辛基二茂铁同分异构体标准物质的制备

摘要 以辛基二茂铁为原材料，利用常压色谱柱结合环糊精包结分离制得 (2- 辛基 )- 二茂铁、(3- 辛基 )- 二茂铁、(4- 辛基 )- 二茂铁 3 种相对纯度均大于 99.5% 的辛基二茂铁同分异构体，作为标准物质候选物。利用气相色谱法检测，考察标准物质候选物的均匀性和稳定性，用气相色谱 – 质谱法、核磁共振法分析候选物中杂质的结构，确定其类型。用内标法和主成分自身对照法对不同的杂质进行定值，并对定值不确定度进行评定。(2-辛基)-二茂铁、(3-辛基)-二茂铁、(4- 辛基 )- 二茂铁的纯度分别为 99.5%，99.5%，99.8%，扩展不确定度均为 0.2％ (k=2)。该标准物质可为相关物质的检测提供量值溯源标准。

二茂铁及其衍生物是一类非苯芳环金属夹心结构有机化合物，具有良好的氧化还原性及热稳定性。在茂环上引入不同的取代基，得到多种二茂铁烷基取代衍生物，可应用于不同领域。辛基二茂铁作为二茂铁的衍生物，是目前使用最广泛的火箭燃速催化剂，可促进燃料的充分燃烧并起到消烟作用。其催化活性与二茂铁结构单元的量直接相关，而二茂铁上取代基的大小会影响二茂铁结构单元的量，取代基异构会影响其与推进剂的相容性及其在推进剂中的迁移性。目前在国防军工、化工催化等领域中应用的辛基二茂铁是采用正辛基氯为烷基化试剂，在酸催化下进行二茂铁烷基取代反应而合成的一种烷基链异构的异构体混合物。反应过程中由于链重排，产物中不可避免地包含 (2- 辛基 )– 二茂铁、(3- 辛基 )– 二茂铁和 (4- 辛基 )– 二茂铁 3 种同分异构体 ( 见图 1)。这 3 种同分异构体性质极其相似，加之金属有机化合物沸点较高，很难通过常规方法分离。

目前国内外还没有这 3 种同分异构体的标准物质，导致相关产品在高新技术领域的应用受阻。因此研究制备辛基二茂铁同分异构体标准物质，并对其主要有机杂质进行高精度定值，这对辛基二茂铁作为催化剂的应用具有重要意义。

笔者以辛基二茂铁为原料，利用常压色谱柱结合环糊精包结分离的方法制备了(2-辛基)–二茂铁、(3- 辛基 )– 二茂铁、(4- 辛基 )– 二茂铁 3 种高纯度辛基二茂铁同分异构体标准物质候选物 ( 以下简称候选物Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ )。这类候选物中水分及无机杂质含量很低，主要杂质为残留的有机溶剂与有机杂质。重点分析 3 种候选物中主要有机杂质 ( 含有机溶剂 )的定值技术，依此获得辛基二茂铁同分异构体标准物质的纯度值，为金属有机化合物同分异构体在高新技术领域的应用提供技术支撑。

1　实验部分

1.1　主要仪器与试剂

气相色谱仪：GC9800 型，上海科创色谱仪器有限公司；

核磁共振氢谱仪：AVANCF–400MHZ 型，德国Bruker 仪器有限公司；

气相色谱 – 质联用仪：GCMS–QP2010 型，日本岛津公司；

正己烷：色谱纯，天津市红岩化学试剂厂；

辛基二茂铁：工业级，营口天元化工研究所股份有限公司；

正辛基二茂铁：纯度为 99.6%，自制；

萘：色谱纯，天津市红岩化学试剂厂；

六甲基二硅醚 (HMDSO) ：光谱纯，纯度为99.7% ；

实验用水为超纯水。

1.2　标准物质候选物制备方法

参照文献以辛基二茂铁为原料，利用中性氧化铝柱对辛基二茂铁进行分离，分别得到纯度较高的 C16- 二茂铁和 C8- 二茂铁混合制剂。再用Immo-CD–1 柱 ( 环糊为固定相，硅胶为担体，固担比为 1∶4，流动相为正己烷与环己烷，梯度洗脱，水的质量分数为 4%) 对混合制剂进行分离，得到高纯度的 (4- 辛基 )- 二茂铁，同时得到纯度较高的 (3- 辛 基 )- 二茂铁及 (2- 辛基 )- 二茂铁与 (3- 辛基 )- 二茂铁的混合物。用 Immo-CD–1 柱对 (3- 辛基 )- 二茂铁进行分离，得到高纯度的 (3- 辛基 )- 二茂铁。用Immo-CD–2 柱 ( 羟丙基 –β- 环糊精为固定相，硅胶为担体，固担比为 4∶1，流动相为正己烷，水的质量分数为 5.7%) 对 (2- 辛基 )– 二茂铁和 (3- 辛基 )– 二茂铁的混合物进行反复过柱分离，得到高纯度的 (2-辛基 )– 二茂铁。

1.3　仪器工作条件

1.3.1 气相色谱仪

色谱柱：SE–54 型毛细管柱 (30 m×0.25 mm，0.25 μm，填料为 5% 苯基 –95% 甲基聚硅氧烷，非极性固定相，温度上限 320℃，低流失，美国赛默飞世尔科技公司；分流比：1∶50 ；载气：高纯氮气；进样体积：0.5 μL ；进样口温度：260℃；升温程序：230℃保持 10 min，然后以 5℃／min 升温至 260℃，保持 9 min。

1.3.2 气相色谱 – 质谱联用仪

色谱柱：SE–54 毛细管柱 (30 m×0.25 mm，0.25μm，美国赛默飞世尔科技公司 ) ；辛基二茂铁原料进样量：0.04 μL；分流比为 1∶501∶50 ；载气：高纯氮气；气化室温度：260℃；柱箱升温程序：230℃保持 10 min，以 5℃／min 升温至 260℃；FID 检测器温度：260℃。

1.3.3　核磁共振氢谱仪

在 Φ=5 mm 核磁管中加入试样 0.1 g、六甲基二硅醚内标溶液 0.2 g，以氘代试剂作溶剂，内标溶液的体积分数为 0.1%，以其核磁信号与待测溶剂信号响应在同一动态水平即可；脉冲角度：30°；脉冲延迟：30 s。

2　标准物质制备

利用常压色谱柱结合包结分离方法制备 3 种辛基二茂铁同分异构体标准物质候选物。利用气相色谱面积归一化法对获得的 3 种辛基二茂铁同分异构体进行初步检验，结果见表 1。

由表 1 可知，辛基二茂铁 3 种同分异构体的纯度较高，可以作为辛基二茂铁同分异构体纯度标准物质候选物。

3　标准物质的均匀性及稳定性检验

3.1　标准物质的包装

由于候选物制备过程复杂，成本较高，尤其是该标准物质主要用于色谱仪器的校准，每次用量较小，所以选用可书写、带刻度、棕色螺纹口自动进样瓶 (1 g) 进行包装与密封。瓶盖选用黑色开孔拧盖，含白色聚四氟乙烯／红色硅橡胶隔垫，瓶内含支脚的插管，支脚采用聚四氟乙烯材料，每瓶含标准物质100 mg。

3.2　标准物质均匀性检验

分别在 3 种候选物的 150 个样品中随机抽取15 个样品，每个样品分上、中、下 3 个部位采样，最小采样量为 0.01μL。采用气相色谱面积归一化分析主成分含量，根据瓶间与瓶内方差检验的 F 值判定样品的均匀性，(2- 辛基 )- 二茂铁纯度标准物质均匀性检验结果见表 2。

对表 2 数据进行统计计算得 F=0.48, 利用同样的方法得到 (3- 辛基 )- 二茂铁、(4- 辛基 )- 二茂铁纯度标准物质均匀性检验结果的统计值分别为F=1.58，F=1.32，查表得临界值 F0.05(14,30)=2.0。可见，研制的 3 种候选物均匀性检验 F 统计计算结果均小于临界值 F0.05(14，30)，符合标准物质候选物对均匀性的有关要求。

3.3　标准物质稳定性检验

根据 JJF 1343–2012 《标准物质定值的通用原则及统计学原理》考察标准物质在特定保存条件下的稳定性。在 12 个月内按“先密后疏”的原则进行 6 次稳定性试验，每次测试 8 个样品，用 t 统计检验法考察其稳定性，统计结果见表 3。查表得 t0.05(5)＝ 2.57。由表 3 可知，统计量 t 值的绝对值均小于临界值 t0.05(5)，说明 3 种候选物在 12 个月内稳定。

4　标准物质中有机溶剂及有机杂质的定值

4.1 定值方法

辛基二茂铁是一种极性很小的金属有机化合物，依据其合成、分离提纯工艺，可以判断这类候选物中的水分及无机杂质含量很低，其主要杂质应为残留的有机溶剂和有机杂质，因此需要对残留的有机溶剂及有机杂质进行准确定值。

为了对其进行准确定值，首先要分析各有机溶剂、有机杂质结构，确定杂质组成。依据不同类型的杂质选用相应的定值方法。采用气相色谱 – 质谱联用技术、核磁共振技术确定候选物中各杂质的结构，用气相色谱面积归一化法对主成分相对纯度进行估测，杂质种类及定值方法等见表 4。

由表 4 可以看出，候选物中除了残留的有机溶剂外，还含有多种二茂铁的同系物杂质，对这些杂质进行高精度定值是定值工作的重点和难点。

与高效液相色谱法相比，气相色谱法对微量有机溶剂及有机杂质的定值具有分离效率高，可高精确定量测定的特点，因此采用气相色谱法对各杂质进行定值。选用气相色谱法对上述残留有机溶剂、有机杂质进行定值时首先要选择上述各杂质的标准 物质或工作标准。

对残留溶剂正己烷定值时选用色谱纯的正己烷为工作标准，纯度以 100% 计，萘为内标。

对残留在 (3- 辛基 ) 二茂铁中的同分异构体杂质，如 (2- 辛基 ) 二茂铁和 (4- 辛基 ) 二茂铁定值时，选用本方法制备的 (2- 辛基 ) 二茂铁和 (4- 辛基 ) 二茂铁候选物为工作标准，纯度以 100% 计，内标法定值，以纯度大于 99.5% 的正辛基二茂铁为内标。

对于二茂铁同系物杂质 1- 丙基 -3- 戊基二茂铁和 1，1- 二丁基二茂铁，由于目前国内外没有相应的标准物质，也没有相关的试剂或工业品。按照《中华人民共和国药典 (2015 年版 )》第四部( 以下简称《药典》)，拟采用不加校正因子的主成分自身对照法进行定值。

4.2　定值结果

4.2.1　残余溶剂

按照 4.1 方法对残余溶剂正己烷进行定值，定值结果见表 5。

4.2.2　有机杂质

按照表 6 精密配制各溶液。选择色谱纯的正己烷为工作标准，纯度以 100% 计，萘为内标，对其进行精确定值。

取不同体积含内标的候选物样品溶液，梯度进样 (2.4，3.2，4.0，4.8，5.6，6.4 μL)，记录内标物与候选物主成分的色谱峰面积 An，Ad，分别绘制主成分浓度和内标浓度对其色谱峰面积的回归曲线，以主成分回归直线斜率与内标回归直线斜率之比计算校正因子 ƒi，结果见表 7。

对 3 种辛基二茂铁同分异构体标准物质候选物的有机杂质进行定值，对样品共测试 12 组数据，采用格拉布斯 (Grubs) 法或狄克逊 (Dixon) 法进行统计，剔除可疑值，求得平均值及标准偏差。

依据保留时间确定同分异构体杂质种类 i 并记录其色谱峰面积，按式 (1) 计算相应杂质浓度，进而得到其在候选物中的相对含量。

式中：cx——候选物的质量浓度，mg／mL ；

ƒi——候选物 i 相对于内标的校正因子；

Ax——候选物的色谱峰面积；

cs——内标物的质量浓度，mg／mL ；

As——内标物的色谱峰面积。

表 8 为候选物Ⅱ中的杂质 (3- 辛基 )- 二茂铁和候选物Ⅲ中杂质 (2- 辛基 )- 二茂铁与 (4- 辛基 )- 二茂铁的定值结果。

采用药典 2015 第四部所述的不加校正因子主成分自身对照法对候选物中的杂质 1- 丙基 -3- 戊基二茂铁、1，1- 二丁基二茂铁进行定值，按式 (2) 计算。

式中：ωi—— 样品中有机杂质的含量，g／g ；

Ai——有机杂质的色谱峰面积；

A1——内标物的色谱峰面积。

表 9 为候选物Ⅱ中 1,1- 二丁基二茂铁和 1- 丙 基 -3- 戊基二茂铁杂质的定值结果。

5　标准物质定值结果

5.1　定值结果及验证

根据机杂质定值分析结果，得到 3 种辛基二茂铁同分异构体标准物质的定值结果，见表 10。

利用气相色谱 ( 面积归一化法 ) 对定值结果进行验证。假设两种方法的定值结果均服从正态分布，采用 t 检验法，构造统计量 t ：

式中：X ——样品中杂质 i 的平均值；

u0——样品中杂质 i 的总体均值；

sn)——样品中杂质 i 的标准差；

n——样品容量。

给定显著性水平 α=0.01，查表可得临界值t0.005(11)=3.105 8，两种方法检测结果无显著差异的拒绝域：

对候选物Ⅱ进行检验，自身对照法给定样本值为99.47%，气相色谱面积归一化法给定样本值为99.40%，99.45%，99.52%，99.30%，99.36%，99.49%，99.36%，99.49%，99.36%，99.60%，99.54%，99.50%，99.49%，99.48%。

根据式 (3) 计算得t的观察值

故接受假设,两种方法在统计学上无显著性差异。

同样：候选物Ⅲ的t观察值

候选物Ⅳ的t观察值

证明两种方法定值结果在统计学上无显著性差异。

5.2　定值不确定度分析

制备的辛基二茂铁同分异构体标准物质是一种极性较小的金属有机化合物，3 种标准物质均为均匀的液体，加之二茂铁芳香结构稳定性好，故均匀性和储存稳定性引起的不确定度均不考虑。重点考察杂质中溶剂、辛基二茂铁同分异构体等有机杂质定值的不确定度。

根据 JJF 1059.1–2012 《测量不确定度的评定和表示》计算其标准不确定度，计算时需分别估算A 类不确定度和 B 类不确定度，A 类不确定度评定结果由贝塞尔公式法计算得出，按文献合理估计 B 类不确定度，有机溶剂及有机杂质的定值不确定度见表 11。

对表 11 中各不确定度分量进行合成，得 3 种辛基二茂铁同分异构体标准物质定值结果不确定度和扩展不确定度，定值结果及不确定度见表 12。由表12 可知，研制的辛基二茂铁同分异构体标准物质的纯度分别为 99.5%，99.5%，99.9%，扩展不确定度均为 0.2%(k=2)。

6　结语

利用环糊精包结分离制备得到 3 种高纯度辛基二茂铁同分异构体，用气相色谱法考察了 3 种高纯辛基二茂铁同分异构体标准物质候选物的均匀性和稳定性，采用气相色谱 – 质谱联用技术、核磁共振技术确定候选物中各杂质的结构从而确定杂质的种类。依据有机杂质有无标准物质，分别采取内标法以及不加校正因子的主成分自身对照法对其中辛基二茂铁同分异构体杂质进行定值，并对定值结果的不确定度进行了评定。3 种辛基二茂铁标准物质的纯度均大于 99.5%。该标准物质定值结果准确，为相关物质的分析检测提供了量值溯源标准。