment of dissolution-precipitation separation process

采用1H NMR对溶解析出法分离提纯制备的双核二茂铁进行分析，氢谱图见图7.由图7可看出：化学位移4.11处出现的多重峰归属于茂环的氢质子吸收峰；化学位移2.38处出现的四重峰归属于双核二茂铁的亚甲基氢质子吸收峰；化学位移1.75处出现的单峰归属于双核二茂铁中乙酰基的氢质子吸收峰；化学位移1.60处出现的四重峰归属于桥碳甲基的氢质子吸收峰；化学位移1.15处出现的三重峰归属于双核上甲基的氢质子吸收峰；化学位移1.51处出现的单峰归属于样品中残余水的氢质子吸收峰；化学位移1.26和化学位移0.88处出现的单峰归属于残余溶剂石油醚的氢质子吸收峰。对化学位移4.11×10-6、2.38×10-6、1.75×10-6和1.15×10-6积分高度进行计算，各位置氢原子比值也接近8∶2∶6∶3，可以确定其主要是双核二茂铁组分。

图7 溶解- 析出法制备的双核二茂铁1H NMRFig.7 1H NMR of binuclear ferrocene prepared by dissolution-precipitation method

由溶解- 析出法制备的双核二茂铁纯度低于柱层析法，但该方法操作工艺简便、快捷，溶液可以回收利用，成本低、绿色环保，可实现宏量制备。

3 结论

1)结合卡托辛的合成机理与GC-MS、HPLC 分析确定了工业级卡托辛中各成分的结构及相对含量。双核二茂铁的相对含量为84.82%，单核二茂铁的相对含量为 15.18%。双核二茂铁中卡托辛的4种同分异构体的相对含量为 72.14%。

2)依据单核二茂铁与双核二茂铁的极性差异，通过柱层析法实现了对工业级卡托辛的分离纯化，在最优条件下得到了纯度大于 99.50%，收率为 93%的双核二茂铁。

3)依据单核二茂铁与双核二茂铁溶解度的差异，通过溶解- 析出法分离工业级卡托辛，在甲醇和石油醚的体积比为91∶9条件下，得到了纯度大于 96.5%，收率为70%的双核二茂铁。

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