乙酰苯胺区域熔融提纯方法

孟娇然 夏娃 段嫚雷 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

乙酰苯胺是有机合成重要的中间体，广泛应用于化工、制药等领域。在熔点测定和有机元素含量分析中，乙酰苯胺也是一种常见的标准品[1-2]。随着乙酰苯胺的应用越来越广泛，其纯度标准物质的需求也在不断提高。目前，市售的乙酰苯胺试剂纯度多为分析纯，不能满足作为标准品的使用需求。因此，需要对市售试剂进一步提纯，以获得更高纯度的乙酰苯胺。

传统乙酰苯胺的提纯方法主要为重结晶方法[3]，需要使用大量的溶剂，不仅增加成本、污染环境，而且会在提纯产物中引入新的溶剂杂质。区域熔融法是一项物理提纯技术，可根据液-固平衡原理，利用熔融-固化过程中杂质在液相和固相中溶解度的差别这一特点来除去杂质，达到纯化固体材料的目的[4-5]。区域熔融法最早在20世纪50年代由PFann报道用于无机物的提纯[6]，之后此方法在制备高纯度金属和半导体材料的提纯工艺领域中获得了极大的发展。由于很多有机化合物具有相对较低的熔点，且易于装填至熔融管内，区域熔融法也更多地应用于有机化合物的提纯领域中。目前，国内也有采用区域熔融法提纯制备高纯度固体标准物质的报道，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区域熔融装置，经过对提纯参数的优化，建立了乙酰苯胺的区域熔融提纯方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

NMR System 500型核磁共振仪、1100型高效液相色谱仪（美国Agilent公司）；Spectrum 100型傅里叶变换红外光谱仪、DSC Diamond型差示扫描量热仪（美国Perkin-Elmer公司）；841型卡尔·费休水分仪（瑞士Metrohm公司）；XS205、MX5型电子天平（瑞士METTLER TOLEDO公司）。

乙酰苯胺标准物质（纯度值99.88%，U95=[99.60%，100%]，141e，美国国家标准与技术研究院）；乙腈（HPLC，美国Merck公司）；乙酰苯胺（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。其他试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。

1.2 乙酰苯胺区域熔融提纯方法

将待提纯乙酰苯胺样品熔融后装入一端封闭的玻璃样品管内，用封口膜将样品管顶端封口后，将区域熔融炉移动至样品最上端并开始加热熔融样品。将炉膛按照一定的移动速率缓慢移动至样品管最下端，当完成一次熔融提纯过程后，将炉膛重新移动至样品最上端，继续下一次区域熔融提纯过程。提纯结束后，将玻璃管内提纯后的样品以5～10 cm为一段，小心取出，对每一段样品采用差示扫描量热法进行纯度测试。将纯度测试结果在99.9%以上的样品置于研钵中，将其全部研细后充分混合均匀，得到最终的提纯产物。

1.3 定性分析

采用红外光谱、核磁共振氢谱和碳谱对提纯后的乙酰苯胺进行定性分析。

1.4 纯度检测

乙酰苯胺的纯度分别采用质量平衡法和差示扫描量热法进行检测[7]。

2 结果与讨论

2.1 乙酰苯胺的样品填充及用量

将待提纯的乙酰苯胺原料装入一端封闭的玻璃样品管内，填充至距离样品管管口约20 cm处，用封口膜封口。将样品管垂直插入加热炉膛内，移动炉膛至样品管底端。设置炉膛温度为155 ℃，移动速率为45 mm/h，使炉膛由下至上逐渐将乙酰苯胺熔化，熔化后的乙酰苯胺将在样品管下部结晶凝固。待此次填充样品全部熔化结晶至样品管底部后，取出样品管，揭开封口膜继续填充乙酰苯胺，再次将新装入的乙酰苯胺熔化并结晶，直至样品充实填至距样品管口约20 cm处。按照以上方法总共填入的乙酰苯胺样品量约为400 g。

2.2 乙酰苯胺区域熔融提纯条件优化

区域熔融提纯要求样品在加热熔融过程中可以形成稳定的熔区，随着熔区的不断移动，样品经过反复熔化和结晶，最终达到提纯的目的。稳定熔区的形成与加热温度、冷凝温度和熔区移动的速率等因素有关[8-9]。本研究综合考察并选择合适的加热温度、炉膛移动速率以及提纯次数。

2.2.1 加热温度和炉膛移动速率的选择

固液界面是待提纯样品熔点的等温面，理想的固液界面可以避免内核的形成、控制提纯产物晶体的走向，有效提高提纯产物的纯度[8]。为了找到合适的熔融条件，测试了炉膛温度在120～165 ℃和炉膛移动速率在20～60 mm/h之间的乙酰苯胺的熔融情况，如图1所示。在图1中，阴影区域为该炉膛温度和炉膛移动速率条件下，熔融过程可以形成的稳定熔区。当温度和速率设置在阴影区域之外时，会导致无法形成有效的熔区。在实际操作过程中，随着炉膛温度的提高，炉膛的移动速率可以适当增大，整个提纯时间可得到一定程度的缩短。但如果炉膛移动速率过快，需要的加热温度就越高，易造成性质不稳定的有机物的分解或氧化，且不利于熔区固液达到充分平衡，杂质不易排出。最终综合考虑熔融效果和提纯一次的总时间，选择炉膛温度150 ℃、炉膛移动速率45 mm/h作为提纯条件。

图1 炉膛温度、移动速率与熔区形成关系

2.2.2 提纯次数的确定

区域熔融提纯样品经一次熔融过程并不能达到理想的纯度，需要反复熔融提纯才能不断把样品中的杂质驱赶至样品的一端，从而得到较高纯度的产物。因此，进一步考察了样品的提纯次数。对提纯次数为5次、10次和15次分别做了试验，将提纯后的样品分段取出，采用差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）对其纯度进行检测。得到的纯度结果如表1所示。

表1 不同提纯次数得到样品的纯度分布

根据表1可知，提纯的次数越多，高纯度样品的分布区域逐渐增大，杂质能更有效地集中在样品管底端，即提纯的效果越好、提纯样品的产率越高。此外，经过前几次提纯后样品的提纯效果最明显。当提纯次数不断增加后，每一次提纯过程对样品的提纯效果影响逐渐减小。而当提纯次数达到10次以上时，样品的纯度分布已无显著差异。因此，乙酰苯胺区域熔融提纯的次数最终确定为10次。

在上述优化后的条件下，对分析纯的乙酰苯胺样品进行了3次平行提纯实验，提纯产物分段取出后用差示扫描量热仪测试其纯度，并将纯度测试结果大于99.90%的乙酰苯胺混合作为最终提纯产物，可得到3次提纯样品的产率分别为66.3%、62.1%和67.3%。

2.3 定性分析

经提纯后的乙酰苯胺的定性表征采用傅里叶变换红外光谱仪和核磁共振扫描仪进行分析，同时将得到的图谱与美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST） 的 141e乙酰苯胺标准物质进行了对照。由两者的红外图谱（图2）对比可以看出，经区域熔融提纯制备的乙酰苯胺样品与NIST乙酰苯胺标准物质的红外特征峰在波数和透过率上具有一致性。

图2 区域熔融提纯后的乙酰苯胺样品与乙酰苯胺标准物质的红外特征谱图

对乙酰苯胺提纯样品和NIST乙酰苯胺标准物质进行了核磁共振分析。乙酰苯胺提纯样品的氢谱数据为 1HNMR (DMSO-d6，500 MHz)，δ：9.95 (s，1H)；7.01～7.60（m，5H）；2.05 （s，3H）；碳谱数据为13CNMR (DMSO-d6，125 MHz)，δ：168.3；139.4；128.7；123.0；119.0；24.0。NIST乙酰苯胺标准物质的氢谱数据为1HNMR (DMSO-d6，500 MHz)，δ：9.96(s，1H)；7.01 ～ 7.61 (m，5H)；2.06 (s，3H)；碳谱数据为 13CNMR (DMSO-d6，125 MHz)，δ：168.3；139.4；128.7；123.0；119.0；24.1。

从1HNMR谱可以看出δ为2.05处的峰为乙酰基上的甲基氢原子峰，δ为9.95处的峰对应为亚氨基上的氢原子峰，δ为7.00～7.60处的峰对应为苯环上的5个氢原子。在13CNMR谱上，δ为168.3处的峰对应为乙酰基上的羰基碳，δ为119.0～139.4处的峰对应为苯环上4种位置的碳，δ为24.1处的峰对应为乙酰基上的甲基碳。以上结果表明经提纯的乙酰苯胺与NIST的乙酰苯胺标准物质在核磁共振氢谱和碳谱上的定性结果完全一致，且未检出杂质信号。

2.4 纯度检测

为进一步验证提纯后的乙酰苯胺的纯度，采用了质量平衡法和差示扫描量热法对其纯度进行检测[7]。质量平衡法检测得的乙酰苯胺纯度为99.91%，差示扫描量热法测得的乙酰苯胺的纯度为99.94%，两者纯度结果一致，证明采用区域熔融法提纯后的乙酰苯胺纯度值可达99.90%以上。

3 结语

本文建立了一种基于区域熔融原理提纯制备乙酰苯胺的方法，将提纯后产物进行红外和核磁共振分析，并与NIST乙酰苯胺标准物质对照，得到一致的定性分析结果。通过质量平衡法和差示扫描量热法对提纯后的乙酰苯胺纯度进行检测，证明其纯度值可高于99.90%。研究结果表明该提纯方法可用于制备高纯度乙酰苯胺试剂，可为相关标准物质的研制建立基础，为其他有机化合物的提纯提供参考。