2. 甘肃银光化学工业集团有限公司, 甘肃 白银 730900
2. Gansu Yinguang Chemical Industry Group Co., Ltd, Baiyin 730900, China
随着国防军工行业的迅速发展, 单质炸药的爆炸性能已不能够完全满足军事需求, 因此研发高性能炸药已成为人们研究的热点。熔铸炸药以其制备工艺简单、成本较低、综合性能好等优点而广泛应用于各国军用混合炸药[1]。其中, 以TNT基熔铸炸药最为常用, 但TNT存在膨胀收缩、渗油、稳定性差、环保性差等诸多问题[2], 极大地影响了熔铸炸药在各个领域的应用, 因而寻找一种新型物质作为熔铸炸药载体的工作备受含能材料领域研究者们的关注。
3, 4-二硝基吡唑分子量为157.08, 晶体密度为1.81 g·cm-3[3], 氮含量高, 氧平衡好, 爆速较高, 符合优良熔铸炸药的性能需求, 被认为是一种潜在的TNT代替物[4]。近年来关于3, 4-二硝基吡唑的研究工作主要围绕其合成工艺的优化、晶体结构的鉴定、热分析及性能与应用研究[5-8], 但关于3, 4-二硝基吡唑纯度的检测方法始终未见报道。而纯度是炸药的重要技术指标, 是影响其爆炸性能和应用范围的关键因素。
为此, 本研究基于3, 4-二硝基吡唑的物理、化学特性和高效液相色谱理论、技术, 将采用高效液相色谱法对3, 4-二硝基吡唑与其合成过程中可能产生的杂质(3-硝基吡唑、1, 3-二硝基吡唑)进行分离, 探最优色谱条件, 为其质量控制提供可靠的参考。
2 实验部分 2.1 仪器与试剂大连依利特P230型高效液相色谱系统, 包括P230高压恒流泵、LU230低压梯度混合器、UV230紫外可见检测器、EC2000色谱数据处理系统工作站。色谱柱: Hypersil ODS2 (250 mm×4.6 mm, 5 μm)。天平:梅特勒一托利多AL104型电子天平, 精确度0.0001 g。超声仪:东莞市科桥有限公司的KQ5200M型超声仪。紫外分光光度计:上海棱光UV757CRT型紫外分光光度计。
3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑、1, 3-二硝基吡唑均为实验室自制, 并分别在乙醚中多次培养单晶, 纯度大于99%。乙醚:天津市申泰化学试剂有限公司, 纯度≥99.5%。乙酸:北京化工厂, 纯度≥99.5%。甲醇(MeOH):安徽时联特种溶剂股份有限公司, 色谱纯, 纯度≥99.9%。乙腈(ACN):瑞典OCEANPAK试剂公司, 色谱纯, 纯度≥99.9%。
2.2 溶液的配制标准溶液的配制:称量25 mg的3, 4-二硝基吡唑, 12.5 mg的3-硝基吡唑、1, 3-二硝基吡唑, 分别加入到三个50 mL的容量瓶中, 使用乙腈溶解样品, 并定容至容量瓶刻度线处, 配制成标准储备液, 避光保存, 并根据实验需求逐级稀释配置成不同浓度的标准工作溶液。
3 结果与讨论 3.1 色谱条件的选择与优化 3.1.1 检测波长的选择3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑、1, 3-二硝基吡唑在乙腈水溶液中的紫外光谱如图 1所示, 由图 1可知, 它们220~300 nm内均有吸光度。其中, 3, 4-二硝基吡唑、1, 3-二硝基吡唑的最大吸收波长为217 nm, 且在260 nm处也有较大吸收, 3-硝基吡唑的最大吸收波长为252 nm。乙腈的紫外吸收截止波长为190 nm, 乙酸的紫外吸收截止波长为230~240 nm[9], 为避免干扰, 综合考虑本实验最终选用260 nm作为检测波长。
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图 1 3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑在乙腈水溶液中的的紫外吸收光谱图 Fig.1 Ultraviolet absorption spectra of 3, 4-dinitropyrazole, 3-nitropyrazole and 1, 3-dinitrazole in acetonitrile aqueous solution |
由于3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑及1, 3-二硝基吡唑在甲醇和乙腈溶剂中均可溶解, 首先选择纯乙腈溶解样品, 实验分别选用甲醇/水、乙腈/水、乙腈/0.1%乙酸水作为流动相进行检测, 如图 2所示。
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图 2 3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑在不同流动相体系中的色谱图 Fig.2 Chromatograms of 3, 4-dinitropyrazole, 3-nitropyrazole and 1, 3-dinitrazole in different mobile phase systems |
图 2显示, 在甲醇/水流动相体系3种物质无法有效分离, 在乙腈/水流动相体系3种物质实现基本分离, 但由于目标物3, 4-二硝基吡唑为弱酸性物质, 在水相中发生电离而使得其在色谱柱保留时间过短, 不能完全满足色谱分离要求。而水相中加入0.1%的乙酸改变流动相的pH值后, 3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑及1, 3-二硝基吡唑能够实现分离, 本实验最终选用乙腈/0.1%乙酸水流动相体系。
3.1.3 流动相比例的选择分别考察了在不同流动相比例(乙腈/0.1%乙酸水为60/40、50/50、40/60、30/70、20/80)下样品的液相色谱分离情况, 如图 3所示。由图 3可知, 随着流动相中乙腈比例的增加, 流动相的洗脱能力增强, 物质的保留时间缩短, 分离度降低。在流动相比例为60/40、50/50、40/60、30/70时, 3-硝基吡唑、3, 4-二硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑依次出峰; 而流动相比例为乙20/80时, 三种物质的出峰位置变化为3-硝基吡唑、1, 3-二硝基吡唑、3, 4-二硝基吡唑依次出峰, 由此可得, 3, 4-二硝基吡唑的保留时间受流动相比例变化的影响最大。随后对乙腈/0.1%乙酸水的比例进行微调, 最终选用流动相乙腈/0.1%乙酸水=35/65作为3, 4-二硝基吡唑高效液相色谱分析条件, 在该条件下各组分的均可实现基线分离, 分离度大于2, 峰形对称。
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图 3 3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑在不同比例乙腈/0.1%乙酸水体系中的色谱图 Fig.3 Chromatograms of 3, 4-dinitropyrazole, 3-nitropyrazole and 1, 3-dinitrazole in acetonitrile/0.1% acetic acid system with different ratio |
考察了流动相流速(0.6, 0.8, 1.0, 1.2 mL·min-1)对分离效果的影响, 结果如图 4所示。图 4表明, 随着流速的增大, 三种物质的保留时间呈现出缩短趋势, 同时分离度也逐渐减小, 但选用的四种不同流速均能满足液相色谱的分离要求。流速越大, 色谱柱柱压越高, 仪器的稳定性变差, 且处于长时间高柱压工作状态下会对色谱柱的使用寿命造成影响; 而流速越低, 峰形越宽, 样品的保留时间增长, 造成实验分析效率降低。综合考虑, 最终选择流动相流速为1.0 mL·min-1, 在此流速下, 3, 4-二硝基吡唑与其他杂质可实现基线分离, 保留时间为3~8 min。
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图 4 3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑在不同流速下的色谱图 Fig.4 Chromatograms of 3, 4-dinitropyrazole, 3-nitropyrazole and 1, 3-dinitrazole at different flow rate |
比较了柱温为25, 35, 45 ℃下样品的分离情况, 如图 5所示, 图 5结果表明柱温升高使得样品的保留时间缩短, 但影响效果不大, 故选用室温25 ℃作为3, 4-二硝基吡唑高效液相色谱的分析条件。进样量对样品分析结果也会产生影响, 实验考察了进样量为10 μL和20 μL时的分离效果, 如图 6所示。由图 6可知, 当进样量为10 μL时, 分离效果良好, 峰形对称, 而当进样量增加至20 μL时, 峰形出现较严重的前延现象, 分离效果明显降低。因此, 对3, 4-二硝基吡唑进行分析时采用进样体积为10 μL, 此进样量既有较好的分离效果又可避免造成样品的浪费。
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图 5 3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑在不同柱温下的液相色谱图 Fig.5 Chromatograms of 3, 4-dinitropyrazole, 3-nitropyrazole and 1, 3-dinitrazole at different column temperature |
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图 6 3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑在不同进样量下的色谱图 Fig.6 Chromatograms of 3, 4-dinitropyrazole, 3-nitropyrazole and 1, 3-dinitrazole under different sample size |
综上所述, 3, 4-二硝基吡唑高效液相色谱最优条件为: Hypersil ODS2色谱柱(250 mm×4.6 mm, 5 μm), 检测波长为260 nm, 流动相为乙腈/0.1%乙酸水=35/65, 流速1.0 mL·min-1, 柱温25 ℃, 进样量10 μL。
3.1.6 色谱条件的确定及保留因子、分离度的计算3-硝基吡唑、3, 4-二硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑依次从色谱柱中流出, 它们的保留因子及分离度分别可根据公式(1)[10]及公式(2)[11]进行计算, 计算结果如表 1所示。
| $ k = \frac{{{t_{\rm{R}}} - {t_0}}}{{{t_0}}} $ | (1) |
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表 1 3-硝基吡唑和3, 4-二硝基吡唑、1, 3-二硝基吡唑间的保留因子k及分离度R Tab.1 The retention factor(k)and resolution (R) between 3-nitro-1H-pyrazole with 3, 4-dinitro-1H-pyrazole and 1, 3-dinitro-1H-pyrazole |
式中, k为谱峰的保留因子, tR为谱峰的保留时间, min; t0为色谱柱的死时间(t0=2.87 min)。
| $ R = \frac{{2({t_{{{\rm{R}}_2}}} - {t_{{{\rm{R}}_1}}})}}{{{W_1} + {W_2}}} $ | (2) |
式中, R为两相邻两谱峰的分离度, tR1与tR2分别为相邻谱峰的保留时间, min; W1与W2分别为它们的峰宽值, min。
3.2 标准曲线及检测限的确定在最优色谱条件下, 对不同浓度范围内的3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑标准溶液进行高效液相色谱分析, 从浓度由低到高依次进样, 每个浓度进样三次, 外标法标准曲线如图 7所示。由图 7可知, 3, 4-二硝基吡唑的线性范围为5~500 mg·L-1, 线性方程为A=22434.91C+19.28, R2=0.99988; 3-硝基吡唑的线性范围为5~250 mg·L-1, 线性方程为A=38362.70C+27.29, R2=0.99988; 1, 3-二硝基吡唑的线性范围为5~ 250 mg·L-1, 线性方程为A=32649.28C+20.63, R2=0.99984。
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图 7 3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑的标准曲线 Fig.7 Standard curves of 3, 4-dinitropyrazole, 3-nitropyrazole and 1, 3-dinitrazole |
检测限测定:将5 mg·L-1的3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑标准溶液逐步稀释, 分别在最优色谱条件下进行分析, 直至响应值为仪器基线噪声的三倍, 即以信噪比S/N=3时的浓度为检出限。根据此方法得出3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑的检测限分别为1.19, 0.60, 1.04 mg·L-1。
3.3 方法精密度及准确度实验将3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑按比例(1:1:1)配制成浓度为50 mg·L-1的混合样品溶液, 在最佳色谱条件下, 对样品溶液进行3次平行测定, 间隔5 h后对该样品溶液再次进行3次平行测定, 实验测得数据及各组分峰面积的相对标准偏差(RSD)计算结果见表 2。由表 2可得, 样品中三种化合物的RSD均≤2.08%, 可见该方法精密度较好, 满足高效液相色谱定性及定量分析的要求。
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表 2 3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑的相对标准差 Tab.2 The relative standard deviations of 3, 4-dinitropyrazole, 3-nitropyrazole and 1, 3-dinitrazole |
采用加标回收率试验来定量分析结果的准确度, 回收率越接近100%, 该方法的准确度就越高。向待测样品溶液中分别加入浓度为25, 50, 100 mg·L-1的标准溶液, 在建立的色谱条件下, 每个添加水平平行进样3次, 求得平均回收率, 结果见表 3。从表 3可以看出, 3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑的回收率为95.29%~103.43%, 说明该方法的准确度良好。
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表 3 3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑的加标回收率 Tab.3 The standard recovery rate of 3, 4-dinitropyrazole, 3-nitropyrazole and 1, 3-dinitrazole |
(1) 建立了3, 4-二硝基吡唑高效液相色谱分析的最优条件: Hypersil ODS2色谱柱(250 mm×4.6 mm, 5 μm), 紫外检测波长为260 nm, 流动相选用乙腈/ 0.1%乙酸水=3 5/65(V/V), 流速1.0 mL·min-1, 柱温25 ℃, 进样量10 μL。在该色谱条件下, 3-硝基吡唑、3, 4-二硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑的保留因子分别为0.41、1.20、1.52, 3-硝基吡唑与3, 4-二硝基吡唑间的分离度为9.42, 3, 4-二硝基吡唑与1, 3-二硝基吡唑间的分离度为3.16。
(2) 采用外标法对3, 4-二硝基吡唑、3-硝基吡唑和1, 3-二硝基吡唑进行定量分析, 得出3, 4-二硝基吡唑线性范围为5~500 mg·L-1, 3-硝基吡唑的线性范围为5~250 mg·L-1, 1, 3-二硝基吡唑的线性范围为5~250 mg·L-1。三种化合物的检出限均较低, 相对标准偏差不大于2.08%, 加标回收率为95.29%~103.43%, 该方法灵敏度、精密度、准确度均满足高效液相色谱法定性定量的分析要求。
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A high performance liquid chromatography (HPLC) method for the determination of 3, 4-dinitropyrazole and possible impurities(3-nitropyrazole, 1, 3-dinitropyrazole) was established.