付新梅 ， 張 蓉， 吳祖望

（大連理工大學(xué)，精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116024）

2013 年我國(guó)染料總產(chǎn)量已達(dá)89.5 萬噸，居世界首位［1］。而活性染料在1956 年問世以后，因其色譜齊全、制造方便、成本低廉、應(yīng)用較廣而得到快速發(fā)展，已成為僅次于分散染料，占染料總產(chǎn)量第二位的一大類染料。在活性染料的發(fā)展過程中，染料結(jié)構(gòu)鑒定對(duì)于借鑒世界前沿的研究成果、掌握當(dāng)前優(yōu)秀性能染料的結(jié)構(gòu)信息，從而促進(jìn)我國(guó)染料工業(yè)的發(fā)展具有重要作用。

20 世紀(jì)60 年代以前，對(duì)未知染料的結(jié)構(gòu)鑒定多采用化學(xué)裂解法。該方法是先將復(fù)雜的染料分子用一定的降解方法裂解成分子較小的碎片，然后用化學(xué)方法得到裂解碎片的顏色和反應(yīng)性能等信息從而推測(cè)結(jié)構(gòu)。其過程繁瑣，準(zhǔn)確度差［2］。在近代儀器分析技術(shù)發(fā)展后，應(yīng)用四大譜對(duì)染料結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定不僅結(jié)果準(zhǔn)確可靠，其效率也大有提高［2，3］。目前，染料的分離分析方法有薄層色譜法［4］、高效液相色譜法［5］、毛細(xì)管電泳法［6］、固相萃取-高效液相色譜法［7］、高效液相色譜-柱后在線衍生熒光檢測(cè)法［8］、高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法［9-12］等。這些方法對(duì)于分離制備和微量檢測(cè)很有助益，所涉及的領(lǐng)域包括食品、化妝品、刑事偵查、醫(yī)學(xué)和環(huán)境等多個(gè)方面，而很少涉足染料合成和生產(chǎn)中的結(jié)構(gòu)鑒定。另外，某些特定的染料經(jīng)過復(fù)配具有增效的性能，一些商品活性染料常常由多組分的染料拼混而成，這給其結(jié)構(gòu)鑒定帶來了較大的難度。由于可以同時(shí)完成化合物的分離和給出各組分的部分結(jié)構(gòu)信息，液相色譜-二極管陣列檢測(cè)／質(zhì)譜（HPLC-DAD／MS）聯(lián)用在染料結(jié)構(gòu)鑒定中具有特殊的優(yōu)越性。

1 活性染料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

活性染料的結(jié)構(gòu)可分為發(fā)色體（又稱母體，chromophore）和活性基（reactive group，RG）兩部分。在染色條件下能與纖維反應(yīng)呈共價(jià)鍵結(jié)合的活性基是區(qū)別于其他類染料的特征結(jié)構(gòu)。在活性染料開發(fā)的初期，各大染料公司曾開發(fā)了數(shù)十種活性基；但在發(fā)展過程中，或因其反應(yīng)性能過于活潑或過于穩(wěn)定，或因其成本或合成繁雜等原因，經(jīng)過優(yōu)勝劣汰，目前市場(chǎng)上常見的活性基有6 種，按其反應(yīng)機(jī)理劃分主要有親核取代型和親核加成型兩大類［13］。

親核取代型活性基主要是鹵代雜環(huán)類，如一氯三嗪（MCT）、二氯三嗪（DCT）、氟三嗪（FCT）和氟氯嘧啶（FCP）衍生物。親核加成型活性基主要有乙基砜硫酸酯（SES）和溴代丙烯酰胺（BAA）衍生物。近30 年發(fā)展的主要是多個(gè)活性基的組合，其目的在于提高固色率，其中包括同種活性基的組合和異種活性基的組合，這是當(dāng)前活性染料發(fā)展的一個(gè)方向。

發(fā)色體的作用主要是賦予染料發(fā)色性能及染料對(duì)纖維的親和力。按照染料的顏色劃分，目前市場(chǎng)上流行的商品活性染料發(fā)色體大致可以歸納為表1所示的類別。

表1 市場(chǎng)上流行的商品活性染料發(fā)色體主要骨架結(jié)構(gòu)Table 1 Main skeletons of popular commercial reactive dyes in markets

表1 （續(xù)）Table 1 （Continued）

表1 （續(xù)）Table 1 （Continued）

表1 中的結(jié)構(gòu)通式涵蓋了絕大部分市售商品活性染料的結(jié)構(gòu)，而綠、棕色等在色度學(xué)中屬于二次色，多由三原色中幾種染料拼混而成，故未在表1 中列出。表1 所列母體的骨架結(jié)構(gòu)以及上述常用的活性染料活性基類型可作為未知結(jié)構(gòu)染料鑒定時(shí)的參考。

2 HPLC-DAD／MS 在鑒定未知結(jié)構(gòu)活性染料中的應(yīng)用

HPLC 是分析化學(xué)中的重要分離分析方法，其中反相離子對(duì)色譜兼具反相色譜和離子色譜的特點(diǎn)［14］，因而在有機(jī)酸［15］和有機(jī)堿［16］以及無機(jī)離子［17］的分析中得到廣泛應(yīng)用?；钚匀玖辖Y(jié)構(gòu)中常常帶有多個(gè)磺酸基，非常適合采用反相離子對(duì)色譜法進(jìn)行分離。離子對(duì)色譜的理論模型有3 種:離子對(duì)保留機(jī)理［18］、動(dòng)態(tài)離子交換模型和離子作用模型［19］。色譜工作者經(jīng)過長(zhǎng)期深入的研究，發(fā)現(xiàn)離子對(duì)色譜保留機(jī)理非常復(fù)雜，上述3 種理論模型都能在離子對(duì)色譜行為中得以反映［14］。為了便于質(zhì)譜檢測(cè)，離子對(duì)試劑必須具有揮發(fā)性，可選擇的離子對(duì)試劑有叔胺［20，21］、銨鹽［22］和含氟羧酸［16］等，其中醋酸三丁胺的效果較好，適合多磺酸基染料的分離。流動(dòng)相常用甲醇-水或乙腈-水體系。

電噴霧質(zhì)譜適合分析極性和中等極性化合物，其顯著的特點(diǎn)是可形成多電荷離子，因此有利于多磺酸基活性染料的分析。采用HPLC-DAD／MS 聯(lián)用技術(shù)，一次進(jìn)樣分析就可以同時(shí)獲得HPLC 分離后各峰的吸收光譜圖、色譜峰對(duì)應(yīng)的相對(duì)分子質(zhì)量以及分子的部分結(jié)構(gòu)信息。針對(duì)活性染料這一特定研究對(duì)象，運(yùn)用HPLC-DAD／MS 分析可獲得以下信息。

2.1 初步判斷染料水溶性基團(tuán)的數(shù)目

活性染料分子中含有磺酸基或羧基等水溶性基團(tuán)，它們?cè)谌芤褐心苋ベ|(zhì)子形成負(fù)離子［M-xH］x-，在電噴霧質(zhì)譜中可得到［M-（x ＋y）H ＋yNa］x-。通過對(duì)染料分子堿金屬加合物質(zhì)荷比峰的解析可以判斷該染料分子可能解離的最大電荷數(shù)，從而推斷染料分子中有多少可解離基團(tuán)［23］。如果實(shí)驗(yàn)中以醋酸三乙胺或醋酸三丁胺作為離子對(duì)試劑，在質(zhì)譜中還能觀察到醋酸根、三乙胺或三丁胺的加合峰，也可用于輔助判斷電荷價(jià)態(tài)。但當(dāng)染料結(jié)構(gòu)中含有較多的磺酸基時(shí)，較難直接觀察到其最大電荷價(jià)態(tài)。

2.2 初步判斷具有A ＋2 穩(wěn)定同位素的元素個(gè)數(shù)

很多活性染料分子的活性基或發(fā)色體中，常含有氯、溴、銅等元素，它們是A ＋2 同位素，并具有明顯的同位素豐度比，如35Cl∶37Cl 豐度比大致為3 ∶1，79Br∶81Br 豐度比大致為1∶1，63Cu∶65Cu 豐度比接近于2∶1。HPLC-MS 聯(lián)用分析可根據(jù)其同位素峰的豐度比大致判斷染料分子中是否含有此類原子及所含個(gè)數(shù)。

2.3 初步推斷染料活性基類別

活性染料的活性基在染料合成和貯存過程中可能會(huì)產(chǎn)生活性基水解物。如親核取代型鹵代雜環(huán)活性基的鹵素原子被羥基取代，主染料與水解副染料的質(zhì)量數(shù)之差應(yīng)為該鹵素原子與羥基的質(zhì)量數(shù)之差；乙基砜硫酸酯在合成或貯存過程產(chǎn)生的副染料為其相應(yīng)的乙烯砜以及乙烯砜與水的加成物羥乙基砜，其與主染料質(zhì)量數(shù)之差依次應(yīng)為98 和80。根據(jù)該差值可以初步推斷未知染料的活性基類別。

2.4 結(jié)合衍生物質(zhì)量差值法確定活性基類別

結(jié)合衍生物質(zhì)量差值法確定活性基類別的方法為張蓉［24］創(chuàng)建。根據(jù)活性染料能與親核試劑反應(yīng)的特點(diǎn)，以乙醇胺或二乙醇胺與活性染料反應(yīng)制得其衍生物，利用其反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)之差（ΔM）來確定其活性基類別（簡(jiǎn)稱衍生物質(zhì)量差值法）。如MCT 型染料與乙醇胺反應(yīng)后，氯被β-羥乙基氨基取代，相對(duì)分子質(zhì)量增加25；SES 型染料與乙醇胺反應(yīng)，乙基砜硫酸酯先轉(zhuǎn)化成乙烯砜再與乙醇胺加成，相對(duì)分子質(zhì)量減少37。多活性基染料反應(yīng)前后的ΔM 應(yīng)為各活性基反應(yīng)前后ΔM 值的代數(shù)和（ΣΔM）。張蓉［24］曾用該法確定了近百個(gè)活性染料的活性基，證明了方法的正確和可行性。

2.5 區(qū)分同分異構(gòu)體

HPLC 可以分離同分異構(gòu)體，并且可以通過異構(gòu)體光譜的差別進(jìn)行定性判斷。近年活性染料發(fā)展的趨勢(shì)是通過適當(dāng)?shù)娜玖掀椿煲赃_(dá)到增效的目的。例如通過三原色拼混得到的黑色染料，其提升力就高于三原色中任何一個(gè)單色組分［25，26］。對(duì)于混合組分中的同分異構(gòu)體，經(jīng)HPLC 分離后采用DAD識(shí)別其光譜就可以定性。

3 HPLC-DAD／MS 聯(lián)用分析用于染料結(jié)構(gòu)鑒定的實(shí)例

本文選取3 種商品活性染料為例詳細(xì)說明HPLC-MS 聯(lián)用技術(shù)在活性染料分析中的應(yīng)用。

3.1 海洋藍(lán)B 組分結(jié)構(gòu)的鑒定

海洋藍(lán)染料是近年推出的艷藍(lán)色活性染料商品，HPLC-DAD／MS 分析表明其主要有兩組化合物，在質(zhì)譜總離子流圖中，37 ～40 min 處為其中A組分的信號(hào)，而20 ～25 min 處則為B 組分的信號(hào)（見圖1）。

圖1 海洋藍(lán)的（a）HPLC-DAD 和（b）質(zhì)譜總離子流圖Fig.1 （a）HPLC-DAD chromatogram and （b）MS total ion current chromatogram of Reactive Marine Blue

A 組分的保留時(shí)間為37.4 min，質(zhì)譜測(cè)得其質(zhì)量數(shù)為582，含兩個(gè)可解離基團(tuán)（磺酸基、羧基或是硫酸酯基）。電噴霧質(zhì)譜檢測(cè)可知A 組分具有中性丟失98 和80 的源內(nèi)碰撞誘導(dǎo)解離（CID）碎片離子，表明為乙基砜硫酸酯活性基。根據(jù)其紅光艷藍(lán)的色光可以判斷為應(yīng)用極廣的C. I.活性藍(lán)19。經(jīng)商品活性藍(lán)19 與其混合樣的HPLC-DAD／MS 測(cè)定證明無誤。

在20 ～25 min 的B 組分出現(xiàn)3 個(gè)峰，保留時(shí)間依次為20.4 min（B-1）、22.4 min（B-2）和24.4 min（B-3）。3 個(gè)化合物的光譜很接近（見圖2），最大吸收波長(zhǎng)都在620 nm 左右，為同系物，其相應(yīng)的質(zhì)譜圖如圖3 所示。圖3 提供了B-1、B-2 和B-3 的質(zhì)量數(shù)依次為950、986、1 022 的信息。B-1 和B-2 質(zhì)量數(shù)之差為36，B-2 和B-3 質(zhì)量數(shù)之差也為36。其同位素A 和A ＋2 的豐度比大致為:B-1 為100∶85；B-2 為88∶100；B-3 為73∶100。由此可推斷B 組分染料結(jié)構(gòu)中含兩個(gè)或兩個(gè)以上氯原子，B-1、B-2 和B-3結(jié)構(gòu)中依次多一個(gè)氯原子。

圖2 海洋藍(lán)B-1、B-2 和B-3 組分的紫外-可見光譜圖Fig.2 UV-Vis spectra of components B-1，B-2 and B-3 of Reactive Marine Blue

從吸收光譜分析，其最大吸收波長(zhǎng)都在620 nm，為綠光藍(lán)色。吸收曲線的半波寬度較窄，染料色光應(yīng)較明艷。結(jié)合質(zhì)譜信息推斷，該組染料可能是以三苯二惡嗪為母體，以乙烯砜和氯乙基砜為活性基組成的染料。專利［27］中，例8 記載了如圖4 所示結(jié)構(gòu)a 的染料，則B-2、B-3 應(yīng)分別為結(jié)構(gòu)b 和c。

B-1、B-2 和B-3 的結(jié)構(gòu)信息與上述結(jié)構(gòu)相符，并且該專利指出該染料適于和C. I. 活性藍(lán)19 復(fù)配。經(jīng)合成確證，B-1、B-2 和B-3 分別對(duì)應(yīng)上述結(jié)構(gòu)無誤。

圖3 海洋藍(lán)B-1、B-2 和B-3 組分的質(zhì)譜圖Fig.3 Mass spectra of components B-1，B-2 and B-3 of Reactive Marine Blue

圖4 海洋藍(lán)B 組分的分子結(jié)構(gòu)［27］Fig.4 Structure of component B of Reactive Marine Blue［27］

3.2 衍生物質(zhì)量差值法確定活性灰中B 組分的活性基

本世紀(jì)初問世的活性灰為一拼混染料，其中B組分為一多活性基染料。在HPLC 分離出該組分后，質(zhì)譜測(cè)得其質(zhì)量數(shù)為1 271。為確定其活性基種類，用乙醇胺衍生化，經(jīng)HPLC-DAD／MS 分析，其衍生物的質(zhì)譜中主產(chǎn)物的質(zhì)量數(shù)為1 398。衍生化前后的質(zhì)譜信息見表2。B 組分衍生化前后的ΔM ＝127。組分B 應(yīng)含1 個(gè)氯三嗪、1 個(gè)氟三嗪和1 個(gè)乙烯砜活性基。專利［28］記載其相應(yīng)的染料活性基為圖5 所述結(jié)構(gòu)，證明通過HPLC-DAD／MS 聯(lián)用衍生物質(zhì)量差值法給出的活性基信息正確。

表2 活性灰B 組分衍生化前后的質(zhì)譜解析Table 2 MS spectral analysis of ingredient B of Reactive Gray and its derivatives

圖5 活性灰B 組分部分結(jié)構(gòu)［28］Fig.5 Part of the structure of ingredient B of Reactive Gray［28］

3.3 拼混染料活性深黑中紅色和藏青色同分異構(gòu)體的分離和鑒定

活性深黑是上世紀(jì)開發(fā)的黑度高、牢度好的優(yōu)秀品種，其HPLC-DAD／MS 分析譜圖見圖6。

活性深黑商品染料分離后可以得到3 組有色組分:黃色、藏青色和紅色。其中藏青色組分與紅色組分是質(zhì)量數(shù)為903、有4 個(gè)可解離基團(tuán)但吸收光譜不同的同分異構(gòu)體（見表3）。這兩個(gè)組分均可檢出其［M-98］的乙烯砜或［M-80］的水解物羥乙基砜，其中紅色組分還可檢出［M-98-98］的雙乙烯砜，說明具有兩個(gè)乙基砜硫酸酯活性基。藏青色和紅色組分的光譜圖見圖7。

圖6 活性深黑的（a）HPLC-DAD 和（b）質(zhì)譜總離子流圖Fig.6 （a）HPLC-DAD chromatogram and （b）MS total ion current chromatogram of Reactive Supra Black

圖7 活性深黑紅色組分和藏青色組分紫外-可見光譜圖Fig.7 UV-Vis spectra of red and navy components of Reactive Supra Black

圖7 中最大吸收波長(zhǎng)為600 nm 的是藏青色組分的光譜圖。結(jié)合其質(zhì)譜圖解析可知，該藏青組分染料是已在各種品牌的活性黑中沿用了數(shù)十年、為染料業(yè)界熟知的C. I.活性黑5，其結(jié)構(gòu)見圖8。紅色組分則是其同分異構(gòu)體。

從染料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，考慮到合成和中間體的供應(yīng)等因素，既符合質(zhì)譜行為，光譜又在黃光紅色范圍內(nèi)的C. I.活性黑5 的同分異構(gòu)體可能有如圖8 所示的兩種結(jié)構(gòu)。按照近代發(fā)色理論分析，磺酸基處于偶氮體一側(cè)應(yīng)使光譜紅移，前者的最高吸收應(yīng)略處于長(zhǎng)波區(qū)。經(jīng)過合成確證，結(jié)構(gòu)1 的最大吸收波長(zhǎng)為505 nm，結(jié)構(gòu)2 的最大吸收波長(zhǎng)為490 nm。故可確定紅色組分應(yīng)為結(jié)構(gòu)1。專利及文獻(xiàn)［29-32］記載的紅色組分也為結(jié)構(gòu)1。

表3 活性深黑紅色組分和藏青色組分的HPLC-DAD／MS 分析結(jié)果Table 3 HPLC-DAD／MS analysis of red and navy components of Reactive Supra Black

圖8 C. I.活性黑5 及兩種同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)Fig.8 Structures of C. I. Reactive 5 and its two isomerides

4 結(jié)論

相比活性染料傳統(tǒng)的分離分析和結(jié)構(gòu)鑒定方法，HPLC-DAD／MS 聯(lián)用分析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下3 點(diǎn)。

第一，該分析技術(shù)具有省時(shí)高效的優(yōu)點(diǎn)。染料混合物一次進(jìn)樣就能實(shí)現(xiàn)多組分高效分離，分離的同時(shí)還能對(duì)每個(gè)組分進(jìn)行光譜和質(zhì)譜的在線檢測(cè)，大大縮短了分析時(shí)間。

第二，所得分析結(jié)果信息豐富。DAD 能在190～700 nm 范圍內(nèi)進(jìn)行全波長(zhǎng)掃描，給出染料的吸收光譜圖，結(jié)合行業(yè)經(jīng)驗(yàn)可以判斷染料分子的發(fā)色體結(jié)構(gòu)，從而判斷各個(gè)色譜峰的結(jié)構(gòu)相似性和同源性。

第三，電噴霧質(zhì)譜可以確定染料分子的質(zhì)量數(shù)和水溶性基團(tuán)的數(shù)目，對(duì)具有A ＋2 同位素的原子個(gè)數(shù)也可以初步判斷，結(jié)合衍生物質(zhì)量差值法還可以確定染料活性基的類型和數(shù)目。這些結(jié)構(gòu)信息對(duì)于活性染料的結(jié)構(gòu)分析都是非常關(guān)鍵的。

當(dāng)然，任何一種分析技術(shù)都不能解決結(jié)構(gòu)分析的全部?jī)?nèi)容，HPLC-DAD／MS 分析技術(shù)也是如此。其還必須結(jié)合專利查證和合成確證才能最終判斷染料分子的結(jié)構(gòu)。

［1］ China Dyestuff Industry Association. China Association Communication （中國(guó)染料工業(yè)協(xié)會(huì). 中國(guó)染協(xié)通訊），2014（4）:5

［2］ Yang J Z. Analysis of Dyestuff. Beijing:Chemical Industry Press （楊錦宗. 染料分析與剖析. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社），1997

［3］ Vankataraman K. The Analytical Chemistry of Synthetic Dyes.New York:John Wiley ＆Sun，1977

［4］ Zhao P C，Wang Y J，Cui L，et al. Chinese Journal of Chromatography （趙鵬程，王彥吉，崔嵐，等. 色譜），2001，19（4）:382

［5］ Lang W，Sirisansaneeyakul S，Martins L O，et al. J Environ Manage，2014，132:155

［6］ Enaud E，Trovaslet M，Bruyneel F，et al. Dyes Pigments，2010，85:99

［7］ Zhu H，Huang K Y，F(xiàn)u J F，et al. Chinese Journal of Chromatography （朱浩，黃坤玉，付建飛，等. 色譜），2014，32（3）:224

［8］ Liu J，Gong Z B. Chinese Journal of Chromatography（劉珺，弓振斌. 色譜），2012，30（6）:624

［9］ Zhu N W，Gu L，Yuan H P，et al. Water Res，2012，46:3859

［10］ Hou X L，Wu Y L，Yang T，et al. J Chromatogr B，2013，929:107

［11］ Zhang S F，Lin Z Z，Chen X Z，et al. Journal of Instrumental Analysis （張水鋒，林珍珍，陳小珍，等. 分析測(cè)試學(xué)報(bào)），2012，31（10）:1229

［12］ Lin W X，Sun X Q，Zhao X R，et al. Chinese Journal of Chromatography （林維宣，孫興權(quán)，趙雪蓉，等. 色譜），2012，30（5）:527

［13］ Chen R Q. Dyestuffs and Coloration （陳榮圻. 染料與染色），2014，51（2）:14

［14］ Zou H F，Zhang Y K，Lu P Z. Ion-pair High Performance Liquid Chromatography. Zhengzhou:Henan Science Press （鄒漢法，張玉奎，盧佩章. 離子對(duì)高效液相色譜法. 鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社），1996

［15］ Kucharska A，Grabka J. Talanta，2010，80:1045

［16］ Yamamoto E，Ishihama Y，Asakawa N. Talanta，2014，127:219

［17］ Khan S S，Riaz M. Talanta，2014，122:209

［18］ Horvath C，Melander W，Molnar I，et al. Anal Chem，1977，49:2295

［19］ Stranaban J J，Deming S N. Anal Chem，1982，54:2251

［20］ Michopoulos F，Whalley N，Theodoridis G，et al. J Chromatogr A，2014，1349:60

［21］ Biba M，Welch C J，F(xiàn)oley J P. J Pharm Biomed Anal，2014，96:54

［22］ Li B，Zhou X Z，Li J Y，et al. J Chromatogr B，2014，969:12

［23］ Smyth W F，McClean S，O′Kane E，et al. J Chromatogr A，1999，854:259

［24］ Zhang R. ［PhD Dissertation］. Dalian:Dalian University of Technology （張蓉. ［博士學(xué)位論文］. 大連:大連理工大學(xué)），2009

［25］ Wu Z W，Wang Z，Zhang Z D. Chemical Industry and Engineering Progress （吳祖望，王專，張志達(dá). 化工進(jìn)展），2009，28（5）:874

［26］ Wu Z W，Yang W. Dyestuffs and Coloration （吳祖望，楊威.染料與染色），2007，44（1）:1

［27］ Athanassios T，Thomas V，Georg R. WO Patent. WO2009-053238，2009-04-30

［28］ Marie S J，Athanassios T. US Patent. US20080256726，2005-11-29

［29］ Athanassios T，Herbert K. US Patent. US6537332，1998-07-27

［30］ Wu Z W，Wang Z，F(xiàn)eng B C，et al. China Patent （吳祖望，王專，馮柏成，等. 中國(guó)專利），CN200610047488.9，2007-02-14

［31］ Wang Z，Wu Z W. Color Technol，2009，123:216

［32］ Wang Z，Wu Z W. Text Res，2010，80（5）:448