張 輝，張晨杰，徐敏敏，袁亞仙，姚建林

（蘇州大學材料與化學化工學部，蘇州215123）

高效液相色譜（HPLC）因其高效的分離性能而廣泛應用于食品安全［1］、生物［2］、醫(yī)藥［3］及環(huán)境保護［4］等領域.然而HPLC技術存在局限性，如難以分開極性相似的混合物，難以提供結構信息等［5］.聯(lián)用技術的出現(xiàn)解決了這些問題，如與質譜（MS）聯(lián)用定量測定食品組成、分析產(chǎn)物結構及產(chǎn)物收率等［6］.但該聯(lián)用技術對于一些未知組分的結構分析仍較困難［7，8］.因此，亟待發(fā)展一種高效分離與結構鑒別的聯(lián)用技術.

振動光譜可用于物質結構的鑒別.將HPLC與振動光譜技術聯(lián)用可用于研究復雜多變的有機反應歷程.表面增強拉曼光譜（SERS）具有高靈敏度的特點，可使信號增強10個以上數(shù)量級［9］，實現(xiàn)單分子檢測.因此，將SERS與HPLC聯(lián)用可在分離基礎上實現(xiàn)結構鑒別.目前，該聯(lián)用技術已成功用于檢測生物堿［10］、農(nóng)藥［11］、染料［12］以及藥物代謝［13］等. 近年來，我們［14］已將SERS-HPLC聯(lián)用技術運用在有機反應體系中，以有序Au納米粒子二維陣列膜為基底，實現(xiàn)了對苯硼酸和3-溴吡啶的Suzuki偶聯(lián)反應的實時連續(xù)分離和檢測，同時也檢測到反應副產(chǎn)物聯(lián)苯.溫度、催化劑、溶劑和酸堿度等可能導致不同歷程的有機反應.目前，SERS-HPLC聯(lián)用技術主要集中在固定反應條件下有機反應體系的研究.

鄰氨基苯硫酚（OATP）為含有巰基（—SH）和氨基（—NH2）的雙官能團分子，—SH的存在使其易在基底吸附而被SERS檢測［15］，此外，其在酰氯存在下極易形成硫酯化合物或酰胺化合物［16，17］.催化劑一方面用于改變反應的活化能，使反應速率提高，另一方面催化劑也會參與反應，如銅催化劑活化鄰位的C—H/C—N環(huán)化反應中，銅催化劑與活性位點進行配位生成穩(wěn)定的銅離子絡合物，通過去質子化作用完成反應［18］.本文以OATP與鄰碘苯甲酰氯反應為模型體系，選用具有較高可重復性的固相二維有序Au納米粒子陣列為SERS基底，采用SERS-HPLC聯(lián)用技術進行現(xiàn)場監(jiān)測，研究該反應中的催化劑效應并解析相應的反應過程.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

四水合氯金酸（HAuCl4·4H2O，純度99.9%）、二水合檸檬酸三鈉（Na3C6H5O7·2H2O，純度99.0%）、鹽酸羥胺（NH2OH·HCl，純度98.5%）、醋酸銅、三乙胺和鄰碘苯甲酰氯（C7H4ClIO）均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司；甲醇（色譜純）購自伊諾凱科技有限公司；鄰氨基苯硫酚（分析純）購自麥克林生化科技有限公司；聚乙烯吡咯烷酮（PVP，Mw=10000，分析純）購自百靈威科技有限公司；1，4-二氧六環(huán)（分析純）購自艾覽化工科技有限公司；實驗用水為超純水（電阻率≥18.2 MΩ·cm）.

LabRam HR800型共聚焦顯微拉曼光譜儀（法國Jobin Yvon公司，激光波長為632.8 nm，到達樣品的功率約5 mW，狹縫和共焦針孔均為100 μm，物鏡為奧林巴斯50X長焦鏡頭）；UltiMate?3000型高效液相色譜儀［美國賽默飛世爾科技公司，配備自動進樣器、四元泵、柱溫恒溫箱、Hypersil GOLD C18色譜柱（5 μm，4.6 mm×250 mm）以及可變波長紫外檢測器（DAD）］；Q-TOF3型質譜儀（美國布魯克科技有限公司）；AVANCE NEO 400 MHz液體超導核磁共振波譜儀（瑞士布魯克公司）.

1.2 基底制備過程

參照文獻［19］方法制備15 nm金納米粒子溶液.將1 mL 1%（質量分數(shù)）HAuCl4·4H2O的水溶液稀釋為0.01%的水溶液，加熱至沸騰保持回流，迅速加入2 mL 1%（質量分數(shù)）檸檬酸三鈉水溶液，溶液從淡黃色逐漸變?yōu)榛疑熬萍t色.15 min后自然冷卻至室溫，即得15 nm金納米粒子溶液.

參照文獻［20］方法制備30 nm金納米粒子.取25 mL上述金納米粒子溶液，分別加入1 mL 1%（質量分數(shù)）的檸檬酸三鈉水溶液，1 mL 1%（質量分數(shù)）PVP水溶液及20 mL 25 mmol/L的NH2OH·HCl水溶液.在常溫低速攪拌下，以60 mL/h的速度滴入20 mL 0.1%（質量分數(shù)）的HAuCl4水溶液，30 min后溶液由酒紅色變?yōu)榉奂t色最后變?yōu)樽霞t色，即得到30 nm左右的金納米粒子溶液.

Au納米粒子單層膜的制備：參照文獻［21］方法，取3 mL 30 nm Au納米粒子溶液，在自制的揮發(fā)裝置中于40℃下真空干燥16 h.在氣液界面逐漸形成一層致密均勻的Au納米粒子單層膜.將納米粒子單層膜通過提拉的方式轉移至干凈的硅片表面，干燥后作為SERS基底待用.

1.3 醋酸銅的催化反應

向OATP（0.22 mmol）的無水1，4-二氧六環(huán)溶液中加入Et3N（0.4 mmol）. 室溫下攪拌30 min后，加入Cu（OAc）2（0.01 mmol）作為催化劑，然后滴加鄰碘苯甲酰氯（0.2 mmol），在110℃下反應12 h后，向溶液中加入適量飽和NaHCO3水溶液，并用乙酸乙酯萃取.產(chǎn)物通過柱層析分離提純［洗脫液：n（PE）/n（EtOAc）=10∶1］. 未加Cu（OAc）2的實驗用于對比研究.

1.4 SERS-HPLC聯(lián)用監(jiān)測

從反應體系內取0.2 mL樣品，通過在采樣針頭處0.22 μm的過濾器濾除不溶物后，用甲醇稀釋至1.5 mL，將配制好的樣品置入HPLC自動進樣器，用于SERS-HPLC系統(tǒng)檢測.

2 結果與討論

2.1 SERS-HPLC聯(lián)用系統(tǒng)的構建

將PEEK管一端與HPLC的DAD檢測器相連，另一端連接帶有刻度的高壓微量分流閥.設計帶儲液凹槽的手動旋轉平臺，凹槽內裝有可靈活更換的修飾Au納米粒子單層膜的硅片作為SERS基底，以便消除SERS檢測的“記憶效應”.檢測過程中系統(tǒng)流速為1 mL/min.10 μL待測液通過自動進樣器注入HPLC中，具有不同保留時間的物質先后流經(jīng)DAD檢測器后流入拉曼光譜儀檢測平臺下的轉盤，通過調節(jié)分流閥的流速，使流出液到達載有Au納米粒子單層膜的硅片表面，從而快速獲得SERS譜.

2.2 無催化劑條件下反應過程分析

選取OATP和鄰碘苯甲酰氯為反應底物，以甲醇和水（體積比70∶30）混合溶液為流動相.首先，測定OATP標準樣品的HPLC譜（圖S1，見本文支持信息），觀察到保留時間分別為4.2和6.4 min時的譜峰.由于—SH極易自偶聯(lián)產(chǎn)生二硫化物而被HPLC所檢測.為了驗證此可能的反應產(chǎn)物，在標準樣品中加入少量三乙胺，原保留時間為4.2 min時的吸收峰消失［圖S1（B）］，其源于三乙胺使二硫化物S—S鍵斷裂［22］.保留時間為6.4 min時的流出液的SERS與OATP光譜特征一致［圖S1（C）］，由此6.4 min時的色譜峰可指認為OATP.值得說明的是，在4 min附近時仍可觀察到弱峰，SERS檢測時并未觀察到除溶劑外的特征譜峰，判斷其為溶劑峰.

圖1為OATP與鄰碘苯甲酰氯反應12 h后的SERS-HPLC檢測結果，保留時間為12.1和15.2 min時觀察到明顯的色譜峰，表明反應可能生成了兩種不同產(chǎn)物［圖1（A）］.對比二者相應的光譜特征［圖1（B）］，發(fā)現(xiàn)前者（12.1 min）在1662 cm—1處檢測到C=（O）—S的C=O伸縮振動峰，在1250 cm—1處觀察到歸屬于酰胺Ⅲ譜帶的特征峰.因此，12.1 min時的色譜峰歸屬為硫酯類化合物.后者（15.2 min）僅觀察到1500 cm—1處的峰，歸屬于酰胺N—H的剪式振動，以及1350 cm—1處的峰，歸屬于仲酰胺的C—N伸縮振動，表明15.2 min時的色譜峰歸屬為酰胺類化合物.

當產(chǎn)物中存在S—S鍵，其因吸附金屬納米粒子而斷裂形成硫-金屬鍵［23］，因此并未檢測到該峰；對于硫酯，其中C（=O）—S的結構可能存在互變異構C（—O—）=S，C=S與Au納米粒子相互作用，易測得硫代酯的SERS信號［24］.兩種產(chǎn)物SERS譜中存在相同頻率的特征峰，表明產(chǎn)物吸附在金屬表面的結構相似，據(jù)此判斷保留時間為12.1和15.2 min時的產(chǎn)物分別為雙取代酰胺鍵的硫酯（1b）及二硫化物與酰氯生成的酰胺（2b）.

Fig.1 HPLC chromatogram of the reaction solution after 12 h without catalyst(A)and SERS spectra of the effluent at retention time of 12.1 and 15.2 min(B)

為進一步研究該反應歷程，采用聯(lián)用技術測定了不同反應時間內混合體系的組成.如圖2（A）所示，反應初始并未觀察到反應物的色譜峰，說明兩種反應物混合后立即生成新物質，如在7.8 min時觀察到新色譜峰，該峰強度隨反應時間的增加而降低，其對應的SERS譜如圖2（B）所示.圖中在1250～1300 cm-1范圍內觀察到N—H彎曲及C—N伸縮振動相互作用的酰胺Ⅲ譜帶，1370 cm-1處的譜峰歸屬為C—N伸縮振動，1445 cm-1處的譜峰歸屬為N—H的彎曲振動，此類特征峰均為酰胺Ⅱ譜帶.綜上可知，7.8 min時的色譜峰歸屬為OATP與鄰碘苯甲酰氯生成的2-碘-N-（2-巰基苯基）苯甲酰胺.

Fig.2 Time?dependent HPLC chromatograms of the reaction solution within 1 h(A)and SERS spectra of effluent at retention time of 7.8 min(B)

圖3為反應0，2及6 h后溶液的SERS-HPLC檢測結果.反應起始保留時間分別為5和6 min時流出液的SERS譜如圖3（B）所示，兩者光譜特征相似，但并未在HPLC中檢測到對應的色譜峰［圖3（A）］.在8 min時流出液中檢測到2-碘-N-（2-巰基苯基）苯甲酰胺的特征譜峰，反應2 h后，該色譜峰和SERS譜峰均消失，說明此物質參與反應并完全消耗.

反應2和6 h后，5，6和8 min時的流出液中未檢測到除溶劑外的SERS特征譜峰，在12和15 min時對應流出液中檢測到兩種產(chǎn)物的SERS特征譜［圖3（C，D）］.由此可知，反應初始階段存在少量未被HPLC檢測到的反應物，SERS因極高靈敏度而可檢測這些物質的特征譜峰，隨反應時間延長反應物迅速被消耗而無法觀察到特征SERS譜峰.

Fig.3 HPLC chromatograms of the reaction solution after 0,2 and 6 h without catalyst(A),time?dependent SERS spectra of effluent after 0 h(B),2 h(C)and 6 h(D)with the interval time of 1 min

2.3 催化劑條件下反應過程分析

通常，OATP與鄰碘苯甲酸甲酯反應生成苯并硫氮雜卓酮［25］，上述無催化劑實驗中，比鄰碘苯甲酸甲酯活性更高的鄰碘苯甲酰氯未與OATP反應得到類似結構產(chǎn)物，于是引入醋酸銅為催化劑研究了上述反應行為，催化反應12 h后體系的SERS-HPLC檢測結果如圖4所示.由圖4（A）可見，僅生成了保留時間為12.1 min時的產(chǎn)物，但與無催化劑下相同保留時間產(chǎn)物的SERS譜［圖4（B）和圖1（B）］對比，發(fā)現(xiàn)兩者的譜峰特征存在明顯差異.

Fig.4 HPLC chromatogram of the reaction solution after 12 h with catalyst(A)and SERS spectra of the effluent of 12.1 min reaction without(a)and with(b)catalyst(B)

由圖4（B）可見，位于700 cm—1左右的譜峰歸屬為Ph-S-Ph類化合物的C—S伸縮振動，1760 cm—1處存在內酰胺的酰胺Ⅰ特征譜峰，700～900 cm—1范圍內的譜峰歸屬為C—N對稱伸縮振動，在650～700 cm—1范圍內的譜峰歸屬為C（=O）—N的面內變形振動，由此可知，12.1 min時的流出液所含物質結構應為內酰胺類化合物.由于其SERS光譜與無催化劑條件下產(chǎn)物1b顯著不同，通過薄層層析法判斷兩種物質極性時發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物3b極性略低于產(chǎn)物1b，由此可知，其結構中存在無可被取代的活性氫，在催化劑作用下的產(chǎn)物應為苯并硫氮雜卓酮類化合物（3b）.

考慮到提取1 h內的反應體系易造成催化劑的損失而影響反應的進行，僅對反應0和1 h的體系進行SERS-HPLC的分離檢測，發(fā)現(xiàn)保留時間為12.1 min時的色譜峰出現(xiàn)明顯的肩峰，其對應于兩種物質.隨著反應時間延長，肩峰逐漸消失，說明產(chǎn)物之間存在結構互變，主產(chǎn)物3b由產(chǎn)物1b經(jīng)重構而成（圖S2，見本文支持信息）.將初始階段和反應1 h后流出液與標準樣品的SERS光譜進行對比，表明產(chǎn)物3b的形成與產(chǎn)物1b有關（圖S3和圖S4，見本文支持信息）.

分別對反應0，1和6 h后的溶液進行SERS-HPLC聯(lián)用檢測（圖5）.可見，反應0，1和6 h內保留時間5～10 min時檢測到多個色譜峰，且在HPLC譜中未出峰的流出液也檢測到SERS特征譜［圖5（A）］；隨著反應進行，檢測到SERS譜峰的時間區(qū)間逐漸減少；從SERS譜圖中判斷僅在反應起始階段檢測到產(chǎn)物1b的信號［圖5（B）］，反應1和6 h內在12.1 min時的流出液中僅檢測到歸屬于產(chǎn)物3b的特征峰［圖5（C，D）］.以上現(xiàn)象表明催化劑存在時，體系內首先出現(xiàn)多種活性物質參與反應生成了產(chǎn)物3b，隨著反應進行，反應速率加快，活性物質逐漸被消耗，體系內的物質結構發(fā)生由復雜趨向于單一的變化，最終得到產(chǎn)物3b.

Fig.5 HPLC chromatograms of the reaction solution in 0,1 and 6 h with catalyst(A),time?dependent SERS spectra of effluent after 0 h(B),1 h(C)and 6 h(D)with the interval time of 1 min

2.4 催化劑條件下反應機理

OATP、2，2′-二硫代二苯胺先與鄰碘苯甲酰氯反應分別形成酰胺化合物2-碘-N-（2-巰基苯基）苯甲酰胺及產(chǎn)物2b｛N，N′-［二硫（2，1-亞苯基）］二（2-碘苯甲酰胺）｝，2-碘-N-（2-巰基苯基）苯甲酰胺由于其存在游離的巰基，故存在兩種反應路徑：（1）光照下2-碘-N-（2-巰基苯基）苯甲酰胺形成硫自由基后經(jīng)偶聯(lián)生成產(chǎn)物2b；（2）2-碘-N-（2-巰基苯基）苯甲酰胺與另一分子的鄰碘苯甲酰氯反應生成產(chǎn)物1b.

產(chǎn)物1b在醋酸銅作用下，其酰胺鍵與催化劑形成絡合物中間體Ⅰ，鄰碘苯甲氨酰基自由基離去與酰胺鍵反應，硫自由基與催化劑形成絡合物中間體Ⅱ，鄰位的碘離子受到催化劑的影響離去，而活性硫自由基進攻鄰位從而生成產(chǎn)物3b，如Scheme 1所示.

Scheme 1 Proposed reaction processes OATP and 2?iodobenzoly chloride with catalyst

2.5 反應產(chǎn)物的核磁共振波譜分析

采用核磁共振波譜（1H NMR）和質譜（MS）（圖S5，見本文支持信息）對反應產(chǎn)物進行驗證，反應后的混合溶液通過柱層析分離獲得產(chǎn)物.

產(chǎn)物1b｛S-［2-（2-碘苯甲酰氨基）苯基］-2-碘代苯硫酸鹽｝為白色固體，1H NMR（400 MHz，DMSO-d6），δ：10.20（s，1H），8.02（dd，J=7.9，1.0 Hz，1H），7.94（d，J=7.9 Hz，1H），7.84～7.73（m，2H），7.70～7.53（m，3H），7.49（d，J=4.6 Hz，2H），7.42（td，J=7.6，1.4 Hz，1H），7.32（td，J=7.7，1.6Hz，1H），7.27～7.18（m，1H）.HRMS（ESI）：［M+H］+：585.8833. 產(chǎn)物2b｛N，N′-［二硫（2，1-亞苯基）］二（2-碘苯甲酰胺）｝為淺黃色固體，1H NMR（400 MHz，DMSO-d6），δ：10.35（s，1H），7.96（d，J=7.9 Hz，1H），7.68（dd，J=7.7，1.8 Hz，1H），7.53（d，J=4.6 Hz，2H），7.41（d，J=7.5 Hz，1H），7.38～7.21（m，3H）.HRMS（ESI）：［M+H］+：708.8979.產(chǎn)物3b｛10-（2-碘苯甲?；┒讲ⅲ踒，f］［1，4］硫氮雜-11（10H）-酮｝為黃色固體，1H NMR（400 MHz，DMSO-d6），δ：7.96（dd，J=7.9，1.0 Hz，1H），7.82（dd，J=7.7，1.3 Hz，2H），7.69（ddd，J=24.1，7.9，1.3 Hz，2H），7.62～7.37（m，6H），7.18（td，J=7.7，1.7 Hz，1H）.HRMS（ESI）：［M+H］+：457.9689.

實際上，NMR測定對產(chǎn)物的純度、用量及溶劑均有較苛刻要求，需要繁瑣的分離提純過程，且難以獲得反應的動態(tài)變化信息，具有一定的局限性.而SERS-HPLC聯(lián)用體系可直接檢測混合樣品，且所使用的樣品濃度低（10—2～10—3mol/L），用量少（甚至可進行痕量檢測），可快速獲得隨時間變化的反應行為.

綜上所述，本文以Au納米粒子單層膜為基底，構建了SERS-HPLC聯(lián)用技術，實現(xiàn)了對鄰氨基苯硫酚與鄰碘苯甲酰氯的反應研究，無催化劑時反應生成產(chǎn)物1b和2b，在醋酸銅催化下生成3b.與傳統(tǒng)檢測手段相比，HPLC-SERS聯(lián)用技術不需要復雜的提純過程，樣品需求量少及可連續(xù)分析，是一種快捷簡便的分離檢測技術，同時對反應體系內的活性物質可以快速捕獲并推測其結構，為反應過程的解析提供了一種高效新技術.

支持信息見http：//www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20200379.