聚羟基脂肪酸酯中结构检测方案(热裂解器)

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中国化学会第十三届分析与应用裂解学术会议论文集 PyGC-MS研究聚羟基脂肪酸酯((PHAs)的结构 傅伟文，罗远芳，刘岚，古菊，贾德民华南理工大学材料科学与工程学院，广州510641 关键词：聚羟基脂肪酸，裂解，气相色谱，结构 1前言 石油和天然气资源日益减少，石油化学工业和塑料对环境造成的严重污染，迫使着人们从丰富的生物资源中探索新型的材料。其中，利用微生物生长提取完全可生物降解塑料——聚羟基脂肪酸(Poly-hydroxyalkanoates 简称：PHAs)已成为人们研究的一个突出热点。研究表明， PHAs 的相对分子量在2×10°以上，聚合度接近20，000，可以用合成塑料相同的方法进行加工薄膜、容器、丝等。 聚羟基脂肪酸酯是许多原核微生物在不平衡生长条件下合成的细胞内能量核碳源储藏性物质。完全以可再生的自然资源为原料，由微生物发酵法合成，不仅具有化学合成塑料的物化性质，而且同时具有化学合成塑料所不具备的生物可降解性和生物相容性。其分子通式为： 其中， m=1，2或3，n为单体数目，R代表侧链，多为Ci~C13的不同链长的正烷基，也可以是支链，不饱和的或带取代基的烷基。当m=1时，R为甲基时，为聚3-羟基丁酸酯(PHB)， 是 PHAs 中最常见而又最重要的一种。 本文用裂解气相色谱-质谱法研究以丁酸钠和丁二醇为碳源培养活性污泥合成出来的 PHAs的结构。同时采用HNMR、13CNMR和GC-MS确定出来的该 PHAs 的化学结构。 2实验部分 2.1原料 PHAs：用80%丁酸钠和 20%1，4-丁二醇为碳源，对珠江啤酒厂废水处理取回来的活性污泥培养后提取出的聚合物。(已提纯的固态样品) 2.2实验仪器与条件 裂解器： JHP-3S型居里点裂解器(日本分析工业株式会社)； GC-MS：美国惠普公司的 HP5973气相色谱质谱联用仪。 色谱条件：高效熔融石英毛细管柱PH-5(涂层：5%Phenyl Methyl Siloxane，涂层厚度：0.25um)；柱规格：30mX0.25mm i.d.载气：高纯氦；柱内载气流速：1ml/min。 质谱条件： MS： 5973MDS 电子轰击(EI)源，70eV； MS 连续扫描方式：扫描范围 m/z30-m/z550；扫描速度0.3秒/全程；离子源温度230℃，四极杆温度150℃： 2.3样品制备与测试方法 (1)约30mg从活性污泥中提取出来的 PHAs 加入2mL 氯仿、2mL酸化甲醇(含3%硫酸)和5mg苯甲酸于具塞试管中，在100℃下酯化4小时后冷却，加入 1mL蒸馏水，剧烈振荡 2min，分层，取下层有机相作 GC-MS分析。进样量1.0ul， 进样温度230℃，升分流比：100：1，升温程序：33℃保持2min 后以 10℃/min 的速度升温至250℃，保持10min。 (2) 固态 PHAs样品(大约为 0.2mg~0.3mg)， 作 PyGC-MS分析，裂解炉温度250℃，分流比20：1，升温程序：50℃保持 2min 后以 10℃/min 的速度升温至280℃，保持30℃。 3结果与讨论 3.1 GC-MS 研究 PHAs 的结构 将 PHAs 在硫酸作用下降解后，在酸化甲醇溶液中发生甲酯化反应，然后进行 GC-MS分析，得到了该 PHAs 降解物甲酯化的组分及比例，如图1。 Fig. 1 Total ion chromatogram of PHAs ether solution under 230℃ 由图可知，除了醚类外，还有鉴别出了2-甲基-3-戊酮、丙酸乙酯、 酸丁酯。下表是鉴别出来的主要物质和其可能的来源及可能发生的反应： 鉴定出的物质 可能来源于某种单体 可能发生的反应 2一甲基-3-戊酮 3一羟基-4一甲基戊酸 羟基氧化、羧基还原 丙酸乙酯 4-羟基丁酸、3一羟基-2一甲基丁酸 与羟基相连的碳原子处断链、酯化 丁酸丁酯 4-羟基丁酸、3-羟基-2一甲基戊酸 与羟基相连的碳原子处断链、酯化 醚类物质的来源除了溶剂峰外，还可能是上述7种单体单元中某些单元链的断裂衍生而来。由此可确定 PHAs 降解后形成的羧酸主要是：3-羟基丁酸、3一羟基戊酸、3一羟基-2一甲基丁酸、3一羟基-2甲基戊酸、4-羟基丁酸、3-羟基-4-甲基戊酸和3羟基己酸。 3.2 PyGC-MS 研究 PHAs 的结构 尽管采用前述的方法，可以较好地识别 PHAs 的化学结构，但是无论是GC-MS 还是 HMR 都必须对样品进行繁复的预处理。在实验中，我们发现分析结果受这些多步骤的处理过程的影响很大。由于 PyGC-MS 具有样品处理简单、分析检测快速、准确等优点，本文尝试采用 PyGC-MS确定 PHAs 的结构。 图2为 PHAs 在590℃热裂解的总离子流色谱图。从该谱图可以看到裂解碎片的分布可分为三部分，分别为：A区、B区、C区，如图所示。将这三个部分放大后的谱图分别见于图3、图4和图5。通过对谱图的质谱检索后发现：A区的裂解产物主要是 PHAs 的羧酸单体，B区和C区的裂解产物主要是羧酸酯。 Fig.2 Pyrogram of PHAs under 590℃ Fig.3 Enlarged pyrogram of A section Fig.4Enlarged pyrogram of B section Fig.5 Enlarged pyrogram of C section 由图3可知，PHAs 裂解产生的较低沸点的碎片主要是芳香族化合物和羧酸。其中苯、甲苯、乙苯、萘等，它们应该是裂解时发生了消除反应，脱去小分子(如水)后，具有共轭双键结构的裂解碎片发生了环化反应后的产物。而2-丁烯酸、2-戊烯酸、2一甲基-2戊烯酸等裂解碎片，可能分别是3-羟基丁酸、3一羟基戊酸、3-羟基-2一甲基丁酸脱去小分子水得到。此外，在这个区域还可鉴别出十一碳和十二碳正烷烃，它们应该是二次反应的产物。 由图4可见，大部分组分都是含有双键的酯，这些裂解碎片都可与3-羟基丁酸， ：3-羟基-2-甲基戊酸、3-羟基-3-甲基丁酸等羧酸相对应。 由图5可见，该部分的裂解碎片几乎都是含有双键的酯，而且酯所对应的醇的碳原子数目比B区的酯所对应的醇的碳原子数多1~2个，而酯所对应的酸与前面所分析得出的酸几乎相同。 由上述裂解碎片组成与分布，结合核磁共振法(HNMR 法和1CNMR法)、FTIR红外光谱法的结果可以证明了该 PHAs 的化学结构为： >—CH-CH——CH2—C—0—CH—CH2—C—0—CH—CH2-C-— 可见，采用 PyGC-MS，除了可以得到与将 PHAs 先降解后甲酯化再进行GC-MS 分析相似的结果外，同时还能得到更多的反映聚合物主链信息。表明PyGC-MS 对于确定从微生物提取 PHAs 的结构是非常有效的。