李 靜，房川琳，陽 萌，劉艷紅

（四川大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中心，四川 成都 610064）

同分異構(gòu)體的合成、分離和波譜解析實驗教學(xué)設(shè)計

李 靜，房川琳，陽 萌，劉艷紅

（四川大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中心，四川 成都 610064）

依托四川大學(xué)化學(xué)專業(yè)實驗室綜合訓(xùn)練教學(xué)平臺的大型分析測試儀器，引入現(xiàn)代分析技術(shù)對同分異構(gòu)體的合成、分離和波譜解析綜合實驗進(jìn)行了設(shè)計。該文從同分異構(gòu)體合成實驗開始，先通過液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀確定同分異構(gòu)體的種類，再利用柱層析色譜對同分異構(gòu)體進(jìn)行分離，最后通過核磁共振儀確定同分異構(gòu)體的具體結(jié)構(gòu)。實踐表明，此實驗教學(xué)設(shè)計有利于促進(jìn)本科生的創(chuàng)造性思維和提高解決有機(jī)化學(xué)相關(guān)問題的能力。

實驗教學(xué)改革；綜合化學(xué)實驗；同分異構(gòu)體；核磁共振；有機(jī)化學(xué)

近年來四川大學(xué)有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的科技論文數(shù)量和質(zhì)量保持了快速增長，并建成有機(jī)化學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科。在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域科研水平不斷提高的同時，學(xué)校和化學(xué)學(xué)院高度重視有機(jī)化學(xué)本科實驗教學(xué)工作。通過更新或添置核磁共振儀、元素分析儀和液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀等有機(jī)化學(xué)中廣泛使用的大型分析儀器，逐步建立和完善有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)的分析測試硬件平臺［1－3］，并根據(jù)教學(xué)需求的變化對現(xiàn)有實驗教材［4］、實驗內(nèi)容［5－9］和教學(xué)模式［10－11］等進(jìn)行持續(xù)的改革和完善，并針對文、理、工、醫(yī)學(xué)生開設(shè)不同層次的有機(jī)化學(xué)實驗課程，加強(qiáng)有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)操作和技能的訓(xùn)練。而對化學(xué)相關(guān)專業(yè)高年級的學(xué)生則大力倡導(dǎo)和開展綜合性、設(shè)計性實驗，重點(diǎn)加強(qiáng)研究型有機(jī)化學(xué)實驗的教學(xué)?；谶@一思路，我們設(shè)計了同分異構(gòu)體的合成、分離和波譜解析實驗，從有機(jī)合成實驗開始，通過液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀確定出產(chǎn)品中同分異構(gòu)體的種類，然后利用柱層析色譜對同分異構(gòu)體進(jìn)行分離，最后通過核磁共振儀確定同分異構(gòu)體的具體結(jié)構(gòu)。通過有機(jī)化學(xué)中同分異構(gòu)體的合成、分離、鑒定和大型儀器的應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，最終形成多學(xué)科交叉和實驗教學(xué)與科研實踐相結(jié)合的實驗教學(xué)內(nèi)容，在此對該實驗進(jìn)行討論。

1 實驗

1.1 背景知識

1822年，化學(xué)家Wohler發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)式為AgNCO的異氰酸銀，具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)［12－13］。而在1823年，化學(xué)家Liebig發(fā)現(xiàn)存在一種化合物與異氰酸銀組成完全相同，但是遇熱或受撞擊就會爆炸。后來證明Liebig發(fā)現(xiàn)與異氰酸銀組分相同的化合物是雷酸銀，其各原子的連接次序與異氰酸銀是有所區(qū)別的，結(jié)構(gòu)式為AgONC。人們就將這種分子式相同而結(jié)構(gòu)不同的現(xiàn)象命名為同分異構(gòu)現(xiàn)象；將分子式相同，結(jié)構(gòu)存在差異的化合物稱為同分異構(gòu)體。2－甲基順丁烯二酸酐是合成農(nóng)藥、醫(yī)藥、表面活性劑和樹脂的一種非常重要的中間體，從結(jié)構(gòu)上看，它只比順丁烯二酸酐多一個取代甲基，但2－甲基順丁烯二酸酐通過互變異構(gòu)會轉(zhuǎn)變成同分異構(gòu)體2－亞甲基順丁二酸酐，使得2－甲基順丁烯二酸酐參與的有機(jī)反應(yīng)過程和產(chǎn)物更加復(fù)雜。

1.2 實驗原理

反應(yīng)方程式：

室溫下，將間苯二甲胺滴加入2－甲基順丁烯二酸酐的二甲苯溶液中，共沸脫水生成相應(yīng)的1，3－雙（2－甲基順丁烯酰亞胺甲基）苯同分異構(gòu)體A、B和C［14］。

1.3 儀器與試劑

儀器：加熱磁力攪拌器、普通磨口玻璃儀器、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、紫外燈、紅外燈、Waters液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀、Bruker 400 MHz核磁共振儀。

試劑：二甲苯、2－甲基順丁烯二酸酐、間苯二甲胺、200－300目柱層析硅膠、石油醚、乙酸乙酯、無水乙醇。

1.4 實驗步驟

1.4.1 1，3－雙（2－甲基順丁烯酰亞胺甲基）苯同分異構(gòu)體的制備

在裝有攪拌器、50 mL恒壓滴液漏斗和溫度計的250 mL三口圓底燒瓶中，加入2－甲基順丁烯二酸酐11.21 g（0.1 mol）和100 mL二甲苯，通過恒壓滴液漏斗在30 min內(nèi)滴加間苯二甲胺6.81 g（0.05 mol），室溫下反應(yīng)1小時。將圓底燒瓶轉(zhuǎn)移至油浴中，移去恒壓滴液漏斗，在裝置上增加分水器和球形冷凝管，攪拌下加熱至140°C，回流反應(yīng)2小時。減壓蒸出二甲苯，得到黃色油狀粘稠液體，加入50 mL無水乙醇重結(jié)晶得到淡黃色1，3－雙（2－甲基順丁烯酰亞胺甲基）苯同分異構(gòu)體粗品，收率約70。

配制約100 ng／mL粗產(chǎn)品的甲醇溶液，振蕩，溶解，濾膜過濾，取1 mL濾液于液相樣品瓶，進(jìn)行液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用（LC－MS）分析。

1.4.2 1，3－雙（2－甲基順丁烯酰亞胺甲基）苯同分異構(gòu)體的分離

將1 g產(chǎn)物粗品溶解在1 mL乙酸乙酯溶液中，小心均勻加入柱硅膠（200－300目）上層，石油醚／乙酸乙酯體系為洗脫劑，石油醚體積百分?jǐn)?shù)100至33進(jìn)行梯度洗脫，同時通過薄層色譜（TLC）監(jiān)測柱硅膠層析過程，分別收集各同分異構(gòu)體組分，減壓蒸除溶劑，得微黃色或白色同分異構(gòu)體產(chǎn)品，紅外燈干燥。

分別稱取約10 mg各同分異構(gòu)體組分于核磁共振測樣管中，加入0.5～0.6 mL（TMS為內(nèi)標(biāo)）氘代氯仿為溶劑，振蕩，溶解，用Bruker 400 MHz核磁共振波譜儀進(jìn)行氫核磁共振（1H NMR）測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用

如圖1所示，1，3－雙（2－甲基順丁烯酰亞胺甲基）苯同分異構(gòu)體粗品中液相譜圖主要有兩組峰，保留時間分別為5.04 min和6.43 min，峰面積比分別為33.35和63.52，峰面積合計超過96。同時，進(jìn)一步通過質(zhì)譜對兩組主要峰分子量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)兩組峰的分子量完全一致，均為342.2，歸結(jié)為［M＋NH4］＋的分子離子峰。

根據(jù)LC－MS譜圖分析說明，在1，3－雙（2－甲基順丁烯酰亞胺甲基）苯同分異構(gòu)體粗產(chǎn)品中主要含有兩種同分異構(gòu)體組分，第三種同分異構(gòu)體未檢測出。

2.2 核磁共振

圖1 1，3－雙（2－甲基順丁烯酰亞胺甲基）苯同分異構(gòu)體粗品譜圖

圖2 液相譜圖峰面積63.52組分的1H NMR譜圖

圖3 液相峰面積33.35組分的1H NMR譜圖

2.3 分析結(jié)果小結(jié)

通過LC－MS分析，反應(yīng)結(jié)束后的粗產(chǎn)品中主要含有兩種同分異構(gòu)體組分；通過1H NMR譜圖中氫位移、種類和峰面積比分析，液相譜圖中峰面積63.52和33.35組分別為同分異構(gòu)體A和B。

3 反應(yīng)過程分析

2－甲基順丁烯二酸酐在一定溫度和溶劑極性變化條件下與2－亞甲基順丁二酸酐存在異構(gòu)互變，雙鍵會發(fā)生遷移，產(chǎn)生同分異構(gòu)現(xiàn)象。

圖4 反應(yīng)歷程圖（2 亞甲基順丁二酸酐）

如圖4所示，將間苯二甲胺加入2－甲基順丁烯二酸酐中自發(fā)反應(yīng)生成圖4中虛線框中內(nèi)的酰胺酸中間體1，由于存在雙鍵的遷移和酸酐開環(huán)時甲基在1位和2位的區(qū)域選擇性雙重作用，中間體1的結(jié)構(gòu)可能多達(dá)9種。然而，當(dāng)脫去一分子水再次生成二酸酐時，甲基在五元環(huán)上兩個位置是對稱的，因此中間體1最終僅能生成同分異構(gòu)體A、B和C。

4 教學(xué)模式設(shè)計與討論

4.1 采用“大班授課－小組實踐”和帶著“問題”教學(xué)模式。

通過多種教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和分析問題的能力，并最終達(dá)到培養(yǎng)解決問題能力的目標(biāo)［15］。

4.2 優(yōu)化實驗步驟，減少實驗時間。

如在同分異構(gòu)體的制備過程中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)結(jié)束采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮反應(yīng)液，如果各實驗小組分別進(jìn)行濃縮則需要較長時間，將幾個小組反應(yīng)液合并到一起進(jìn)行濃縮，可以大大縮短實驗時間。

4.3 分解操作難點(diǎn)，提高實驗成功率。

如在柱硅膠分離同分異構(gòu)體過程中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生在進(jìn)行TLC操作時，經(jīng)常會忘記補(bǔ)加柱硅膠流動相，造成硅膠柱干裂產(chǎn)生氣泡，影響分離效果等錯誤。因此，在進(jìn)行分離實驗時將每個小組學(xué)生進(jìn)行分工，將各項操作分解落實給不同學(xué)生，確保各項操作同時進(jìn)行。

4.4 合理安排實驗進(jìn)度，分階段完成實驗課程。

本實驗課程涉及合成、分離以及多種大型分析儀器的操作使用，所需教學(xué)時間較長，因此，我們將本課程劃分為3個階段：1）完成同分異構(gòu)體的制備，重結(jié)晶得到的粗產(chǎn)物較穩(wěn)定，方便存放；2）同分異構(gòu)體的分離不要求對合成的所有產(chǎn)物進(jìn)行分離，每個小組稱取1 g左右的粗產(chǎn)物進(jìn)行分離即可；3）結(jié)構(gòu)鑒定實驗中，在不影響實驗教學(xué)和科研服務(wù)的前提下，靈活開放儀器使用時間，確保每一個小組都能了解樣品測試的過程和掌握儀器的使用方法。

5 結(jié)束語

同分異構(gòu)體的合成、分離和波譜解析綜合實驗從有機(jī)理論教學(xué)出發(fā)，首先對同分異構(gòu)體知識點(diǎn)進(jìn)行延伸和拓展；再通過大型分析儀器實驗課程掌握液相色譜－質(zhì)譜儀和核磁共振儀的構(gòu)造和工作原理，了解相關(guān)儀器樣品處理及測試的實際流程；更重要的是能培養(yǎng)學(xué)生利用分析測試的譜圖數(shù)據(jù)，解析未知化合物的結(jié)構(gòu)的能力，為今后研究生學(xué)習(xí)或科研工作奠定堅實的基礎(chǔ)。而這種理論實驗教學(xué)與科研基本能力培養(yǎng)互為補(bǔ)充的模式，必將是四川大學(xué)化學(xué)綜合實驗教學(xué)改革長期堅持的目標(biāo)。

［1］敖天其，茍旭，吳守輝，等.關(guān)于校級平臺示范應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的認(rèn)識與構(gòu)想［J］.實驗室研究與探索，2011，30（11）：342－345.

［2］蔡兵，劉姝伶，尹玲娜，等.高校大型儀器設(shè)備開放共享的實踐與探索［J］.實驗室研究與探索，2014，33（2）：259－263.

［3］李靜，陽萌，房川琳.化學(xué)專業(yè)實驗室綜合訓(xùn)練教學(xué)平臺的建設(shè)［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2015，13（2）：139－141.

［4］王玉良，陳華.有機(jī)化學(xué)實驗［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［5］楊祖幸，楊潔，孫群，等.從茶葉中咖啡因?qū)嶒灧椒把b置的改進(jìn)［J］.實驗室研究與探索，2008，27（3）：43－44.

［6］門健，田曉紅，付海燕，等.有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)中合成實驗反應(yīng)進(jìn)程的探討［J］.大學(xué)化學(xué)，2010，25（4）：34－35.

［7］熊慶，郭彩紅，宋紅杰，等.傅里葉變換紅外光譜法中的對比實驗教學(xué)設(shè)計［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2014，12（5）：11－12.

［8］李靜，王惠澤，劉艷紅，等.茶葉中提取咖啡因?qū)嶒灲虒W(xué)改革探索與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2015，32（1）：54－56.

［9］LIL，XIANG H，ZHOU X，et al.Detection of Fe3＋and Al3＋by Test Paper［J］.Journal of Chemical Education，2012，89（4）：559560.

［10］張紅素，謝川，陳華，等.基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實驗的教學(xué)改革探討［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，8（3）：96－97.

［11］鄭學(xué)麗，陳華，李夢龍.有機(jī)化學(xué)實驗課程對培養(yǎng)學(xué)生初步科研能力的探索與實踐［J］.化學(xué)教育，2014，35（18）：29－31.

［12］藍(lán)仲薇，李瑛，陳華，等.有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：海洋出版社，2004.

［13］邢其毅，徐瑞秋，周政，等.基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［14］AKZO NV.Process for the synthesis of citraconimides［P］．EP，19920200039.1992－01－09.

［15］劉春萍，劉剛，孫林，等.基于問題教學(xué)法的有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)案例［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2011，9（5）：142－143.

Design of Experiment Teaching on the Synthesis，Separation and Characterization of Isomers

LIJing，F(xiàn)ANG Chuanlin，YANG Meng，LIU Yanhong
（Experiment Teaching Center of Basic Chemistry，Sichuan University，Chengdu 610064，China）

Based on the instrumentof the comprehensive training and teaching platform（the professional laboratory of chemistry，Sichuan University），organic chemistry experimental course（the synthesis，separation and characterization of isomers）was introduced to fundamental experimental teaching process.This experiment started from the synthesis of isomers.Then these isomers were charac terized by LC－MSand purified by column chromatography.And finally all isolated isomerswere identified by 1H NMR.Importantly，the research task presented is aimed to promote the undergraduate students’creative thinking and improve the ability to solve the prob lems of organic chemistry.

experiment teaching reform；general chemical experiment；isomers；nuclearmagnetic resonance；organic chemistry

O6－33

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2017.03.020

2015－10－15；修改日期：2017－01－16

四川大學(xué)實驗技術(shù)項目資助（0083304116008）。

李靜（1981－），女，碩士，助理研究員，主要從事大型精密儀器運(yùn)行與實驗教學(xué)方面的工作。

劉艷紅，實驗師，lyh198285＠163.com