段建利, 楊志剛

(武漢大學 藥學院, 省級藥學實驗教學示范中心, 湖北 武漢 430071)

?

格氏試劑制備十九酸

段建利, 楊志剛

(武漢大學 藥學院, 省級藥學實驗教學示范中心, 湖北 武漢 430071)

利用格氏試劑和二氧化碳反應(yīng)制備十九酸。所得十九酸粗品用重結(jié)晶的方法純化,氣相色譜儀檢測得到含量99%以上的十九酸。實驗將格氏試劑、重結(jié)晶、含量檢測方法有機串聯(lián)起來,并引入正交設(shè)計,獲取最優(yōu)的重結(jié)晶條件,使學生在掌握基本有機合成技能的同時了解如何合理有效地安排實驗,有助于培養(yǎng)學生的科研能力、激發(fā)學生的科研興趣。

格氏試劑； 十九酸； 重結(jié)晶； 正交設(shè)計

1 十九酸簡介

十九酸也叫正十九烷酸,英文名稱為nonadecanoic acid,分子式為C19H38O2,屬于長鏈飽和奇碳脂肪酸。自然界中,十九酸的含量極少,但其應(yīng)用卻極為廣泛。十九酸甲酯化后形成十九酸甲酯,是氣相色譜法分析脂肪酸含量常用的內(nèi)標物[1-3]。以十九酸為原料合成的兩性表面活性劑,對強酸中的鋼鐵材料具有較好的緩蝕性[4-5]。十九酸作為磁記錄媒質(zhì)的潤滑劑,可顯著提高其運行特性和運行耐久性[6]。橡膠中加入十九酸或其金屬鹽后,摩擦系數(shù)降低,抗磨損性提高[7]。Fukuzawa等人的研究表明,靈芝孢子中,抑制HL-60細胞增殖的活性物質(zhì),主要是長鏈脂肪酸,以十九酸的活性最強[8]。十九酸對各種人腫瘤細胞株都有細胞毒活性,而且對人巨噬細胞也有細胞毒性[9]。

根據(jù)文獻報道,化學合成十九酸的方法主要有以下幾種:

(1) 以1-十八醇為原料,經(jīng)鹵代、氰基化,然后水解,得到十九酸[10]。

(2) 利用Arndt-Eistert反應(yīng),以十八酸為原料,經(jīng)氯代、重氮化、銀鹽催化的Wolff重排、水解,得到十九酸[11]。

(3) 1-二十烯在氧化劑作用下雙鍵斷裂,生成十九酸[12]。

(4) 以有機鹵代物和二氧化碳為原料,利用電合成法制備十九酸[13]。

以鹵代烷烴和二氧化碳反應(yīng)來制備羧酸,不僅簡單、快速,而且成本也很低廉[14]。本實驗選用鋼瓶裝普通二氧化碳氣體與格氏試劑反應(yīng)來制備十九酸。普通二氧化碳氣體中,除了二氧化碳外,還有少量的氧氣及水分,在反應(yīng)過程中一定會引入雜質(zhì),因此,本實驗引入有機合成中常用的純化方法——重結(jié)晶,來除去反應(yīng)中的雜質(zhì),得到含量99%的十九酸。

2 實驗?zāi)康?/h2>

(1) 利用格氏試劑與二氧化碳反應(yīng),制備十九酸。

(2) 了解實驗室實現(xiàn)低溫反應(yīng)的操作方法。

(3) 熟悉重結(jié)晶純化化合物的實驗操作方法。

(4) 熟悉化合物的熔點測定。

(5) 掌握采用正交設(shè)計法快速篩選最優(yōu)實驗條件的方法。

(6) 了解氣相色譜法檢測強極性化合物含量的原理,掌握氣相色譜檢測強極性化合物含量的操作方法。

3 實驗原理

本實驗以1-溴十八烷為起始原料,四氫呋喃為溶劑,碘和1, 2-溴乙烷為引發(fā)劑,與鎂條反應(yīng),生成格氏試劑。然后,在反應(yīng)液中通入二氧化碳氣體,待反應(yīng)完成后,緩慢滴加稀硫酸,過濾,旋干,得到粗品。最后,通過重結(jié)晶,得到含量99%的十九酸。

由于反應(yīng)過程中通入的二氧化碳里含有氧氣和水分,而且格氏試劑也可能與1-溴十八烷反應(yīng),因此可能引入下列雜質(zhì):

為了盡可能減少水解產(chǎn)物的形成,反應(yīng)過程中必須在冷凝管上加裝干燥管并通氮氣。

4 儀器和試劑

儀器:電磁加熱攪拌器(C-MAGHS7,IKA?),熔點儀(X-4,上海精密科學儀器有限公司),氣相色譜儀(GC-14C,日本島津)。

試劑:1-溴十八烷、鎂條、1, 2-溴乙烷、四氫呋喃、鋼瓶裝二氧化碳(普通)、硫酸、三氟化硼乙醚甲醇溶液,正己烷,均為分析純。色譜級正己烷。

5 氣相色譜儀檢測條件

色譜柱:DB-Wax石英毛細管柱(30m×0.248mm×0.25μm)。檢測器:氫火焰檢測器。載氣:氮氣流速:30mL/min,空氣流速:400mL/min,氫氣流速:45mL/min。檢測器溫度:260 ℃,進樣口溫度:250 ℃。程序升溫:初始溫度170 ℃,15 ℃/min升溫至230 ℃,再以1 ℃/min升溫至235 ℃。進樣量:1μL。定量方法:面積歸一化法。

6 實驗內(nèi)容

6.1 十九酸粗品的合成

在裝有100mL恒壓滴液漏斗、球形冷凝管(配干燥管)和磁子的250mL干燥三口瓶中,依次加入剪碎的鎂條(0.96g,0.04mol)、1, 2-溴乙烷(2-3滴)和經(jīng)干燥處理的四氫呋喃(10mL)。1-溴十八烷(13.7mL,0.04mol)用經(jīng)干燥處理的THF(30mL)溶解后,倒入恒壓滴液漏斗中。先將約1/5的1-溴十八烷溶液滴加到三頸瓶中,控制油浴溫度,緩慢升溫至溶液微沸,開啟攪拌,將剩余的1-溴十八烷溶液緩慢滴加到反應(yīng)瓶中。滴加完畢后,再回流反應(yīng)1h,使鎂條幾乎反應(yīng)完全。

將反應(yīng)液冷卻至室溫后,放入冰鹽浴中,控制反應(yīng)液溫度-5 ℃以下,通入二氧化碳氣體,并快速攪拌。注意控制二氧化碳氣體的流速,使反應(yīng)液的溫度維持在0 ℃以下。通入二氧化碳氣體的時間為1h。然后,緩慢滴加10%硫酸溶液45mL并劇烈攪拌。

硫酸溶液滴加完畢后,將反應(yīng)液倒入200mL水中,攪拌0.5h,析出大量固體,抽濾,濾餅用水洗至白色,干燥,稱重,得十九酸粗品11.3g,氣相色譜儀檢測十九酸含量為86.3%。

6.2 十九酸粗品的精制

重結(jié)晶過程中,對最終產(chǎn)品的含量和收率的影響因素很多,主要影響因素包括:粗品質(zhì)量和溶劑體積的比例、結(jié)晶溫度、降溫速率和結(jié)晶時間。因此,本實驗采用L9(34)正交設(shè)計表對重結(jié)晶條件進行優(yōu)化,以十九酸的含量為評價指標,獲取最佳條件,實驗結(jié)果見表1。K值表示同因素條件下各水平的實驗結(jié)果總和，K′值表示同因素條件下各水平的實驗結(jié)果平均值。

表1 十九酸粗品重結(jié)晶條件篩選表

表1(續(xù))

從表中可以看出,最佳重結(jié)晶條件為:粗品質(zhì)量和溶劑體積為1∶6,結(jié)晶溫度為10 ℃,降溫速率10 ℃/10 min,結(jié)晶時間為0.5 h。在這4個因素中,結(jié)晶時間對十九酸的含量影響最大,而結(jié)晶溫度對十九酸的含量影響最小。在最佳重結(jié)晶條件下的實驗結(jié)果為:十九酸收率78.8%,含量99.5%。

6.3 十九酸的快速甲酯化

50 mL反應(yīng)瓶中,依次加入準確稱取的十九酸1.0 g,三氟化硼乙醚甲醇溶液1.5 mL,加熱至70 ℃,反應(yīng)10 min。從冷凝管上端口加入色譜純正己烷7 mL,繼續(xù)反應(yīng)2 min。停止加熱,冷卻至室溫,將反應(yīng)液倒入分液漏斗中,分取有機相,旋干,氣相色譜儀檢測含量。

7 教學要求

7.1 預(yù)習要求

(1) 查閱參考文獻,了解化學合成十九酸的方法。

(2) 了解格氏試劑制備和使用過程中的注意事項。

(3) 熟悉氣相色譜儀的原理和操作方法。

7.2 實驗結(jié)果要求

(1) 利用格氏試劑,制備十九酸粗品。

(2) 正確使用L9(34)正交設(shè)計表,并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。

(3) 根據(jù)氣相色譜儀檢測結(jié)果,用面積歸一化法給出精制后的十九酸含量。

7.3 思考和討論

(1) 除了二氧化碳意外,還有哪些無機氣體也可以參與有機合成反應(yīng)？

(2) 利用正交設(shè)計表安排實驗的好處是什么？還有其他類似的方法嗎？

8 結(jié)語

格氏試劑是有機合成中最常用的試劑之一,本實驗利用格氏試劑與二氧化碳制備十九酸,將無機氣體二氧化碳作為反應(yīng)原料,增加實現(xiàn)的新穎性,并利用重結(jié)晶的方法得到高純的十九酸,使學生在掌握格氏試劑制備和使用的同時,對有機合成中常用的純化方法有一定的了解。

十九酸含量采用氣相色譜檢測,需要注意的是,氣相色譜檢測的是十九酸甲酯的含量,進而計算出十九酸的含量,而不是直接檢測十九酸的含量,使學生明白,氣相色譜檢測化合物時,對化合物有哪些具體的要求。

本實驗將有機合成和產(chǎn)品分析結(jié)合在一起,使學生意識到儀器分析并不是簡單的按鍵操作,需要對樣品進行前處理并對所得數(shù)據(jù)進行分析,才能獲取所需結(jié)果。

References)

[1] 廖啟斌, 李文權(quán), 陳清花, 等.海洋微藻脂肪酸的氣相色譜分析[J]. 海洋通報, 2000, 19(6):66-71.

[2] Abdulkadir S, Tsuchiya M. One-step Method for Quantitative and Qualitative Analysis of Fatty Acids in Marine Animal Samples[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 2008, 354(1):1-8.

[3] 張志超,余新威,方力,等.氣相色譜法同時測定海產(chǎn)品中37種脂肪酸含量[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志, 2014, 24(12):1710-1713.

[4] 杜先獻,申美娜,楊世珖,等.兩性表面活性劑的合成及性質(zhì)的研究[J].高等學校化學學報,1986,7(6):522-524.

[5] 杜先獻,楊世珖,陳玉康,等.2-(2’-二甲胺基乙氧基，脂肪酸鹽酸鹽的合成及性能的研究[J]. 化學試劑,1983,5(6):383-384.

[6] Taketoshi S,Jota I,Hiroshi Y.Magnetic Recording Medium Using Saturated Fatty Acid and Perfluoropolyether Ester as Lubricants：Japan, JP:2000357314[P].2000-12-26.

[7] Yoshiaki Y, Shigeru H, Yoshiyuki M. Rubber Antifriction Compositions[P]. Japan, JP 61261327, 1986-11-19.

[8] Fukuzawa M,Yamaguchi R,Hide I, et al.Possible Involvement of Long Chain Fatty Acids in the Spores ofGanodermalucidum(Reishi Houshi) to Its Anti-tumor Activity[J]. Biological & Pharmaceutical Bulletin,2008,31(10):1933-1937.

[9] Yoo J C,Han J M,Nam S K,et al.Characterization and Cytotoxic Activities of Nonadecanoic Acid Produced byStreptomycesscabieisubsp.chosunensisM0137 (KCTC 9927) [J]. Journal of Microbiology (Seoul, Republic of Korea), 2002, 40(4):331-334.

[10] Levene P A,Taylor F A.The Synthesis of Normal Fatty Acids from Stearic Acid to Hexacosantic Acid[J].the Journal of Biological Chemistry,1924,59(3):905-921.

[11] Vandenheuvel F A, Yates P.The Application of the Arndt-Eistert Reaction to the Synthesis of Fatty Acids of High Molecular Weight[J].Canadian Journal of Research, Section B: Chemical Sciences,1950,28B(9):556-560.

[12] Lee D C, Lamb S E, Chang V S. Carboxylic Acids from the Oxidation of Terminal Alkenes by Permanganate: Nonadecanoic Acid[J].John Wiley & Sons Inc, 2003,60(3):11.

[13] Sock O,Troupel M,Perichon J.Electrosynthesis of Carboxylic Acids from Organic Halides and Carbon Dioxide[J].Tetrahedron Letters,1985,26(12):1509-1512.

[14] Evano G.Carboxylic Acids: Synthesis from Organic Halides[J].Cheminform, 2008,39(44):2878-2891.

Synthesis of nonadecanoic acid using Grignard reagen

Duan Jianli, Yang Zhigang

(Provincial Demonstration Center of Experimental Pharmaceutical Teaching, School of Pharmaceutical Sciences, Wuhan University, Wuhan 430071, China)

Nonadecanoic acid is synthesized by reacting of the Grignard reagent and carbon dioxide. The crude nonadecanoic acid is purified through recrystallization, and then detected using gas chromatograph. The content of purified nonadecanoic acid is over 99%. The Grignard reagent, recrystallization, determination of the target compound are involved in this experiment, moreover, orthogonal design is used to acquire the optimum recrystalliztion conditions. Students can obtain elementary organic synthesis method, and learn how to arrange the experiment effectively. This experiment is helpful for students to cultivate their ability in scientific research and stimulate their research interest.

Grignard reagent; nonadecanoic acid; recrystallization; orthogonal design

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.052

2016-05-03

國家自然科學基金項目(21402144)；武漢大學醫(yī)學部教學改革研究項目(2015037)

段建利(1979—),男,湖北隨州,博士,實驗師,主要從事有機化學和藥物化學實驗教學.

O6-33

A

1002-4956(2016)11-0202-03