《Journal of Chromatography A》：Comprehensive Two-Dimensional Liquid Chromatography with Non-Aqueous Hydrophilic Interaction Conditions Enables Resolution of Isomers of EO/PO Surfactants
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二维液相色谱结合非水亲合相互作用色谱和反相色谱条件，实现了乙二醇-丙二醇嵌段共聚物中PO异构体的高效分离，峰容量达1000，为复杂表面活性剂混合物分析提供新方法。
埃拉·桑托夫斯基（Ella Sontowski）| 蒂娜·达尔塞德（Tina Dahlseid）| 丹尼尔·梅斯顿（Daniel Meston）| 克里斯蒂安·埃丝特·约瑟夫（Kristeen Esther Joseph）| 佩琳·杨（Peilin Yang）| 曼吉里·帕拉德卡尔（Manjiri Paradkar）| 德怀特·斯托尔（Dwight Stoll）
美国明尼苏达州圣彼得市古斯塔夫斯·阿道夫学院化学系，邮编56082
摘要
用于表征表面活性剂混合物的分析工具箱包括液相色谱、气相色谱、光谱技术和质谱技术，这些技术支持研究、开发和制造工作。二维液相色谱（2D-LC）特别适合用于表征这类混合物，因为它可以通过结合不同的选择性来分离具有两个或多个官能团分布的分子。在这项研究中，我们发现了一些流动相条件，可以用来分离环氧乙烷（EO）-环氧丙烷（PO）嵌段共聚物混合物中的异构体。具体来说，使用非水相亲水相互作用（NA-HILIC）条件时，通常作为强溶剂的 water 被酒精替代，这种条件能够区分仅在共聚物链中 PO 官能团排列不同的异构体。在 2D-LC 方法中应用这些条件，可以基于 EO（第一维度）和 PO（第二维度）官能团的数量以及 PO 异构体的结构，实现数百个峰的高选择性分离。在大约四小时的分析时间内，我们达到了每峰约 1,000 个检测点的容量，我们认为这相对于以往的研究是一个重要的进步，对于理解这些混合物的组成和行为将非常有用。
引言
非离子表面活性剂由于其两亲性以及降低表面张力、改善润湿性和稳定乳液的能力，在各种材料中发挥着关键作用，包括家用和工业清洁剂、农用化学品、涂料和食品加工领域。典型的非离子表面活性剂包括醇醚化物和醇烷氧基化物，它们分别通过环氧乙烷（EO）和环氧乙烷-环氧丙烷（EO-PO）的组合合成。这些表面活性剂并非单一、定义明确的化合物，而是结构相似分子的复杂混合物。醇链长度、烷氧基化程度以及 EO 和 PO 单元的分布差异导致了广泛的分子种类。这些混合物可能含有未反应的醇和低分子量寡聚物等副产物。这种多分散性使得分离和定量各个组分变得困难，尤其是在评估纯度、残留单体或微量杂质时。此外，它们的两亲性质可能会干扰在水性和有机溶剂中的检测，从而需要专门的分析方法。总的来说，化学异质性和溶液中的物理行为使得非离子表面活性剂的分析表征成为一项技术要求很高的任务，需要采用定制的多维分析方法。
生物降解性是人们非常期望的表面活性剂特性，因为它可以提高可持续性并减少环境影响。在生物降解过程中，表面活性剂会发生分子断裂，但某些产生的片段不易生物降解，这会显著降低母体的整体生物降解性。其中一个值得关注的结构特征是 PO，它增加了分子的疏水性，可能阻碍生物降解。有研究表明，PO 单元中的次级羟基基团会抑制氧化降解途径[4]。识别阻碍生物降解的结构特征有助于填补表面活性剂结构与其生物降解性能之间的关系知识空白，对于合理设计符合 OECD 301F 标准（要求 28 天内至少降解 60%）的表面活性剂至关重要。然而，现有的分析技术在分离和表征复杂混合物中的多种组分方面存在局限性。这凸显了开发先进方法以准确分离和鉴定影响生物降解性能的组分的必要性。
使用二维液相色谱（2D-LC）来表征非离子表面活性剂已有悠久的历史，相关研究在多篇综述文章和书籍中有所讨论[5][6][7][8]。早期的一项重要研究示例中，Schure 及其同事使用正相（NP）或亲水相互作用（HILIC）条件作为第一维度的分离方法，反相（RP）条件作为第二维度的分离方法，从而根据 EO 官能团的数量和脂肪醇链的长度实现了对这些复杂混合物的分离[9]。其他利用相互作用色谱（如 NP、HILIC 或 RP）的强大 2D-LC 分离实例包括聚山梨酯（例如“Tween”[10,11]）和 EO-PO-EO 嵌段共聚物的分离[12]。在这些例子中，我们观察到 2D-LC 能够在两个化学维度（例如 EO 维度和末端基团化学维度）上分离这些复杂混合物，而这仅使用传统色谱柱是无法实现的。
在这项研究中，我们采用了 2D-LC，其中第一维度采用 HILIC 分离，第二维度采用 RP 分离，实现了具有八碳脂肪醇末端基团的 EO-PO 嵌段共聚物的高分辨率分离。据我们所知，此前没有关于此类 2D-LC 分离的报道，尽管 Malik 及其同事对 EO-PO-EO 嵌段共聚物的研究与之密切相关[12]。特别值得注意的是，非水相流动相条件不仅能够根据 EO 官能团的数量分离 EO-PO 共聚物，还能根据 PO 嵌段内 PO 官能团的排列（即 PO 异构体）进行分离。众所周知，色谱法能够分离各种类型的异构体，包括寡聚物的异构体。例如，四十多年前 Lewis 及其同事已经展示了短链聚苯乙烯寡聚物的异构体分离[13]。最近，Dück 及其同事使用二维气相色谱分离了短链（最高 700 Da）EO/PO 寡聚物的异构体[14]。这种分离方法仅适用于在气相色谱条件下能够挥发的短链寡聚物。目前尚未有关于在液相中分离 EO/PO 嵌段共聚物异构体的报道。关于使用极性固定相和非水相流动相分离极性化合物的文献很多，尤其是在手性分离领域[15,16]，但尚未有关于使用这些条件分离非离子表面活性剂的报道。在文献中，对于这类条件的命名尚未形成统一的标准。在手性分离文献中，常用“极性有机洗脱模式”等术语[16]；Bicker 和 Lindner 使用“非水相 HILIC”（NA-HILIC）来描述类似的条件[17]，我们在本文中选用了这个术语，以强调非水相条件在异构体分离中的重要性，并将其与主要使用非极性有机溶剂的传统 NP 分离方法区分开来。
化学试剂
乙腈（ACN）、乙醇、异丙醇和乙酸铵购自 Sigma-Aldrich（圣路易斯，密苏里州）。50% 的甲酸溶液购自 Fisher Scientific（沃尔瑟姆，马萨诸塞州）。样品 1 和 2 由 Dow 公司提供，它们是由具有八碳链长的醇与 PO 反应后再与 EO 反应生成的嵌段共聚物。样品 1 是通过一种选择性合成方法制备的，该方法优先生成仲醇而非伯醇。
不对称环开环导致异构表面活性剂
当脂肪醇与 PO 反应生成表面活性剂时，PO 环的开环方式决定了 PO 官能团甲基取代基的立体化学结构[14]。图 1 显示了由一个脂肪醇基团和两个 PO 官能团形成的四种可能的寡聚物异构体。“头部”（H）和“尾部”（T）标记表示每个 PO 官能团产生的甲基取代基相对于同一 PO 官能团中的氧原子的位置。
结论
在这项研究中，我们探讨了在第一维度使用 NA-HILIC 条件、在第二维度使用 RP 条件进行 2D-LC 分离，以实现具有脂肪醇末端基团的 EO-PO 嵌段共聚物的高分辨率分离。特别值得关注的是，NA-HILIC 条件表现出之前在水相 HILIC 条件下未观察到的 PO 异构体分离选择性。我们的主要结论如下：
作者贡献声明
埃拉·桑托夫斯基（Ella Sontowski）：撰写——初稿，实验研究。蒂娜·达尔塞德（Tina Dahlseid）：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，数据可视化，实验指导，实验研究。丹尼尔·梅斯顿（Daniel Meston）：实验研究，概念构思。克里斯蒂安·埃丝特·约瑟夫（Kristeen Esther Joseph）：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，资源准备，数据分析，概念构思。佩琳·杨（Peilin Yang）：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，资源管理，项目协调，资金获取，数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
ES、TD 和 DS 得到了 Dow Chemical Company 的资助。本研究中使用的仪器和色谱柱由 Agilent Technologies 公司慷慨提供。
