气相色谱法测定2-甲基-4-氯苯酚反应液中6种组分含量∗

张晓霞,夏雪强,王 艳,崔庆霞,王瑞菲,岳 涛

(青岛科技大学山东化工研究院,山东济南 250014)

2-甲基-4-氯苯酚是邻甲基苯酚(邻甲酚)的一氯代衍生产物,属于卤代芳香类化合物,是合成农药工艺中重要的有机中间体,用于生产各种药物、杀虫剂、除草剂。在工艺研发过程中,以邻甲酚为原料进行芳环氯代反应生成2-甲基-4-氯苯酚,同时生成一些副产杂质,需要通过反应液中邻甲酚和2-甲基-4-氯苯酚的含量计算原料转化率和反应收率,同时,通过反应液中副产杂质的含量判断工艺进程,为后期纯化分离提供数据参考。因此,建立一种快速测定2-甲基-4-氯苯酚反应液中主要组分含量的方法对工艺优化和中控分析具有重要意义。

目前,氯酚类化合物的测定方法主要有气相色谱-质谱法[1-5]、液相色谱-质谱法[6-7]、气相色谱法[8-10]和高效液相色谱法[11-13]等,测定体系中氯苯酚类化合物的检测尚未见文献报道。采用液相色谱或液相色谱-质谱法测定氯酚类化合物可不经衍生直接测定,由于反应液体系中共存多种同分异构体,鉴于液相色谱柱效原因,较难实现待测物与相邻组分的基线分离。文献报道采用气相色谱法或气相色谱-质谱法测定氯苯酚类化合物分为直接测定法和衍生测定法,常用衍生剂有乙酸酐、五氟苄基溴等。测定体系中待测物组分含量较高,考虑到衍生效率和衍生时间的影响,采取不衍生直接进样测定的方式,使用内标法定量,消除催化剂、溶剂、水分等对测定的影响,方法的准确度和精密度良好,可用于2-甲基-4-氯苯酚反应液体系的快速分析。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

对甲酚:纯度99.0%,邻甲酚:纯度99.0%,2-甲基-4-氯苯酚:纯度99.0%,2-甲基-3-氯苯酚:纯度98.0%,上海麦克林生化科技有限公司;2-氯-6-甲基苯酚:纯度98.0%,上海阿拉丁生化科技有限公司;2,4-二氯-6-甲基苯酚:纯度99.5%,上海皓鸿生物医药科技有限公司;甲醇:色谱纯,Thermo Fisher。

气相色谱仪:Trace 1300,配有氢火焰离子化检测器(FID),Thermo Fisher公司。

1.2 色谱条件

色谱柱:TG-1701MS(30 m×0.32 mm×0.25μm,Thermo Fisher);载气:氮气;气化室温度:250℃;柱流量:1.0 m L/min;进样量:0.2μL;分流比:100∶1;检测器温度:270℃。升温程序:初始温度120℃,保持30 min,以50℃/min速率升温至220℃,保持1 min。

1.3 测定步骤

1.3.1 内标物溶液的制备

准确称取2.0 g对甲酚(精确至0.000 1 g)于100 m L容量瓶中,用甲醇稀释至刻度,摇匀,配制成20 g/L的对甲酚内标溶液。

1.3.2 标准品溶液的制备

混合标准溶液A:分别称取标准品邻甲酚、2-甲基-4-氯苯酚各4.0 g(精确至0.000 1 g)于100 m L容量瓶中,用甲醇稀释至刻度,摇匀,配制质量浓度40 g/L 的邻甲酚、2-甲基-4-氯苯酚标准储备液。

混合标准溶液B:分别称取2-氯-6-甲基苯酚、2,4-二氯-6-甲基苯酚、2-甲基-3-氯苯酚和2-甲基-5-氯苯酚各0.2 g(精确至0.000 1 g)于100 m L容量瓶中,用甲醇稀释至刻度,摇匀,配制2 g/L 的2-氯-6-甲基苯酚、2,4-二氯-6-甲基苯酚、2-甲基-3-氯苯酚和2-甲基-5-氯苯酚标准储备液。

混合标准溶液C:分别准确移取5.00 m L 混合标准溶液A、混合标准溶液B和内标物溶液于50 m L容量瓶中,用甲醇稀释至刻度,摇匀,配制标准使用溶液。

标准溶液系列1:准确移取5.00 m L 内标物溶液于50 m L 容量瓶中,分别加入0.10、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.0 m L 混合标准溶液A,用甲醇稀释至刻度,摇匀。

标准溶液系列2:准确移取5.00 m L 内标物溶液于50 m L 容量瓶中,分别加入0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.0 m L 混合标准品溶液B,用甲醇稀释至刻度,摇匀。

1.3.3 样品溶液的制备

称取2-甲基-4-氯苯酚反应液0.2 g(精确至0.000 1 g)于50 m L容量瓶中,准确加入5.00 m L内标物溶液,用甲醇稀释至刻度,摇匀。

1.3.4 测定

在仪器工作条件下,按浓度由低到高的顺序测定标准溶液系列1和标准溶液系列2,以浓度为横坐标,以各组分的峰面积与内标物峰面积的比值为纵坐标,绘制标准曲线,计算线性方程。在相同条件下测定样品溶液,由标准曲线计算样品中各组分的质量分数。

2 结果与讨论

2.1 色谱柱的选择

使用HP-5、TG-1701MS 和TG-WAX 毛细柱对待测物进行分离实验[62],色谱图及化合物出峰顺序见图1。

图1 化合物色谱图

由图1a、图1b 可知,2-甲基-3-氯苯酚、2-甲基-4-氯苯酚、2-甲基-5-氯苯酚作为同分异构体较难分离,在HP-5和TG-WAX 色谱柱上无法达到基线分离,通过调整其他色谱参数也不能达到满意效果;由图1d可知,在TG-1701MS色谱柱上,各组分与相邻色谱峰的分离度达到基线分离,可获得理想的分离效果。

2.2 其他色谱条件的选择

待测物中2,4-二氯-6-甲基苯酚沸点最高为225℃,设置进样口温度为250℃,保证目标组分完全气化的同时又不会因温度过高而分解。

选择柱温时,既要保证待测物与相邻组分完全分离,又要保证各组分全部出峰,并且分析时间越短越好,以提高分析效率。考察先等温30 min,再以50℃/min升温的条件下各色谱峰之间的分离情况考察了以5、10、20、30℃/min升温速率的直接程序升温方式各色谱峰之间的分离情况见图2。

图2 不同升温速率色谱图

由图2可知,由于组分中含有同分异构体,沸点相差不大,采用直接程序升温方式2-甲基-3-氯苯酚、2-甲基-4-氯苯酚与2-甲基-5-氯苯酚无法完全分离。

柱流量为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m L/min时,色谱峰的出峰时间和峰形图见图3。

图3 不同柱流量色谱图

由图3可知,柱流量≥1.5 m L/min,2-甲基-4-氯苯酚与2-甲基-5-氯苯酚无法分离,柱流量越高,分离度越小;柱流量为1.0 m L/min,6种待测物的分离度和对称性均较好。因此,实验选择柱流量为1.0 m L/min。

2.3 定量方法和内标物的选择

随着反应的进行,反应液中各待测物含量变化较大,且在同一个反应液中原料、产品和杂质含量相差也比较大。由于溶剂、催化剂和水分的影响,面积归一化法不能准确测定各组分的含量;采用外标定量时,气相色谱条件的微小变化也可能会导致样品中高组分化合物峰面积的较大改变,定量结果有较大误差,影响结果的精密度和准确度;因此,选择内标法作为定量方法。

考察了2,4-二甲基苯酚和2,4-二氯苯酚作为内标物时的色谱图见图4。

图4 不同内标物色谱图

由图4可知,2,4-二甲基苯酚和2,4-二氯苯酚作为内标物时与待测组分无法分离,干扰测定;由图1d可知,对甲酚作为内标物时与相邻色谱峰均能达到基线分离,分离度均大于1.5,保留时间处于待测组分中间位置,保留时间适宜,拖尾因子小于1.2,峰形良好。因此,选择对甲酚作为内标物。

2.4 色谱行为

分别取溶剂(甲醇)、混合标准品溶液C、2-甲基-4-氯苯酚反应液,按照优化的色谱条件进行测定,实验结果见图1c、图1d。由图1可知,溶剂不干扰样品的测定,7种组分峰(峰1~峰7)的出峰顺序为2-氯-6-甲基苯酚、邻甲酚(原料)、对甲酚(内标)、2,4-二氯-6-甲基苯酚、2-甲基-3-氯苯酚、2-甲基-4-氯苯酚(产物)、2-甲基-5-氯苯酚,各组分与相邻色谱峰的分离度均大于1.5,符合要求,表明实验方法专属性良好。

2.5 线性方程、检出限和定量限

按照1.3.4项测定标准溶液系列,绘制标准曲线;另取混合标准溶液A 和混合标准溶液B适量进行稀释,测定各组分的检出限(LOD)与定量限(LOQ),以信噪比S/n＝3为检出限,以S/n＝10为定量限,实验结果见表1。

表1 线性方程、检出限与定量限的结果

由表1可知,6种化合物在标准曲线浓度范围内线性相关系数R2＞0.999 0,线性关系良好。

2.6 精密度实验

称取2-甲基-4-氯苯酚反应液0.2 g(精确到0.000 1 g),平行制备6份样品溶液,按照实验方法进行测定,6种组分的测定值及相对标准偏差(RSD)见表2。

由表2可知,2-氯-6-甲基苯酚、邻甲酚、2,4-二氯-6-甲基苯酚、2-甲基-3-氯苯酚、2-甲基-4-氯苯酚和2-甲基-5 氯苯酚测定值的RSD 分别为1.51%、2.38%、1.70%、2.62%、0.97%和2.80%,均未超过3%。

2.7 加标回收率实验

称取2-甲基-4-氯苯酚反应液约0.1 g(精确到0.000 1 g),加入适量混合标准溶液A 和混合标准溶液B,对样品进行5个浓度水平的加标回收率实验,每个浓度水平平均测定6次,计算回收率平均值和RSD,实验结果见表3。

表3 回收率实验结果

由表3可知,各组分的加标回收率在97%~105%,RSD＜3%,表明各组分的回收率良好。

2.8 样品测定

分别选取6 批不同工艺的2-甲基-4-氯苯酚反应液样品S1-S6,按照实验方法进行测定,结果见表4。

表4 样品分析结果

由表4可知,实验方法能够对2-甲基-4-氯苯酚反应液中各组份进行准确测定,能够反馈不同工艺条件的差异。

3 结 论

通过选择合适的色谱柱,优化升温程序、流速等色谱条件,以对甲酚为内标物,建立了气相色谱-内标法同时测定2-甲基-4-氯苯酚反应液中6种主要组分含量的分析方法。各组分色谱峰与相邻色谱峰分离良好,在线性范围内线性关系良好。样品加标回收在97%~105%,RSD＜3%,准确度和精密度满足分析方法测定要求,可为2-甲基-4-氯苯酚合成工艺的优化和中控分析提供数据支持。