应用两种统计软件实现安息香缩合反应的工艺优化

付 正 王爱华 丁 阳 李 新 张 远

山东医学高等专科学校药学系，山东济南 250002

安息香（二苯乙二酮）是一种重要的化工原料，也是一种重要的药物合成中间体，安息香缩合反应作为环境友好实验的典范被广泛收载在各个大学的综合设计性实验中。很多文献对该反应进行过改进，如用其他催化剂（金属催化剂，相转移催化剂等）代替维生素B1的情况，用三乙胺代替氢氧化钠的情况，利用超声法或微波法的例子[1-3]。在大学生教学实验中，安息香缩合反应是指在维生素B1催化作用下，两分子苯甲醛缩合生成安息香的过程[4-5]。因为维生素B1催化活性的问题，在学生实验中一直存在实验失败率较高，产率相差较大的问题。虽然也有文献报道采用正交设计的方法考察最佳的合成条件[6]，但未涉及统计软件使用，计算较繁琐，不利于学生掌握和使用。SPSS 17.0是经典的统计学分析软件，应用于自然科学、技术科学、社会科学等的各个领域，有数据录入、整理、分析功能于一体，操作简单、容易上手、分析功能强大等特点[7-12]。正交设计助手是一款针对正交实验设计及结果分析而制作的专业软件，具有能直接导出效应曲线图，直观体现最优合成反应条件等优点[13-15]。本文将探讨如何有效地利用两种统计软件对该实验的影响因素进行研究，简化流程，优化有机合成反应条件，期望为大学生开展有机合成实验时最佳反应条件的摸索提供参考。

1 材料与仪器

1.1 材料

苯甲醛（AR，98% purity，天津市大茂化学试剂厂，100-52-7）；盐酸硫胺（维生素 B1）（BR，98% purity，上海德榜化工有限公司，67002134）；无水乙醇（AR，99.7% purity，20180410），氢氧化钠（AR，96% purity，20171202），均购自天津市富宇精细化工有限公司。

1.2 仪器

水浴恒温震荡仪（苏州欧倍科学仪器有限公司OBS-B型）；核磁共振仪（Bruker Avance AMX-400型）；红外光谱仪（天津港东公司，FTIR-650A型）。

2 方法与结果

2.1 研究设计

本研究主要是利用正交设计助手创建和设计实验，确定实验计划表。按计划进行实验，计算产率，将实验结果（产率）输入计划表，得出方差分析表和效应曲线图。再利用SPSS 17.0统计学软件对同样的数据进行分析，输出了相同的方差分析结果，同时在结果中展示了具体的P值，同时，SPSS软件还可以反映三个因素间是否存在交互作用。最后根据正交设计助手创建的效应曲线图确立最优的实验条件，进行实验验证，见图1。

图1 研究设计图

2.2 研究步骤

根据前期实验经验，先利用正交设计助手软件设计因素与水平表，选择3个温度，3个时间，3个pH值进行实验（图2）。在不同条件下进行9组实验，记录实验结果（即产率），见图3。

图2 因素与水平图

图3 实验计划图

利用两种软件输出的各自的方差分析表（图4），图4A显示温度、时间、pH值均对产率影响显著。图4B显示P=0.019＜0.05，建立的模型显示差异有统计学意义，温度、时间、pH值的概率值分别为0.045、0.032和0.010，差异均有统计学意义（P＜0.05）。

图4 方差分析图

另外，利用SPSS软件考察了三个因素之间的两两交互作用（图5），发现三个因素之间不存在交互作用。

图5 三个因素间的两两交互作用

最后用正交设计助手做出效应曲线图（图6），从图中可以看出温度60 ℃、时间90 min、pH=10时，产率最高，建议以此作为最优实验条件。

图6 效应曲线图

2.3 实验验证与结果

具体实验过程：在干燥的150 ml锥形瓶中加入维生素 B12.5 g、蒸馏水7 ml、无水乙醇 30 ml，摇匀后，置于冰水浴冷却。将10% NaOH溶液10 ml置于试管中，同样冰水浴冷却。将10% NaOH溶液逐滴滴入锥形瓶中，边振摇边调节pH到9 ～ 10（pH不可超过10）。撤除冰浴，立即加入新蒸的苯甲醛20 ml，摇匀，再用10% NaOH调pH值到10，锥形瓶罩塑料膜，置水浴恒温振荡器中（60 ℃）反应1.5 h，反应中保持pH值为9～10。冷却至室温后，置于冰水浴中冷却。减压抽滤，洗涤。粗产物用95%的乙醇重结晶。

三组学生同时按上述过程实验，成功率为100%，三组产率分别为65%、69%和70%，平均达到了68%的产率。最后进行产物安息香的结构确证，样品经CDCl3溶解后用核磁共振仪测试1H NMR（图7），1H NMR各峰的归属：化学位移δ7.90～7.95 ppm （d，2H，Ph-H），7.45～7.55 ppm （t，1H，Ph-H），7.23～7.44 ppm（m，7H，Ph-H），5.95 ppm（s，1H，=CH-OH），4.57 ppm（s，1H，-OH）。样品用红外光谱仪测试，KBr压片（图8），吸收峰的归属：2500～500 cm-1是O-H振动吸收，1690 cm-1左右为羰基（C=O）的伸缩振动吸收，1400～1600 cm-1为苯环的骨架振动吸收。

图7 安息香的1H NMR图谱

图8 安息香的IR图谱

3 讨论

本研究首次尝试在大学生开展有机合成实验时，同时利用两种统计软件进行正交实验设计和分析，确定最优的实验条件，提高实验的重现性和产率。正交设计助手软件是专门用于正交设计实验的软件，操作简单，其优点是可以输出SPSS 17.0软件无法输出的效应曲线图，从图形上清晰显示因素对结果的影响情况，对最优实验条件的选取提供依据。但正交设计实验软件的缺点是输出的方差分析表中是以*表示显著性水平，缺少具体的概率数值，而SPSS 17.0软件完全弥补了这一不足，其输出结果中具体描述了方差分析的结果，清晰地表达了具体的概率数值，便于数据的对比和分析。同时SPSS 17.0软件还能够进行正交设计软件无法进行的两两交互图的输出，便于进行对交互作用的相互影响情况的研究。两种软件相互补充，更详尽的数据结果和最优实验条件筛选过程，这是过去所有文献都未报道的。

用科学的方法对有机合成实验的影响因素进行研究，既有提高实验的成功率和产率的现实意义，又有在专业软件指导下进行相关研究的理论意义，也为开展大学生综合设计实训中探索相关合成反应的影响因素研究提供参考。