多種方法分析與評價乙酸乙酯合成實驗中產物之純度

趙華絨　蔡黃菊　秦敏銳　余利明　邵東貝

（浙江大學化學實驗教學中心，杭州　310058）

多種方法分析與評價乙酸乙酯合成實驗中產物之純度

趙華絨*蔡黃菊秦敏銳余利明邵東貝

（浙江大學化學實驗教學中心，杭州310058）

采用氣相色譜內標法、面積歸一化法及NMR內標法3種方法對乙酸乙酯合成反應中的產物進行純度分析。GC內標法可抵消由于操作條件的波動而帶來的誤差，只需內標物與待測組分在同樣條件下出峰且分離度較好，定量精度高，測出的乙酸乙酯純度最低；應用NMR內標法可同步完成純度分析和結構鑒定，且無需引入校正因子，操作簡便。

微型核磁共振波譜儀；氣相色譜儀；純度；內標法；面積歸一化法

乙酸乙酯的合成是基礎有機化學實驗中一個經典的合成實驗。在以往的實驗教學中對乙酸乙酯的合成方法研究較多，產物的定量分析與評價涉及較少。為了讓學生掌握運用現代儀器分析手段確定酯化反應中產品純度的方法，并評價和比較各方法的優缺點，我們在該實驗中引入了氣相色譜儀和45 MHz微型核磁共振波譜儀對產物進行純度分析和比較。

氣相色譜定量分析常見的方法有：峰面積百分比法、歸一化法、內標法和外標法，各種方法均有利弊［1］，本實驗結合基礎有機化學實驗教學特點，選取了氣相色譜面積歸一化法和內標法對乙醇與乙酸的酯化反應進行了產物純度分析的探究。

NMR定量分析技術廣泛應用于化學、生物、食品、農業及軍事等領域［2-5］。由于原子核吸收共振面積只與原子數目有關、不受外界環境影響，因此該方法定量分析時無需引入校正因子，具有樣品使用量少、適用范圍廣、操作簡單、分析速度快、定量分析和結構鑒定可同步完成等優點［6］。浙江大學化學實驗教學中心將便攜式picoSpin-45 MHz脈沖傅里葉核磁共振儀應用于本科生化學實驗教學，用于監測或跟蹤有機化學反應、檢驗化學產品質量、表征化合物結構等。本實驗將picoSpin-45 MHz NMR波譜儀用于乙醇與乙酸酯化反應的產品純度分析，收到了較理想的教學效果。

1　實驗部分

1.1實驗儀器

picoSpin-45微型核磁共振波譜儀（使用軟件：MestReNova）；

GC9790系列氣相色譜儀（色譜條件：檢測器：FID；色譜柱：毛細管柱（SE-45，30 m×0.32 mm× 0.33 μm）。汽化室溫度：200°C；檢測器溫度：160°C；柱溫：初始溫度40°C，保留1 min，以40°C·min-1的速度升溫至120°C，保留5 min；進樣量：0.2 μL），1 μL微量進樣器。

1.2實驗試劑

冰乙酸，乙醇，濃硫酸，飽和碳酸鈉溶液，飽和氯化鈣溶液，飽和氯化鈉溶液，無水硫酸鎂，苯。

1.3實驗方案的設計

根據基礎有機化學實驗講義，設計以冰乙酸、乙醇為原料合成乙酸乙酯的實驗方案［7］，在濃硫酸催化下，乙酸和乙醇發生酯化反應生成乙酸乙酯。反應式如下：主反應：

副反應：

伴隨主反應的進行，通常有分子間脫水、分子內脫水等副反應發生，為了計算目標產物的純度，采用核磁共振波譜內標法、氣相色譜內標法和氣相色譜面積歸一化法對產物進行分析。具體描述如下：酯化反應結束后，粗品分別經飽和Na2CO3溶液處理、飽和NaCl溶液和飽和CaCl2溶液洗滌后用無水MgSO4干燥，蒸餾干燥后的樣品，收集74-80°C餾分，從中取3份（分別記為樣品1、樣品2、樣品3），準確稱量各樣品質量，分別采用氣相色譜的內標法、面積歸一化法和核磁共振波譜內標法進行純度分析。

2　結果與討論

2.1氣相色譜分析

首先介紹氣相色譜歸一化法和內標法定量分析的計算方法。從計算公式可知，兩種方法均需要知道各產物的校正因子，因此首先配制由乙酸乙酯、乙醇、乙醚、苯等物質組成的標準樣品，測定各物質相對于苯的校正因子。向樣品1中加入一定質量的內標物，進行氣相色譜的內標法分析，對樣品2進行面積歸一化法分析。

2.1.1計算方法

1）內標法。

當分析樣品不能全部出峰，不能用面積歸一化法定量時，可考慮用內標法。按下式求算樣品中組分i的質量、含量。

式中mi為試樣中組分i的質量；mS為加入內標物的質量；Ai為組分i的峰面積；AS為內標物的峰面積；fSi為組分i相對于內標物S的相對校正因子；m為試樣的質量；xi為試樣中組分i的含量。

2）歸一化法。

使用歸一化法定量分析時，計算式如下：

式中xi為試樣中組分i的含量；fSi為組分i相對于內標物S的相對校正因子；Ai為組分i的峰面積。

2.1.2相對校正因子測定

表1列出了測得的各物質相對于苯的校正因子值，各回歸曲線的R2均達到0.99，線性相關度較高。

表1　乙酸乙酯、乙醇、乙醚相對于苯的校正因子

2.1.3內標法分析

圖1　乙酸乙酯加入內標物苯的氣相色譜圖

表2　內標法計算合成出的乙酸乙酯粗品經處理之后所得產品的含量*

圖1是樣品1加入內標物苯之后的GC圖。表2列出了采用內標法計算乙酸乙酯的純度結果，產品經洗滌、干燥、蒸餾后，由氣相色譜內標法計算出乙酸乙酯的純度為93.4%，產品中還含有2.1%未反應的乙醇，以及2.6%的副產物乙醚。

2.1.4面積歸一化法分析

圖2是樣品2的氣相色譜圖。表3列出了采用面積歸一化法計算乙酸乙酯的純度結果。該法算得：乙酸乙酯的純度為95.2%，未反應的乙醇含量為2.1%，副產物乙醚的含量為2.7%。采用歸一化法計算出的乙酸乙酯純度略高于內標法計算的結果。

圖2　乙酸乙酯的氣相色譜圖

表3　面積歸一化法計算乙酸乙酯粗品經處理之后所得產品的含量

2.2NMR內標法分析

首先介紹NMR內標法定量分析的計算方法。之后向樣品3中加入一定質量的內標物苯，進行NMR內標法分析。

2.2.1計算方法

內標法計算乙酸乙酯純度采用的公式如下：

其中，nEA表示乙酸乙酯的物質的量，AEA表示核磁譜圖中乙酸乙酯的某一組氫的積分峰面積，NEA表示這組氫中質子的個數，AS表示核磁譜圖中內標物的某一組氫的積分峰面積，NS表示內標物這組氫中質子的個數，nS表示所加入的內標物的物質的量，mS表示所加入的內標物的質量，MS、MEA分別表示內標物和乙酸乙酯的摩爾質量，mEA表示乙酸乙酯的質量，m表示樣品3的質量，xEA表示用NMR內標法計算出的樣品3中乙酸乙酯的含量。

2.2.2NMR內標法定量分析

以苯為內標物對產品乙酸乙酯進行定量分析的核磁共振譜圖如圖3所示。選擇苯為內標物是因為它不與產品乙酸乙酯發生反應，且它在1H NMR譜圖中的質子化學位移不與產品發生重疊。在圖3中，苯環上的質子在1H NMR譜圖中為單峰，其化學位移在7.38左右，其峰面積為1.21。

圖3　以苯為內標物對產品乙酸乙酯進行定量分析的核磁共振譜圖

分別使用乙酸乙酯中與C=O相連的CH3的質子（δ=2，單峰）、與O原子相連的CH2的質子（δ= 4，四重峰）、端位的CH3的質子（δ=1-1.5，三重峰）計算出的乙酸乙酯的純度（P）為98.3%、99.7%、97.6%（表4）。計算出乙酸乙酯的平均純度為98.5%。

表4　以苯為內標物采用1H NMR內標法分析樣品3中乙酸乙酯的純度

3　三種分析方法之比較

乙酸乙酯合成實驗中分別采用GC內標法、GC面積歸一化法和NMR內標法計算出的產品純度值列于表5。由于picoSpin-45微型核磁共振波譜儀的靈敏度偏低，有些雜質峰與乙酸乙酯的峰未能有效分離，導致乙酸乙酯的核磁信號峰比實際值偏高，所以NMR內標法計算出的乙酸乙酯的含量為98.5%。GC面積歸一化法要求樣品中所有物質都要出峰，而實際樣品中由于干燥不充分所以會存在少量水分，水在氣相色譜FID檢測器中不出峰（FID檢測器對有機物檢測靈敏度高），致使計算得到的乙酸乙酯的含量略微偏高。在三種方法算出的樣品中乙酸乙酯的純度中，GC內標法最低，NMR內標法最高。三個純度值較為接近，說明三種分析方法具有可比性。

表5　分別用GC內標法、GC面積歸一化法、NMR內標法計算出的乙酸乙酯純度

4　結論

對于乙酸乙酯合成實驗，GC內標法、GC面積歸一化法、NMR內標法計算出的純度結果較為接近。從取樣量上看，NMR內標法取樣量為1 mL左右，GC內標法及GC面積歸一化法的取樣量為微升級，GC分析法樣品用量小。實驗用時方面，因GC內標法及GC面積歸一化法用于純度定量分析的方法均需測定校正因子，實驗用時相對較多。而實驗操作上，GC內標法因需要“定量加入內標物”，實驗的便利程度不如另外兩種。綜合比較認為，應用NMR內標法可同步完成定量分析和結構鑒定，且無需引入校正因子，操作簡便，內容更加豐富完整。

使用GC或NMR儀器進行定量分析，將現代儀器分析技術引入經典的有機合成實驗中，可實現儀器分析的理論知識與實際應用的有機結合。實驗教學過程中，可訓練學生對現代儀器的基本操作技能，學會采用多種方法對產物進行純度分析和比較，從而培養學生多角度思考問題的能力，提升實驗教學質量。

［1］方惠群，于俊生，史堅.儀器分析.北京:科學出版社，2002.

［2］Zhang，Q.；Wang，A.F.；Meng，Y.；Ning，T.T.；Yang，H.X.；Ding，L.X.；Xiao，X.Y.；Li，X.D.Anal.Chem.2015，87（19），9810.

［3］Shen，S.；Yang，X.；Shi，Y.Q.J.Pharm.Biomed.Anal.2015，114（10），190.

［4］Park，K.J.；Kim，M.Y.；Seok，S.W.；Kim，Y.W.；Kim，D.H.Spectrochim.Acta Part A:Mol.Biomol.Spectrosc.2015，149（5），402.

［5］Ulrike.H.Pro.Nucl.Magn.Reson.Spectrosc.2010，57（2），229.

［6］祁慧雪.廣東化工，2012，39（6），121.

［7］徐偉亮.基礎化學實驗.北京:科學出版社，2005.

Analysis and Evaluation of Purity of Ethyl Acetate in the Esterification Reaction of Ethanol and Acetic Acid

ZHAO Hua-Rong*CAI Huang-JuQIN Min-RuiYU Li-MingSHAO Dong-Bei
（Chemical Experimental Teaching Center，Zhejiang University，Hangzhou 310058，P.R.China）

The gas chromatography method using internal standard and area normalization calibration and the NMR method using internal standard calibration are adopted for the determination of product purity in the synthesis of ethyl acetate.The purity of ethyl acetate detected by the GC internal standard method was the lowest.In contrast，the purity detected by the NMR internal standard method was the highest.The NMR internal standard method has more advantages，for this method can be used to complete the quantitative analysis and structural identification simultaneously，without the need to measure the correction factor.

Portable nuclear magnetic resonance spectrometer；Gas chromatography；Purity；Internal standard method；Area normalization calibration

O6-3；G64

10.3866/PKU.DXHX201602015

，Email:zhr0103@zju.edu.cn

國家基礎科學人才培養基金（J1210042）；2015年浙江大學探究性實驗教學研究項目