張國君，楊 揚，孫小強，李正義，周蓓蓓，殷 樂

(常州大學 江蘇省精細化工重點實驗室，江蘇 常州 213164)

季戊四醇雙縮醛(酮)類物質(zhì)用途廣泛。工業(yè)上常用作殺蟲劑、增塑劑、抗氧化劑和表面活性劑的消泡劑等［1－5］;在有機合成中常作為潛在的保護基團合成具有生物活性和藥物傳輸功能的物質(zhì)［6］;也可用作醫(yī)用外科手術(shù)縫線、藥物緩釋、骨科固定、組織修復(fù)等材料［7－8］和具有特殊功能的新型包裝材料［9］。近年來，可降解材料已成為材料領(lǐng)域的研究熱點［10］。由季戊四醇雙縮醛類化合物參與合成的聚合物由于含有多個易水解的醚鍵，而具有易降解性能。為此，通過研究季戊四醇雙縮醛類化合物的水解反應(yīng)歷程，可有效地控制反應(yīng)，為此類化合物的綠色水解提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

核磁共振(NMR)技術(shù)作為一種日益成熟的儀器分析方法，具有傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢。動力學核磁共振是核磁共振波譜學中有一定獨立性的一個分支，它以NMR為工具，研究某些化學動力學過程，如分子結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，蛋白質(zhì)及其配位的相互作用;化學交換及立體化學反應(yīng)速度及其他動力學問題，從而得到動力學和熱力學參數(shù)［11－12］。孫先勇等［13］利用原位的29Si液體核磁，研究了氨水催化條件下TEOS/DDS混合體系原位共水解的動力學過程;顧開春等［14］利用核磁共振方法研究了Michael加成反應(yīng)的動力學行為及反應(yīng)機理;另外，在結(jié)構(gòu)基因組學和機構(gòu)生物學的研究中，核磁共振技術(shù)被廣泛地用于測定蛋白質(zhì)在溶液中的空間結(jié)構(gòu)及其動力學，研究蛋白質(zhì)與配體的相互作用［15－16］。本實驗在核磁管中進行，采用1H NMR技術(shù)跟蹤研究水解反應(yīng)歷程，具有所需樣品含量少、速度快、重復(fù)性好、不終止反應(yīng)等優(yōu)點。

圖1 物質(zhì)A、B、C、D、E、F、G、H和I的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structure diagrams of compound

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

3，9-二-(4-甲氧基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(4-氨基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-苯基-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(4-氯苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(4-硝基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(3-氨基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(2-氨基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(3-硝基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷、3，9-二-(2-硝基-苯基)-2，4，8，10-四氧雜螺［5.5］十一烷等季戊四醇螺環(huán)化合物由本實驗室制備，純度均在98%以上。下文分別以物質(zhì)A、B、C、D、E、F、G、H和 I表示以上9種化合物，其結(jié)構(gòu)式見圖1。DMSO-D6(CIL公司，氘代度為 99.9%)、D2O(SAFC公司，氘代度為99.9%)、鹽酸(國藥集團化學試劑有限公司，分析純)。

所有1H NMR實驗均在 Bruker AVANCEⅢ400超導NMR儀上完成。實驗參數(shù):1H NMR觀測頻率為400.13 MHz，5 mm BBO探頭，zg 30單脈沖序列，譜寬8 012.82 Hz，中心頻率2 600.84 Hz，掃描8次，弛豫時間1 s。

1.2 實驗方法

準確稱量0.001 0 g的水解反應(yīng)物于外徑為5 mm的核磁管中，加入0.4 mL DMSO-D6使其完全溶解，再加入0.1 mL用D2O稀釋的鹽酸(稀釋后pH值分別為0、1、2、3、4)，放置于預(yù)先調(diào)好溫度的超級恒溫器中水解。采用核磁管內(nèi)置毛細管的方法進行定量分析，密封毛細管內(nèi)加入65 μL氘代水和15 μL丙酮的混合物。根據(jù)反應(yīng)速度每隔一段時間對其進行檢測。以DMSO的質(zhì)子殘存峰為化學位移基準，以丙酮峰面積為積分基準，對所獲取的譜圖進行處理，獲取相關(guān)譜線的相對積分值，以此為依據(jù)對水解過程中反應(yīng)體系內(nèi)各物質(zhì)的濃度變化情況進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑的選擇

該反應(yīng)為水解反應(yīng)，水作為一種反應(yīng)物參與到反應(yīng)體系中，因此選擇能與水互溶的溶劑將有利于反應(yīng)的進行。經(jīng)實驗證實，在與水互溶的甲醇、乙醇、四氫呋喃、乙腈和二甲基亞砜中，反應(yīng)的效果較好，且與水的互溶性越好，反應(yīng)速率越快。由于該反應(yīng)在核磁管中進行，并以1H NMR技術(shù)對反應(yīng)進行全程跟蹤，考慮到季戊四醇雙縮醛類物質(zhì)自身的溶解性和溶劑與水的互溶性，本實驗選用氘代DMSO作為溶劑。

2.2 初始濃度對水解反應(yīng)的影響

水解初始濃度對反應(yīng)存在一定影響。本實驗中當初始濃度過高時，隨著酸的加入，會有不同程度的反應(yīng)物析出;當初始濃度過低時，反應(yīng)物的信號峰又極其微弱;所以初始濃度過高或過低均不利于觀察反應(yīng)，不能準確反映各物質(zhì)峰面積的變化。綜合考慮以上因素，反應(yīng)物的初始濃度選定為2.0 g·L－1。

2.3 水解反應(yīng)機理

在酸性條件下季戊四醇雙縮醛的水解反應(yīng)為羥醛縮合的逆反應(yīng)，水解縮醛的實質(zhì)是水與羰基碳的親核加成脫去醇。氫質(zhì)子首先進攻螺環(huán)上的縮醛氧原子，然后質(zhì)子化的氧原子發(fā)生碳氧鍵的斷裂。帶正電荷的氧原子吸引電子的程度加強，使得羰基碳的正電性提高，水分子對羰基碳進行親核加成，然后質(zhì)子化的氧原子發(fā)生碳氧鍵斷裂，再去質(zhì)子化，得到產(chǎn)物。下面以物質(zhì)A為例，其反應(yīng)機理見圖2。

圖2 物質(zhì)A的水解反應(yīng)機理Fig.2 Hydrolysis mechanism of compound A

2.4 1H NMR水解譜圖分析

以物質(zhì)A為例，考察了其在不同時刻的水解核磁譜圖(圖3)。圖3a為物質(zhì)A水解0 min的核磁譜圖，δ7.35、δ6.91為苯環(huán)上 H4(4')、H5(5')(見圖1)的質(zhì)子共振信號;δ5.43為與雜原子氧相連叔碳上H3(3')的質(zhì)子共振信號;δ4.54、δ3.87、δ3.77、δ3.64分別為螺環(huán)化合物亞甲基上 H1e(1'e)、H1a(1'a)、H2e(2'e)、H2a(2'a)的質(zhì)子共振信號;δ3.75為甲氧基上H6(6')的質(zhì)子共振信號，且與其中的一組亞甲基峰相互重疊;δ4.23和δ1.71分別為內(nèi)標中氘代水和丙酮的質(zhì)子共振信號;δ3.34為DMSO-D6中水的質(zhì)子共振信號，δ2.50為DMSO-D6的質(zhì)子殘存峰。

圖3 物質(zhì)A在不同時刻的水解核磁譜圖(400 MHz，DMSO-D6)Fig.3 NMR spectra of compound A during different hydrolysis time hydrolysis time(a－e):0，30，90，150，240 min

圖3b為物質(zhì)A水解30 min后的核磁譜圖，隨著酸的加入，水解反應(yīng)的進行伴隨著新物質(zhì)的生成并產(chǎn)生了對應(yīng)的信號峰，整個反應(yīng)體系內(nèi)的質(zhì)子共振信號發(fā)生變化。δ9.80為水解產(chǎn)物對甲氧基苯甲醛對應(yīng)的醛基質(zhì)子共振信號，δ7.85、δ7.10為對甲氧基苯甲醛苯環(huán)上質(zhì)子的共振信號;δ5.31為中間產(chǎn)物單縮醛的一個特征質(zhì)子共振信號;甲氧基上的質(zhì)子共振信號也發(fā)生了細微變化，由δ3.75移至δ3.82;δ3.36為水解產(chǎn)物季戊四醇亞甲基上質(zhì)子的共振信號;內(nèi)標中氘代水和丙酮的質(zhì)子共振信號分別移至δ4.29和δ1.80處;δ3.92為加入的酸中氘代水的質(zhì)子共振信號;由于使用的鹽酸已用D2O稀釋，季戊四醇羥基氫被D2O交換，所以觀察不到羥基的質(zhì)子共振信號。其它質(zhì)子共振信號的歸屬與圖3a相同。

圖3中c、d的變化情況類似于圖3b，但隨著反應(yīng)的繼續(xù)進行，反應(yīng)物信號峰峰面積越來越小，直至完全消失，中間產(chǎn)物的信號峰峰面積先增加后下降，直至水解為最終產(chǎn)物，最終產(chǎn)物的信號峰峰面積則持續(xù)增加，直至水解反應(yīng)徹底結(jié)束。

圖3e為物質(zhì)A最終水解時的核磁譜圖，δ9.80為最終水解產(chǎn)物對甲氧基苯甲醛醛基的質(zhì)子共振信號;δ7.85和δ7.10為對甲氧基苯甲醛苯環(huán)上的質(zhì)子共振信號;δ3.82處為對甲氧基苯甲醛甲氧基上的質(zhì)子共振信號;δ3.36為季戊四醇亞甲基上的質(zhì)子共振信號;δ3.92為加入的酸中氘代水的質(zhì)子共振信號;δ4.29和δ1.80為內(nèi)標中氘代水和丙酮的質(zhì)子共振信號;δ2.50為DMSO-D6的質(zhì)子殘存峰。綜上所述，核磁譜圖能夠觀察反應(yīng)體系中各組分的含量變化，并能定性和定量分析水解反應(yīng)的全過程及最終水解產(chǎn)物，所以1H NMR能跟蹤監(jiān)測季戊四醇雙縮醛水解反應(yīng)。

2.5 水解重現(xiàn)性實驗

在溫度為323.15 K、pH=2.0、物質(zhì)A初始濃度為2.0 g·L－1的條件下進行3次重現(xiàn)性實驗，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)良好的重現(xiàn)性。

圖4 物質(zhì)A水解重現(xiàn)性實驗Fig.4 Repeatability tests for compound A hydrolysis

2.6 反應(yīng)中各組分的含量變化

酸性條件下，季戊四醇雙縮醛的水解反應(yīng)為連串反應(yīng)，反應(yīng)物雙縮醛的含量隨著反應(yīng)時間的延長而逐漸降低。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物單縮醛，在反應(yīng)初期的含量為0;隨著反應(yīng)的進行，其含量逐漸增加，在某一時刻含量達到最高，但隨著反應(yīng)的繼續(xù)進行，中間產(chǎn)物會進一步水解，直至水解為最終產(chǎn)物季戊四醇和對應(yīng)的苯甲醛。圖5為物質(zhì)A在333.15 K、pH=2.0條件下水解過程中各物質(zhì)的含量變化圖。

2.7 反應(yīng)速率常數(shù)的計算

由核磁圖譜給出相對積分面積，由計算公式轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的濃度，計算公式如下:

式(1)中Ai、As和A0分別為組分i、內(nèi)標物和起始原料的峰面積;Ci和C0分別為組分i和起始原料的濃度。

假設(shè)季戊四醇雙縮醛的水解反應(yīng)為一級反應(yīng)，則有:

圖5 物質(zhì)A水解過程中各物質(zhì)的濃度變化Fig.5 Concentration variation of different components during hydrolysis of compound A

式中，CA表示反應(yīng)至某一時刻t時反應(yīng)物的濃度;t表示時間;k表示反應(yīng)速率常數(shù);C表示常數(shù)。實驗測得一系列不同時刻的反應(yīng)物的相對峰面積，并通過公式(1)計算出相應(yīng)的濃度CA，用Origin作lnCA～t圖，呈直線關(guān)系，可確定假設(shè)成立。所以此類季戊四醇雙縮醛的水解反應(yīng)為一級反應(yīng)，該直線斜率即為反應(yīng)速率常數(shù)k。

2.8 溫度與pH值對水解反應(yīng)速率的影響

綜合考慮以上各種季戊四醇雙縮醛的水解速率，選擇物質(zhì)A為研究對象，考察其在不同反應(yīng)溫度和不同酸性條件下的水解情況。

由圖6可知，在一定范圍內(nèi)，物質(zhì)A的水解速率隨溫度的升高、酸性的增強而加快。從分子運動理論和碰撞理論來看，溫度升高后，季戊四醇縮醛的分子動能增加，運動加快，與溶液中H+碰撞的幾率增加，被質(zhì)子化的幾率和速率增加。初始濃度和溫度相同的條件下，在一定范圍內(nèi)，酸性越強越利于水解。在反應(yīng)過程中氫質(zhì)子進攻縮醛氧原子為反應(yīng)速率的控制步驟，酸性越強越有利于質(zhì)子化，所以pH值對水解反應(yīng)有極其重要的影響。通過改變以上兩種條件，可在工業(yè)水解時尋求較佳的水解條件來減少能源和資源的消耗。

圖6 物質(zhì)A在不同溫度，不同pH條件下水解速率變化趨勢Fig.6 Hydrolysis rate changing trends of compound A under different temperature and different pH

2.9 苯環(huán)上不同取代基對水解速率的影響

為了探究苯環(huán)上不同取代基對水解速率的影響，分別考察了物質(zhì)A、B、C、D和E在不同溫度、不同酸性條件下的水解速率，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同取代基季戊四醇雙縮醛的水解速率變化趨勢Fig.7 Hydrolysis rate changing trends of different pentaerythritol dialdehydes compound E could not be hydrolysed under these conditions

研究表明，物質(zhì)A和B在酸性較強時極易水解，無法及時檢測，因此實驗選擇在相對弱酸(pH 4.0)條件下對A和B進行水解。而在此條件下C、D、E基本不發(fā)生反應(yīng)，這表明A、B比C、D、E更易進行水解。從圖7中可知，B水解趨勢曲線明顯高于A，因此在相同條件下，B的水解速率更快，比A更易進行水解。同時，實驗選取酸性較強(pH 1.0)條件對C、D、E進行水解。從圖7中C、D的水解趨勢曲線可知，在同一溫度、pH值條件下，C的水解速率常數(shù)大于D，這表明C比D更易水解。而E在此條件下不發(fā)生水解反應(yīng)，所以上述5種化合物水解從易到難分別為物質(zhì)B＞A＞C＞D＞E。這主要是由苯環(huán)上取代基不同而造成的。反應(yīng)過程中氫質(zhì)子進攻縮醛氧原子為反應(yīng)速率的控制步驟，其水解速率依賴于底物反應(yīng)中心上的電子云密度，高的電子云密度有利于親電試劑的進攻，低的電子云密度有利于親核試劑的進攻。物質(zhì)A和B苯環(huán)上的取代基是推電子基團，使苯環(huán)上的電子云密度升高，有利于質(zhì)子化，且—NH2的推電子能力比—OCH3強，所以B比A更易水解;物質(zhì)D和E苯環(huán)上的取代基是吸電子基團，使苯環(huán)上電子云密度降低，不利于質(zhì)子化，且—NO2的吸電子能力比—Cl強，所以E比D更難水解。綜上所述，苯環(huán)上取代基對水解的難易程度有著非常重要的影響。

2.10 苯環(huán)上取代基位置對水解速率的影響

為了探究苯環(huán)上不同取代基位置對水解速率的影響，分別測定了胺類取代和硝基類取代季戊四醇雙縮醛的水解速率，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在相同溫度(313.15 K)和酸性條件下(pH 4.0)，氨類季戊四醇雙縮醛F(間位)不發(fā)生水解，B(對位)的水解速率常數(shù)約是G(鄰位)的10倍，這表明B最易水解，G次之，F(xiàn)最難水解。在相同溫度(333.15 K)和相同酸性條件下(pH=0)，硝基類季戊四醇雙縮醛H(間位)、E(對位)和I(鄰位)的水解速率常數(shù)分別為0.001 4、0.000 6、0.000 2，這表明H最易水解，E次之，I最難水解。由此證明，同一取代基在苯環(huán)上的取代位置不同，對水解速率會產(chǎn)生較大影響，而且對于吸電子基和推電子基不能一概而論。對于推電子基而言，它使所連苯環(huán)上的電子云密度增加，尤其在鄰、對位處增加得更多，對苯環(huán)有活化作用，有利于親電試劑的進攻，但鄰位相對于對位的空間位阻較大，不利于H+進攻縮醛氧原子，所以對于推電子基的物質(zhì)，水解速率由快到慢依次為對位＞鄰位＞間位。對于吸電子基團而言，它使所連苯環(huán)上的電子云密度降低，并且在鄰、對位處降低得更多，對苯環(huán)有致鈍作用，不利于親電試劑的進攻，但相比之下，間位的電子云密度較高，親電試劑進攻間位較為有利，所以推電子基水解速率由快到慢依次為間位＞對位＞鄰位。

表1 胺類與硝基類季戊四醇雙縮醛苯環(huán)上不同取代位置的水解速率常數(shù)Table 1 Hydrolysis rate constant of different positions of substituted groups of the amino and nitro on the aromatic ring of pentaerythritol dialdehyde

3 結(jié)論

本文建立了一種在核磁管中考察季戊四醇雙縮醛水解反應(yīng)的新方法。通過對季戊四醇雙縮醛水解速率的測定可知，此類化合物的水解速率隨溫度的升高、酸性的增強而加快。同時，本文還研究了苯環(huán)上取代基類型和位置對此類化合物水解速率的影響。研究結(jié)果表明，苯環(huán)上推電子基團有利于水解反應(yīng)，同一推電子基水解速率由快到慢依次為對位＞鄰位＞間位;吸電子基團不利于水解反應(yīng)，同一吸電子基水解速率由快到慢依次為間位＞對位＞鄰位。此方法具有靈敏度高，不破壞樣品和節(jié)約原料等特點，符合綠色環(huán)保的要求。但該方法對反應(yīng)速度極快和溶解性差的化合物存在一定的局限性。

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