米 偉
(西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,陜西 西安 710065)
苯及苯系物在家具制造等行業(yè)廣泛使用。由于它們對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境等均有危害,所以對(duì)苯產(chǎn)生的危害需要找到解決的辦法,應(yīng)用最多的是,將其轉(zhuǎn)化為其他雜環(huán)化合物以降低毒性。由于苯的化學(xué)結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定,其碳-碳雙鍵很難被其他雜原子所替代,但考慮到苯衍生的雜環(huán)化合物的社會(huì)價(jià)值,所以對(duì)苯環(huán)中碳-碳雙鍵被一個(gè)雜原子替代的研究很有必要。目前,有很多有關(guān)苯中碳-碳雙鍵中碳原子直接被雜原子一步替換的研究,而大多都是在放電情況下生成的。例如,低溫等離子體放電[1-2]、射頻放電[3]、輝光放電[4,5]、電暈放電[6]、介質(zhì)阻擋放電[7]等。吡啶及其衍生物,由于具有重要的應(yīng)用價(jià)值,而受到社會(huì)的廣泛關(guān)注,例如,用于合成橡膠和染料。同時(shí)由于它們對(duì)于生物體的活性高,又可用于醫(yī)藥及農(nóng)藥等[8-10]。本文通過(guò)紙噴霧質(zhì)譜法,對(duì)苯在電暈放電情況下產(chǎn)生吡啶的現(xiàn)象,及吡啶生成的影響因素進(jìn)行了研究;它過(guò)程操作簡(jiǎn)單,很容易檢測(cè)到吡啶的生成。重點(diǎn)考察了不同因素對(duì)生成吡啶的影響,旨在為大批量生成吡啶尋求適宜的工藝條件。
試劑:甲醇、乙醇、乙腈(HPLC級(jí)),苯、二氯甲烷、丙酮、乙醚、1,4-二氧六環(huán)、二甲基亞砜、N,N-二甲基甲酰胺、四氫呋喃(分析純)。儀器:三重四級(jí)桿質(zhì)譜儀(賽默飛世爾科技有限公司),漩渦混勻儀(海門市其林貝爾儀器制造有限公司)。
實(shí)驗(yàn)原理:首先將20 μL反應(yīng)液加載在底寬5 mm,高10 mm的三角形紙中心,固定在鱷魚(yú)夾上,距質(zhì)譜進(jìn)樣口0.5 mm,施加高壓,在電驅(qū)動(dòng)作用下,反應(yīng)液會(huì)向紙尖端遷移,接近進(jìn)樣口時(shí)發(fā)生電暈放電,在這個(gè)過(guò)程中,苯通過(guò)電暈放電產(chǎn)生吡啶,吡啶最終進(jìn)入質(zhì)譜進(jìn)行檢測(cè)。
由圖1可知,苯與不同溶劑以7∶3(體積比,下同)混合,反應(yīng)過(guò)程中使用不同的溶劑得的質(zhì)譜圖不同。對(duì)于易電離溶劑,如甲醇、乙醇、乙腈、二氯甲烷,吡啶的分子離子峰(m/z 80)比較明顯,占主導(dǎo)作用,雜峰信號(hào)強(qiáng)度較低;對(duì)于較易電離的溶劑,如1,4-二氧六環(huán)、丙酮、乙醚,發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)吡啶分子離子峰的同時(shí)伴隨著溶劑峰,比如圖1(e) 中m/z 89即為1,4-二氧六環(huán)的分子離子峰;對(duì)難電離溶劑,如二甲亞砜、N,N-二甲基甲酰胺、四氫呋喃,溶劑峰占主導(dǎo),吡啶峰比較微弱,如圖1(h)-(j)所示。產(chǎn)生以上結(jié)果,可能的原因是,由于不同的溶劑進(jìn)行質(zhì)譜分析時(shí)電離效果有差異,所以與苯混合后產(chǎn)生吡啶的效果也不一樣。因此為得到更清晰的吡啶分子離子峰,選擇甲醇作為噴霧溶劑。
圖1 苯與不同溶劑混合進(jìn)行分析時(shí)的全譜圖
由圖2可知,當(dāng)改變苯與噴霧溶劑甲醇的比例時(shí),苯在高壓下放電生成吡啶(m/z 80)時(shí)的雜峰比較明顯,而加入少量甲醇后吡啶分子離子峰(m/z 80)更加明顯,雜峰相對(duì)更弱。可能原因是,苯比較穩(wěn)定,不容易電離生成吡啶,加入少量甲醇使噴霧效果更好,更容易電離,也更容易檢測(cè)到吡啶。由圖2(d)-(e)看出,苯與甲醇7∶3混合或者6∶4混合產(chǎn)生的吡啶分子離子峰都比較穩(wěn)定,雜峰相對(duì)強(qiáng)度相差不大,但是苯與甲醇6∶4混合時(shí)放電現(xiàn)象更加明顯,并且產(chǎn)生強(qiáng)烈的咝咝聲響,這樣不斷放電會(huì)對(duì)儀器造成損害,所以選擇苯與甲醇7∶3混合作為反應(yīng)液。
我們也研究了傳輸管溫度對(duì)生成吡啶的影響,結(jié)果如圖3所示。當(dāng)傳輸管溫度在100℃以下時(shí),隨著傳輸管溫度的升高,雜峰信號(hào)強(qiáng)度逐漸升高;在100℃以上時(shí),隨著傳輸管溫度的升高,雜峰信號(hào)強(qiáng)度逐漸降低,吡啶信號(hào)強(qiáng)度逐漸增大??赡艿脑蚴?,當(dāng)傳輸管溫度為30℃左右時(shí),苯與甲醇皆為液體,所以施加高壓時(shí)液體與金屬材質(zhì)的質(zhì)譜進(jìn)樣口接觸更容易放電,更容易生成吡啶。但是,隨著溫度升高,液體逐漸轉(zhuǎn)化為氣體,更多的雜質(zhì)分子進(jìn)入質(zhì)譜檢測(cè),使得雜峰的信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng),隨之吡啶的信號(hào)強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。當(dāng)溫度超過(guò)100℃時(shí),樣品基本轉(zhuǎn)化為氣體,隨著溫度的上升,許多成分都被氣化,雜峰信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?,相?duì)地,此時(shí)吡啶信號(hào)強(qiáng)度更高。在傳輸管溫度為250℃-300℃時(shí),吡啶的信號(hào)強(qiáng)度為1×107左右,說(shuō)明傳輸管溫度對(duì)吡啶的產(chǎn)生有一定影響,我們選擇傳輸管溫度為300℃作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)溫度。
圖2 不同比例進(jìn)行分析時(shí)的全譜圖。
圖3 不同傳輸管溫度下苯與甲醇7:3混合進(jìn)行分析時(shí)的全譜圖
最后,我們還研究了電壓對(duì)產(chǎn)生吡啶的影響,結(jié)果如圖4所示。由圖4看出,在放電情況下,隨電壓的升高,雜峰信號(hào)強(qiáng)度逐漸降低,吡啶信號(hào)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),在電壓4.5 kV-5.0 kV時(shí)吡啶信號(hào)強(qiáng)度逐漸穩(wěn)定,全譜圖相差不大。說(shuō)明電壓對(duì)吡啶的產(chǎn)生也有一定影響,考慮到節(jié)能環(huán)保,我們選擇4.5 kV作為實(shí)驗(yàn)電壓。
前人雖然已經(jīng)對(duì)苯生成吡啶進(jìn)行了探討,但是過(guò)程操作復(fù)雜。我們通過(guò)紙噴霧質(zhì)譜法分析苯在電暈放電情況下產(chǎn)生吡啶的現(xiàn)象,操作簡(jiǎn)單,很容易檢測(cè)到吡啶的生成。通過(guò)對(duì)不同影響因素的探究,發(fā)現(xiàn)苯與甲醇以7∶3混合,傳輸管溫度300℃,施加電壓4.5 kV時(shí),吡啶的分子離子峰信號(hào)明顯,雜峰信號(hào)強(qiáng)度較低。通過(guò)這種電暈放電方法,可以為苯大量生成吡啶尋求適宜的工藝條件。因此,對(duì)于苯電暈放電情況下利用紙噴霧質(zhì)譜分析生成吡啶的新方法的研究,具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值,并有廣闊的市場(chǎng)前景。
圖4 不同電壓下苯與甲醇7:3混合進(jìn)行分析時(shí)的全譜圖