成脎和成腙反应速率反应产物的比较

索 慧,黄雪松

(暨南大学食品科学与工程系,广东广州 510632)

0 前言

还原糖类化合物与苯肼(或2,4-二硝基苯肼)反应,生成糖脎及糖腙是20世纪末Fischer发现的[1]。该反应对糖类的分离及鉴别起了决定性的作用,是糖类重要的反应之一[2]。无论是醛糖还是酮糖,成脎反应都发生在 C1和 C2上,不再继续反应生成三苯腙、四苯腙……,成脎反应时间只需几分钟,反应速率快。而关于用 2,4-二硝基苯肼与葡萄糖和果糖作用的报道比较少见,Lloyd等[3]用葡萄糖、果糖等糖与 2,4-二硝基苯肼作用合成了糖腙,并对其旋光度、分子式等都做了测定,测出分子式是 C12H16O9N4。但是目前尚未有文献对苯肼与两种糖反应生成糖脎、2,4-二硝基苯肼与两种糖生成糖腙的产物结构和反应速率等方面的差异作出分析和解释,本文对产生这两方面差异的原因做了分析和讨论。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

(1)仪器。4000Q 7RAR质谱仪(美国AB公司)。

(2)试剂。可溶性淀粉(广东台山粤侨试剂塑料有限公司,分析纯);葡萄糖(广东光华化学厂有限公司,分析纯);果糖(上海实验试剂有限公司,分析纯);冰醋酸(广州化学试剂厂,分析纯);2,4-二硝基苯肼(国药集团化学试剂有限公司,分析纯);无水乙醇(天津市化学试剂一厂,分析纯)。高效层析硅胶GF254板(浙江台州市路乔四甲生化塑料厂)。

苯肼试剂[4]:溶解4 mL苯肼于4m L冰醋酸和36 mL水中。

1.2 实验内容及步骤

(1)糖脎的生成[4]。取2支试管,标明号码,分别加入0.28 mol/L葡萄糖、0.28mol/L果糖溶液,再分别加入2 mL苯肼试剂,充分振荡此溶液,并将试管置于水浴中加热,用秒表记录试管中形成糖脎晶体所需的时间,晶体析出后,取出试管,让其自然冷却,做薄板层析(TLC)和质谱(MS)。

(2)糖腙的生成[3]。3.6 g葡萄糖和果糖分别溶于5m L去离子水中,3.96 g 2,4-二硝基苯肼溶于100m L无水乙醇中,二者混合回流12 h,然后真空浓缩至干,加入50mL乙酸乙酯以除去少量的红色氧化物,最后用 80%95%的乙醇溶解,重结晶获得 2,4-二硝基苯肼葡萄糖腙和 2,4-二硝基苯肼果糖腙,做TLC和MS。

(3)质谱检测方法。ESI离子源,正负离子模式,Q1扫描方式。

(4)薄板层析的操作。实验选用硅胶 GF254为薄板层析的吸附剂,用毛细管吸取样品溶液,轻轻地点样到层析板边缘 1 cm处的起点线上,样品为斑点,薄板层析在充满展开剂的密闭的层析缸中进行。糖脎的展开剂是氯仿/甲醇(79∶1)的混合溶液,糖腙的展开剂是氯仿/甲醇(33∶7)的混合溶液,待展开剂前沿至距板顶 2 cm时,取出,晾干,在紫外灯下观察其展开效果。

2 结果与讨论

2.1 苯肼葡萄糖脎、果糖脎和 2,4-二硝基苯肼葡萄糖腙、果糖腙的质谱特征

从图1a、图1c可以看出:葡萄糖、果糖与苯肼的成脎反应产物有359.4、359.3的正离子峰(M+1),基本相等,即与质子结合而形成的M+H峰,且均有397.3的钾离子加合物峰(M+39),即与钾离子结合而形成的M+K峰;从图1b、图1d可以看出:两种成脎反应产物均形成了M-1负离子峰(357.5),即形成的 M-H峰。由此可以确定,葡萄糖、果糖成脎反应产物的分子量均为 358(即 1分子糖与两分子苯肼的缩合产物的分子量),其分子结构与前人报道的苯肼与这两种糖的 C1和 C2均发生了反应、其反应产物是相同的,结果是一致的。

图1 苯肼葡萄糖脎、果糖脎质谱特征

从图2a、图2c可以看出:葡萄糖、果糖与2,4-二硝基苯肼的成腙反应产物有361.4、361.3的正离子峰(M+1),基本相等,即与质子结合而形成的M+H峰,且均有383.4的钠离子加合物峰(M+23),即与钠离子结合而形成的M+Na峰;从图2b、图2d可以看出,两种糖成腙反应产物形成了M-1负离子峰(分别为359.4和359.5),基本相等。由图2可以推断,2,4-二硝基苯肼葡萄糖腙和2,4-二硝基苯肼果糖腙的分子量是相同的,即都是 360。

图2 2,4-二硝基葡萄糖腙、果糖腙质谱特征

2.2 葡萄糖、果糖成脎与成腙反应产物的比较

从薄板层析(TLC)图3a可以看出:样品3、4最上面点的Rf值和样品1(苯肼)的Rf值是相同的,都为0.60,说明这个点是未反应完全的反应物苯肼;样品3、4有一个点的 Rf值和样品 2(乙酰苯肼)的Rf值是相同,Rf值都为 0.26,说明这个点是乙酰苯肼,这是因为配制苯肼试剂时加入了乙酸,即乙酸与苯肼的酸碱反应产物,该产物不是成脎反应的产物,但影响到所获反应产物的纯度、分离与纯化;样品 3和样品4相同的斑点,即为通过硅胶柱层析后,进行 MS测定所判断的葡萄糖脎和果糖脎(见图1和图2),两者的 Rf是相同的,都为 0.34,它们的分子结构应当如图4所示。由图3还可以看出:葡萄糖与果糖成脎反应产物样品中除含有上述 3种物质外,还含有其它的物质,比如含有一取代的物质等,但这还需要进一步的分离、纯化后再进行研究。

由图4a可以看出:这两种糖与苯肼的成脎反应产物均发生在 C1和C2上,其原因是苯肼只与羰基碳反应后的产物结构不稳定,而与 2个碳反应能够依靠分子内的N—H…N氢键钳合形成较稳定的六元环状结构;那么,为什么成脎反应却只停留在C1和 C2上,糖分子中的其他羟基不能进一步氧化,不再继续反应生成三苯腙、四苯腙呢?周宏[5]认为成脎反应从 α-羟基腙经酸催化后直至最终生成脎(取代产物),整个过程均可维持六元环状中间体(氢键的作用),这种过渡态较稳定,所以,形成的脎靠这种分子内氢键的作用形成六元环状结构,也使得反应仅限于在头两个碳原子上,发生双取代反应,不再继续反应生成三苯腙、四苯腙。

图3 葡萄糖、果糖成脎产物和成腙产物的薄层层析图谱

从薄板层析(TLC)图3b看出:葡萄糖、果糖成腙反应产物的Rf值都是0.36,两种成腙反应产物的 Rf值是相同的,但是并不能说明两种反应产物的结构是相同的,从二者的结构式(如图4b和图4c)看出二者性质是相似的,从而导致二者 Rf值的相等。两种糖与 2,4-二硝基苯肼的成腙反应产物虽然分子量是相同的即都是 360,薄层层析中的 Rf值也相等,但是这两种产物的结构是不同的,葡萄糖成腙反应产物是发生在 C1位的羰基上,果糖成腙反应产物是发生在 C2位的羰基上,2,4-二硝基苯肼只与葡萄糖和果糖的羰基碳反应,生成物不是同一种物质。2,4-二硝基苯肼葡萄糖腙、果糖腙的分子结构式见图4b和图4c。

图4 葡萄糖脎、果糖脎、2,4-二硝基葡萄糖腙和果糖腙的分子结构式

2 ,4-二硝基苯肼与这两种糖的羰基反应成腙,发生单取代,糖的其它碳原子不再进一步发生上述反应。该成腙反应之所以与上述成脎反应有这样的差别,其原因有两个:其一,硝基吸电子效应的影响。硝基吸电子效应影响羰基的活性。羰基的活性除与羰基碳原子上的正电荷量有关,还与亲核试剂即苯肼和 2,4-二硝基苯肼上氮原子上的负电荷量有关系。氨基由-NH2组成,其中氮的电负性比氢大得多,因此电子云被吸到氮上,氮带负电荷,而氢则带有正电荷。在 2,4-二硝基苯肼的 C2和 C4位有两个硝基,硝基是吸电子基团,而氨基-NH2是供电子基团,这就降低了-NH2的氮的负电性,影响到果糖的 C1位和葡萄糖 C2位的活性,从而影响单双取代。这是其主要原因;其二,空间效应的影响。糖腙分子C4位上的硝基-NO2离亚氨基-NH比较远,不易形成氢键,而C2位上的硝基-NO2离亚氨基-NH中的N原子最近,位置最有利,在亚氨基-NH中,半径很小、无内层电子的带部分正电荷的氢原子,容易使附近的C2位上的硝基-NO2中带部分负电荷的 N原子有可能充分靠近它,从而产生静电吸引作用,即形成N-H…O氢键。糖腙就依靠分子内的N-H…O氢键钳合形成较稳定的六元环状结构,结构见图5a和图5b。造成本来可同水形成氢键的活泼氢数目减少。且环状结构的存在使腙溶解度降低,以晶体析出,如果腙进一步与 2,4-二硝基苯肼发生反应,就需破坏此稳定的结构,故糖的其它碳原子不再进一步发生上述反应,此外,苯环上两个硝基、氨基-NH2以及与苯环的空间阻碍作用也不利于反应的进一步进行,这是其次要原因。

2.3 成腙与成脎反应的速率及影响因素

图5 2,4-二硝基葡萄糖腙、果糖腙环状结构

从表1看出苯肼与两种糖反应,成脎时间只需要几分钟,反应速率大。在同一羰基试剂的情况下,果糖比葡萄糖的反应速率快,周宏认为[5]真正原因是果糖的整个烯醇化活化能较葡萄糖低。从表1中也可以看出 2,4-二硝基苯肼与糖反应,成腙反应物需48 h甚至更长时间才能结晶,比与苯肼的反应速率(只需要几分钟)就慢了很多。其原因可能是2,4-二硝基苯肼(亲核试剂)与苯环相连的硝基-NO2所产生的吸电子效应和空间效应对产物和反应速率有影响。

表1 葡萄糖脎、果糖脎、2,4-二硝基葡萄糖腙和果糖腙的反应速率

(1)硝基吸电子效应的影响[6-8]。在羰基与亲核试剂(苯肼和 2,4-二硝基苯肼)的加成反应中,反应的控速步骤是:亲核试剂(通常为负离子)进攻羰基上碳原子并与碳结合的步骤。硝基吸电子效应不仅影响两种糖的单双取代,还影响亲核加成的反应速率(见 2.2硝基吸电子效应的影响)。所以果糖、葡萄糖与2,4-二硝基苯肼成腙反应速率比与苯肼的成脎反应速率慢。

(2)空间效应的影响。2,4-二硝基苯肼比苯肼多了 2个硝基,前者的体积比后者大,亲核试剂体积越大,空间阻碍作用越大,会影响到羰基的活性以及相邻碳的活性,成腙反应速率也就越慢,所以葡萄糖、果糖与 2,4-二硝基苯肼的成腙时间比与苯肼的成脎时间短同时影响单双取代。

3 结论

成脎反应产物多,反应速率快,葡萄糖、果糖成脎时间分别是5.3 min、2.4 min,葡萄糖和果糖的成脎反应都发生在 C1和 C2位,为双取代反应,反应产物两种以上;成腙反应速率慢、产物少,2,4-二硝基苯肼与葡萄糖、果糖溶液反应成腙时间均在 24 h或更长,反应分别发生 C1或 C2位上,为单取代反应,反应产物仅一种。羰基试剂的空间效应和电子效应影响这两种糖的单双取代和反应速率,影响产物的数量和种类。

[1] Cheronis N D,Entrik J B,Hodnett E M.Semim icro Qualitative Organic Analyis[M].3 Ed.New York:Interscience Publishers,1965:393.

[2] 程定海.葡萄糖成脎反应机理的红外光谱研究[J].四川师范院学报:自然科学版,1995,16(2):170-172.

[3] Lloyd E A,Doherty D G.2,4-dinitrophenylhydrazones of Some Hexoses and Pentoses[J].Journal of the American Chemical Society,1952,7(4):4214-4215.

[4] 李瑞波.对于糖脎生成的探讨[J].牡丹江师范学院学报:自然科学版,2006(3):37-38.

[5] 周 宏.单糖教学中若干问题的探讨[J].大学化学,1998,13(4):23-29.

[6] 尹冬冬.有机化学:下册[M].北京:高等教育出版社,2004:167-168.

[7] 郭灿城.有机化学[M].2版.北京:科学出版社,2006:304-305.

[8] 高鸿宾.有机化学[M].3版.北京:高等教育出版社,2004:253-254.