取代芐基三乙基溴化銨制備與表征綜合實驗

周家容, 劉彩虹, 劉 維, 楊樂敏, 張耀謀, 倪春林

(華南農業大學 材料與能源學院, 生物化工與制藥實驗教學示范中心, 廣東 廣州 510642)

制藥工程專業涉及化學、藥學、生物學和化學工程等多個相關學科[1-2],肩負著為制藥工業輸送工程技術人才的重任[3]。生物醫藥是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》制定的11個國民經濟和社會發展的重點領域之一, 也是綱要重點安排的前沿技術之一, 生物醫藥產業是戰略性新興產業的重要組成部分[4-6]?；瘜W制藥作為制藥工程專業的一個重要專業方向,開設綜合性實驗、設計性實驗和創新性實驗課程,對培養較強的創新意識和實踐動手能力的應用型人才發揮著重要作用[7-8]。近幾年來,作者所在的課題組致力于新型取代芐基季銨鹽的合成、結構表征和抗菌性能的研究,并將取代芐基季銨鹽陽離子與某些無機配陰離子組裝獲得了一些性能優良的功能材料[9-12]。在這些科研工作的基礎上,本實驗項目先以取代甲苯和N-溴代丁二酰亞胺通過自由基取代反應,得到取代芐溴中間體,再在超聲輻射作用下,與三乙基胺發生親核取代反應,制備了5種取代芐基三乙基溴化銨,并用元素分析、紅外光譜、紫外光譜、電子噴霧質譜和電導法對產物結構進行表征。

1 實驗藥品與儀器

藥品:甲苯、4-氟甲苯、4-氯甲苯、4-氰基甲苯、4-硝基甲苯、三乙胺、N-溴代丁二酰亞胺以及四氯化碳和過氧化苯甲酰等試劑均為市售分析純試劑,未經處理直接使用，四氯化碳和乙酸乙酯經干燥處理。

儀器:磁力攪拌器、真空干燥箱、噴霧干燥儀、旋轉蒸發儀、超聲波清洗器、電導率儀，元素分析儀(美國Perkin-Elmer公司240 C型),紅外光譜儀(美國Nicolet公司Acvatar 360 FT-IR),液相色譜-質譜聯用儀(日本Shimadzu公司LCMS-2010A),紫外-可見光譜儀(日本島津公司UV2500型)。

2 實驗方法

2.1 樣品的制備路線

取代芐基三乙基溴化銨(季銨鹽)的制備反應分兩步完成:首先利用4-取代甲苯和N-溴代丁二酰亞胺(NBS)在四氯化碳溶劑中反應,制備4-取代芐基溴中間產物；再用加熱回流、超聲輻射和溶劑熱等3種方法與三乙胺在乙酸乙酯中反應,得到目標產物。制備路線如圖1所示。

2.2 合成步驟

參照文獻[13]合成取代芐溴:將0.01 mol的取代甲苯于100 mL磨口錐形瓶中,用40 mL干燥的CCl4溶解,加入0.012 mol的N-溴代丁二酰亞胺(NBS)和少量的過氧化苯甲酰(BPO),加熱攪拌回流12 h后,趁熱過濾,將濾液旋轉蒸發,得到淺黃色黏稠狀液體為取代芐溴合成初產品。

圖1 取代芐基三乙基溴化銨的制備路線

將上述得到的初產品在乙酸乙酯中與稍過量三乙胺混合,分別用加熱回流、超聲輻射和溶劑熱(80 ℃)等3種方法反應2 h,室溫冷卻,減壓抽濾得粗品,乙醚洗滌,真空干燥,甲醇-乙酸乙酯(體積比為1∶5)重結晶,得到白色固體為溴化取代芐基三乙基溴化銨產物,3種方法得到的產率分別為90%,81%和95%。

2.3 樣品的表征

用元素分析儀測定樣品中C、 H、 N含量；紅外光譜測定樣品中主要官能團的主要振動頻率(KBr壓片)；紫外-可見光譜測定樣品的對紫外和可見光的吸收情況以及電子躍遷類型(水作溶劑)；電子噴霧質譜測定季銨鹽中陽離子的式量(甲醇為溶劑)；電導率儀確定季銨鹽電解質類型(甲醇為溶劑)。

3 結果與討論

3.1 樣品中C、H和N含量分析

合成的5種季銨鹽的組成分析結果如表1所示。實驗數據與計算值基本符合。

表1 元素分析結果

注:括號內為計算值。

3.2 樣品紅光譜的分析與比較

將適量季銨鹽粉末樣品KBr壓片,用Acvatar 360 FT-IR紅外光譜儀在400～4 000 cm-1掃描測定樣品的振動頻率。季銨鹽[4NO2BzN(Et)3]Br和[4CNBzN(Et)3]Br的紅外光譜圖如圖2所示。季銨鹽的主要紅外光譜數據見表2。

圖2 季銨鹽[4CNBzN(Et)3]Br和[4NO2BzN(Et)3]Br的紅外光譜圖

季銨鹽波數/cm-1[BzN(Et)3]Br3 017,2 969,2 845,1 601,1 580,1 500,1 476,1 457,1 151,1 010,767,714[4FBzN(Et)3]Br3 030,2 970,2 832,1 602,1 514,1 474,1 455,1 226,1 169,1 011,866[4BrBzN(Et)3]Br3 021,2 966,2 818,1 630,1 587,1 497,1 460,1 148,1 015,853,558[4CNBzN(Et)3]Br3 011,2 978,2 234,1 609,1 507,1 478,1 465,1 020,859,801[4NO2BzN(Et)3]Br3 054,2 975,2 863,1 605,1 528,1 480,1 461,1 355,1 175,874,822

從表2可以看出：苯環上的C—H鍵伸縮振動峰分別出現在3 017、3 030、3 021、3 054、3 011 cm-1附近；甲基和亞甲基的C—H鍵伸縮振動分別為2 969、2 845 cm-1、2 970、2 832 cm-1、2 966、2 818 cm-1、2 978、2 865 cm-1、2 875、2 863 cm-1；苯環上骨架CC鍵伸縮振動分別出現在1 601、1 580、1 500、1 457 cm-1,1 602、1 514、1 455 cm-1、1 630、1 587、1 497、1 460 cm-1、1 609、1 507、1 465 cm-1、1 605、1 461 cm-1。從表2還可以看出,與季銨鹽[BzN(Et)3]Br相比,季銨鹽[4-FBzN(Et)3]Br在1 226 cm-1處出現C—F特征峰；[4-BrBzN(Et)3]Br在558 cm-1處出現C—Br的特征峰；季銨鹽[4-CNBzN(Et)3]Br在2 234 cm-1處出現了C≡N特征峰；季銨鹽[4-NO2BzN(Et)3]Br分別在1 528 cm-1和1 355 cm-1處出現了—NO2的特征峰[14]。[BzN(Et)3]Br中的苯環為單取代,苯環上的C—H面外彎曲振動峰出現在767 cm-1和714 cm-1處；而季銨鹽[4-FBzN(Et)3]Br、[4-BrBzN(Et)3]Br、[4-CNBzN(Et)3]Br，以及[4-NO2BzN(Et)3]Br中的苯環為1,4-雙取代,苯環上的C—H面外彎曲振動峰出分別出現在866、853、859和874 cm-1處[14]。

3.3 樣品電子吸收光譜

5種季銨鹽在200～700 nm范圍內的紫外-可見吸收光譜數據見表3,季銨鹽[BzN(Et)3]Br和[4CNBzN(Et)3]Br的光譜圖見圖3。由表可知,5種季銨鹽的紫外-可見吸收光譜大致相似,其在205～230 nm和260～275 nm范圍有2個最大吸收峰,均起源于苯環的π→π* 躍遷；當苯環對位的氫原子被助色基團(F和Br)和生色基團(—NO2和—CN)取代,最大吸收虛的峰值向長波方向位移[14]。

表3 季銨鹽的紫外-可見光譜數據

3.4 樣品中陽離子的質譜

以色譜純的甲醇作為溶劑,測定了5種季銨鹽的電子噴霧質譜。圖4為季銨鹽[BzN(Et)3]Br和[4-NO2BzN(Et)3]Br的陽離子電子噴霧質譜(m/Z為質荷比,R為相對豐度)。

測得季銨鹽的最大離子峰如下:[BzN(Et)3]Br的測量值為192.0,理論值192.1；[4-FBzN(Et)3]Br的測量值為209.9,理論值為210.1； [4-BrBzN(Et)3]Br的測量值為269.8,(M+1)峰為271.8,理論值271.0； [4-CNBzN(Et)3]Br的測量值為217.0,理論值為217.1；[4-NO2BzN(Et)3]Br的測量值為237.0,理論值為237.1；可以得知,實驗值與預期值很接近,表明所得到樣品為目標產物。

圖3 季銨鹽[BzN(Et)3]Br和[4CNBzN(Et)3]Br紫外-可見光譜

圖4 季銨鹽[BzN(Et)3]Br和[4NO2BzN(Et)3]Br的陽離子電子噴霧質譜

3.5 樣品所屬電解質類型的測定

以甲醇為溶劑配制濃度為1.0 × 10-3mol/L的[BzN(Et)3]Br、[4-FBzN(Et)3]Br、[4-BrBzN(Et)3]Br、[4-NO2BzN(Et)3]Br和[4-CNBzN(Et)3]Br的溶液,在常溫下用電導率儀測得它們的電導率分別是0.087、0.088、0.092、0.080、0.098 mS/cm。計算的摩爾電導率分別為87、88、92、80、98 S·cm2/mol,可知所合成的5種取代芐基三乙基溴化銨屬于1∶1型電解質[15]。

4 實驗教學的組織

(1) 分組實驗。由于實驗項目涉及用3種方法分別制備5種取代芐基三乙基溴化銨,實驗工作量大,因此將學生分成若干個3人小組,每個小組負責用一種方法,制備2種季銨鹽并進行表征,便于小組內對比分析取代基對季銨鹽光譜性質的影響。

(2) 集中討論與總結。各小組根據實驗結果制作PPT, 并選派1名代表陳述,小組間開展討論,總結分析影響自由基反應、親核取代反應、季銨鹽的電導率、紫外-可見光譜和紅外光譜的因素,最后以小組為單位提交實驗報告。

5 結語

綜合性實驗是在開設有機化學、分析化學、藥物化學和藥物分析等實驗課程之后獨立開設的一門實驗課程。本實驗是綜合性實驗課程中開設的實驗項目之一,將超聲波輻射和溶劑熱合成技術應用于季銨鹽的合成中,并與傳統的加熱回流方法比較,其中溶劑熱合成法產率高、純度好。學生通過文獻查閱→季銨鹽的制備→組成分析和結構表征→實驗結果的處理與分析→制作PPT和口頭報告→集中討論→撰寫實驗報告等過程,加深了有機化學和分析化學等多個學科的知識的理解,加強了化學合成技術、超聲波輻射制備技術、溶劑熱合成技術和現代儀器分析技術的訓練。

通過分組實驗和集中討論,培養了學生科學的態度和團隊精神,提高了分析問題和解決問題的能力。