薄層色譜實驗改進*

周小強，蔡秀琴，黃 棟，田戰友，安 航

(渭南師范學院化學與材料學院，陜西 渭南 714099)

有機化學反應能否進行，反應進行的程度如何，經歷哪些中間體過程，一種反應物完全轉化需要多少其它反應物，需要多長時間能夠反應完全等等，是進行有機化學反應實驗時必須考慮的基本問題，更是反應能否應用于實際生產的重要指標之一[1-2]。在本科有機化學教學實驗中，反應時間往往已經規定，或者因為教學實驗側重于學生掌握實驗原理、學習實驗操作技術、訓練動手能力、鍛煉思維方法、培養創新意識、而不過于追求產物的產率和合理的反應時間[2]，從而導致反應監測這部分內容往往不被學生重視。因此，監測反應是現代有機化學實驗的必要環節，也是本科有機化學實驗教學過程中應強化的重要內容。

薄層色譜技術(TLC)是有機合成工作者的眼睛，具有微量、快速、操作簡便等優點，被廣泛應用于監控反應。目前的本科有機化學實驗教學中，薄層色譜實驗安排的實驗內容主要包括薄層層析板的制備和混合物的分離(偶氮苯和蘇丹III的分離，鄰硝基苯胺與間硝基苯胺的分離，鎮痛藥片APC組分的鑒定)兩部分[3]。隨著商品化的薄層層析板的廣泛應用，節約出的時間可用于更加有意義的反應進程和反應歷程的探究。教材中薄層色譜分離混合物的實驗中，展開劑已給定，例如教材中偶氮苯和蘇丹III的分離建議的展開劑為9:1的甲苯—乙酸乙酯，鄰硝基苯胺與間硝基苯胺的分離建議的展開劑為5:1的環己烷—乙酸乙酯，鎮痛藥片APC組分的鑒定建議的展開劑為 12:1的1，2-二氯乙烷—乙酸[3]。這樣的實驗安排容易使學生養成照方抓藥的習慣，不利于培養學生的探索精神和質疑精神，不能有效地激發學生做實驗的興趣和自主學習的熱情，不利于學生科研素質的提升[4]。最新的實驗教材中已經有推薦使用薄層色譜技術監測反應終點的相關內容，但是此類實驗大多為一步反應，沒有顯著的中間體，對反應歷程監測的相關內容有所欠缺[5]。因此，緊貼本科教材設計“一鍋法”串聯反應，使用薄層色譜技術監測反應進程和反應歷程，使學生在學習判斷反應終點的同時，能夠更加直觀地觀察反應歷程，有助于增加學生學習有機化學的興趣，提升學生的科研素養。

酮的性質和鹵代烷的親核取代反應是本科有機化學教材中的重要內容，酮的α-H具有一定的弱酸性，容易發生鹵代反應；羧酸根離子是很好的親核試劑。選用苯甲酰乙酸乙酯為反應底物，將這兩步反應串聯起來通過“一鍋法”反應實現酮的α-H酰氧基化修飾，通過對反應條件的合理調控，使反應過程中有顯著的中間體α-溴代苯甲酰乙酸乙酯生成，反應在2～3 h內完成，利用薄層色譜技術能夠清晰地監測反應歷程。此改進實驗方案中使用的試劑低毒易得，實驗操作簡單，反應時長適宜，通過微量化學反應實現了教學實驗的目的，拓寬了學生的知識面，有助于激發學生對有機化學實驗課程的學習興趣，對有機化學實驗技能訓練和科研能力培養有很大的幫助，符合現代有機化學實驗教學改革要求。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

苯甲酰乙酸乙酯與N-溴代丁二酰亞胺、乙酸鈉在二甲基亞砜中能夠快速合成α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯，反應歷程如圖1 所示，乙腈能有效降低該反應的速率[6]。底物苯甲酰乙酸乙酯(A)、中間體α-溴代苯甲酰乙酸乙酯(B)和產物α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯(C)都含有苯環結構，在254 nm紫外燈照射下有顯著的顯色現象。

圖1 苯甲酰乙酸乙酯的乙酰氧基化反應

1.2 試 劑

苯甲酰乙酸乙酯，N-溴代丁二酰亞胺(NBS)，乙酸鈉，二甲基亞砜，乙腈，乙酸乙酯，石油醚，薄層層析硅膠預制板(25 mm×75 mm)。

α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯由苯甲酰乙酸乙酯、乙酸鈉和N-溴代丁二酰亞胺室溫條件下在二甲基亞砜中反應，并經萃取、干燥、柱層析分離制備得到，產物結構經液體核磁共振氫譜、碳譜，質譜測試分析得到確認，與文獻值一致[7]。

在教學活動中，本論文實驗(2)所得到的α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯粗產物可安排用于學生柱層析分離練習使用，得到的α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯純品可用于下一級學生薄層色譜實驗使用。

1.3 儀器和表征方法

分析天平，磁力攪拌器，玻璃儀器，手持式紫外燈，氣相色譜質譜聯用儀(Thermo Fisher， ISQ 7000)。

中間體α-溴代苯甲酰乙酸乙酯的結構由氣相色譜質譜聯用儀進行表征。

1.4 實驗步驟

(1)苯甲酰乙酸乙酯與α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯的分離分別取2 mg的苯甲酰乙酸乙酯和α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯，用0.5 mL乙腈溶解，制成標樣A和C。在同一塊薄層板上均勻的點5個A與C的混合樣，分別用等體積的石油醚—乙酸乙酯體積比為20:1、15:1、10:1、5:1和1:1的5種展開劑點在混合樣上，通過展開劑和混合物的擴散程度粗選出2～3種展開劑，并通過單向展開實驗篩選出最優展開劑，分別求出樣品A和C的比移值Rf。

(2)薄層色譜監測苯甲酰乙酸乙酯α- H的乙酰氧基化反應

分別取3個反應管并編號，1號反應管中依次加入19 mg苯甲酰乙酸乙酯(0.10 mmol)、12 mg無水乙酸鈉(0.15 mmol)、1 mL乙腈、0.2 mL二甲基亞砜和18 mg NBS(0.10 mmol)。2號試管作為對照組，16 mg無水乙酸鈉(0.20 mmol)在反應進行1 h后加入反應體系。3號作為對照組，不加NBS，見表1所示。

表1 苯甲酰乙酸乙酯的α- H的乙酰氧基化反應對照實驗

在10 min、20 min、40 min、60 min、……時，分別用點樣毛細管取A、1、2、3、C中反應液，從左至右點在畫有均勻分布的5個點的薄層層析硅膠板上，用實驗(1)中優選出的石油醚—乙酸乙酯展開劑展開，在紫外燈下觀察現象并記錄，直至1號反應管中反應液反應完全。在反應進行60 min時，從2號反應管中取少量反應液進行氣相色譜-質譜聯用分析。

1.5 注意事項

(1)薄層層析板使用前需要活化處理。

(2)點樣位置必須高于展開劑液面。

(3)點樣量盡可能保持一致。

(4)點樣時毛細管液面剛好接觸到薄層即可，切勿點樣過重而使薄層破壞。

2 結果與討論

2.1 苯甲酰乙酸乙酯與α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯的分離

通過展開劑和混合物的擴散程度，粗選了15:1、10:1、5:1的三種展開劑，見圖2所示。通過這三種體系對混合物的單向展開實驗，優選的最佳展開劑為體積比為10:1的石油醚-乙酸乙酯，苯甲酰乙酸乙酯的Rf值為0.40，α-酰氧基苯甲酰乙酸乙酯的Rf值為0.17，見圖3所示。

圖2 不同體積比的石油醚—乙酸乙酯對混合樣的擴散結果

圖3 三種體積比的石油醚—乙酸乙酯對樣品的單向展開實驗結果

2.2 薄層色譜監測苯甲酰乙酸乙酯的α- H的乙酰氧基化反應

TLC監測苯甲酰乙酸乙酯的α-H的乙酰氧基化反應實驗結果如圖4所示。從反應進行過程中的薄層色譜分析結果可以看出，反應10 min時，第2、3組中均有Rf值為0.4的點，與A樣品Rf值一致，該點組分為苯甲酰乙酸乙酯；第1組反應液中未觀察到Rf值為0.40的點，說明苯甲酰乙酸乙酯已經完全消耗。第1、2 組中均新增了Rf值為0.35的點，推測此組分為反應的中間產物α-溴代苯甲酰乙酸乙酯B。第1組中新增了Rf值為0.17的點，與產物C的Rf值一致，證明此時已有酰氧基化產物生成。

圖4 薄層色譜監測苯甲酰乙酸乙酯α- H的乙酰氧基化反應實驗結果

隨著反應的進行，通過TLC實驗監測能夠清晰的觀察到第1組反應液中組分B的含量顯著降低，組分C的含量顯著增加；第2組反應液中組分A的含量略有降低，組分B的含量有明顯增加；第3組反應液中沒有監測到新組分的生成。

在反應進行60 min時第2組反應液的氣質聯用分析結果中發現有質荷比為270的信號和272的信號，強度比為1:1，證明該反應中有α-溴代苯甲酰乙酸乙酯B生成，如圖5所示。

圖5 α-溴代苯甲酰乙酸乙酯(B)的EI-MS圖

反應進行80 min時，在第2組反應液中觀察到了Rf值為0.17的組分C。反應進行100 min時，第1組反應反應完全，有大量的組分C生成。反應進行120 min時，第2組反應中組分C的含量顯著增加。第3組反應依然沒有監測到新組分的生成。

上述結果表明：苯甲酰乙酸乙酯的乙酰氧基化反應是在NBS和NaOAc的共同作用下完成的，反應經歷了苯甲酰乙酸乙酯α-H的溴代過程，NaOAc能夠促進苯甲酰乙酸乙酯的α-H溴代反應，反應時長約為120 min。

3 結 語

本實驗是教材中薄層色譜實驗的改進與創新設計，將驗證型實驗改為探索型實驗，讓學生自己尋找較優的展開體系、判斷最優反應時長；利用薄層色譜技術對苯甲酰乙酸乙酯的α-H的乙酰氧基化反應歷程進行監測，有利于學生直觀地觀察有機化學反應的進程，激發學生對有機化學實驗的學習興趣。本實驗是室溫條件下一鍋法微量反應，所用試劑價格便宜，容易購買，實驗操作簡單，反應時長2～3 h，適用于大規模本科實驗教學。本實驗涉及的酰氧基化反應與親核取代反應在有機合成中具有廣泛的應用，有利于拓寬學生的知識面，對學生有機化學實驗技能訓練和科研能力培養有很大的幫助，符合現代有機化學實驗教學改革的要求。