阿司匹林合成過程在線分析實驗教學實踐

姚志湘，馬鑫，張景清，蘇譽婷，粟暉

廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006

化工領域除了傳統化工核心課程外，分析、建模、仿真、過程控制類等課程的相對重要程度也越來越高[1]。化學測量學與技術的快速發展迫切需要交叉學科人才，我國在2021年批準設置了新工科“化學測量學與技術”專業，培養人才來應對新一輪科技革命與產業變革的戰略需要[2]。為了提升本科教學的前沿性和學術性，遵循新工科發展方向，體現化學工業等過程行業的最新技術需求，我們將科研成果中基于空間角轉換的多元體系組成快速跟蹤方法應用于教學。

過程分析技術(PAT)是過程工業在新時代背景下發展的一個新領域，是化學工程學科中具有代表性的技術進步。拉曼光譜的優勢在于無損、無需樣品前處理，具有優秀的實時響應性，“在線拉曼光譜”技術已用于各種過程的實時檢測以及各類化學反應的研究，實現過程中物料性質和含量的快速表征[3]。

阿司匹林合成是經典的教學實驗項目，其中涉及乙?；椒ǖ倪x擇、加料方式、溫度及反應時間控制、產物的分離與純化以及結構表征等多項內容。目前教學實驗主要是在催化劑選擇、合成、純化、含量測定等方面進行改進[4]。我們在現有基礎上，設計了“文獻查閱-實驗設計-合成制備-分析表征-過程分析”一體化的綜合設計性教學實驗，其中過程分析的實驗內容主要是引入了PAT的觀念，采用基于子空間角度轉換的化學計量學方法，實現阿司匹林合成產物的無損定量和反應過程的趨勢跟蹤[5]。通過學習讓學生對于化工新發展和新技術產生直接認識，拓寬學生的視野，激發學生的學習熱情，培養學生的前沿思想、創新思維及綜合實踐能力。

1 實驗目的

(1) 了解阿司匹林合成的反應機理和方法。

(2) 了解PAT的基礎理念及初步掌握相關實驗技能。

(3) 學習拉曼光譜結合空間角轉換快速分析阿司匹林合成過程的方法。

2 實驗原理和數據處理步驟

乙酰水楊酸(阿司匹林)為解熱鎮痛的非甾體抗炎藥，一般由水楊酸乙?；玫?。在其合成反應體系中，主要包括的物質有乙酰水楊酸、水楊酸、醋酸酐、乙酸和副產物，主反應式如圖1所示。

圖1 乙酰水楊酸(阿司匹林)合成路線

這是一個復雜的多組分體系，涉及四個以上組分的同時定量分析。在電化學和傳統光譜法分析中，多組分體系分析往往缺乏良好的選擇性特征。采用傳統教學實驗的分析手段(如色譜等離線方式)難以在一個實驗學時段(3 h)完成分析。本實驗方案引入的光譜空間角定量方法對于多組分體系中各個分量都具有良好選擇性，可以較便捷地在合成實驗完成的同時，實現組分的實時定量，所用實驗時間少于3學時數。

2.1 基本原理

作者前期采用空間角討論和評價了多元校正和分辨問題[6]。將多組分體系中每個組分的光譜視為方向不同的單一向量，各個向量的長度(即模量)代表各物質的含量，體系為多個向量構成的空間，多組分定量即轉化為在空間中量取各個向量的模量問題。體系的空間關系如圖2所示。其中N表示待測樣本中所有組分光譜信號張成的子空間，v表示對照品信號，a表示樣本中被測物信號(a∈N)，a與v構成夾角θ。當a含量越接近v，a和v之間的夾角值越小，反之夾角值越大。

圖2 體系的空間關系圖

a和v的空間角可由矢量內積公式表示：

通過角度度量轉化思路，進一步指出在一定濃度范圍內，混合物信號N中被測物信號a (a∈N)與對照品信號v之間的夾角值θ和混合物體系中被測物含量C存在線性相關性，且該相關性不受測量條件變化影響[7]。

在實際測量中，拉曼光譜存在背景響應大，光譜強度變化大(主要是乘性響應干擾)等問題。需要對直接采集的光譜數據先進行預處理予以消除干擾[8]。本實驗在計算角度值前對原始光譜進行降噪和求導處理以降低噪聲和背景響應，進一步通過角度定量消除乘性干擾。

對于本實驗中的阿司匹林合成體系，可以將采集到的合成過程(或產品)的拉曼光譜N中的阿司匹林組分作為向量a，阿司匹林對照品的拉曼光譜為向量v。隨著反應進行，阿司匹林含量逐漸增大，a和v間的角度值會逐漸減小，若進而生成副產物，其角度值會增大；反應物水楊酸含量逐漸減少，對應的過程光譜和水楊酸對照品的角度值會逐漸增大。也就是說，角度值θ可間接反映組成含量，利用角度值可跟蹤反應過程各組成變化情況。

a和v之間的空間角θ與阿司匹林含量C存在近似線性關系，即θ = k1C + k2。通過直接采集過程(或各樣本)的光譜，調用算法計算得到角度值，代入線性方程可進行定量分析。

2.2 夾角值的計算步驟和算法

以過程光譜中阿司匹林夾角值的計算為例，步驟包括：

1) 采集被測信號對照品阿司匹林的拉曼光譜v和反應過程的拉曼光譜ai；

2) 將測量的光譜數據導入計算機；

3) 對光譜數據降噪處理；

4) 求取降噪后數據的一階或高階導數；

5) 求取反應過程導數譜與對照品導數譜間的夾角值θ(采用Matlab中“subspace”命令求得)；

6) 以夾角的負值間接表示被測物阿司匹林在體系中的含量變化。

基于Matlab算法程序行如下：

更進一步的，取反應起點和終點樣品絕對定量后，將變化趨勢標定至物質的絕對量，即可得到各組分絕對物質量(摩爾量)的動力學實時值。

3 實驗部分

3.1 儀器與試劑

儀器：拉曼光譜儀(ExR610，西派特(北京)科技有限公司)，便攜式拉曼光譜儀(SEED3000，上海如海光電科技有限公司)，高效液相色譜儀(Primaide，日立科學儀器(北京)有限公司)，智能磁力攪拌器(ZNCL-GS，鞏義市予華儀器有限公司)，分析天平(CP214，奧豪斯儀器(上海)有限公司)。

試劑：乙酰水楊酸(阿司匹林) (AR)、水楊酸(AR)、醋酸酐(AR)、氨基磺酸(AR)，無水乙醇(AR)，甲醇(色譜純)。

3.2 實驗內容

3.2.1 乙酰水楊酸的制備

將選課班級所有學生分為9個小組，各小組同學按提前選定的實驗條件，在150 mL三口燒瓶中依次加入一定量的水楊酸、乙酸酐，水浴加熱，磁力攪拌使水楊酸溶解，加入催化劑氨基磺酸，反應一定時間。待反應混合物冷卻至室溫后，冷水浴中攪拌并緩慢加入10 mL水，冷卻15 min。靜置，使晶體完全析出，抽濾，用冷的蒸餾水多次洗滌，再抽濾；烘干得到乙酰水楊酸粗產品。采用乙醇重結晶，得到重結晶后產品。

3.2.2 拉曼光譜結合空間角轉換快速分析合成產物

1) 樣本拉曼光譜采集。

取粗產品和重結晶產品共14份(S1-S14)，分別采集乙酰水楊酸對照品與14份合成產品的拉曼光譜。光譜采集條件：拉曼光譜儀(ExR610)，中心波長532 nm，積分時間2000 ms，功率等級9。

2) 高效液相色譜分析合成產物中的阿司匹林。

配制1 mg·mL-1的乙酰水楊酸對照品標準溶液，依次進樣20、15、10、5、2.5、2 μL，進行液相色譜分析，繪制標準曲線。

取14份產品分別用流動相配制成濃度為1 mg·mL-1的溶液，進行液相色譜分析；將液相色譜數據中乙酰水楊酸的峰面積分別代入標準曲線中，計算出各產品中阿司匹林的含量。

液相色譜條件[9]：C18色譜柱(4.6 mm × 250 mm，5 μm)；流動相為甲醇: 1%醋酸溶液(V : V =40 : 60)；流速為1 mL·min-1；室溫；檢測波長276 nm；進樣量20 μL。

3) 分析模型建立。

① 按液相色譜分析結果，從S1-S14中間隔選擇包含系列樣本最大與最小濃度的建模樣本6份；

② 分析建模樣本光譜與阿司匹林對照品光譜，選擇建模波長范圍；

③ 對建模樣本光譜進行求導降噪處理；

④ 分別計算得到各樣本導數譜與阿司匹林對照品導數譜的夾角值θ；

⑤ 建立θ與各樣本中阿司匹林含量C的線性方程。

4) 拉曼光譜法分析合成產物中的阿司匹林。

取S1-S14中除建模樣本外的其余8份產品作為驗證樣本，依照建模的數據處理參數，分別計算得到各驗證樣本光譜與阿司匹林對照品光譜的夾角值θ。代入步驟⑤建立的方程中，得到各樣本中阿司匹林的含量，并與液相色譜分析結果比較。

3.3 拉曼光譜法跟蹤阿司匹林合成過程組成變化

3.3.1 合成過程拉曼光譜采集

各小組依照選擇的實驗條件，分別稱取一定量的水楊酸、乙酸酐加入100 mL的三口燒瓶中，磁力攪拌，待水楊酸完全溶解后加入氨基磺酸，80 °C恒溫反應20 min (或根據實際情況定)。采用浸入式探頭每間隔1 min采集一次反應體系的拉曼光譜，保存為Time (G1-G20)。取乙酰水楊酸(阿司匹林)對照品1 g左右，采集其拉曼光譜數據，記為B1(ASPL)。其中光譜采集條件：SEED3000 (如海光電)，中心波長785 nm，功率500 mW，積分時間1 s (或根據實際情況定)，采集次數1次。

3.3.2 數據分析

將所采集的反應過程光譜數據G1-G20和阿司匹林對照品光譜數據B1導入Matlab算法平臺；調用算法程序，對G1-G20和B1進行求導降噪后，分別求取反應過程G1-G20與B1的夾角值θ；繪制夾角θ和反應時間的關系圖，得到合成過程中產物乙酰水楊酸(阿司匹林)的反應趨勢。依照此方法可得到體系中其他主要組分的反應趨勢。

4 結果與討論

4.1 拉曼光譜快速分析阿司匹林合成產物

4.1.1 液相色譜分析結果

以濃度為橫坐標，峰面積為縱坐標，繪制標準曲線為y= 8.7323x+ 95.724。利用標準曲線求出14份合成產品中阿司匹林的含量，見表1。

4.1.2 分析模型建立

采集的14份合成產品拉曼光譜如圖3所示，譜圖存在各組分光譜重疊、基線漂移和熒光干擾現象，會影響混合物中被測組分的測量準確性。

圖3 直接采集的各樣本拉曼光譜圖

從14份樣本中選擇S1、S3、S9、S10、S11、S12這6個樣品作為建模樣本，液相色譜分析結果作為建模的真實值。分析建模樣本光譜與阿司匹林對照品光譜，截取555-923 cm-1、1025-1258 cm-1、2573-2915 cm-1波段的光譜數據，調用算法對建模樣本光譜進行三階導數求導降噪處理，經過平滑降噪、微分處理后樣本的特征響應信號增強，結果見圖4。然后計算各建模樣本光譜與阿司匹林對照品光譜的系列夾角值θ，建立θ值與含量的關聯方程，其中θ= - 0.013C+ 2.5799，相關系數r為0.9881。

圖4 建模樣本的導數譜

4.1.3 拉曼光譜快速分析合成產品

依照建模所得參數，求取其余8份驗證樣本光譜與阿司匹林對照品光譜的夾角值θ，將所得θ值代入建立的方程中，得到各驗證樣本阿司匹林含量，并與液相色譜分析測定值比較，結果見表2。

表2 基于角度轉換拉曼光譜法測定驗證樣本中阿司匹林百分含量的結果

由表2看出，高效液相色譜法預測值與拉曼光譜結合角度轉換快速分析方法預測值的絕對誤差在0.29%-6.36%之間，相對誤差在0.32%-6.93%之間，驗證了所建立的拉曼光譜快速分析方法的可行性。

對于該實驗體系，模型建好后，后續只需要直接采集待測樣本的拉曼光譜，將光譜數據導入算法平臺，利用編寫好的算法程序可計算得到樣本中阿司匹林含量，方法快捷，30 s出結果，可無損測量且無試劑消耗。

4.2 拉曼光譜法跟蹤阿司匹林合成過程組成變化

采用便攜式拉曼光譜儀，采集不同時間下反應過程的拉曼光譜圖見圖5。按2.2步驟分別求取反應過程光譜與水楊酸、乙酸酐、阿司匹林和乙酸的分析純光譜的夾角值，得到各組分夾角值在不同反應時間下的變化趨勢圖。由于角度值和含量呈線性負相關，為直觀考慮，縱坐標選取角度值負值，見圖6。若分別建立角度值和各組分含量的關聯方程，采集某一時間下的光譜，則可得到該時間下體系中的各組成含量。

圖5 反應過程的拉曼光譜圖

圖6 不同反應時間下各組分夾角值的變化趨勢

教學過程中各實驗小組選擇不同的反應條件進行實驗。將各小組的實驗數據導入計算平臺，截取148-815 cm-1、986-1318 cm-1、1563-1745 cm-1的波段光譜數據進行降噪和2階導數預處理，然后求取反應過程光譜與阿司匹林對照品光譜的夾角值。圖7給出了學生實驗得到的三種具有代表性的反應趨勢。

圖7 學生實驗得到的反應過程阿司匹林含量變化圖

從圖7可以看出，對于同一個合成實驗，不同實驗小組得到的反應趨勢各不相同。在實際操作過程中，存在反應條件如反應時間、反應溫度以及光譜采集時間未能較好控制等各種問題。如圖7(a)實驗小組較好地控制了反應條件，實驗操作較為規范，隨著反應進行阿司匹林含量逐漸增大，在10 min后趨于平緩，實驗結果符合預期。圖7(b)小組同學在實際操作過程中，水楊酸和醋酐加入反應瓶保溫反應一段時間后才開始進行光譜采集，體系在開始反應前已充分分散，從圖中趨勢可看出，在6-9 min阿司匹林含量已趨于平衡，后續階段，隨著反應的進行，乙酰水楊酸進一步生成水楊酰水楊酸酯等副產物，體系中阿司匹林含量受副反應消耗而減小。圖7(c)實驗小組溫控保持不良，反應溫度較低，反應速度較慢，阿司匹林達到反應平衡時的含量也較低。

由于采用新的過程表征手段，獲取了豐富的反應過程信息，使學生對反應動力學有了更直觀和感性的認識；同時，各小組操作條件的不同，無形中也豐富了學生對于同一反應多個側面的觀察，“全息化”實現對過程的理解，這是傳統實驗手段難以達到的。

5 實驗教學指導方案及教學效果

5.1 實驗指導方案

加強實驗預習、過程實踐和實驗報告撰寫的要求，充分調動學生的自主學習能力和探索精神。在實驗預習教學過程中，教師首先要提出實驗預習要求，引導學生進行文獻調研，學生進行深度預習，完成預習報告。教師根據提交的預習報告，針對共性問題，提出指導意見。預習要求包括查閱文獻，了解過程分析技術的發展現狀；學習空間角轉換的基本原理；理解數據處理的基本方法；寫出預習中遇到的問題。學生選擇好實驗組別后獨立實驗，實驗前教師分小組逐一講解，就實驗過程中可能出現的問題組織小組討論。每位學生通過分析歸納實驗結果，獨立完成實驗研究報告。

實驗過程中可能存在的問題及教學措施：(1) 就如何控制反應條件、規范實驗操作、有效采集拉曼光譜等問題組織學生討論；不規范的操作可能會導致采集的光譜數據不理想，所以教師要教導學生尊重實驗事實并正確對待實驗結果。(2) 由于大部分同學在前期的學習中從未接觸過程分析技術，對原理的理解不夠清楚，需要教師在實驗過程中向每一小組學生進行原理和算法解釋。(3) 部分學生在具體的實驗操作過程中，依葫蘆畫瓢，只是按照提供的操作方法和數據處理步驟逐步完成實驗內容，還有部分學生做完實驗，卻仍然不能明白實驗的目的是什么。針對這些問題，教師要隨堂指導，允許學生在實驗過程中存在變通。

5.2 實驗教學效果

整個實驗完成的過程中都需要學生獨立發現、分析并解決問題，對學生實驗能力的提高和科研素質培養非常有利，體現了培養學生科學研究素質、提高思維訓練的教學目標。本?；I實驗總學時為24，“阿司匹林合成及過程分析”是其中一個“文獻查閱-實驗設計-合成制備-分析表征-過程分析”一體化的綜合設計性教學實驗項目，所占學時為8學時，其中過程分析部分占3學時。通過化工17級、化工18級連續兩屆學生的實驗教學實踐，我們發現學生對新技術、新方法的研究興趣有所增加，主動思考和獨立思考訓練效果明顯；部分學生通過學習，將理論和算法應用到自己的畢業環節課題研究中。本實驗還可從兩個方面進一步改進和拓展：(1) 加強理論背景知識的介紹和算法解釋；(2) 利用該技術原理，增加阿司匹林合成的反應動力學研究教學內容，提高學生實驗設計的參與性。

6 結語

本實驗合成反應快速，光譜采集便捷，調用算法進行數據處理過程簡單，減少了現有色譜離線測量的溶劑消耗，綠色環保，可滿足本科教學的時長及安全性要求。在教學中建立反應產物的快速分析方法，提出一種新的實驗手段可實時描述反應體系，使學生構建了“無損測量和過程分析”的科學思想。將教師科學研究成果引入實驗教學中，提升了教學的學術深度，開拓了學生視野，激發了學生的學習熱情，有助于培養學生的創新意識和綜合實踐能力。后續可研發適合該實驗的教學裝置，包括算法的改進、軟硬件集成，并拓展到均相催化實時動力學研究、過程中間體跟蹤等系列實驗項目，改善目前因實驗手段欠缺導致的實驗粗放、原理描述不到位等問題。