應用兩種統計軟件實現安息香縮合反應的工藝優化

付 正 王愛華 丁 陽 李 新 張 遠

山東醫學高等專科學校藥學系，山東濟南 250002

安息香（二苯乙二酮）是一種重要的化工原料，也是一種重要的藥物合成中間體，安息香縮合反應作為環境友好實驗的典范被廣泛收載在各個大學的綜合設計性實驗中。很多文獻對該反應進行過改進，如用其他催化劑（金屬催化劑，相轉移催化劑等）代替維生素B1的情況，用三乙胺代替氫氧化鈉的情況，利用超聲法或微波法的例子[1-3]。在大學生教學實驗中，安息香縮合反應是指在維生素B1催化作用下，兩分子苯甲醛縮合生成安息香的過程[4-5]。因為維生素B1催化活性的問題，在學生實驗中一直存在實驗失敗率較高，產率相差較大的問題。雖然也有文獻報道采用正交設計的方法考察最佳的合成條件[6]，但未涉及統計軟件使用，計算較繁瑣，不利于學生掌握和使用。SPSS 17.0是經典的統計學分析軟件，應用于自然科學、技術科學、社會科學等的各個領域，有數據錄入、整理、分析功能于一體，操作簡單、容易上手、分析功能強大等特點[7-12]。正交設計助手是一款針對正交實驗設計及結果分析而制作的專業軟件，具有能直接導出效應曲線圖，直觀體現最優合成反應條件等優點[13-15]。本文將探討如何有效地利用兩種統計軟件對該實驗的影響因素進行研究，簡化流程，優化有機合成反應條件，期望為大學生開展有機合成實驗時最佳反應條件的摸索提供參考。

1 材料與儀器

1.1 材料

苯甲醛（AR，98% purity，天津市大茂化學試劑廠，100-52-7）；鹽酸硫胺（維生素 B1）（BR，98% purity，上海德榜化工有限公司，67002134）；無水乙醇（AR，99.7% purity，20180410），氫氧化鈉（AR，96% purity，20171202），均購自天津市富宇精細化工有限公司。

1.2 儀器

水浴恒溫震蕩儀（蘇州歐倍科學儀器有限公司OBS-B型）；核磁共振儀（Bruker Avance AMX-400型）；紅外光譜儀（天津港東公司，FTIR-650A型）。

2 方法與結果

2.1 研究設計

本研究主要是利用正交設計助手創建和設計實驗，確定實驗計劃表。按計劃進行實驗，計算產率，將實驗結果（產率）輸入計劃表，得出方差分析表和效應曲線圖。再利用SPSS 17.0統計學軟件對同樣的數據進行分析，輸出了相同的方差分析結果，同時在結果中展示了具體的P值，同時，SPSS軟件還可以反映三個因素間是否存在交互作用。最后根據正交設計助手創建的效應曲線圖確立最優的實驗條件，進行實驗驗證，見圖1。

圖1 研究設計圖

2.2 研究步驟

根據前期實驗經驗，先利用正交設計助手軟件設計因素與水平表，選擇3個溫度，3個時間，3個pH值進行實驗（圖2）。在不同條件下進行9組實驗，記錄實驗結果（即產率），見圖3。

圖2 因素與水平圖

圖3 實驗計劃圖

利用兩種軟件輸出的各自的方差分析表（圖4），圖4A顯示溫度、時間、pH值均對產率影響顯著。圖4B顯示P=0.019＜0.05，建立的模型顯示差異有統計學意義，溫度、時間、pH值的概率值分別為0.045、0.032和0.010，差異均有統計學意義（P＜0.05）。

圖4 方差分析圖

另外，利用SPSS軟件考察了三個因素之間的兩兩交互作用（圖5），發現三個因素之間不存在交互作用。

圖5 三個因素間的兩兩交互作用

最后用正交設計助手做出效應曲線圖（圖6），從圖中可以看出溫度60 ℃、時間90 min、pH=10時，產率最高，建議以此作為最優實驗條件。

圖6 效應曲線圖

2.3 實驗驗證與結果

具體實驗過程：在干燥的150 ml錐形瓶中加入維生素 B12.5 g、蒸餾水7 ml、無水乙醇 30 ml，搖勻后，置于冰水浴冷卻。將10% NaOH溶液10 ml置于試管中，同樣冰水浴冷卻。將10% NaOH溶液逐滴滴入錐形瓶中，邊振搖邊調節pH到9 ～ 10（pH不可超過10）。撤除冰浴，立即加入新蒸的苯甲醛20 ml，搖勻，再用10% NaOH調pH值到10，錐形瓶罩塑料膜，置水浴恒溫振蕩器中（60 ℃）反應1.5 h，反應中保持pH值為9～10。冷卻至室溫后，置于冰水浴中冷卻。減壓抽濾，洗滌。粗產物用95%的乙醇重結晶。

三組學生同時按上述過程實驗，成功率為100%，三組產率分別為65%、69%和70%，平均達到了68%的產率。最后進行產物安息香的結構確證，樣品經CDCl3溶解后用核磁共振儀測試1H NMR（圖7），1H NMR各峰的歸屬：化學位移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）。樣品用紅外光譜儀測試，KBr壓片（圖8），吸收峰的歸屬：2500～500 cm-1是O-H振動吸收，1690 cm-1左右為羰基（C=O）的伸縮振動吸收，1400～1600 cm-1為苯環的骨架振動吸收。

圖7 安息香的1H NMR圖譜

圖8 安息香的IR圖譜

3 討論

本研究首次嘗試在大學生開展有機合成實驗時，同時利用兩種統計軟件進行正交實驗設計和分析，確定最優的實驗條件，提高實驗的重現性和產率。正交設計助手軟件是專門用于正交設計實驗的軟件，操作簡單，其優點是可以輸出SPSS 17.0軟件無法輸出的效應曲線圖，從圖形上清晰顯示因素對結果的影響情況，對最優實驗條件的選取提供依據。但正交設計實驗軟件的缺點是輸出的方差分析表中是以*表示顯著性水平，缺少具體的概率數值，而SPSS 17.0軟件完全彌補了這一不足，其輸出結果中具體描述了方差分析的結果，清晰地表達了具體的概率數值，便于數據的對比和分析。同時SPSS 17.0軟件還能夠進行正交設計軟件無法進行的兩兩交互圖的輸出，便于進行對交互作用的相互影響情況的研究。兩種軟件相互補充，更詳盡的數據結果和最優實驗條件篩選過程，這是過去所有文獻都未報道的。

用科學的方法對有機合成實驗的影響因素進行研究，既有提高實驗的成功率和產率的現實意義，又有在專業軟件指導下進行相關研究的理論意義，也為開展大學生綜合設計實訓中探索相關合成反應的影響因素研究提供參考。