許保海

檸檬肟是合成國(guó)際新型香料檸檬腈的中間體。目前國(guó)內(nèi)外所采用的基本合成方法是用物理或化學(xué)方法從山蒼子油提取檸檬醛［1］，用檸檬醛與鹽酸羥胺或硫酸羥胺反應(yīng)制備檸檬肟，再用乙酐等作脫水劑［2］使檸檬肟脫水生成檸檬腈。從山蒼子油提取的檸檬醛有兩種構(gòu)型，分別是構(gòu)型為E型的α-檸檬醛和構(gòu)型為Z型的β-檸檬醛。中間產(chǎn)物檸檬肟的肟鍵與一雙鍵共軛，從理論上說(shuō)，該結(jié)構(gòu)可能存在如圖1所示的4個(gè)構(gòu)型的檸檬肟:

圖1 檸檬肟的4個(gè)構(gòu)型

從查得的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)看，關(guān)于合成中間體檸檬肟不同構(gòu)型的色譜定性未見(jiàn)報(bào)道。本文針對(duì)用山蒼子油提取的檸檬醛經(jīng)羥胺反應(yīng)得到的檸檬肟，利用氣相色譜儀、氣質(zhì)聯(lián)用儀，從質(zhì)譜解析、有機(jī)合成各構(gòu)型簡(jiǎn)單產(chǎn)率比的角度對(duì)合成中間體檸檬肟構(gòu)型的色譜定性作了探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

氣相色譜:GC-14C，配FID檢測(cè)器(島津公司，日本);氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀:GC 6890-MS5973 (惠普公司，美國(guó))。

檸檬醛(92%)(由黔產(chǎn)山蒼子油提取，貴陽(yáng)海豐日化有限公司售)，鹽酸羥胺，碳酸鈉，鹽酸，所用試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 中間體檸檬肟合成

在250 mL三口燒瓶中加入水50 mL，攪拌下加入鹽酸羥胺11.1 g與碳酸鈉12.7 g。充分溶解后裝上攪拌裝置，控制一定的攪拌速度，用水浴加熱，控制反應(yīng)溫度為(70±1)℃。15 min內(nèi)滴加完18.5 mL(約 0.1 mol)檸檬醛。反應(yīng)完畢后取油層樣，樣品用乙醚稀釋后進(jìn)氣相色譜、氣質(zhì)聯(lián)用儀分析。

1.2.2 氣相色譜儀設(shè)定

HP-5(5%苯基甲基硅氧烷)毛細(xì)管色譜柱，25 m×200 μm×0.25 μm;柱初溫 100℃保留1 min，以13℃/min升至165℃，保留1 min后以2℃/min升至175℃，保留1 min;載氣為高純氮，恒流方式1.0 mL/min;分流進(jìn)樣，分流比50∶1;氫火焰離子檢測(cè)器(FID);柱前壓100 kPa，氫氣50 kPa，空氣70 kPa，進(jìn)樣口溫度 200℃;檢測(cè)器溫度250℃;進(jìn)樣量1 μL。

1.2.3 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀設(shè)定

GC條件:HP-5(5%苯基甲基硅氧烷)毛細(xì)管色譜柱，25 m×200 μm×0.25 μm;柱初溫100℃保留1 min，以13℃/min升至165℃，保留1 min后以2℃/min升至175℃，保留1 min;載氣為高純氦，恒流方式1.0 mL/min;進(jìn)樣口溫度250℃;分流進(jìn)樣，分流比50∶1;進(jìn)樣量1 μL;延遲時(shí)間1.5 min。

MS條件:EI離子源，電子能量70 eV;離子源溫度230℃;四級(jí)桿溫度150℃;色譜質(zhì)譜傳輸線溫度280℃;掃描頻次2.83次/s;倍增電壓1 529 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)譜圖解析的構(gòu)型色譜定性探討

2.1.1 總離子流色譜圖與產(chǎn)物質(zhì)譜圖

取合成反應(yīng)2 h后的樣品經(jīng)乙醚稀釋后進(jìn)氣質(zhì)聯(lián)用儀分析，總離子流色譜圖見(jiàn)圖2。

圖2 合成產(chǎn)物的總離子流色譜圖

對(duì)圖2中的6個(gè)主要色譜峰進(jìn)行了質(zhì)譜掃描，其中后4峰的質(zhì)譜圖見(jiàn)圖3。

圖3 4個(gè)色譜峰的質(zhì)譜圖

2.1.2 碎片離子峰m/z 99的質(zhì)譜解析

對(duì)取得的各組分質(zhì)譜圖進(jìn)行譜圖(Wiley譜庫(kù)，27.5萬(wàn)張)檢索后發(fā)現(xiàn)，前兩峰即為反應(yīng)物Z式和E式檸檬醛，而后4峰A、B、C、D無(wú)標(biāo)準(zhǔn)譜圖可檢索。由于檸檬肟的分子量為167，顯然，m/z 167是各色譜峰的分子離子峰M+·。

在使用質(zhì)譜解析確定肟構(gòu)型的應(yīng)用方面，McLafferty關(guān)于氫重排的理論［3］已有大量應(yīng)用，見(jiàn)文獻(xiàn)［4］～［6］。根據(jù)F.W.McLafferty的關(guān)于氫重排的理論:發(fā)生γ-氫極易重排到不飽和官能團(tuán)上的原因不是由于六圓環(huán)過(guò)渡態(tài)的空間選擇性，也不是由于協(xié)同反應(yīng)的促成，而是取決于3個(gè)因素:氫的不穩(wěn)定性、位置的接受能力和產(chǎn)物的穩(wěn)定性。對(duì)于其他非六圓環(huán)重排，只要滿足McLafferty關(guān)于氫重排的理論(核心是3個(gè)因素均符合)，那么重排是可能的。觀察質(zhì)譜圖3可以發(fā)現(xiàn)，色譜峰C與D存在相當(dāng)顯著的碎片離子峰m/z 99，而A與B則沒(méi)有或甚小。為此，我們根據(jù)McLafferty的關(guān)于氫重排的理論對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。圖4為碎片離子峰m/z 99的裂解解析:

圖4 碎片離子峰m/z 99的裂解解析

首先，從位置的接受能力來(lái)看，4個(gè)異構(gòu)體均有含氮的官能團(tuán)，它是最能按受重排氫的，但空間因素卻限制了(E、Z)與(Z、E)的氮原子接受氫的能力。如圖5a，對(duì)于(E、Z)-檸檬肟，這樣的氫遷移是不利的;而對(duì)于(E、E)和(Z、Z)檸檬肟來(lái)說(shuō)，它們卻沒(méi)有氮原子上的羥基所帶來(lái)的空間因素的限制。如圖5b，對(duì)于(E、E)-檸檬肟，這樣的氫遷移是有利的。

圖5 發(fā)生氫遷移的空間因素示意圖

當(dāng)然，(E、E)或(Z、Z)檸檬肟并非全都會(huì)發(fā)生這樣的氫遷移，因?yàn)榕c4位碳或5位碳相連的價(jià)鍵均是σ鍵，它們可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖5c，氫原子與氮原子相距太遠(yuǎn)，發(fā)生氫遷移亦是困難的。但是，對(duì)于(E、E)或(Z、Z)檸檬肟而言，可以發(fā)生氫遷移的這種有利位置一定是存在的，只是一個(gè)概率多少的問(wèn)題了。

其次，1位甲基上的氫是與不飽和碳碳雙鍵相鄰的碳原子上的氫，根據(jù)氫的不穩(wěn)定性因素，它是容易發(fā)生氫遷移的。

最后，從產(chǎn)物的穩(wěn)定性因素看，由于裂解后產(chǎn)生的碎片離子峰m/z 99的不成對(duì)電子處于共振穩(wěn)定態(tài)，產(chǎn)物穩(wěn)定性增強(qiáng)，重排容易發(fā)生。其共振式如圖6。

圖6 碎片離子峰m/z 99的共振式

因此，(E、E)與(Z、Z)檸檬肟滿足McLafferty氫重排的3個(gè)因素。它們可以發(fā)生氫重排而產(chǎn)生m/z 99的碎片離子峰，也即是說(shuō)，(E、E)與(Z、Z)檸檬肟只能是總離子流色譜的后4峰中的C與D峰了。

2.2 各構(gòu)型合成的簡(jiǎn)單產(chǎn)率比構(gòu)型色譜定性探討

將烯鍵為Z型構(gòu)成的肟與烯鍵為E型構(gòu)成的肟的質(zhì)量濃度比(用峰面積比值代替)稱為其構(gòu)型的簡(jiǎn)單產(chǎn)率比λ。反應(yīng)物檸檬醛有兩個(gè)構(gòu)型，為確定兩構(gòu)型的質(zhì)量濃度比，我們直接對(duì)其進(jìn)行氣相色譜分析，利用峰面積歸一化法得到Z型與E型的質(zhì)量濃度比為0.76∶1.0。

取水浴條件下改變pH值，反應(yīng)3 h后的樣品經(jīng)乙醚稀釋后進(jìn)氣相色譜儀分析，得到各pH條件下的峰面積值，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，用B與D峰的峰面積之和除以A與C峰的峰面積之和的比例竟亦為0.76∶1.0左右。圖7為B、D構(gòu)型對(duì)A、C構(gòu)型的簡(jiǎn)單產(chǎn)率比。

圖7 不同pH條件下的簡(jiǎn)單產(chǎn)率比

這也說(shuō)明，在普通的反應(yīng)條件下，反應(yīng)只是羥胺與檸檬醛上的醛基發(fā)生親核作用，顯然對(duì)于檸檬醛上的Z型或E型烯鍵不產(chǎn)生影響。因此可以推測(cè)，B與D峰代表的是烯鍵為Z型構(gòu)成的肟，而A與C峰代表的是烯鍵為E型構(gòu)成的肟。

2.3 檸檬肟的4個(gè)色譜峰的對(duì)應(yīng)構(gòu)型

通過(guò)質(zhì)譜圖的解析推測(cè)出總離子流色譜中C、D峰代表的是(E、E)與(Z、Z)檸檬肟，剩下A、B峰代表的是(E、Z)與(Z、E)檸檬肟;從合成的簡(jiǎn)單產(chǎn)率比的角度推測(cè)出B、D峰代表的是(Z、Z)與(Z、E)檸檬肟(烯鍵為Z型)，而A與C峰代表的是(E、Z)與(E、E)檸檬肟(烯鍵為E型)。因此我們得到了在給定的色譜條件下，合成中間體檸檬肟構(gòu)型的色譜定性關(guān)系(表1)。

表1 檸檬肟的4個(gè)色譜峰的對(duì)應(yīng)構(gòu)型

3 結(jié)論

通過(guò)采用色譜、質(zhì)譜等科學(xué)儀器，并結(jié)合McLafferty的質(zhì)譜解析理論和有機(jī)合成簡(jiǎn)單產(chǎn)率比，以新的視角對(duì)合成中間體檸檬肟不同構(gòu)型的色譜峰進(jìn)行了定性研究，區(qū)分了給定色譜條件下的4個(gè)不同構(gòu)型檸檬肟色譜峰。

［1］葉毓銘.山蒼子精油及脂肪酸的利用［J］.四川化工與腐蝕控制，1998，1(4):36-39.

［2］沈睿漫，黃金昆.用山蒼子油合成國(guó)際新型香料-檸檬腈的新探［J］.精細(xì)化工，1994，11(1):28-30.

［3］F W麥克拉弗蒂.質(zhì)譜解析［M］.王光輝，譯.3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1987:170-177.

［4］L A科特.有機(jī)質(zhì)譜法導(dǎo)論［M］.潘希明，譯.北京:科學(xué)出版社，1982:55-60.

［5］Jessica L，Detlef S，Helmut S.Competitive reactions and diastereoselective C-H bond activation in the McLafferty rearrangement of photoionized 3-methyl valeramide［J］.International Journal of Mass Spectrometry，2005，240(2): 121-137.

［6］劉輝，肖轉(zhuǎn)泉，李希成.內(nèi)型β-異莰烷基酮肟的合成及其構(gòu)型的確定［J］.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，1997，17(4):6-10.