乙酰苯胺區(qū)域熔融提純方法

孟嬌然 夏娃 段嫚雷 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

乙酰苯胺是有機(jī)合成重要的中間體，廣泛應(yīng)用于化工、制藥等領(lǐng)域。在熔點(diǎn)測定和有機(jī)元素含量分析中，乙酰苯胺也是一種常見的標(biāo)準(zhǔn)品[1-2]。隨著乙酰苯胺的應(yīng)用越來越廣泛，其純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的需求也在不斷提高。目前，市售的乙酰苯胺試劑純度多為分析純，不能滿足作為標(biāo)準(zhǔn)品的使用需求。因此，需要對市售試劑進(jìn)一步提純，以獲得更高純度的乙酰苯胺。

傳統(tǒng)乙酰苯胺的提純方法主要為重結(jié)晶方法[3]，需要使用大量的溶劑，不僅增加成本、污染環(huán)境，而且會在提純產(chǎn)物中引入新的溶劑雜質(zhì)。區(qū)域熔融法是一項物理提純技術(shù)，可根據(jù)液-固平衡原理，利用熔融-固化過程中雜質(zhì)在液相和固相中溶解度的差別這一特點(diǎn)來除去雜質(zhì)，達(dá)到純化固體材料的目的[4-5]。區(qū)域熔融法最早在20世紀(jì)50年代由PFann報道用于無機(jī)物的提純[6]，之后此方法在制備高純度金屬和半導(dǎo)體材料的提純工藝領(lǐng)域中獲得了極大的發(fā)展。由于很多有機(jī)化合物具有相對較低的熔點(diǎn)，且易于裝填至熔融管內(nèi)，區(qū)域熔融法也更多地應(yīng)用于有機(jī)化合物的提純領(lǐng)域中。目前，國內(nèi)也有采用區(qū)域熔融法提純制備高純度固體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的報道，如苯甲酸、N-苯基-β-萘胺等[4-5]。本研究采用一套自行搭建的區(qū)域熔融裝置，經(jīng)過對提純參數(shù)的優(yōu)化，建立了乙酰苯胺的區(qū)域熔融提純方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

NMR System 500型核磁共振儀、1100型高效液相色譜儀（美國Agilent公司）；Spectrum 100型傅里葉變換紅外光譜儀、DSC Diamond型差示掃描量熱儀（美國Perkin-Elmer公司）；841型卡爾·費(fèi)休水分儀（瑞士Metrohm公司）；XS205、MX5型電子天平（瑞士METTLER TOLEDO公司）。

乙酰苯胺標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（純度值99.88%，U95=[99.60%，100%]，141e，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）；乙腈（HPLC，美國Merck公司）；乙酰苯胺（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。其他試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 乙酰苯胺區(qū)域熔融提純方法

將待提純乙酰苯胺樣品熔融后裝入一端封閉的玻璃樣品管內(nèi)，用封口膜將樣品管頂端封口后，將區(qū)域熔融爐移動至樣品最上端并開始加熱熔融樣品。將爐膛按照一定的移動速率緩慢移動至樣品管最下端，當(dāng)完成一次熔融提純過程后，將爐膛重新移動至樣品最上端，繼續(xù)下一次區(qū)域熔融提純過程。提純結(jié)束后，將玻璃管內(nèi)提純后的樣品以5～10 cm為一段，小心取出，對每一段樣品采用差示掃描量熱法進(jìn)行純度測試。將純度測試結(jié)果在99.9%以上的樣品置于研缽中，將其全部研細(xì)后充分混合均勻，得到最終的提純產(chǎn)物。

1.3 定性分析

采用紅外光譜、核磁共振氫譜和碳譜對提純后的乙酰苯胺進(jìn)行定性分析。

1.4 純度檢測

乙酰苯胺的純度分別采用質(zhì)量平衡法和差示掃描量熱法進(jìn)行檢測[7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 乙酰苯胺的樣品填充及用量

將待提純的乙酰苯胺原料裝入一端封閉的玻璃樣品管內(nèi)，填充至距離樣品管管口約20 cm處，用封口膜封口。將樣品管垂直插入加熱爐膛內(nèi)，移動爐膛至樣品管底端。設(shè)置爐膛溫度為155 ℃，移動速率為45 mm/h，使?fàn)t膛由下至上逐漸將乙酰苯胺熔化，熔化后的乙酰苯胺將在樣品管下部結(jié)晶凝固。待此次填充樣品全部熔化結(jié)晶至樣品管底部后，取出樣品管，揭開封口膜繼續(xù)填充乙酰苯胺，再次將新裝入的乙酰苯胺熔化并結(jié)晶，直至樣品充實(shí)填至距樣品管口約20 cm處。按照以上方法總共填入的乙酰苯胺樣品量約為400 g。

2.2 乙酰苯胺區(qū)域熔融提純條件優(yōu)化

區(qū)域熔融提純要求樣品在加熱熔融過程中可以形成穩(wěn)定的熔區(qū)，隨著熔區(qū)的不斷移動，樣品經(jīng)過反復(fù)熔化和結(jié)晶，最終達(dá)到提純的目的。穩(wěn)定熔區(qū)的形成與加熱溫度、冷凝溫度和熔區(qū)移動的速率等因素有關(guān)[8-9]。本研究綜合考察并選擇合適的加熱溫度、爐膛移動速率以及提純次數(shù)。

2.2.1 加熱溫度和爐膛移動速率的選擇

固液界面是待提純樣品熔點(diǎn)的等溫面，理想的固液界面可以避免內(nèi)核的形成、控制提純產(chǎn)物晶體的走向，有效提高提純產(chǎn)物的純度[8]。為了找到合適的熔融條件，測試了爐膛溫度在120～165 ℃和爐膛移動速率在20～60 mm/h之間的乙酰苯胺的熔融情況，如圖1所示。在圖1中，陰影區(qū)域?yàn)樵摖t膛溫度和爐膛移動速率條件下，熔融過程可以形成的穩(wěn)定熔區(qū)。當(dāng)溫度和速率設(shè)置在陰影區(qū)域之外時，會導(dǎo)致無法形成有效的熔區(qū)。在實(shí)際操作過程中，隨著爐膛溫度的提高，爐膛的移動速率可以適當(dāng)增大，整個提純時間可得到一定程度的縮短。但如果爐膛移動速率過快，需要的加熱溫度就越高，易造成性質(zhì)不穩(wěn)定的有機(jī)物的分解或氧化，且不利于熔區(qū)固液達(dá)到充分平衡，雜質(zhì)不易排出。最終綜合考慮熔融效果和提純一次的總時間，選擇爐膛溫度150 ℃、爐膛移動速率45 mm/h作為提純條件。

圖1 爐膛溫度、移動速率與熔區(qū)形成關(guān)系

2.2.2 提純次數(shù)的確定

區(qū)域熔融提純樣品經(jīng)一次熔融過程并不能達(dá)到理想的純度，需要反復(fù)熔融提純才能不斷把樣品中的雜質(zhì)驅(qū)趕至樣品的一端，從而得到較高純度的產(chǎn)物。因此，進(jìn)一步考察了樣品的提純次數(shù)。對提純次數(shù)為5次、10次和15次分別做了試驗(yàn)，將提純后的樣品分段取出，采用差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry, DSC）對其純度進(jìn)行檢測。得到的純度結(jié)果如表1所示。

表1 不同提純次數(shù)得到樣品的純度分布

根據(jù)表1可知，提純的次數(shù)越多，高純度樣品的分布區(qū)域逐漸增大，雜質(zhì)能更有效地集中在樣品管底端，即提純的效果越好、提純樣品的產(chǎn)率越高。此外，經(jīng)過前幾次提純后樣品的提純效果最明顯。當(dāng)提純次數(shù)不斷增加后，每一次提純過程對樣品的提純效果影響逐漸減小。而當(dāng)提純次數(shù)達(dá)到10次以上時，樣品的純度分布已無顯著差異。因此，乙酰苯胺區(qū)域熔融提純的次數(shù)最終確定為10次。

在上述優(yōu)化后的條件下，對分析純的乙酰苯胺樣品進(jìn)行了3次平行提純實(shí)驗(yàn)，提純產(chǎn)物分段取出后用差示掃描量熱儀測試其純度，并將純度測試結(jié)果大于99.90%的乙酰苯胺混合作為最終提純產(chǎn)物，可得到3次提純樣品的產(chǎn)率分別為66.3%、62.1%和67.3%。

2.3 定性分析

經(jīng)提純后的乙酰苯胺的定性表征采用傅里葉變換紅外光譜儀和核磁共振掃描儀進(jìn)行分析，同時將得到的圖譜與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST） 的 141e乙酰苯胺標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了對照。由兩者的紅外圖譜（圖2）對比可以看出，經(jīng)區(qū)域熔融提純制備的乙酰苯胺樣品與NIST乙酰苯胺標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的紅外特征峰在波數(shù)和透過率上具有一致性。

圖2 區(qū)域熔融提純后的乙酰苯胺樣品與乙酰苯胺標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的紅外特征譜圖

對乙酰苯胺提純樣品和NIST乙酰苯胺標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了核磁共振分析。乙酰苯胺提純樣品的氫譜數(shù)據(jù)為 1HNMR (DMSO-d6，500 MHz)，δ：9.95 (s，1H)；7.01～7.60（m，5H）；2.05 （s，3H）；碳譜數(shù)據(jù)為13CNMR (DMSO-d6，125 MHz)，δ：168.3；139.4；128.7；123.0；119.0；24.0。NIST乙酰苯胺標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的氫譜數(shù)據(jù)為1HNMR (DMSO-d6，500 MHz)，δ：9.96(s，1H)；7.01 ～ 7.61 (m，5H)；2.06 (s，3H)；碳譜數(shù)據(jù)為 13CNMR (DMSO-d6，125 MHz)，δ：168.3；139.4；128.7；123.0；119.0；24.1。

從1HNMR譜可以看出δ為2.05處的峰為乙?；系募谆鶜湓臃澹臑?.95處的峰對應(yīng)為亞氨基上的氫原子峰，δ為7.00～7.60處的峰對應(yīng)為苯環(huán)上的5個氫原子。在13CNMR譜上，δ為168.3處的峰對應(yīng)為乙酰基上的羰基碳，δ為119.0～139.4處的峰對應(yīng)為苯環(huán)上4種位置的碳，δ為24.1處的峰對應(yīng)為乙酰基上的甲基碳。以上結(jié)果表明經(jīng)提純的乙酰苯胺與NIST的乙酰苯胺標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在核磁共振氫譜和碳譜上的定性結(jié)果完全一致，且未檢出雜質(zhì)信號。

2.4 純度檢測

為進(jìn)一步驗(yàn)證提純后的乙酰苯胺的純度，采用了質(zhì)量平衡法和差示掃描量熱法對其純度進(jìn)行檢測[7]。質(zhì)量平衡法檢測得的乙酰苯胺純度為99.91%，差示掃描量熱法測得的乙酰苯胺的純度為99.94%，兩者純度結(jié)果一致，證明采用區(qū)域熔融法提純后的乙酰苯胺純度值可達(dá)99.90%以上。

3 結(jié)語

本文建立了一種基于區(qū)域熔融原理提純制備乙酰苯胺的方法，將提純后產(chǎn)物進(jìn)行紅外和核磁共振分析，并與NIST乙酰苯胺標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對照，得到一致的定性分析結(jié)果。通過質(zhì)量平衡法和差示掃描量熱法對提純后的乙酰苯胺純度進(jìn)行檢測，證明其純度值可高于99.90%。研究結(jié)果表明該提純方法可用于制備高純度乙酰苯胺試劑，可為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制建立基礎(chǔ)，為其他有機(jī)化合物的提純提供參考。