色－质联用技术与有机反应历程教学实践

2014-05-02王秧年奚忠华

实验技术与管理 2014年4期

王秧年，奚忠华

（南京大学国家级化学实验教学示范中心，江苏南京 210093）

以1－丁醇、NaBr和浓硫酸为原料制备1－溴丁烷实验所涉及产物的生成反应（机理）为例，将有机化学［1－2］理论课中的知识点进行梳理并形成知识网络，对于理解和灵活运用这些知识是非常必要的。在实验过程中穿插相关物质形成历程的分析、或者在理论教学中穿插手性色谱及其与质谱联用等新型分析技术在有机合成产物全分析与鉴定中的最新进展［3－8］，有助于学生更深刻的理解、学习有机化学。

手性化合物的合成、分离和分析鉴定越来越受到重视，手性柱高效液相色谱（HPLC）技术被广泛使用，但在复杂组分或未知组分的定性和定量分析等方面存在明显不足，手性柱气相色谱－质谱联用（GC－MS）技术是解决这些问题的有效手段之一。手性柱GC－MS技术有助于加深对相关理论知识的理解和深化。

“正溴丁烷的制备”是有机化学实验教学的经典实验之一［9］。采用普通毛细管柱 GC－MS［10－12］，在合成产物中除主产物1－溴丁烷外，还检出了一定量的2－溴丁烷和二溴代产物（2，3－二溴丁烷和1，2－二溴丁烷）等副产物［12］。从立体化学可知，这些含溴副产物均含有手性碳原子。本文试图用手性柱GC－MS技术对1－丁醇制备的溴代产物进行全分析，建立相关知识网络，激发学生学习有机化学的兴趣。

1 实验

1.1 溴代丁烷的合成

溴代丁烷的合成参见参考文献［9］。

1.2 实验仪器及条件

仪器：GCMS－QP2010／PLUS （SHIMADZU，四极杆质谱检测器）；色谱柱：HP－CHIRAL－20B，30m×0.25mm×0.25μm。

条件：载气为 He（99.999﹪）；柱流量为1.00 mL／min；进样口温度为200.0℃；接口温度为200.0℃；质谱温度为200.0℃；全扫描，扫描范围（质／荷）为50.0～200.0amu；进样量为0.20μL。

1.3 实验步骤

配制溴代丁烷合成产物的甲醇溶液：用1.00μL注射器移取0.50μL溴代丁烷合成产物，加入到盛有1.00mL的HPLC级甲醇的2.5mL小样品管中，混合均匀备用；待GC－MS联用仪稳定后，用1.00μL进样器吸取0.20μL合成产物的甲醇溶液进样。GC程序升温分析条件：以0.50℃／min升温速率从38.0℃升温到42.0℃，以60.0℃／min的速率升温到102.0℃，以0.50℃／min的速率升温到107.0℃，以60.0℃／min的速率升温到200.0℃并保温2min。为便于比较，采用原始色谱图丰度信号除以最强峰（1－溴丁烷）丰度信号对色谱图进行归一化。

2 结果与讨论

2.1 1－溴丁烷合成产物的手性柱GC－MS全分析结果

在上述色谱条件下，对合成产物的甲醇溶液进样分析，得到的色谱图见图1。在图1中可以清楚地看到，这些产物实现了有效分离。借助质谱对这些色谱峰进行定性归属：保留时间为6.053、6.154、8.159、13.048、13.628、13.700、13.978min的色谱峰依次归属为R－2－溴丁烷、S－2－溴丁烷、1－溴丁烷、2，3－二溴丁烷内消旋体（meso－2，3－二溴丁烷）、（2S，3S）－2，3－二溴丁烷、（2R，3R）－2，3－二溴丁烷和1，2－二溴丁烷。以峰面积归一化法求得各组分的含量依次为1.40、1.38、96.25、0.39、0.18、0.17、0.24%。其中有两对峰面积几乎相等的色谱峰分别对应2－溴丁烷的一对外消旋体（R－2－溴丁烷和S－2－溴丁烷）和2，3－二溴丁烷的一对外消旋体（（2S，3S）－2，3－二溴丁烷与（2R，3R）－2，3－二溴丁烷）。

2.2 1－丁醇溴代产物的形成历程

2.2.1 一溴代丁烷的可能形成历程

1－丁醇质子化产生n－C4H9—OH28，—OH28是很好的离去基团，体系中大量存在的Br－从—OH28背面进攻，按SN2历程生成构型翻转的1－溴丁烷主产物［1－2］（见图2）。n－C4H9—OH28可以发生脱水反应生成少量非常不稳定的n－C3H7CH28伯碳正离子，通过碳正离子重排反应生成稳定性较高的C2H5CH8CH3仲碳正离子［1－2］；Br－从sp2杂化的C2H5CH8CH3分子平面上方和下方进攻，按SN1机理生成少量R－和S－2－溴丁烷外消旋体（主要副产物），二者含量是相等的［1－2，13－16］（见图2），与图1的实验结果一致。

图1 1－溴丁烷合成产物在手性柱上的GC图及相应色谱峰的MS指认

2.2.2 二溴丁烷的可能形成历程

n－C4H9—OH28可直接发生消除反应生成少量1－丁烯；C2H5CH8CH3仲碳正离子也可脱去质子，生成少量1－丁烯、顺（cis或Z）－和反（trans或E）－2－丁烯［1－2］。这3种烯烃可进一步与由浓硫酸和溴化氢反应生成的少量Br2反应［15］。1－丁烯与Br2反应生成两种溴鎓离子中间体，然后Br－从溴鎓离子背面进攻1位或2位的碳原子，生成R－和S－1，2－二溴丁烷外消旋体，二者含量应相等。顺－2－丁烯与Br2反应生成一种溴鎓离子中间体，然后Br－从溴鎓离子背面进攻2位或3位的碳原子，生成（2S，3S）－和（2R，3R）－2，3－二溴丁烷外消旋体（dl－），二者含量应相等。反－2－丁烯与Br2反应生成两种溴鎓离子中间体，然后Br－从溴鎓离子背面进攻2位或3位的碳原子，生成（2R，3S）－2，3－二溴丁烷内消旋体（meso－）［1－2］。

含溴副产物包括：R－和S－2－溴丁烷外消旋体、R－和S－1，2－二溴丁烷外消旋体、（2S，3S）－和（2R，3R）－2，3－二溴丁烷外消旋体（即dl－2，3－二溴丁烷）、（2R，3S）－2，3－二溴丁烷内消旋体（即meso－2，3－二溴丁烷）。

根据图2所示的从1－丁醇制备1－溴丁烷和含溴副产物形成历程可知，共有1－溴丁烷主产物和7种含溴副产物。在非手性柱GC－MS上应有1个主色谱峰（1－溴丁烷）和4个小色谱峰（2－溴丁烷、meso－2，3－二溴丁烷、dl－2，3－二溴丁烷、1，2－二溴丁烷），这为我们先前报道的实验结果所证实［12］；在手性柱GC－MS上应有1个主色谱峰（1－溴丁烷）和7个小色谱峰（R－2－溴丁烷、S－2－溴丁烷、（2R，3S）－2，3－二溴丁烷、（2S，3S）－2，3－二溴丁烷、（2R，3R）－2，3－二溴丁烷、R－1，2－二溴丁烷、S－1，2－二溴丁烷），其中3对外消旋体的每一对外消旋体的色谱峰面积应相等，这与在图1所示的手性柱GC－MS色谱图相吻合。