高效液相色谱-紫外光谱法建立3,5-二硝基苯甲酸工业品的色谱指纹图谱_韦玉娜.pdf

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书书书 第 26 卷第 2 期 2007 年 4 月 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 26,No. 2 April, 2007 文章编号 0254- 5357 2007 02- 0081- 06 高效液相色谱 - 紫外光谱法建立 3, 5 - 二硝基 苯甲酸工业品的色谱指纹图谱 韦玉娜,李超,练鸿振* 教育部生命分析化学重点实验室,南京大学化学化工学院, 南京大学现代分析中心,江苏 南京210093 摘要 建立了3, 5 -二硝基苯甲酸工业品的高效液相色谱 - 紫外光谱的指纹图谱。首先, 在 Kromasil C18色谱柱上, 以水 -甲醇 -0.10高氯酸水溶液 体积比为25 ∶ 45 ∶ 30 为流动相, 流动相 流速1.0 mL/min, 检测波长254 nm, 对3, 5 -二硝基苯甲酸及其相关杂质进行了分离分析。在此基 础上, 通过运行大量样品, 筛选共有组分, 绘制具有共同特性的指纹图谱。根据待测样品色谱峰的 保留时间、 紫外光谱及其色谱峰面积, 与色谱指纹图谱进行分析对比, 建立了控制3, 5 -二硝基苯甲 酸产品质量的新方法。该方法在产品含量测定方面结果准确、 可靠, 在产品质量控制方面直观、 方 便。阐述了 “整体性” 和 “明确性” 是精细化工中间体指纹图谱的基本属性和发展方向。 关键词 色谱指纹图谱; 3, 5 - 二硝基苯甲酸; 高效液相色谱 - 紫外光谱法 中图分类号 O657. 72; O625. 5文献标识码 A 收稿日期 2006- 09- 14; 修订日期 2006- 12- 31 基金项目 国家自然科学基金资助项目 20575027 ; 南京大学分析测试基金资助项目 CA3 -3 作者简介 韦玉娜 1980- , 女, 山东淄博人, 硕士, 从事色谱分析研究工作。E- mail leaf1234_1234163. com。 通讯作者 练鸿振 1963- , 男, 江苏扬州人, 教授, 博士, 从事色谱 - 质谱分析研究工作。E- mail hzlian nju. edu. cn。 Establishment of the Chromatographic Fingerprint of Industrial 3, 5- Dinitrobenzoic Acid by High Perance Liquid Chromatography- Ultraviolet Spectrometry WEI Yu- na,LI Chao,LIAN Hong- zhen* Key Laboratory of Analytical Chemistry for Life Science,The Ministry of Education, School of Chemistry and Chemical Engineering,Center of Materials Analysis, Nanjing University,Nanjing210093,China Abstract A reliable reversed- phase high perance liquid chromatography- ultraviolet spectrometric has been developed for drawing chromatographic fingerprint of 3, 5- dinitrobenzoic acid for industrial use. Separa- tion of 3, 5- dinitrobenzoic acid and its relative impurities were achieved on a Kromasil C18column by using meth- anol- water- 0. 10 perchloric acid V/V/V 25/45/30 as a mobile phase at a flow rate of 1. 0 mL/min. And the determination was carried out by UV spectrometry at wavelength of 254 nm. Accordingly,the chromatograph- ic fingerprint of 3, 5- dinitrobenzoic acid could be established by analyzing a lot of samples and extracting their common peaks which are of representative features for all samples involved. For a given sample,the retention time,UV spectrum and area of all peaks were compared with the proposed chromatographic fingerprint,and a new protocol was then developed, by which the quality of 3, 5- dinitrobenzoic acid can be controlled. This is accurate and credible in determination of every component in an industrial product. It is also visualized and 18 ChaoXing convenient in quality control. In addition,it was expounded that “integrity”and “definitude”should be elementary attributes and developing direction of the chromatographic fingerprint of fine chemical intermediate. Key words chromatographic fingerprint; 3, 5- dinitrobenzoic acid; high perance liquid chromatography- ultraviolet spectrometry 近年来, 中国已经成为世界精细化工中间体的 主要出口国之一, 但由于精细化工研究开发创新 能力较弱, 生产工艺水平较低, 产品缺乏强劲的国 际竞争力。造成这种现状重要原因之一是精细化 工产品的分析测试方法比较落后, 质量标准体系不 够完善, 导致生产控制的盲目性。因此, 在现阶段 解决我国精细化工行业研发和生产问题的瓶颈之 一是提高分析测试水平 [1 ]。作者提出了借鉴中药 指纹图谱的经验, 以杂质组学 Impuritomics 的研 究方式, 建立精细化工中间体色谱指纹图谱 Chro- matographic fingerprint , 并将其作为控制中间体质 量的一个关键指标 [2 ]。基于这个思考, 建立的熊 果苷、 对苯醌二肟和甲基苯甲酸等精细化工中间体 的色谱指纹图谱在研发、 生产和贸易中已经得到了 成功应用 [3 -5 ]。实践证明, 中间体色谱指纹图谱有 望为定性定量描述精细化工中间体的整体质量特 性提供直观、 便捷的手段, 对我国精细化工产品的 研发和生产提供一种崭新而有效的控制措施。 3, 5 - 二硝基苯甲酸 3, 5 - dinitrobenzoic acid 是一种重要的有机合成中间体, 用途非常 广泛。它可以用来制酰氯, 还用于生产诊断用药泛 影酸, 也可以用于合成磺胺柯衣酸等 [6 ]。3, 5 - 二 硝基苯甲酸作为一种特殊的羧酸, 又是良好的核苷 酸的液相和固相合成促进剂 [7 ]。此外, 它与淀粉 形成的酯还可以用来吸附慢性肾衰患者血液中 积蓄的毒物之一肌氨酸酐, 对于延缓慢性肾衰进程 有重要意义 [8 ]。 工业上 3, 5 - 二硝基苯甲酸是由苯甲酸硝化 制得, 制备步骤参见文献[ 9 -10] , 合成反应式如下 建立指纹图谱的一般思路是推测杂质的合理来 源, 并对具有共性的杂质峰进行分析。由 3, 5 - 二 硝基苯甲酸的生产工艺推测, 产品中可能含有的杂 质为苯甲酸、 邻硝基苯甲酸、 间硝基苯甲酸和对硝基 苯甲酸等。目前关于测定这些相关杂质的方法尚未 见文献报道。本文用反相高效液相色谱 - 紫外光谱 HPLC -UV 检测技术测定了 3, 5 - 二硝基苯甲酸 及其相关杂质的含量。进而通过对不同批号产品的 测定、 数据分析和统计, 建立了 3, 5 - 二硝基苯甲酸 工业品的色谱指纹图谱, 并利用相似度 欧氏距离相 似度 对产品质量进行了评价。 1实验部分 1. 1仪器与主要试剂 Varian 5060 型高效液相色谱仪 美国 Varian 公司 , 配有 Rheodyne 7725i 六通进样阀 美国 Rheodyne 公司 、 Waters 486 型紫外 - 可见分光 光度检测器 美国 Waters 公司 和 JS - 3050 色谱 工作站 大连江申分离科学技术公司 ; Waters Alliance 2695 型高效液相色谱仪、 996 型二极管阵 列 PAD 检测器和 Waters Millinium32色谱工作站 美国 Waters 公司 。 3, 5 - 二硝基苯甲酸对照品、 邻硝基苯甲酸对 照品、 间硝基苯甲酸对照品、 对硝基苯甲酸对照品 和 5 - 硝基间苯二甲酸对照品 均由扬州盛凌精细 化工有限公司提供 纯度 99, 质量分数 w, 下 同 。苯甲酸 分析纯, 纯度 99 和间苯二甲酸 色谱纯, 纯度 99 均购自上海化学试剂厂。甲 醇 色谱纯, 江苏汉邦科技有限公司 ; 高氯酸 优 级纯, 天津市化学试剂三厂 ; 流动相及溶液用水 均为娃哈哈纯净水 使用前用 0. 2 μm 醋酸纤维素 滤膜过滤 。 1. 2色谱条件 色谱柱 江苏汉邦科技有限公司 Kromasil C18 5 μm, 4. 6 mm 150 mm ; 流动相组成 V 水 ∶ V 甲醇 ∶ V 高氯酸水溶液, 体积分数 φ 为0. 1 25 ∶ 45 ∶ 30; 流动相流速 1. 0 mL/min; 柱温 30℃; 紫外检测波长 254 nm; 进样量 10 μL。 1. 3系列混合标准溶液的配制 以甲醇为溶剂, 配制含 3, 5 - 二硝基苯甲酸 1. 00 g/L, 邻、 间、 对硝基苯甲酸三种杂质的浓度各 为 0. 05 g/L 的混合标准溶液 25 mL, 并逐级稀释, 配制成 3, 5 - 二硝基苯甲酸浓度分别为 0. 80、 28 第 2 期 岩矿测试 http ∥ykcs. i3t. com. cn/ 2007 年 ChaoXing 0. 60、 0. 40、 0. 20、 0. 10、 0. 08、 、 0. 0001 g/L 的 混合标准溶液各 10 mL。 1. 4样品溶液的配制 准确称取 5 份 3, 5 - 二硝基苯甲酸样品各约 6. 00 mg, 用甲醇溶解并定容至 10 mL, 样品溶液的 浓度约为 0. 60 g/L。 2结果与讨论 2. 1标准曲线及检测限 混合标准溶液的色谱图如图 1 所示, 其中 3, 5 - 二硝基苯甲酸的浓度为 1. 00 g/L, 邻硝基苯 甲酸、 间硝基苯甲酸和对硝基苯甲酸的浓度均为 0. 05 g/L, 两个未知杂质峰系由 3, 5 - 二硝基苯 甲酸中带入。 图 1混合标准溶液的色谱图 Fig. 1Chromatogram of mixed standard solution 1邻硝基苯甲酸; 2间硝基苯甲酸; 3对硝基苯甲酸; 43, 5 - 二硝基苯甲酸; 5未知杂质 1; 6未知杂质 2。 将各混合标准溶液进样两次, 以各物质浓度为 横坐标、 对应色谱峰的峰面积的平均值为纵坐标作 图, 得到标准曲线方程。在信噪比 S/N 3 时, 测定各物质的检测限 LD , 结果见表 1。 表 1方法的线性范围和检测限 Table 1The linear range and detection limit of the 化合物 线性范围 ρB/ gL -1回归方程① 相关 系数 LD/ gL -1 邻硝基 苯甲酸 0.0001 ~0.05 A 13924.48832 1.34135 108ρ 0.99990.00005 间硝基 苯甲酸 0.0001 ~0.05 A 19835.26886 1.94761 108ρ 0.99980.00005 对硝基 苯甲酸 0.0001 ~0.05 A 11487.82814 2.91636 108ρ 0.99980.000025 3, 5 -二硝基 苯甲酸 0.0001 ~1.00 A 443552.59828 2.68789 108ρ 0.99990.00005 ① A 为对应色谱峰峰面积的平均值, 测定次数 n 2; ρ 为各物质的 质量浓度。 2. 2方法的精密度 平行配制 5 份浓度约为 0. 60 g/L 的典型样品 溶液。为考察仪器工作条件的稳定性及进样量的 一致性, 第一份溶液进样 5 次, 计算主峰和各杂质 含量的相对标准偏差 RSD , 样品的色谱图见 图 2。邻、 间、 对硝基苯甲酸和 3, 5 - 二硝基苯甲酸 的含量由外标法计算得到, 两个未知杂质的含量由 它们各自的峰面积与 3, 5 - 二硝基苯甲酸主峰面 积之比得到。第一份溶液各物质对应的结果为 邻硝基苯甲酸的含量为0. 0072, RSD 为2. 02; 间硝基苯甲酸的含量为0. 0175, RSD 为2. 89; 对硝基苯甲酸的含量为0. 0035, RSD 为 2. 03; 3, 5 - 二硝基苯甲酸的含量为 99. 9491, RSD 为 1. 05; 杂质1 的含量为0. 0408, RSD 为2. 83; 杂质 2 的含量为 0. 1391, RSD 为 4. 17。 其余的4 份样品溶液各进样两次, 计算 5 份 平行样品的主含量和杂质含量平均值及 RSD, 从而 考察样品的均匀性和取样的代表性。结果显示, 邻硝基苯甲酸的含量为 0. 0071, RSD 为 0. 81; 间硝基苯甲酸的含量为 0. 0170, RSD 为 1. 53; 对硝基苯甲酸的含量为 0. 0034, RSD 为 0. 72; 3, 5 - 二硝基苯甲酸的含量为 99. 5457, RSD 为 0.35; 杂质 1 的含量为0.0407, RSD 为2.24; 杂质2的含量为0.1358, RSD 为2.67。 图 2典型样品溶液的色谱图 Fig. 2Chromatogram of a typical sample solution 1邻硝基苯甲酸; 2间硝基苯甲酸; 3对硝基苯甲酸; 43, 5 - 二硝基苯甲酸; 5未知杂质 1; 6未知杂质 2。 2. 3高效液相色谱条件选择 2. 3. 1高氯酸浓度 3, 5 -二硝基苯甲酸是酸性化合物, 在水溶液中 容易离解导致峰型畸变, 无法分离。本实验选用高 氯酸稀溶液调节流动相的 pH 值, 抑制3, 5 -二硝基 苯甲酸离解, 效果比较好, 峰形尖锐。固定流动相中 甲醇及高氯酸水溶液的体积分数, 考察高氯酸的 38 第 2 期韦玉娜等 高效液相色谱 - 紫外光谱法建立 3, 5 - 二硝基苯甲酸工业品的色谱指纹图谱第 26 卷 ChaoXing 浓度变化对分析物保留行为的影响。实验中高氯酸 水溶液的体积分数定在 30, 浓度分别为 0. 025、 0.05、 0.10、 0. 15、 0. 20、 0. 25 对应的 pH 分别为2. 58、 2. 27、 1. 98、 1. 79、 1. 67、 1. 59 。结果 表明, 在各高氯酸浓度下, 4 种硝基苯甲酸物质的分 离情况都很好; 但当浓度在 0. 1 ~0. 25 时, 4 种 物质的保留时间相对比较稳定。实验选择高氯酸浓 度为0.10 pH 约为2 。 2. 3. 2甲醇浓度 固定流动相中高氯酸水溶液的体积分数为 30, 高氯酸的浓度为0.10, 考察甲醇比例变化对 分析物保留行为的影响。结果表明, 实验中甲醇的 体积分数在40 ~70变化时, 分析物的保留时间 随甲醇浓度的增加明显缩短, 分离效果却越来越差, 说明甲醇比例对各化合物的保留时间和分离效果都 有明显的影响。综合考虑分离效果与分析时间, 选 择流动相中甲醇比例为45作为实验条件。 2. 3. 3检测波长 对照邻硝基苯甲酸、 间硝基苯甲酸、 对硝基苯 甲酸、 3, 5 - 二硝基苯甲酸和两个未知杂质的 PDA 紫外吸收光谱 图 3 , 前三种杂质在 254 nm 附近 均有较强吸收; 而 3, 5 - 二硝基苯甲酸和两个未知 杂质在 220 nm 附近有较强吸收。考虑到被测样品 中各杂质的含量比较低, 为了提高测定的灵敏度, 实验选用 254 nm 作检测波长比较合适。 图 3各物质的紫外吸收光谱 Fig. 3Ultraviolet absorption spectra for chemicals a邻硝基苯甲酸; b间硝基苯甲酸; c对硝基苯甲酸; d3, 5 - 二硝基苯甲酸; e未知杂质 1; f未知杂质 2。 33, 5 -二硝基苯甲酸工业品色谱指纹图谱 3. 1指纹图谱的建立 不同批号的10 个3, 5 -二硝基苯甲酸样品的色 谱指纹图谱如图 4 所示。从图中可以看出, 样品的 共有峰为邻硝基苯甲酸、 间硝基苯甲酸、 3, 5 - 二硝 基苯甲酸、 未知杂质 1 和未知杂质 2。10 个样品的 色谱图谱虽较为相似, 但也存在着差异, 杂质峰的 面积大小不一。3, 5 - 二硝基苯甲酸及其杂质的定 性评价可以通过比较 PDA 检测器得到的紫外图与 标准物质的紫外光谱来完成。从这种意义上来说, 3, 5 -二硝基苯甲酸的指纹图谱是高效液相色谱 - 紫外光谱 HPLC - UV 指纹图谱。3, 5 - 二硝基苯 甲酸及其杂质的定量评价, 可以通过计算10 个样品 的相似度 欧氏距离相似度 [ 11 ]来分析。 图 4不同批号的 3, 5 - 二硝基苯甲酸样品的色谱指纹图谱 Fig. 4The chromatographic fingerprints of 3, 5- dinitrobenzoic acid samples 3. 2相似度的计算 将10 个不同批号样品的主峰和相关杂质峰进 行积分, 得到峰面积, 通过对照品由外标法或与主峰 峰面积之比法计算出其含量。计算相似度的方法较 多, 一般采用欧氏距离相似度 [ 11 ]。即以各个组分的 平均含量作为色谱指纹图谱的标准平均参数, 通过 考察各个样品的色谱图与标准平均参数之间的相似 度来衡量样品质量的优劣。不同批号的10 个3, 5 - 二硝基苯甲酸样品的相似度的计算结果见表 2。在 满意相似度基础上, 再进行其他指标的测定, 可以确 保产品质量的稳定性和一致性。 3. 3色谱指纹图谱的应用 从色谱图轮廓来看, 如果一个 3, 5 - 二硝基苯 甲酸样品的色谱图 包括每个峰的紫外光谱 与指 纹图谱相似, 可以快速地判定这个样品是初步合格 的; 否则, 如果出现多余的未知峰, 包括紫外光谱不 符的峰, 就是不合格的。从产品质量控制的角度出 发, 与指纹图谱不符的产品没有必要进行进一步的 分析和测定, 因为一个产品的整套分析方法往往包 含许多指标, 有些步骤非常费时费力或耗费很大, 48 第 2 期 岩矿测试 http ∥ykcs. i3t. com. cn/ 2007 年 ChaoXing 对我国的化工企业来说是十分沉重的负担; 当然, 若 要从通过工艺分析寻找产生不合格品的原因, 进一 步的分析则是必要的, 但这个任务对于一般生产企 业的化验室是难以完全胜任的。从定量的角度来 讲, 如果一个样品中主含量偏低或杂质含量偏高, 该 样品的色谱图与指纹图谱的差异一定很明显, 相似 度必然较低, 可以进一步判定该样品是不合格的。 表2 3, 5 -二硝基苯甲酸样品的相似度① Table 2The similarity of 3, 5- dinitrobenzoic acid samples 样品 编号 珔wB/ 邻硝基 苯甲酸 间硝基 苯甲酸 3, 5 - 二硝 基苯甲酸 未知 杂质1 未知 杂质2 相似度 A 0.3325 2.12 0.0283 2.31 99.1451 0.97 0.0706 1.11 0.0016 3.21 0.9949 B 0.3294 1.56 0.0144 2.12 99.4437 0.35 0.0559 2.03 0.0008 2.98 0.9977 C 0.2311 1.91 0.0127 3.12 99.9418 0.61 0.0350 1.68 0.0006 1.36 0.9968 D 0.0476 0.92 0.5683 0.98 99.5897 1.03 0.0108 1.25 0.0001 2.58 0.9947 E 0.1949 2.53 0.0172 1.57 99.9295 0.44 0.0434 2.03 0.0001 1.67 0.9969 F 0.0282 0.81 0.0113 2.11 99.6240 1.32 0.0387 1.37 0.0016 1.96 0.9981 G 0.2125 1.35 0.0251 1.21 99.7263 1.05 0.0438 0.99 0.0003 1.52 0.9989 H 0.1865 1.48 0.0139 3.01 99.4951 1.62 0.0449 1.29 0.00000.9985 I 0.0122 1.79 0.0116 1.58 99.8500 2.01 0.0378 1.75 0.0014 2.34 0.9970 J 0.0661 1.97 0.0269 0.89 99.5396 2.21 0.0442 1.44 0.00000.9983 平均值 0.20560.073099.66530.0425 0.00061.0000 ① 珔wB为各组分质量分数的平均值, 测定次数 n 3; 括号中的数据是相对标准偏差。 从图4 可以发现 ① 所有样品的轮廓都是对 的, 没有出现多余的杂质峰; ② 样品 D 间硝基苯甲 酸的峰较其他样品明显偏大, 定量分析显示该杂质 含量远高于其他样品; ③ 样品 A 虽然没有高含量的 杂质, 但3, 5 -二硝基苯甲酸主含量明显偏低, 影响 了相似度。也就是说, 样品 A 和 D 的色谱图与指纹 图谱虽然没有差异, 但其定量结果偏离了允许值。 基于这个考虑, 可以将符合法规或协议要求的数据 通过一张色谱图表现出来, 并将这张色谱图定义为 “定量指纹图谱” , 而将前面提到的指纹图谱 图 4 定义为 “定性指纹图谱” 。可以从“定性指纹图谱” 直观地看出样品质量的优劣以及不同样品间的差 异, 而从 “定量指纹图谱” 则可以进一步判定样品主 含量及杂质含量是否合格。所以, 色谱指纹图谱对 于现阶段我国精细化工中间体的质量控制, 尤其是 杂质定量分析有着重要的指导意义。 4色谱指纹图谱的 “ 整体性” 和 “ 明确性” 辨析 精细化工中间体指纹图谱与中药指纹图谱的共 同基本属性在于都是从整体上判断样本的质量, 即 它们的 “整体性” , 不同点在于中药指纹图谱由于样 品成分的复杂性导致的 “模糊性” ; 而中间体一般成 分相对简单, 指纹图谱的基本属性可实现 “明确性” 。 但是中间体指纹图谱要实现真正意义上的“整体 性” 和 “明确性” , 还有相当长的距离 一方面, 国际 市场上对产品质量的要求越来越高, 尤其是对杂质 的控制几乎到了苛刻的地步, 一些过去人们并不关 注的杂质越来越多地进入各种产品的检测名录; 另 一方面, 由于分析测试仪器性能不断升级, 突出表现 为分辨率的不断提高和检测限的不断降低, 使得许 多产品中的“隐性杂质” 逐步变为“显性杂质” ; 再者, 我国许多精细化工企业研发水平、 生产水平、 分析检测水平普遍较低, 只能应付日常的规范化的 检测, 在现阶段想实现研究性的分析还有一定的难 度。但可以通过努力, 逐步实现从“残缺性” 和“模 糊性” 向 “整体性” 和 “明确性” 的飞跃。 本文建立的 3, 5 - 二硝基苯甲酸指纹图谱所 涉及的样品中, 均没有发现对硝基苯甲酸, 因而不 能纳入共有峰参与相似度的计算; 但从工艺的角度 来看, 生成对硝基苯甲酸的可能性是存在的。在图 2 所示的样品中, 也的确检出了对硝基苯甲酸, 这 只能说在建立指纹图谱涉及的 10 个样品中, 对硝 基苯甲酸的含量低于方法检出限。如果将来有一 天国际市场对该杂质提出比目前苛刻的限量要求, 就必须对现有指纹图谱进行修正, 逐步实现“整体 性” 。另一方面, 杂质1 和杂质2 结构不明, 实验中 用苯甲酸、 间苯二甲酸和 5 - 硝基间苯二甲酸对照 品进行了比对, 结果都不是。怀疑可能为 3, 5 - 二 硝基苯甲酸的异构化产物或过硝化产物, 但目前没 有标准物质可以比对。鉴于绝大多数样品中均含 有这两种杂质, 而从外销的情况反馈来看, 它们对 下游产品不产生任何不良影响, 可以“模糊” 地把 它们命名为 “未知杂质 1” 和 “未知杂质 2” , 前提是 它们的保留时间和紫外光谱与指纹图谱一致, 计算 时以 3, 5 - 二硝基苯甲酸作为参照, 先给出一个相 对的面积含量, 计算相似度, 结果证明是可行的。 58 第 2 期韦玉娜等 高效液相色谱 - 紫外光谱法建立 3, 5 - 二硝基苯甲酸工业品的色谱指纹图谱第 26 卷 ChaoXing 如果通过色谱 - 质谱联用技术结合工艺分析得到 了它们的准确结构, 该指纹图谱将具备更进一步的 “明确性” 。 5参考文献 [ 1]练鸿振. 关于精细化工中间体色谱指纹图谱的思考 [ J] . 精细化工中间体, 2004, 34 6 1 -6. 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