七氟溴丙烷气相色谱分析方法研究.docx
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七氟溴丙烷气相色谱分析方法研究
七氟溴丙烷气相色谱分析方法研究
报告部门：
分析测试中心
试验人:
夏添
审查人:
二○○九年十二月
目录
一前言3
二试验方法4
1仪器与试剂4
2色谱条件4
3试验步骤5
三结果与讨论6
1进样方式的选择6
2色谱条件的确定7
2.1色谱柱的选择7
2.2升温程序10
2.3分流比、进样量、汽化室和检测器温度选择10
2.4定量方法11
3线性试验11
4重复性试验11
5气质联用定性试验12
5.1主峰谱图解析14
5.2杂质1谱图解析16
5.3杂质2谱图解析17
5.4杂质3谱图解析18
5.5杂质4谱图解析19
6小结20
四参考文献21
一前言
1，1，1，2，3，3，3-七氟-2-溴丙烷（英文名：
2-Bromoheptafluoropropane），又称2-溴七氟丙烷。
CAS号：
422-77-5，分子式：
C3F7Br、分子量：
248.92、沸点：
14℃、密度：
1.8g/cm3、有刺激性和一定毒性。
2-溴七氟丙烷是一种重要的有机中间体，可用于合成全卤烷基化的芳族化合物，经查阅资料，国内外公开报道均无该产品的分析方法。
为配合中心研发工作，对其分析方法进行研究。
由于没有查阅到有关该样品分析方法的文献，只能参考结构相似的氟氯代烃产品标准中的分析方法。
经查阅1,1,2,2-四氟乙烷（HFC-134a，沸点-26.5℃）[1]、1，2-二氟乙烷（HFC-152a，沸点-24.95℃）[2]、七氟丙烷（HFC227ea，沸点-16.4℃）[3]，这些产品的分析方法都采用在针筒或气袋中汽化后进样，只有1，1-二氯-1-氟乙烷（HFCF-141b，沸点32℃）[4]由于沸点较高，常温下难以汽化，采用液态进样。
毛细管色谱柱的选择多以PLOT-Q等气固柱为主，柱温均较低，进样量都较大，定量方法都采用面积归一法。
以这些资料为参考，进行分析方法的研究。
在研究过程中也考虑到分析样品中可能会含有高沸物质，在较低的室温和冰水浴的条件下采用液体直接进样的方式来检验2种进样方式的差异。
根据课题组提供的信息，产品中可能含有2-溴七氟丙烷的同分异构体1-溴七氟丙烷。
两者的物理性质极为类似，经查阅资料，1-溴七氟丙烷的CAS号为422-85-5、沸点12℃、1.875g/cm3。
尝试使用气相色谱将两者分离开并采用气质联用技术确定结构也是课题的目标之一。
二试验方法
1仪器与试剂
VarianCP-3800气相色谱仪；
ShimadzuGC-14C气相色谱仪；
VarianCP-3800/Satum2000气质联用仪；
500mL气体袋；
20mL顶空瓶及瓶塞；
1μL、5μL、10μL、25μL、50μL、100μL、2mL等各型号进样器；
高纯氮气：
纯度的体积分数大于99.99%；
氢气：
纯度的体积分数大于99.99%；
空气：
经硅胶和分子筛干燥、净化的。
2色谱条件
表1色谱条件
进样方式
气袋中汽化后
液态直接
色谱柱
DB-1301
60m×0.25mm×1.0μm
DB-1301
60m×0.25mm×1.0μm
柱温
40℃（6min）
120℃（2min）
40℃（6min）
220℃（5min）
汽化室温度（℃）
200
200
检测器温度（℃）
250
250
补充气流量（mL/min）
29
29
载气流量（mL/min）
1.8
1.8
氢气流量（mL/min）
30
30
空气流量（mL/min）
300
300
分流比
10
40
检测器灵敏度
11
11
进样量
40μL
1μL
定量方法
面积归一法
面积归一法
3试验步骤
取500mL气袋，用高纯氮气反复置换清洗并抽真空。
从冰箱中取出样品，倒入注射器约1mL，注入500mL气袋中，放入烘箱内40℃恒温。
液体完全汽化后用微量进样器抽取气体进样。
典型色谱图如图1。
（注：
液态进样从冰箱中取出样品，快速向20mL顶空瓶中倒入约2mL样品，塞上瓶塞后将顶空瓶置于冰水浴中。
从冰箱中取出进样针，快速抽取液态样品进样。
）
图12-溴七氟丙烷典型色谱图
三结果与讨论
1进样方式的选择
在参考的标准[1～4]中，hfc-141b由于沸点较高，在GB/T18827-2002中采用了直接液体进样的方式，其他三种均采用完全汽化后的气体进样。
我们对2种进样方式都进行了研究，数据见表2。
表2两种进样方式选择
进样方式
主峰面积
主峰含量/%
进样方式
主峰面积
主峰含量/%
汽化1
2239524
99.50
液态1
2316294
99.40
汽化2
1925014
99.46
液态2
2319611
99.40
汽化3
2207259
99.44
液态3
2264846
99.41
汽化4
2040671
99.45
液态4
2326875
99.39
平均
2103117
99.46
平均
2306906
99.40
由表中数据可以看到汽化后进样的样品含量略高，采用F检验法[6]检查这2种方法是否存在显著性差异：
n气=4X气均=99.46%s气=0.02708%f大=4-1=3
n液=4X液均=99.40%s液=0.01155%f小=4-1=3
F=s大2/s小2=5.5
查表，f大=3，f小=3时，置信度95%时F表=9.28，因F小于F表，两种方法不存在显著性差异，采用液体汽化后进样是可行的。
汽化3和液态3的主峰含量最为接近，将两者谱图作比较，如图2所示：
图2两种进样方式谱图比较
从图2看到两种进样获得的峰数完全一致，保留时间汽化后进样略大一些。
将汽化1、汽化3、液态3的各峰数据列于表3。
表3两种进样方式各峰数据对比
汽化1
汽化3
液态3
峰序号
峰面积
含量/%
峰面积
含量/%
峰面积
含量/%
峰1
4113
0.1827
4879
0.2198
5273
0.2315
峰2
98
0.0043
113
0.0051
93
0.0041
峰3
2239524
99.5022
2207259
99.4449
2264846
99.4054
峰4
81
0.0036
89
0.0040
84
0.0032
峰5
402
0.0179
452
0.0204
465
0.0204
峰6
663
0.0294
603
0.0272
663
0.0291
峰7
3422
0.1521
3697
0.1666
3980
0.1747
峰8
2426
0.1078
2490
0.1122
2989
0.1312
发现直接液态进样时峰1、7、8含量较高，其中峰1和峰8的含量变化是导致两种进样方式主峰含量存在差距的主要原因。
原因可能是限于目前的试验条件，只能采用2mL针筒移取、注入气体袋中汽化。
这个过程中可能会导致低沸物（峰1）的流失和高沸物（峰7、峰8）的转移不完全，如附着在针筒内壁等等。
取样品液面上方空气进样，其中2-溴七氟丙烷的含量达到99.78%，其中峰1含量为0.0700%、峰7为0.0740%、峰8为0.0217%。
与液态进样的0.2198%，0.1666%和0.1122%相比差距很大。
这说明了上方气体内各组分含量与液体内各组分含量存在差异，不能采用液面上方气体进样。
2色谱条件的确定
2.1色谱柱的选择
2-溴七氟丙烷分子对称性比较好，极性比较弱，在选择色谱柱的时候首先考虑选用弱极性或非极性的色谱柱。
它与它的同分异构体的物理性质非常接近，较难分离，在选择色谱柱时考虑理论塔板数高的，希望能够获得很好的分离效果。
为了将产品中可能的杂质峰尽量完全分离，在选择色谱柱时采用液态直接进样的方式，色谱条件如表1中的液态进样，观察在同样条件下样品在各色谱柱上的出峰数量和峰形。
考虑到对仪器和色谱柱的保养与维护，这一部分工作分为两个步骤，先在ShimadzuGC-14C上测试了实验室中常用的几种色谱柱进行初步选择，然后依照初选的结果在精确度更高的VarianCP-3800最终确定适合的色谱柱。
在ShimadzuGC-14C气相色谱仪上选择色谱柱的结果见图3～6。
图3SE-3030m×0.32mm×1.0μm图4SPB-160m×0.25mm×0.25μm
图5SPB-560m×0.53mm×3.0μm图6RTX-20060m×0.53mm×1.0μm
发现SPB-5和SE-30的分离情况比较好，其中SPB-5更好一些。
考虑到SPB-5的极性比SE-30要高一些，在VarianCP-3800上选择了极性更大一些的DB-1301。
另一款经常用于分离气体的色谱柱GASPRO也进入了考虑范围。
同时根据标准，还测试了PLOT-Q的分离状况。
具体情况见图7～9。
图7DB-130160m×0.25mm×1.0μm图8GASPRO60×0.32mm
图9PLOT-Q30m×0.53mm×40μm
表4各色谱柱分离效果比较
柱型号
峰数
分离效果
SE-3030m×0.32mm×1.0μm
5
响应较低。
SPB-160m×0.25mm×0.25μm
2
未分开响应低。
SPB-560m×0.53mm×3.0μm
5
分离效果不错。
RTX-20060m×0.53mm×1.0μm
3
有峰未分开保留时间短。
DB-130160m×0.25mm×1.0μm
8
分离效果非常好，杂质峰多。
GASPRO60×0.32mm
4
基线漂移严重，各杂质峰响应低。
PLOT-Q30m×0.53mm×40μm
1
几乎无响应。
同样材料为甲基硅氧烷的SE-30柱与SPB-1柱，分离效果相差甚远，可能是由于SPB-1柱液膜太薄，无法将各组分分离开。
SPB-5与SE-30相比，谱图基本一致，但是响应比较高，杂质保留时间略长，这和柱极性以及柱长有关。
RTX-200属于强极性柱，虽然对含氟样品的分离效果普遍比较好，但是和其它色谱柱比起来分离效果依然不够理想。
DB-1301的表现是很不错的，能够将杂质峰分离开，并且柱流失也非常小，干扰很少。
按3倍基线噪音计算的检测限为7.5μV。
GASPRO基线漂移严重，这可能与它在高温区的流失比较有关。
在40℃恒温状态下GASPRO分离，发现杂质峰响应也不大。
PLOT-Q属气固色谱柱，进样40μL几乎无响应，可能是固定相吸附能力强。
采用该色谱柱的标准中的进样量为1mL，但考虑到仪器和色谱柱的保养，没有采用标准上的1mL进样量。
最终选择DB-130160m×0.25mm×1.0μm。
2.2升温程序
初始温度采用40℃。
主峰前的两个杂质峰非常接近，提高初始温度或者提高载气流量，都会导致分离效果变差，因此在控制载气流量不变的前提下先保持恒温，待主峰出后再提高柱温，缩短分析时间。
以每分钟5℃、10℃、20℃的速率升温均能保证各杂质的分离度，但当速率再提高到30℃后两个微量杂质难以分离出，因此升温速率定为每分钟20℃。
样品和杂质的沸点均不高，柱温升至120℃后保留20分钟，不见有新峰出现，因此设定120℃为终温已足够满足分析需要。
总和上述，确定如下程序：
40℃（6min）
120℃（2min）
分析程序总时间为12分钟。
2.3分流比、进样量、汽化室和检测器温度选择
分流比设定为1：
10，是为了获得比较大的峰面积，减少因积分带来的误差。
改变分流比对于样品的汽化和杂质分离并无影响。
通过线性试验发现在20-100μL具有良好线性，进样量设定为40μL。
样品以及主要杂质的沸点均不高，且稳定性良好，在200℃不分解。
检测器温度设置为250℃，略高于汽化室。
2.4定量方法
由于目前还没有确定其中的主要杂质，也难以买到所有杂质的标样，因此无法通过校正归一法测定。
标准[1-4]中，出厂产品的分析使用的均为面积归一法。
课题组提供的样品含量大于98%，对于这类含量较高的样品采用面积归一法作为该样品的定量方法。
2-溴七氟溴丙烷含量w1，数值以%表示，按公式
（1）计算：
………………………
（1）
式中：
A---2-溴七氟溴丙烷的峰面积；
∑Ai---所有出峰物质峰面积总和。
3线性试验
图10汽化后进样线性曲线
在VarianCP-3800上，进样量在20-100μL之间，2-溴七氟丙烷在FID检测器上有良好线性。
如图8，线性回归方程的相关系数R2为0.9991，能够满足定量分析需要。
4重复性试验
按照表1方法，完全汽化后进样，在同一台仪器上短时间内平行测定11次
结果列于表5。
表5重复性试验数据
进样序号
组分含量/%
1
99.50
2
99.44
3
99.46
4
99.45
5
99.44
6
99.50
7
99.51
8
99.48
9
99.45
10
99.45
11
99.45
平均值/%
99.47
SD/%
0.02789
RSD/%
0.02804
查阅ta，f值表[6]计算平均值的置信区间μ=x均±ts/n1/2。
置信度为90%时，t0.10，10=1.81μ=（99.47±0.015）%；
置信度为95%时，t0.05，10=2.23μ=（99.47±0.019）%；
置信度为99%时，t0.01，10=3.17μ=（99.47±0.027）%。
5气质联用定性试验
VarianCP-3800/Satum2000气质联用仪上，在VF-5ms60m×0.25mm×0.10μm色谱柱上，采用表6中所列条件进样40μL汽化后样品。
表6气质联用色谱条件
进样口
200℃
分流比
1:
5
柱温
载气流量
1.5mL/min
图11气质联用色谱图
与气相色谱典型谱图比较发现主峰之前的杂质峰消失，可能是与主峰重合了，未能分离出来。
这个峰很可能就是课题组所需要分离的产品的同分异构体。
很遗憾由于气质联用仪运行状态的问题和质谱柱选择的局限性，没能将这个峰分离出来并定性，如果有需要，可以在将来的工作中再开展这步研究。
主峰之后的四个主要杂质峰的能够分离开。
DB5-MS的极性较弱，液膜较薄，各组分的保留时间都缩短，从谱图上来看保留时间都减少了。
从极性上来分析，DB5-MS与SPB-5和DB-1301相近，因此各峰的出峰顺序与在DB-1301柱上的应当一致。
如要进一步确定气相各类杂质，只需要与标准品的保留时间核对即可。
查阅含氟、溴等卤素化合物的合成工艺[7、8]及质谱解析资料[9～11]，含卤化合物可能有以下几种裂解方式：
1）通过β-裂解生成杂原子正离子；
2）生成碳正离子的裂解；
3）脱去中性分子的裂解。
这类裂解多伴有重排反应，情况比较复杂。
氟卡宾CF2已被证实可以稳定存在，两个碎片离子的m/z如果相差50，那么很有可能相差CF2。
5.1主峰谱图解析
图12主峰质谱谱图
m/z=250、229、179、160、129有明显的A+2元素特征，且比例接近1：
1，推断为1个Br原子。
m/z=100和69两个峰没有这样的特征，不含有Br原子。
m/z=248峰应为分子离子峰。
与谱图库比较发现1-溴-七氟丙烷在m/z=169处有很大峰，且为单峰，而在179处峰较小，与试验样品得到的谱图不一致，这是可能是由于Br在2位时空间位阻较大，难以被裂解下来，而在1位上则比较容易被裂解。
图131-溴-七氟丙烷的标准质谱谱图
综合上述推断，该峰应为2-溴七氟丙烷。
5.2杂质1谱图解析
图14杂质峰1质谱谱图
m/z=296，177，127，69均为单峰，排除含有Cl和Br的可能。
296-127=169，169-69=100。
而谱图中m/z=100，m/z=69都有峰。
初步推断可能含有一个I原子。
比对谱图库，发现m/z=296等特征峰与谱图库中的七氟碘丙烷非常吻合。
该杂质含量非常少，卤素容易混杂同族元素，因此推断这个杂质可能是七氟碘丙烷。
若I原子在1位，则很容易被裂解，m/z=160峰会很大。
但是谱图中看到在m/z=160处的峰很小，因此推断I原子位于2位上。
5.3杂质2谱图解析
图15杂质峰2质谱谱图
m/z=96、98、100三个峰之比为9：
6：
1，为两个Cl原子。
m/z=61、63两个峰之比为3：
1，且96-61=35，很显然这个过程中裂解出一个Cl原子。
m/z=209处的峰应为其他杂质的碎片峰干扰。
推断该杂质应为二氯乙烯。
5.4杂质3谱图解析
图16杂质峰3质谱谱图
m/z=258、260、262之比为1：
2：
1，有两个Br原子。
m/z=179、181之比为1：
1，此时只有一个Br原子，且260-181=79。
260-160=100，正好是2个CF2。
m/z=129、131之比为1：
1，此时还存在一个Br原子。
m/z=112处峰比131处要小得多，因此两个Br在1，2位的可能性最大，如都在1位，则很容易断下CF3，m/z=112处会远小于131处。
推断该杂质可能为1，2-二溴-四氟乙烯。
5.5杂质4谱图解析
图17杂质峰4质谱谱图
m/z=310的分子离子峰非常不明显，m/z=291应为脱去一个F后的结构。
m/z=289，291，293之比为1：
2：
1，推断为两个Br原子。
m/z=229，231之比为1：
1，推断为1个Br原子。
同理，在m/z=181，131，81处均为一个Br原子。
该杂质谱图与杂质3类似，但是杂质3在m/z=231处必定含有2个Br原子。
又由于231-181=50，正好是一个CF2结构。
因此推断这个杂质为二溴六氟丙烷。
m/z=291到m/z=229之间并无明显峰，说明该处不容易断裂F，只容易断裂Br，因此很可能有一个Br在1位。
m/z=131依然含有Br，说明另一个Br较难断裂，因此另一个Br应当在2位。
这也从侧面说明了主组分的Br应当在2位上。
6小结
在选定的测试条件下，2-溴七氟丙烷在完全汽化后和液态直接进样两种方式下进样，各主要杂质均能够分离开。
采用F检验法检查这两种进样方式不存在显著性差异。
气态进样在进样量20-100μL之间，FID检测器上有线性良好。
线性回归方程的相关系数R2为0.9991，相对标准偏差（RSD）为0.02804%。
对分离出的几个杂质进行了初步定性，给出了可能的裂解过程，希望能够对课题组的下一步工作提供帮助。
四参考文献
1.GB/T18866-2002工业用1，1，2，2-四氟乙烷（HFC-134a）
2.GB/T19602-2004工业用1，1-二氟乙烷（HFC-152a）
3.GB18614-2002七氟丙烷（HFC227ea）灭火剂
4.GB/T18827-2002工业用1，1-二氯-1-氟乙烷（HCFC-141b）
5.GB9722-2006化学试剂气相色谱法通则
6.武汉大学主编.分析化学（第四版）[M].高等教育出版社，1998
7.EvansBrianS，etc.BrominationoffluoroalkanesJ.Chem.Soc.,FaradayTrans[J].1,79（6）,1471-82（English）1983
8.范胜华等.调聚法制备全氟烷基化合物[J].浙江化工2004年35卷8期
9.陆维敏,陈芳.谱学基础与结构分析[M].高等教育出版社,2005：
10.胡宏纹.有机化学[M].高等教育出版社,1990：
11.刑其毅等.基础有机化学.高等教育出版社[M].2005：
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