合成中间体柠檬肟不同构型的色谱定性探讨

许保海

柠檬肟是合成国际新型香料柠檬腈的中间体。目前国内外所采用的基本合成方法是用物理或化学方法从山苍子油提取柠檬醛［1］，用柠檬醛与盐酸羟胺或硫酸羟胺反应制备柠檬肟，再用乙酐等作脱水剂［2］使柠檬肟脱水生成柠檬腈。从山苍子油提取的柠檬醛有两种构型，分别是构型为E型的α-柠檬醛和构型为Z型的β-柠檬醛。中间产物柠檬肟的肟键与一双键共轭，从理论上说，该结构可能存在如图1所示的4个构型的柠檬肟:

图1 柠檬肟的4个构型

从查得的国内外文献看，关于合成中间体柠檬肟不同构型的色谱定性未见报道。本文针对用山苍子油提取的柠檬醛经羟胺反应得到的柠檬肟，利用气相色谱仪、气质联用仪，从质谱解析、有机合成各构型简单产率比的角度对合成中间体柠檬肟构型的色谱定性作了探讨。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

气相色谱:GC-14C，配FID检测器(岛津公司，日本);气相色谱-质谱联用仪:GC 6890-MS5973 (惠普公司，美国)。

柠檬醛(92%)(由黔产山苍子油提取，贵阳海丰日化有限公司售)，盐酸羟胺，碳酸钠，盐酸，所用试剂均为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 中间体柠檬肟合成

在250 mL三口烧瓶中加入水50 mL，搅拌下加入盐酸羟胺11.1 g与碳酸钠12.7 g。充分溶解后装上搅拌装置，控制一定的搅拌速度，用水浴加热，控制反应温度为(70±1)℃。15 min内滴加完18.5 mL(约 0.1 mol)柠檬醛。反应完毕后取油层样，样品用乙醚稀释后进气相色谱、气质联用仪分析。

1.2.2 气相色谱仪设定

HP-5(5%苯基甲基硅氧烷)毛细管色谱柱，25 m×200 μm×0.25 μm;柱初温 100℃保留1 min，以13℃/min升至165℃，保留1 min后以2℃/min升至175℃，保留1 min;载气为高纯氮，恒流方式1.0 mL/min;分流进样，分流比50∶1;氢火焰离子检测器(FID);柱前压100 kPa，氢气50 kPa，空气70 kPa，进样口温度 200℃;检测器温度250℃;进样量1 μL。

1.2.3 气相色谱-质谱联用仪设定

GC条件:HP-5(5%苯基甲基硅氧烷)毛细管色谱柱，25 m×200 μm×0.25 μm;柱初温100℃保留1 min，以13℃/min升至165℃，保留1 min后以2℃/min升至175℃，保留1 min;载气为高纯氦，恒流方式1.0 mL/min;进样口温度250℃;分流进样，分流比50∶1;进样量1 μL;延迟时间1.5 min。

MS条件:EI离子源，电子能量70 eV;离子源温度230℃;四级杆温度150℃;色谱质谱传输线温度280℃;扫描频次2.83次/s;倍增电压1 529 V。

2 结果与讨论

2.1 质谱图解析的构型色谱定性探讨

2.1.1 总离子流色谱图与产物质谱图

取合成反应2 h后的样品经乙醚稀释后进气质联用仪分析，总离子流色谱图见图2。

图2 合成产物的总离子流色谱图

对图2中的6个主要色谱峰进行了质谱扫描，其中后4峰的质谱图见图3。

图3 4个色谱峰的质谱图

2.1.2 碎片离子峰m/z 99的质谱解析

对取得的各组分质谱图进行谱图(Wiley谱库，27.5万张)检索后发现，前两峰即为反应物Z式和E式柠檬醛，而后4峰A、B、C、D无标准谱图可检索。由于柠檬肟的分子量为167，显然，m/z 167是各色谱峰的分子离子峰M+·。

在使用质谱解析确定肟构型的应用方面，McLafferty关于氢重排的理论［3］已有大量应用，见文献［4］～［6］。根据F.W.McLafferty的关于氢重排的理论:发生γ-氢极易重排到不饱和官能团上的原因不是由于六圆环过渡态的空间选择性，也不是由于协同反应的促成，而是取决于3个因素:氢的不稳定性、位置的接受能力和产物的稳定性。对于其他非六圆环重排，只要满足McLafferty关于氢重排的理论(核心是3个因素均符合)，那么重排是可能的。观察质谱图3可以发现，色谱峰C与D存在相当显著的碎片离子峰m/z 99，而A与B则没有或甚小。为此，我们根据McLafferty的关于氢重排的理论对这一现象进行了解释。图4为碎片离子峰m/z 99的裂解解析:

图4 碎片离子峰m/z 99的裂解解析

首先，从位置的接受能力来看，4个异构体均有含氮的官能团，它是最能按受重排氢的，但空间因素却限制了(E、Z)与(Z、E)的氮原子接受氢的能力。如图5a，对于(E、Z)-柠檬肟，这样的氢迁移是不利的;而对于(E、E)和(Z、Z)柠檬肟来说，它们却没有氮原子上的羟基所带来的空间因素的限制。如图5b，对于(E、E)-柠檬肟，这样的氢迁移是有利的。

图5 发生氢迁移的空间因素示意图

当然，(E、E)或(Z、Z)柠檬肟并非全都会发生这样的氢迁移，因为与4位碳或5位碳相连的价键均是σ键，它们可以自由转动。如图5c，氢原子与氮原子相距太远，发生氢迁移亦是困难的。但是，对于(E、E)或(Z、Z)柠檬肟而言，可以发生氢迁移的这种有利位置一定是存在的，只是一个概率多少的问题了。

其次，1位甲基上的氢是与不饱和碳碳双键相邻的碳原子上的氢，根据氢的不稳定性因素，它是容易发生氢迁移的。

最后，从产物的稳定性因素看，由于裂解后产生的碎片离子峰m/z 99的不成对电子处于共振稳定态，产物稳定性增强，重排容易发生。其共振式如图6。

图6 碎片离子峰m/z 99的共振式

因此，(E、E)与(Z、Z)柠檬肟满足McLafferty氢重排的3个因素。它们可以发生氢重排而产生m/z 99的碎片离子峰，也即是说，(E、E)与(Z、Z)柠檬肟只能是总离子流色谱的后4峰中的C与D峰了。

2.2 各构型合成的简单产率比构型色谱定性探讨

将烯键为Z型构成的肟与烯键为E型构成的肟的质量浓度比(用峰面积比值代替)称为其构型的简单产率比λ。反应物柠檬醛有两个构型，为确定两构型的质量浓度比，我们直接对其进行气相色谱分析，利用峰面积归一化法得到Z型与E型的质量浓度比为0.76∶1.0。

取水浴条件下改变pH值，反应3 h后的样品经乙醚稀释后进气相色谱仪分析，得到各pH条件下的峰面积值，经计算发现，用B与D峰的峰面积之和除以A与C峰的峰面积之和的比例竟亦为0.76∶1.0左右。图7为B、D构型对A、C构型的简单产率比。

图7 不同pH条件下的简单产率比

这也说明，在普通的反应条件下，反应只是羟胺与柠檬醛上的醛基发生亲核作用，显然对于柠檬醛上的Z型或E型烯键不产生影响。因此可以推测，B与D峰代表的是烯键为Z型构成的肟，而A与C峰代表的是烯键为E型构成的肟。

2.3 柠檬肟的4个色谱峰的对应构型

通过质谱图的解析推测出总离子流色谱中C、D峰代表的是(E、E)与(Z、Z)柠檬肟，剩下A、B峰代表的是(E、Z)与(Z、E)柠檬肟;从合成的简单产率比的角度推测出B、D峰代表的是(Z、Z)与(Z、E)柠檬肟(烯键为Z型)，而A与C峰代表的是(E、Z)与(E、E)柠檬肟(烯键为E型)。因此我们得到了在给定的色谱条件下，合成中间体柠檬肟构型的色谱定性关系(表1)。

表1 柠檬肟的4个色谱峰的对应构型

3 结论

通过采用色谱、质谱等科学仪器，并结合McLafferty的质谱解析理论和有机合成简单产率比，以新的视角对合成中间体柠檬肟不同构型的色谱峰进行了定性研究，区分了给定色谱条件下的4个不同构型柠檬肟色谱峰。

［1］叶毓铭.山苍子精油及脂肪酸的利用［J］.四川化工与腐蚀控制，1998，1(4):36-39.

［2］沈睿漫，黄金昆.用山苍子油合成国际新型香料-柠檬腈的新探［J］.精细化工，1994，11(1):28-30.

［3］F W麦克拉弗蒂.质谱解析［M］.王光辉，译.3版.北京:化学工业出版社，1987:170-177.

［4］L A科特.有机质谱法导论［M］.潘希明，译.北京:科学出版社，1982:55-60.

［5］Jessica L，Detlef S，Helmut S.Competitive reactions and diastereoselective C-H bond activation in the McLafferty rearrangement of photoionized 3-methyl valeramide［J］.International Journal of Mass Spectrometry，2005，240(2): 121-137.

［6］刘辉，肖转泉，李希成.内型β-异莰烷基酮肟的合成及其构型的确定［J］.林产化学与工业，1997，17(4):6-10.