季戊四醇雙縮醛水解反應過程的1H NMR在線研究

張國君，楊 揚，孫小強，李正義，周蓓蓓，殷 樂

(常州大學 江蘇省精細化工重點實驗室，江蘇 常州 213164)

季戊四醇雙縮醛(酮)類物質用途廣泛。工業(yè)上常用作殺蟲劑、增塑劑、抗氧化劑和表面活性劑的消泡劑等［1－5］;在有機合成中常作為潛在的保護基團合成具有生物活性和藥物傳輸功能的物質［6］;也可用作醫(yī)用外科手術縫線、藥物緩釋、骨科固定、組織修復等材料［7－8］和具有特殊功能的新型包裝材料［9］。近年來，可降解材料已成為材料領域的研究熱點［10］。由季戊四醇雙縮醛類化合物參與合成的聚合物由于含有多個易水解的醚鍵，而具有易降解性能。為此，通過研究季戊四醇雙縮醛類化合物的水解反應歷程，可有效地控制反應，為此類化合物的綠色水解提供基礎數(shù)據(jù)。

核磁共振(NMR)技術作為一種日益成熟的儀器分析方法，具有傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢。動力學核磁共振是核磁共振波譜學中有一定獨立性的一個分支，它以NMR為工具，研究某些化學動力學過程，如分子結構和構象，蛋白質及其配位的相互作用;化學交換及立體化學反應速度及其他動力學問題，從而得到動力學和熱力學參數(shù)［11－12］。孫先勇等［13］利用原位的29Si液體核磁，研究了氨水催化條件下TEOS/DDS混合體系原位共水解的動力學過程;顧開春等［14］利用核磁共振方法研究了Michael加成反應的動力學行為及反應機理;另外，在結構基因組學和機構生物學的研究中，核磁共振技術被廣泛地用于測定蛋白質在溶液中的空間結構及其動力學，研究蛋白質與配體的相互作用［15－16］。本實驗在核磁管中進行，采用1H NMR技術跟蹤研究水解反應歷程，具有所需樣品含量少、速度快、重復性好、不終止反應等優(yōu)點。

圖1 物質A、B、C、D、E、F、G、H和I的結構式Fig.1 Structure diagrams of compound

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

3，9-二-(4-甲氧基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(4-氨基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-苯基-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(4-氯苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(4-硝基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(3-氨基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(2-氨基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(3-硝基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(2-硝基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷等季戊四醇螺環(huán)化合物由本實驗室制備，純度均在98%以上。下文分別以物質A、B、C、D、E、F、G、H和 I表示以上9種化合物，其結構式見圖1。DMSO-D6(CIL公司，氘代度為 99.9%)、D2O(SAFC公司，氘代度為99.9%)、鹽酸(國藥集團化學試劑有限公司，分析純)。

所有1H NMR實驗均在 Bruker AVANCEⅢ400超導NMR儀上完成。實驗參數(shù):1H NMR觀測頻率為400.13 MHz，5 mm BBO探頭，zg 30單脈沖序列，譜寬8 012.82 Hz，中心頻率2 600.84 Hz，掃描8次，弛豫時間1 s。

1.2 實驗方法

準確稱量0.001 0 g的水解反應物于外徑為5 mm的核磁管中，加入0.4 mL DMSO-D6使其完全溶解，再加入0.1 mL用D2O稀釋的鹽酸(稀釋后pH值分別為0、1、2、3、4)，放置于預先調(diào)好溫度的超級恒溫器中水解。采用核磁管內(nèi)置毛細管的方法進行定量分析，密封毛細管內(nèi)加入65 μL氘代水和15 μL丙酮的混合物。根據(jù)反應速度每隔一段時間對其進行檢測。以DMSO的質子殘存峰為化學位移基準，以丙酮峰面積為積分基準，對所獲取的譜圖進行處理，獲取相關譜線的相對積分值，以此為依據(jù)對水解過程中反應體系內(nèi)各物質的濃度變化情況進行分析。

2 結果與討論

2.1 溶劑的選擇

該反應為水解反應，水作為一種反應物參與到反應體系中，因此選擇能與水互溶的溶劑將有利于反應的進行。經(jīng)實驗證實，在與水互溶的甲醇、乙醇、四氫呋喃、乙腈和二甲基亞砜中，反應的效果較好，且與水的互溶性越好，反應速率越快。由于該反應在核磁管中進行，并以1H NMR技術對反應進行全程跟蹤，考慮到季戊四醇雙縮醛類物質自身的溶解性和溶劑與水的互溶性，本實驗選用氘代DMSO作為溶劑。

2.2 初始濃度對水解反應的影響

水解初始濃度對反應存在一定影響。本實驗中當初始濃度過高時，隨著酸的加入，會有不同程度的反應物析出;當初始濃度過低時，反應物的信號峰又極其微弱;所以初始濃度過高或過低均不利于觀察反應，不能準確反映各物質峰面積的變化。綜合考慮以上因素，反應物的初始濃度選定為2.0 g·L－1。

2.3 水解反應機理

在酸性條件下季戊四醇雙縮醛的水解反應為羥醛縮合的逆反應，水解縮醛的實質是水與羰基碳的親核加成脫去醇。氫質子首先進攻螺環(huán)上的縮醛氧原子，然后質子化的氧原子發(fā)生碳氧鍵的斷裂。帶正電荷的氧原子吸引電子的程度加強，使得羰基碳的正電性提高，水分子對羰基碳進行親核加成，然后質子化的氧原子發(fā)生碳氧鍵斷裂，再去質子化，得到產(chǎn)物。下面以物質A為例，其反應機理見圖2。

圖2 物質A的水解反應機理Fig.2 Hydrolysis mechanism of compound A

2.4 1H NMR水解譜圖分析

以物質A為例，考察了其在不同時刻的水解核磁譜圖(圖3)。圖3a為物質A水解0 min的核磁譜圖，δ7.35、δ6.91為苯環(huán)上 H4(4')、H5(5')(見圖1)的質子共振信號;δ5.43為與雜原子氧相連叔碳上H3(3')的質子共振信號;δ4.54、δ3.87、δ3.77、δ3.64分別為螺環(huán)化合物亞甲基上 H1e(1'e)、H1a(1'a)、H2e(2'e)、H2a(2'a)的質子共振信號;δ3.75為甲氧基上H6(6')的質子共振信號，且與其中的一組亞甲基峰相互重疊;δ4.23和δ1.71分別為內(nèi)標中氘代水和丙酮的質子共振信號;δ3.34為DMSO-D6中水的質子共振信號，δ2.50為DMSO-D6的質子殘存峰。

圖3 物質A在不同時刻的水解核磁譜圖(400 MHz，DMSO-D6)Fig.3 NMR spectra of compound A during different hydrolysis time hydrolysis time(a－e):0，30，90，150，240 min

圖3b為物質A水解30 min后的核磁譜圖，隨著酸的加入，水解反應的進行伴隨著新物質的生成并產(chǎn)生了對應的信號峰，整個反應體系內(nèi)的質子共振信號發(fā)生變化。δ9.80為水解產(chǎn)物對甲氧基苯甲醛對應的醛基質子共振信號，δ7.85、δ7.10為對甲氧基苯甲醛苯環(huán)上質子的共振信號;δ5.31為中間產(chǎn)物單縮醛的一個特征質子共振信號;甲氧基上的質子共振信號也發(fā)生了細微變化，由δ3.75移至δ3.82;δ3.36為水解產(chǎn)物季戊四醇亞甲基上質子的共振信號;內(nèi)標中氘代水和丙酮的質子共振信號分別移至δ4.29和δ1.80處;δ3.92為加入的酸中氘代水的質子共振信號;由于使用的鹽酸已用D2O稀釋，季戊四醇羥基氫被D2O交換，所以觀察不到羥基的質子共振信號。其它質子共振信號的歸屬與圖3a相同。

圖3中c、d的變化情況類似于圖3b，但隨著反應的繼續(xù)進行，反應物信號峰峰面積越來越小，直至完全消失，中間產(chǎn)物的信號峰峰面積先增加后下降，直至水解為最終產(chǎn)物，最終產(chǎn)物的信號峰峰面積則持續(xù)增加，直至水解反應徹底結束。

圖3e為物質A最終水解時的核磁譜圖，δ9.80為最終水解產(chǎn)物對甲氧基苯甲醛醛基的質子共振信號;δ7.85和δ7.10為對甲氧基苯甲醛苯環(huán)上的質子共振信號;δ3.82處為對甲氧基苯甲醛甲氧基上的質子共振信號;δ3.36為季戊四醇亞甲基上的質子共振信號;δ3.92為加入的酸中氘代水的質子共振信號;δ4.29和δ1.80為內(nèi)標中氘代水和丙酮的質子共振信號;δ2.50為DMSO-D6的質子殘存峰。綜上所述，核磁譜圖能夠觀察反應體系中各組分的含量變化，并能定性和定量分析水解反應的全過程及最終水解產(chǎn)物，所以1H NMR能跟蹤監(jiān)測季戊四醇雙縮醛水解反應。

2.5 水解重現(xiàn)性實驗

在溫度為323.15 K、pH=2.0、物質A初始濃度為2.0 g·L－1的條件下進行3次重現(xiàn)性實驗，結果如圖4所示。從圖4可以看出，實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)良好的重現(xiàn)性。

圖4 物質A水解重現(xiàn)性實驗Fig.4 Repeatability tests for compound A hydrolysis

2.6 反應中各組分的含量變化

酸性條件下，季戊四醇雙縮醛的水解反應為連串反應，反應物雙縮醛的含量隨著反應時間的延長而逐漸降低。反應過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物單縮醛，在反應初期的含量為0;隨著反應的進行，其含量逐漸增加，在某一時刻含量達到最高，但隨著反應的繼續(xù)進行，中間產(chǎn)物會進一步水解，直至水解為最終產(chǎn)物季戊四醇和對應的苯甲醛。圖5為物質A在333.15 K、pH=2.0條件下水解過程中各物質的含量變化圖。

2.7 反應速率常數(shù)的計算

由核磁圖譜給出相對積分面積，由計算公式轉化為相應的濃度，計算公式如下:

式(1)中Ai、As和A0分別為組分i、內(nèi)標物和起始原料的峰面積;Ci和C0分別為組分i和起始原料的濃度。

假設季戊四醇雙縮醛的水解反應為一級反應，則有:

圖5 物質A水解過程中各物質的濃度變化Fig.5 Concentration variation of different components during hydrolysis of compound A

式中，CA表示反應至某一時刻t時反應物的濃度;t表示時間;k表示反應速率常數(shù);C表示常數(shù)。實驗測得一系列不同時刻的反應物的相對峰面積，并通過公式(1)計算出相應的濃度CA，用Origin作lnCA～t圖，呈直線關系，可確定假設成立。所以此類季戊四醇雙縮醛的水解反應為一級反應，該直線斜率即為反應速率常數(shù)k。

2.8 溫度與pH值對水解反應速率的影響

綜合考慮以上各種季戊四醇雙縮醛的水解速率，選擇物質A為研究對象，考察其在不同反應溫度和不同酸性條件下的水解情況。

由圖6可知，在一定范圍內(nèi)，物質A的水解速率隨溫度的升高、酸性的增強而加快。從分子運動理論和碰撞理論來看，溫度升高后，季戊四醇縮醛的分子動能增加，運動加快，與溶液中H+碰撞的幾率增加，被質子化的幾率和速率增加。初始濃度和溫度相同的條件下，在一定范圍內(nèi)，酸性越強越利于水解。在反應過程中氫質子進攻縮醛氧原子為反應速率的控制步驟，酸性越強越有利于質子化，所以pH值對水解反應有極其重要的影響。通過改變以上兩種條件，可在工業(yè)水解時尋求較佳的水解條件來減少能源和資源的消耗。

圖6 物質A在不同溫度，不同pH條件下水解速率變化趨勢Fig.6 Hydrolysis rate changing trends of compound A under different temperature and different pH

2.9 苯環(huán)上不同取代基對水解速率的影響

為了探究苯環(huán)上不同取代基對水解速率的影響，分別考察了物質A、B、C、D和E在不同溫度、不同酸性條件下的水解速率，結果如圖7所示。

圖7 不同取代基季戊四醇雙縮醛的水解速率變化趨勢Fig.7 Hydrolysis rate changing trends of different pentaerythritol dialdehydes compound E could not be hydrolysed under these conditions

研究表明，物質A和B在酸性較強時極易水解，無法及時檢測，因此實驗選擇在相對弱酸(pH 4.0)條件下對A和B進行水解。而在此條件下C、D、E基本不發(fā)生反應，這表明A、B比C、D、E更易進行水解。從圖7中可知，B水解趨勢曲線明顯高于A，因此在相同條件下，B的水解速率更快，比A更易進行水解。同時，實驗選取酸性較強(pH 1.0)條件對C、D、E進行水解。從圖7中C、D的水解趨勢曲線可知，在同一溫度、pH值條件下，C的水解速率常數(shù)大于D，這表明C比D更易水解。而E在此條件下不發(fā)生水解反應，所以上述5種化合物水解從易到難分別為物質B＞A＞C＞D＞E。這主要是由苯環(huán)上取代基不同而造成的。反應過程中氫質子進攻縮醛氧原子為反應速率的控制步驟，其水解速率依賴于底物反應中心上的電子云密度，高的電子云密度有利于親電試劑的進攻，低的電子云密度有利于親核試劑的進攻。物質A和B苯環(huán)上的取代基是推電子基團，使苯環(huán)上的電子云密度升高，有利于質子化，且—NH2的推電子能力比—OCH3強，所以B比A更易水解;物質D和E苯環(huán)上的取代基是吸電子基團，使苯環(huán)上電子云密度降低，不利于質子化，且—NO2的吸電子能力比—Cl強，所以E比D更難水解。綜上所述，苯環(huán)上取代基對水解的難易程度有著非常重要的影響。

2.10 苯環(huán)上取代基位置對水解速率的影響

為了探究苯環(huán)上不同取代基位置對水解速率的影響，分別測定了胺類取代和硝基類取代季戊四醇雙縮醛的水解速率，結果如表1所示。

由表1可知，在相同溫度(313.15 K)和酸性條件下(pH 4.0)，氨類季戊四醇雙縮醛F(間位)不發(fā)生水解，B(對位)的水解速率常數(shù)約是G(鄰位)的10倍，這表明B最易水解，G次之，F(xiàn)最難水解。在相同溫度(333.15 K)和相同酸性條件下(pH=0)，硝基類季戊四醇雙縮醛H(間位)、E(對位)和I(鄰位)的水解速率常數(shù)分別為0.001 4、0.000 6、0.000 2，這表明H最易水解，E次之，I最難水解。由此證明，同一取代基在苯環(huán)上的取代位置不同，對水解速率會產(chǎn)生較大影響，而且對于吸電子基和推電子基不能一概而論。對于推電子基而言，它使所連苯環(huán)上的電子云密度增加，尤其在鄰、對位處增加得更多，對苯環(huán)有活化作用，有利于親電試劑的進攻，但鄰位相對于對位的空間位阻較大，不利于H+進攻縮醛氧原子，所以對于推電子基的物質，水解速率由快到慢依次為對位＞鄰位＞間位。對于吸電子基團而言，它使所連苯環(huán)上的電子云密度降低，并且在鄰、對位處降低得更多，對苯環(huán)有致鈍作用，不利于親電試劑的進攻，但相比之下，間位的電子云密度較高，親電試劑進攻間位較為有利，所以推電子基水解速率由快到慢依次為間位＞對位＞鄰位。

表1 胺類與硝基類季戊四醇雙縮醛苯環(huán)上不同取代位置的水解速率常數(shù)Table 1 Hydrolysis rate constant of different positions of substituted groups of the amino and nitro on the aromatic ring of pentaerythritol dialdehyde

3 結論

本文建立了一種在核磁管中考察季戊四醇雙縮醛水解反應的新方法。通過對季戊四醇雙縮醛水解速率的測定可知，此類化合物的水解速率隨溫度的升高、酸性的增強而加快。同時，本文還研究了苯環(huán)上取代基類型和位置對此類化合物水解速率的影響。研究結果表明，苯環(huán)上推電子基團有利于水解反應，同一推電子基水解速率由快到慢依次為對位＞鄰位＞間位;吸電子基團不利于水解反應，同一吸電子基水解速率由快到慢依次為間位＞對位＞鄰位。此方法具有靈敏度高，不破壞樣品和節(jié)約原料等特點，符合綠色環(huán)保的要求。但該方法對反應速度極快和溶解性差的化合物存在一定的局限性。

［1］Yuan X Y，Zhang M，Wang X Y.Chem.Reagents(袁先友，張敏，王小勇.化學試劑)，2006，28(9):541－543.

［2］Wang M，Song Z G，Jiang H，Gong H.Chem.Res.Appl.(王敏，宋志國，姜恒，宮紅.化學研究與應用)，2008，20(1):75－79.

［3］Liu Q F，Wang C P，Zhang J，Tan T F，Zhai X L.J.Hebei Normal Univ.:Nat.Sci.Ed.(劉清福，王春平，張杰，談廷鳳，翟學良.河北師范大學學報:自然科學版)，2005，29(6):595－597.

［4］Zhang Z H，Li T S，Jin T S，Li J T.J.Chem.Res.(S)，1998，(10):640 －641.

［5］Wang G W，Yuan X Y ，Liu Y C ，Lei X G.J.AOCS，1994，71(7):727－730.

［6］Barr J，Woodburn K W，Ng S Y，Shen H R，Heller J.Adv.Drug Delivery Rev.，2002，54(7):1041 －1048.

［7］Zhao Y M，Wang Z Y，Yang F.J.Appl.Polym.Sci.，2005，97(1):195 －200.

［8］Kricheldorf H R.Chemosphere，2001，43(1):49 －54.

［9］Kim K S，Lee S M，Ryu K C，Lee K S.Polym.Bull.，1995，35:57 －63.

［10］Ge J J.Biodegradable Polymers and Its Application.Beijing:Chemical Industry Press(戈進杰.生物降解高分子材料及其應用.北京:化學工業(yè)出版社)，2002.

［11］Dai Y.J.Anhui Univ.:Nat.Sci.Ed.(戴怡.安徽大學學報:自然科學版)，1998，22(2):89－94.

［12］Foster M P，McElory C A，Amero C D.Biochemistry，2007，46(2):331－340.

［13］Sun X Y，Xu Y，Xu W J，Wu D，Sun Y H，Yang Y X，Yuan H Z，Deng F.Acta Chim.Sin.(孫先勇，徐耀，徐武軍，吳東，孫予罕，楊永霞，袁漢珍，鄧風.化學學報)，2005，63(23):2103－2111.

［14］Gu K C，Yang G，Zhang W P，Liu X M，Yu Z S，Han X W，Bao X H.Chin.J.Inorg.Chem.(顧開春，楊剛，張維萍，劉秀梅，余正坤，韓秀文，包信和.無機化學學報)，2006，22(6):1044－1048.

［15］Shi Y H，Guo C Y，Lin D H.Chem.Life(施燕紅，郭晨云，林東海.生命的化學)，2006，26(2):166－168.

［16］Goto N K，Kay L E.Curr.Opin.Struct.Biol.，2000，10(5):585 －592.