薄層色譜實驗改進(jìn)*

周小強，蔡秀琴，黃 棟，田戰(zhàn)友，安 航

(渭南師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，陜西 渭南 714099)

有機化學(xué)反應(yīng)能否進(jìn)行，反應(yīng)進(jìn)行的程度如何，經(jīng)歷哪些中間體過程，一種反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化需要多少其它反應(yīng)物，需要多長時間能夠反應(yīng)完全等等，是進(jìn)行有機化學(xué)反應(yīng)實驗時必須考慮的基本問題，更是反應(yīng)能否應(yīng)用于實際生產(chǎn)的重要指標(biāo)之一[1-2]。在本科有機化學(xué)教學(xué)實驗中，反應(yīng)時間往往已經(jīng)規(guī)定，或者因為教學(xué)實驗側(cè)重于學(xué)生掌握實驗原理、學(xué)習(xí)實驗操作技術(shù)、訓(xùn)練動手能力、鍛煉思維方法、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、而不過于追求產(chǎn)物的產(chǎn)率和合理的反應(yīng)時間[2]，從而導(dǎo)致反應(yīng)監(jiān)測這部分內(nèi)容往往不被學(xué)生重視。因此，監(jiān)測反應(yīng)是現(xiàn)代有機化學(xué)實驗的必要環(huán)節(jié)，也是本科有機化學(xué)實驗教學(xué)過程中應(yīng)強化的重要內(nèi)容。

薄層色譜技術(shù)(TLC)是有機合成工作者的眼睛，具有微量、快速、操作簡便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)控反應(yīng)。目前的本科有機化學(xué)實驗教學(xué)中，薄層色譜實驗安排的實驗內(nèi)容主要包括薄層層析板的制備和混合物的分離(偶氮苯和蘇丹III的分離，鄰硝基苯胺與間硝基苯胺的分離，鎮(zhèn)痛藥片APC組分的鑒定)兩部分[3]。隨著商品化的薄層層析板的廣泛應(yīng)用，節(jié)約出的時間可用于更加有意義的反應(yīng)進(jìn)程和反應(yīng)歷程的探究。教材中薄層色譜分離混合物的實驗中，展開劑已給定，例如教材中偶氮苯和蘇丹III的分離建議的展開劑為9:1的甲苯—乙酸乙酯，鄰硝基苯胺與間硝基苯胺的分離建議的展開劑為5:1的環(huán)己烷—乙酸乙酯，鎮(zhèn)痛藥片APC組分的鑒定建議的展開劑為 12:1的1，2-二氯乙烷—乙酸[3]。這樣的實驗安排容易使學(xué)生養(yǎng)成照方抓藥的習(xí)慣，不利于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和質(zhì)疑精神，不能有效地激發(fā)學(xué)生做實驗的興趣和自主學(xué)習(xí)的熱情，不利于學(xué)生科研素質(zhì)的提升[4]。最新的實驗教材中已經(jīng)有推薦使用薄層色譜技術(shù)監(jiān)測反應(yīng)終點的相關(guān)內(nèi)容，但是此類實驗大多為一步反應(yīng)，沒有顯著的中間體，對反應(yīng)歷程監(jiān)測的相關(guān)內(nèi)容有所欠缺[5]。因此，緊貼本科教材設(shè)計“一鍋法”串聯(lián)反應(yīng)，使用薄層色譜技術(shù)監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程和反應(yīng)歷程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)判斷反應(yīng)終點的同時，能夠更加直觀地觀察反應(yīng)歷程，有助于增加學(xué)生學(xué)習(xí)有機化學(xué)的興趣，提升學(xué)生的科研素養(yǎng)。

酮的性質(zhì)和鹵代烷的親核取代反應(yīng)是本科有機化學(xué)教材中的重要內(nèi)容，酮的α-H具有一定的弱酸性，容易發(fā)生鹵代反應(yīng)；羧酸根離子是很好的親核試劑。選用苯甲酰乙酸乙酯為反應(yīng)底物，將這兩步反應(yīng)串聯(lián)起來通過“一鍋法”反應(yīng)實現(xiàn)酮的α-H酰氧基化修飾，通過對反應(yīng)條件的合理調(diào)控，使反應(yīng)過程中有顯著的中間體α-溴代苯甲酰乙酸乙酯生成，反應(yīng)在2～3 h內(nèi)完成，利用薄層色譜技術(shù)能夠清晰地監(jiān)測反應(yīng)歷程。此改進(jìn)實驗方案中使用的試劑低毒易得，實驗操作簡單，反應(yīng)時長適宜，通過微量化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)了教學(xué)實驗的目的，拓寬了學(xué)生的知識面，有助于激發(fā)學(xué)生對有機化學(xué)實驗課程的學(xué)習(xí)興趣，對有機化學(xué)實驗技能訓(xùn)練和科研能力培養(yǎng)有很大的幫助，符合現(xiàn)代有機化學(xué)實驗教學(xué)改革要求。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

苯甲酰乙酸乙酯與N-溴代丁二酰亞胺、乙酸鈉在二甲基亞砜中能夠快速合成α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯，反應(yīng)歷程如圖1 所示，乙腈能有效降低該反應(yīng)的速率[6]。底物苯甲酰乙酸乙酯(A)、中間體α-溴代苯甲酰乙酸乙酯(B)和產(chǎn)物α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯(C)都含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，在254 nm紫外燈照射下有顯著的顯色現(xiàn)象。

圖1 苯甲酰乙酸乙酯的乙酰氧基化反應(yīng)

1.2 試 劑

苯甲酰乙酸乙酯，N-溴代丁二酰亞胺(NBS)，乙酸鈉，二甲基亞砜，乙腈，乙酸乙酯，石油醚，薄層層析硅膠預(yù)制板(25 mm×75 mm)。

α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯由苯甲酰乙酸乙酯、乙酸鈉和N-溴代丁二酰亞胺室溫條件下在二甲基亞砜中反應(yīng)，并經(jīng)萃取、干燥、柱層析分離制備得到，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)經(jīng)液體核磁共振氫譜、碳譜，質(zhì)譜測試分析得到確認(rèn)，與文獻(xiàn)值一致[7]。

在教學(xué)活動中，本論文實驗(2)所得到的α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯粗產(chǎn)物可安排用于學(xué)生柱層析分離練習(xí)使用，得到的α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯純品可用于下一級學(xué)生薄層色譜實驗使用。

1.3 儀器和表征方法

分析天平，磁力攪拌器，玻璃儀器，手持式紫外燈，氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(Thermo Fisher， ISQ 7000)。

中間體α-溴代苯甲酰乙酸乙酯的結(jié)構(gòu)由氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行表征。

1.4 實驗步驟

(1)苯甲酰乙酸乙酯與α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯的分離分別取2 mg的苯甲酰乙酸乙酯和α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯，用0.5 mL乙腈溶解，制成標(biāo)樣A和C。在同一塊薄層板上均勻的點5個A與C的混合樣，分別用等體積的石油醚—乙酸乙酯體積比為20:1、15:1、10:1、5:1和1:1的5種展開劑點在混合樣上，通過展開劑和混合物的擴(kuò)散程度粗選出2～3種展開劑，并通過單向展開實驗篩選出最優(yōu)展開劑，分別求出樣品A和C的比移值Rf。

(2)薄層色譜監(jiān)測苯甲酰乙酸乙酯α- H的乙酰氧基化反應(yīng)

分別取3個反應(yīng)管并編號，1號反應(yīng)管中依次加入19 mg苯甲酰乙酸乙酯(0.10 mmol)、12 mg無水乙酸鈉(0.15 mmol)、1 mL乙腈、0.2 mL二甲基亞砜和18 mg NBS(0.10 mmol)。2號試管作為對照組，16 mg無水乙酸鈉(0.20 mmol)在反應(yīng)進(jìn)行1 h后加入反應(yīng)體系。3號作為對照組，不加NBS，見表1所示。

表1 苯甲酰乙酸乙酯的α- H的乙酰氧基化反應(yīng)對照實驗

在10 min、20 min、40 min、60 min、……時，分別用點樣毛細(xì)管取A、1、2、3、C中反應(yīng)液，從左至右點在畫有均勻分布的5個點的薄層層析硅膠板上，用實驗(1)中優(yōu)選出的石油醚—乙酸乙酯展開劑展開，在紫外燈下觀察現(xiàn)象并記錄，直至1號反應(yīng)管中反應(yīng)液反應(yīng)完全。在反應(yīng)進(jìn)行60 min時，從2號反應(yīng)管中取少量反應(yīng)液進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析。

1.5 注意事項

(1)薄層層析板使用前需要活化處理。

(2)點樣位置必須高于展開劑液面。

(3)點樣量盡可能保持一致。

(4)點樣時毛細(xì)管液面剛好接觸到薄層即可，切勿點樣過重而使薄層破壞。

2 結(jié)果與討論

2.1 苯甲酰乙酸乙酯與α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯的分離

通過展開劑和混合物的擴(kuò)散程度，粗選了15:1、10:1、5:1的三種展開劑，見圖2所示。通過這三種體系對混合物的單向展開實驗，優(yōu)選的最佳展開劑為體積比為10:1的石油醚-乙酸乙酯，苯甲酰乙酸乙酯的Rf值為0.40，α-酰氧基苯甲酰乙酸乙酯的Rf值為0.17，見圖3所示。

圖2 不同體積比的石油醚—乙酸乙酯對混合樣的擴(kuò)散結(jié)果

圖3 三種體積比的石油醚—乙酸乙酯對樣品的單向展開實驗結(jié)果

2.2 薄層色譜監(jiān)測苯甲酰乙酸乙酯的α- H的乙酰氧基化反應(yīng)

TLC監(jiān)測苯甲酰乙酸乙酯的α-H的乙酰氧基化反應(yīng)實驗結(jié)果如圖4所示。從反應(yīng)進(jìn)行過程中的薄層色譜分析結(jié)果可以看出，反應(yīng)10 min時，第2、3組中均有Rf值為0.4的點，與A樣品Rf值一致，該點組分為苯甲酰乙酸乙酯；第1組反應(yīng)液中未觀察到Rf值為0.40的點，說明苯甲酰乙酸乙酯已經(jīng)完全消耗。第1、2 組中均新增了Rf值為0.35的點，推測此組分為反應(yīng)的中間產(chǎn)物α-溴代苯甲酰乙酸乙酯B。第1組中新增了Rf值為0.17的點，與產(chǎn)物C的Rf值一致，證明此時已有酰氧基化產(chǎn)物生成。

圖4 薄層色譜監(jiān)測苯甲酰乙酸乙酯α- H的乙酰氧基化反應(yīng)實驗結(jié)果

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，通過TLC實驗監(jiān)測能夠清晰的觀察到第1組反應(yīng)液中組分B的含量顯著降低，組分C的含量顯著增加；第2組反應(yīng)液中組分A的含量略有降低，組分B的含量有明顯增加；第3組反應(yīng)液中沒有監(jiān)測到新組分的生成。

在反應(yīng)進(jìn)行60 min時第2組反應(yīng)液的氣質(zhì)聯(lián)用分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)有質(zhì)荷比為270的信號和272的信號，強度比為1:1，證明該反應(yīng)中有α-溴代苯甲酰乙酸乙酯B生成，如圖5所示。

圖5 α-溴代苯甲酰乙酸乙酯(B)的EI-MS圖

反應(yīng)進(jìn)行80 min時，在第2組反應(yīng)液中觀察到了Rf值為0.17的組分C。反應(yīng)進(jìn)行100 min時，第1組反應(yīng)反應(yīng)完全，有大量的組分C生成。反應(yīng)進(jìn)行120 min時，第2組反應(yīng)中組分C的含量顯著增加。第3組反應(yīng)依然沒有監(jiān)測到新組分的生成。

上述結(jié)果表明：苯甲酰乙酸乙酯的乙酰氧基化反應(yīng)是在NBS和NaOAc的共同作用下完成的，反應(yīng)經(jīng)歷了苯甲酰乙酸乙酯α-H的溴代過程，NaOAc能夠促進(jìn)苯甲酰乙酸乙酯的α-H溴代反應(yīng)，反應(yīng)時長約為120 min。

3 結(jié) 語

本實驗是教材中薄層色譜實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計，將驗證型實驗改為探索型實驗，讓學(xué)生自己尋找較優(yōu)的展開體系、判斷最優(yōu)反應(yīng)時長；利用薄層色譜技術(shù)對苯甲酰乙酸乙酯的α-H的乙酰氧基化反應(yīng)歷程進(jìn)行監(jiān)測，有利于學(xué)生直觀地觀察有機化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，激發(fā)學(xué)生對有機化學(xué)實驗的學(xué)習(xí)興趣。本實驗是室溫條件下一鍋法微量反應(yīng)，所用試劑價格便宜，容易購買，實驗操作簡單，反應(yīng)時長2～3 h，適用于大規(guī)模本科實驗教學(xué)。本實驗涉及的酰氧基化反應(yīng)與親核取代反應(yīng)在有機合成中具有廣泛的應(yīng)用，有利于拓寬學(xué)生的知識面，對學(xué)生有機化學(xué)實驗技能訓(xùn)練和科研能力培養(yǎng)有很大的幫助，符合現(xiàn)代有機化學(xué)實驗教學(xué)改革的要求。