色－質聯用技術與有機反應歷程教學實踐

王秧年，奚忠華

（南京大學 國家級化學實驗教學示范中心，江蘇 南京 210093）

以1－丁醇、NaBr和濃硫酸為原料制備1－溴丁烷實驗所涉及產物的生成反應（機理）為例，將有機化學［1－2］理論課中的知識點進行梳理并形成知識網絡，對于理解和靈活運用這些知識是非常必要的。在實驗過程中穿插相關物質形成歷程的分析、或者在理論教學中穿插手性色譜及其與質譜聯用等新型分析技術在有機合成產物全分析與鑒定中的最新進展［3－8］，有助于學生更深刻的理解、學習有機化學。

手性化合物的合成、分離和分析鑒定越來越受到重視，手性柱高效液相色譜（HPLC）技術被廣泛使用，但在復雜組分或未知組分的定性和定量分析等方面存在明顯不足，手性柱氣相色譜－質譜聯用（GC－MS）技術是解決這些問題的有效手段之一。手性柱GC－MS技術有助于加深對相關理論知識的理解和深化。

“正溴丁烷的制備”是有機化學實驗教學的經典實驗之一［9］。采用普通毛細管柱 GC－MS［10－12］，在合成產物中除主產物1－溴丁烷外，還檢出了一定量的2－溴丁烷和二溴代產物（2，3－二溴丁烷和1，2－二溴丁烷）等副產物［12］。從立體化學可知，這些含溴副產物均含有手性碳原子。本文試圖用手性柱GC－MS技術對1－丁醇制備的溴代產物進行全分析，建立相關知識網絡，激發學生學習有機化學的興趣。

1 實驗

1.1 溴代丁烷的合成

溴代丁烷的合成參見參考文獻［9］。

1.2 實驗儀器及條件

儀器：GCMS－QP2010／PLUS （SHIMADZU，四極桿質譜檢測器）；色譜柱：HP－CHIRAL－20B，30m×0.25mm×0.25μm。

條件：載氣為 He（99.999﹪）；柱流量為1.00 mL／min；進樣口溫度為200.0℃；接口溫度為200.0℃；質譜溫度為200.0℃；全掃描，掃描范圍（質／荷）為50.0～200.0amu；進樣量為0.20μL。

1.3 實驗步驟

配制溴代丁烷合成產物的甲醇溶液：用1.00μL注射器移取0.50μL溴代丁烷合成產物，加入到盛有1.00mL的HPLC級甲醇的2.5mL小樣品管中，混合均勻備用；待GC－MS聯用儀穩定后，用1.00μL進樣器吸取0.20μL合成產物的甲醇溶液進樣。GC程序升溫分析條件：以0.50℃／min升溫速率從38.0℃升溫到42.0℃，以60.0℃／min的速率升溫到102.0℃，以0.50℃／min的速率升溫到107.0℃，以60.0℃／min的速率升溫到200.0℃并保溫2min。為便于比較，采用原始色譜圖豐度信號除以最強峰（1－溴丁烷）豐度信號對色譜圖進行歸一化。

2 結果與討論

2.1 1－溴丁烷合成產物的手性柱GC－MS全分析結果

在上述色譜條件下，對合成產物的甲醇溶液進樣分析，得到的色譜圖見圖1。在圖1中可以清楚地看到，這些產物實現了有效分離。借助質譜對這些色譜峰進行定性歸屬：保留時間為6.053、6.154、8.159、13.048、13.628、13.700、13.978min的色譜峰依次歸屬為R－2－溴丁烷、S－2－溴丁烷、1－溴丁烷、2，3－二溴丁烷內消旋體（meso－2，3－二溴丁烷）、（2S，3S）－2，3－二溴丁烷、（2R，3R）－2，3－二溴丁烷和1，2－二溴丁烷。以峰面積歸一化法求得各組分的含量依次為1.40、1.38、96.25、0.39、0.18、0.17、0.24%。其中有兩對峰面積幾乎相等的色譜峰分別對應2－溴丁烷的一對外消旋體（R－2－溴丁烷和S－2－溴丁烷）和2，3－二溴丁烷的一對外消旋體（（2S，3S）－2，3－二溴丁烷與（2R，3R）－2，3－二溴丁烷）。

2.2 1－丁醇溴代產物的形成歷程

2.2.1 一溴代丁烷的可能形成歷程

1－丁醇質子化產生n－C4H9—OH28，—OH28是很好的離去基團，體系中大量存在的Br－從—OH28背面進攻，按SN2歷程生成構型翻轉的1－溴丁烷主產物［1－2］（見圖2）。n－C4H9—OH28可以發生脫水反應生成少量非常不穩定的n－C3H7CH28伯碳正離子，通過碳正離子重排反應生成穩定性較高的C2H5CH8CH3仲碳正離子［1－2］；Br－從sp2雜化的C2H5CH8CH3分子平面上方和下方進攻，按SN1機理生成少量R－和S－2－溴丁烷外消旋體（主要副產物），二者含量是相等的［1－2，13－16］（見圖2），與圖1的實驗結果一致。

圖1 1－溴丁烷合成產物在手性柱上的GC圖及相應色譜峰的MS指認

2.2.2 二溴丁烷的可能形成歷程

n－C4H9—OH28可直接發生消除反應生成少量1－丁烯；C2H5CH8CH3仲碳正離子也可脫去質子，生成少量1－丁烯、順（cis或Z）－和反（trans或E）－2－丁烯［1－2］。這3種烯烴可進一步與由濃硫酸和溴化氫反應生成的少量Br2反應［15］。1－丁烯與Br2反應生成兩種溴鎓離子中間體，然后Br－從溴鎓離子背面進攻1位或2位的碳原子，生成R－和S－1，2－二溴丁烷外消旋體，二者含量應相等。順－2－丁烯與Br2反應生成一種溴鎓離子中間體，然后Br－從溴鎓離子背面進攻2位或3位的碳原子，生成（2S，3S）－和（2R，3R）－2，3－二溴丁烷外消旋體（dl－），二者含量應相等。反－2－丁烯與Br2反應生成兩種溴鎓離子中間體，然后Br－從溴鎓離子背面進攻2位或3位的碳原子，生成（2R，3S）－2，3－二溴丁烷內消旋體（meso－）［1－2］。

含溴副產物包括：R－和S－2－溴丁烷外消旋體、R－和S－1，2－二溴丁烷外消旋體、（2S，3S）－和（2R，3R）－2，3－二溴丁烷外消旋體（即dl－2，3－二溴丁烷）、（2R，3S）－2，3－二溴丁烷內消旋體（即meso－2，3－二溴丁烷）。

根據圖2所示的從1－丁醇制備1－溴丁烷和含溴副產物形成歷程可知，共有1－溴丁烷主產物和7種含溴副產物。在非手性柱GC－MS上應有1個主色譜峰（1－溴丁烷）和4個小色譜峰（2－溴丁烷、meso－2，3－二溴丁烷、dl－2，3－二溴丁烷、1，2－二溴丁烷），這為我們先前報道的實驗結果所證實［12］；在手性柱GC－MS上應有1個主色譜峰（1－溴丁烷）和7個小色譜峰（R－2－溴丁烷、S－2－溴丁烷、（2R，3S）－2，3－二溴丁烷、（2S，3S）－2，3－二溴丁烷、（2R，3R）－2，3－二溴丁烷、R－1，2－二溴丁烷、S－1，2－二溴丁烷），其中3對外消旋體的每一對外消旋體的色譜峰面積應相等，這與在圖1所示的手性柱GC－MS色譜圖相吻合。

圖2 以1－丁醇、NaBr和濃硫酸為原料制備1－溴丁烷及含溴副產物生成過程示意圖

3 結束語

采用手性柱色－質聯用實驗技術對經典有機化學實驗“正溴丁烷的制備”的合成產物進行了全分析，通過整合分散在有機化學各相關章節的理論知識，理解和闡釋了這些產物的形成歷程。藉此，建立了相關知識網絡，大大拓展了該經典有機化學實驗的深度和廣度，極大地激發了學生學習有機化學的興趣。

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