多種方法分析與評(píng)價(jià)乙酸乙酯合成實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)物之純度

趙華絨　蔡黃菊　秦敏銳　余利明　邵東貝

（浙江大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，杭州　310058）

多種方法分析與評(píng)價(jià)乙酸乙酯合成實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)物之純度

趙華絨*蔡黃菊秦敏銳余利明邵東貝

（浙江大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，杭州310058）

采用氣相色譜內(nèi)標(biāo)法、面積歸一化法及NMR內(nèi)標(biāo)法3種方法對(duì)乙酸乙酯合成反應(yīng)中的產(chǎn)物進(jìn)行純度分析。GC內(nèi)標(biāo)法可抵消由于操作條件的波動(dòng)而帶來的誤差，只需內(nèi)標(biāo)物與待測(cè)組分在同樣條件下出峰且分離度較好，定量精度高，測(cè)出的乙酸乙酯純度最低；應(yīng)用NMR內(nèi)標(biāo)法可同步完成純度分析和結(jié)構(gòu)鑒定，且無需引入校正因子，操作簡(jiǎn)便。

微型核磁共振波譜儀；氣相色譜儀；純度；內(nèi)標(biāo)法；面積歸一化法

乙酸乙酯的合成是基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)經(jīng)典的合成實(shí)驗(yàn)。在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)乙酸乙酯的合成方法研究較多，產(chǎn)物的定量分析與評(píng)價(jià)涉及較少。為了讓學(xué)生掌握運(yùn)用現(xiàn)代儀器分析手段確定酯化反應(yīng)中產(chǎn)品純度的方法，并評(píng)價(jià)和比較各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，我們?cè)谠搶?shí)驗(yàn)中引入了氣相色譜儀和45 MHz微型核磁共振波譜儀對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行純度分析和比較。

氣相色譜定量分析常見的方法有：峰面積百分比法、歸一化法、內(nèi)標(biāo)法和外標(biāo)法，各種方法均有利弊［1］，本實(shí)驗(yàn)結(jié)合基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，選取了氣相色譜面積歸一化法和內(nèi)標(biāo)法對(duì)乙醇與乙酸的酯化反應(yīng)進(jìn)行了產(chǎn)物純度分析的探究。

NMR定量分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物、食品、農(nóng)業(yè)及軍事等領(lǐng)域［2-5］。由于原子核吸收共振面積只與原子數(shù)目有關(guān)、不受外界環(huán)境影響，因此該方法定量分析時(shí)無需引入校正因子，具有樣品使用量少、適用范圍廣、操作簡(jiǎn)單、分析速度快、定量分析和結(jié)構(gòu)鑒定可同步完成等優(yōu)點(diǎn)［6］。浙江大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將便攜式picoSpin-45 MHz脈沖傅里葉核磁共振儀應(yīng)用于本科生化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，用于監(jiān)測(cè)或跟蹤有機(jī)化學(xué)反應(yīng)、檢驗(yàn)化學(xué)產(chǎn)品質(zhì)量、表征化合物結(jié)構(gòu)等。本實(shí)驗(yàn)將picoSpin-45 MHz NMR波譜儀用于乙醇與乙酸酯化反應(yīng)的產(chǎn)品純度分析，收到了較理想的教學(xué)效果。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)儀器

picoSpin-45微型核磁共振波譜儀（使用軟件：MestReNova）；

GC9790系列氣相色譜儀（色譜條件：檢測(cè)器：FID；色譜柱：毛細(xì)管柱（SE-45，30 m×0.32 mm× 0.33 μm）。汽化室溫度：200°C；檢測(cè)器溫度：160°C；柱溫：初始溫度40°C，保留1 min，以40°C·min-1的速度升溫至120°C，保留5 min；進(jìn)樣量：0.2 μL），1 μL微量進(jìn)樣器。

1.2實(shí)驗(yàn)試劑

冰乙酸，乙醇，濃硫酸，飽和碳酸鈉溶液，飽和氯化鈣溶液，飽和氯化鈉溶液，無水硫酸鎂，苯。

1.3實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)講義，設(shè)計(jì)以冰乙酸、乙醇為原料合成乙酸乙酯的實(shí)驗(yàn)方案［7］，在濃硫酸催化下，乙酸和乙醇發(fā)生酯化反應(yīng)生成乙酸乙酯。反應(yīng)式如下：主反應(yīng)：

副反應(yīng)：

伴隨主反應(yīng)的進(jìn)行，通常有分子間脫水、分子內(nèi)脫水等副反應(yīng)發(fā)生，為了計(jì)算目標(biāo)產(chǎn)物的純度，采用核磁共振波譜內(nèi)標(biāo)法、氣相色譜內(nèi)標(biāo)法和氣相色譜面積歸一化法對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分析。具體描述如下：酯化反應(yīng)結(jié)束后，粗品分別經(jīng)飽和Na2CO3溶液處理、飽和NaCl溶液和飽和CaCl2溶液洗滌后用無水MgSO4干燥，蒸餾干燥后的樣品，收集74-80°C餾分，從中取3份（分別記為樣品1、樣品2、樣品3），準(zhǔn)確稱量各樣品質(zhì)量，分別采用氣相色譜的內(nèi)標(biāo)法、面積歸一化法和核磁共振波譜內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行純度分析。

2　結(jié)果與討論

2.1氣相色譜分析

首先介紹氣相色譜歸一化法和內(nèi)標(biāo)法定量分析的計(jì)算方法。從計(jì)算公式可知，兩種方法均需要知道各產(chǎn)物的校正因子，因此首先配制由乙酸乙酯、乙醇、乙醚、苯等物質(zhì)組成的標(biāo)準(zhǔn)樣品，測(cè)定各物質(zhì)相對(duì)于苯的校正因子。向樣品1中加入一定質(zhì)量的內(nèi)標(biāo)物，進(jìn)行氣相色譜的內(nèi)標(biāo)法分析，對(duì)樣品2進(jìn)行面積歸一化法分析。

2.1.1計(jì)算方法

1）內(nèi)標(biāo)法。

當(dāng)分析樣品不能全部出峰，不能用面積歸一化法定量時(shí)，可考慮用內(nèi)標(biāo)法。按下式求算樣品中組分i的質(zhì)量、含量。

式中mi為試樣中組分i的質(zhì)量；mS為加入內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量；Ai為組分i的峰面積；AS為內(nèi)標(biāo)物的峰面積；fSi為組分i相對(duì)于內(nèi)標(biāo)物S的相對(duì)校正因子；m為試樣的質(zhì)量；xi為試樣中組分i的含量。

2）歸一化法。

使用歸一化法定量分析時(shí)，計(jì)算式如下：

式中xi為試樣中組分i的含量；fSi為組分i相對(duì)于內(nèi)標(biāo)物S的相對(duì)校正因子；Ai為組分i的峰面積。

2.1.2相對(duì)校正因子測(cè)定

表1列出了測(cè)得的各物質(zhì)相對(duì)于苯的校正因子值，各回歸曲線的R2均達(dá)到0.99，線性相關(guān)度較高。

表1　乙酸乙酯、乙醇、乙醚相對(duì)于苯的校正因子

2.1.3內(nèi)標(biāo)法分析

圖1　乙酸乙酯加入內(nèi)標(biāo)物苯的氣相色譜圖

表2　內(nèi)標(biāo)法計(jì)算合成出的乙酸乙酯粗品經(jīng)處理之后所得產(chǎn)品的含量*

圖1是樣品1加入內(nèi)標(biāo)物苯之后的GC圖。表2列出了采用內(nèi)標(biāo)法計(jì)算乙酸乙酯的純度結(jié)果，產(chǎn)品經(jīng)洗滌、干燥、蒸餾后，由氣相色譜內(nèi)標(biāo)法計(jì)算出乙酸乙酯的純度為93.4%，產(chǎn)品中還含有2.1%未反應(yīng)的乙醇，以及2.6%的副產(chǎn)物乙醚。

2.1.4面積歸一化法分析

圖2是樣品2的氣相色譜圖。表3列出了采用面積歸一化法計(jì)算乙酸乙酯的純度結(jié)果。該法算得：乙酸乙酯的純度為95.2%，未反應(yīng)的乙醇含量為2.1%，副產(chǎn)物乙醚的含量為2.7%。采用歸一化法計(jì)算出的乙酸乙酯純度略高于內(nèi)標(biāo)法計(jì)算的結(jié)果。

圖2　乙酸乙酯的氣相色譜圖

表3　面積歸一化法計(jì)算乙酸乙酯粗品經(jīng)處理之后所得產(chǎn)品的含量

2.2NMR內(nèi)標(biāo)法分析

首先介紹NMR內(nèi)標(biāo)法定量分析的計(jì)算方法。之后向樣品3中加入一定質(zhì)量的內(nèi)標(biāo)物苯，進(jìn)行NMR內(nèi)標(biāo)法分析。

2.2.1計(jì)算方法

內(nèi)標(biāo)法計(jì)算乙酸乙酯純度采用的公式如下：

其中，nEA表示乙酸乙酯的物質(zhì)的量，AEA表示核磁譜圖中乙酸乙酯的某一組氫的積分峰面積，NEA表示這組氫中質(zhì)子的個(gè)數(shù)，AS表示核磁譜圖中內(nèi)標(biāo)物的某一組氫的積分峰面積，NS表示內(nèi)標(biāo)物這組氫中質(zhì)子的個(gè)數(shù)，nS表示所加入的內(nèi)標(biāo)物的物質(zhì)的量，mS表示所加入的內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量，MS、MEA分別表示內(nèi)標(biāo)物和乙酸乙酯的摩爾質(zhì)量，mEA表示乙酸乙酯的質(zhì)量，m表示樣品3的質(zhì)量，xEA表示用NMR內(nèi)標(biāo)法計(jì)算出的樣品3中乙酸乙酯的含量。

2.2.2NMR內(nèi)標(biāo)法定量分析

以苯為內(nèi)標(biāo)物對(duì)產(chǎn)品乙酸乙酯進(jìn)行定量分析的核磁共振譜圖如圖3所示。選擇苯為內(nèi)標(biāo)物是因?yàn)樗慌c產(chǎn)品乙酸乙酯發(fā)生反應(yīng)，且它在1H NMR譜圖中的質(zhì)子化學(xué)位移不與產(chǎn)品發(fā)生重疊。在圖3中，苯環(huán)上的質(zhì)子在1H NMR譜圖中為單峰，其化學(xué)位移在7.38左右，其峰面積為1.21。

圖3　以苯為內(nèi)標(biāo)物對(duì)產(chǎn)品乙酸乙酯進(jìn)行定量分析的核磁共振譜圖

分別使用乙酸乙酯中與C=O相連的CH3的質(zhì)子（δ=2，單峰）、與O原子相連的CH2的質(zhì)子（δ= 4，四重峰）、端位的CH3的質(zhì)子（δ=1-1.5，三重峰）計(jì)算出的乙酸乙酯的純度（P）為98.3%、99.7%、97.6%（表4）。計(jì)算出乙酸乙酯的平均純度為98.5%。

表4　以苯為內(nèi)標(biāo)物采用1H NMR內(nèi)標(biāo)法分析樣品3中乙酸乙酯的純度

3　三種分析方法之比較

乙酸乙酯合成實(shí)驗(yàn)中分別采用GC內(nèi)標(biāo)法、GC面積歸一化法和NMR內(nèi)標(biāo)法計(jì)算出的產(chǎn)品純度值列于表5。由于picoSpin-45微型核磁共振波譜儀的靈敏度偏低，有些雜質(zhì)峰與乙酸乙酯的峰未能有效分離，導(dǎo)致乙酸乙酯的核磁信號(hào)峰比實(shí)際值偏高，所以NMR內(nèi)標(biāo)法計(jì)算出的乙酸乙酯的含量為98.5%。GC面積歸一化法要求樣品中所有物質(zhì)都要出峰，而實(shí)際樣品中由于干燥不充分所以會(huì)存在少量水分，水在氣相色譜FID檢測(cè)器中不出峰（FID檢測(cè)器對(duì)有機(jī)物檢測(cè)靈敏度高），致使計(jì)算得到的乙酸乙酯的含量略微偏高。在三種方法算出的樣品中乙酸乙酯的純度中，GC內(nèi)標(biāo)法最低，NMR內(nèi)標(biāo)法最高。三個(gè)純度值較為接近，說明三種分析方法具有可比性。

表5　分別用GC內(nèi)標(biāo)法、GC面積歸一化法、NMR內(nèi)標(biāo)法計(jì)算出的乙酸乙酯純度

4　結(jié)論

對(duì)于乙酸乙酯合成實(shí)驗(yàn)，GC內(nèi)標(biāo)法、GC面積歸一化法、NMR內(nèi)標(biāo)法計(jì)算出的純度結(jié)果較為接近。從取樣量上看，NMR內(nèi)標(biāo)法取樣量為1 mL左右，GC內(nèi)標(biāo)法及GC面積歸一化法的取樣量為微升級(jí)，GC分析法樣品用量小。實(shí)驗(yàn)用時(shí)方面，因GC內(nèi)標(biāo)法及GC面積歸一化法用于純度定量分析的方法均需測(cè)定校正因子，實(shí)驗(yàn)用時(shí)相對(duì)較多。而實(shí)驗(yàn)操作上，GC內(nèi)標(biāo)法因需要“定量加入內(nèi)標(biāo)物”，實(shí)驗(yàn)的便利程度不如另外兩種。綜合比較認(rèn)為，應(yīng)用NMR內(nèi)標(biāo)法可同步完成定量分析和結(jié)構(gòu)鑒定，且無需引入校正因子，操作簡(jiǎn)便，內(nèi)容更加豐富完整。

使用GC或NMR儀器進(jìn)行定量分析，將現(xiàn)代儀器分析技術(shù)引入經(jīng)典的有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)中，可實(shí)現(xiàn)儀器分析的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可訓(xùn)練學(xué)生對(duì)現(xiàn)代儀器的基本操作技能，學(xué)會(huì)采用多種方法對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行純度分析和比較，從而培養(yǎng)學(xué)生多角度思考問題的能力，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

［1］方惠群，于俊生，史堅(jiān).儀器分析.北京:科學(xué)出版社，2002.

［2］Zhang，Q.；Wang，A.F.；Meng，Y.；Ning，T.T.；Yang，H.X.；Ding，L.X.；Xiao，X.Y.；Li，X.D.Anal.Chem.2015，87（19），9810.

［3］Shen，S.；Yang，X.；Shi，Y.Q.J.Pharm.Biomed.Anal.2015，114（10），190.

［4］Park，K.J.；Kim，M.Y.；Seok，S.W.；Kim，Y.W.；Kim，D.H.Spectrochim.Acta Part A:Mol.Biomol.Spectrosc.2015，149（5），402.

［5］Ulrike.H.Pro.Nucl.Magn.Reson.Spectrosc.2010，57（2），229.

［6］祁慧雪.廣東化工，2012，39（6），121.

［7］徐偉亮.基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:科學(xué)出版社，2005.

Analysis and Evaluation of Purity of Ethyl Acetate in the Esterification Reaction of Ethanol and Acetic Acid

ZHAO Hua-Rong*CAI Huang-JuQIN Min-RuiYU Li-MingSHAO Dong-Bei
（Chemical Experimental Teaching Center，Zhejiang University，Hangzhou 310058，P.R.China）

The gas chromatography method using internal standard and area normalization calibration and the NMR method using internal standard calibration are adopted for the determination of product purity in the synthesis of ethyl acetate.The purity of ethyl acetate detected by the GC internal standard method was the lowest.In contrast，the purity detected by the NMR internal standard method was the highest.The NMR internal standard method has more advantages，for this method can be used to complete the quantitative analysis and structural identification simultaneously，without the need to measure the correction factor.

Portable nuclear magnetic resonance spectrometer；Gas chromatography；Purity；Internal standard method；Area normalization calibration

O6-3；G64

10.3866/PKU.DXHX201602015

，Email:zhr0103@zju.edu.cn

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金（J1210042）；2015年浙江大學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究項(xiàng)目