十二烷基甜菜碱制备及表征

梁向晖, 毛秋平, 谭相文, 牛君涛, 钟伟强

(华南理工大学 化学与化工学院, 广东省功能分子工程重点实验室, 广东 广州 510640)

有机精细化学品制备实验课程是我院在有机化学、有机化学实验基础上,为应用化学专业学生而开设的专业实验课程,包括精细化学品合成实验和配方实验。气质联用仪(GC-MS)是分析仪器中较早实现联用技术的仪器,是非常成熟且应用极其广泛的定性定量分析技术[1-9]。将气质联用仪用于精细化学品制备实验教学中,指导学生学会运用气质联用仪来定性分析有机精细化学品中间产物的组分和用外标法定量分析中间产物的含量。

微型化实验是实现精细化学品制备实验绿色化的一种有效途径。如在做“两性表面活性剂——十二烷基甜菜碱的制备”实验中,把所有反应原料减去多半制备十二烷基甜菜碱,就不会造成大量的浪费。学生通过微型化学实验操作,不仅减少了实验废液的产生,而且试剂减量后与之前相比反应时间有所缩短,学生有更多时间用于产品处理,教学效果良好。因此,微型化学实验是绿色化学的一项重要方法与技术[10-13]。将合成的十二烷基甜菜碱用于后续的复配实验中,节约了试剂,学生将自己的产品用于实践中,提高了对实验兴趣。对其中间产物结构和性质进行初步表征,让学生了解从制备到表征这种基本的化学研究过程。

1 实验原理

本实验原理如下：

2 仪器、试剂与实验条件

2.1 仪器与试剂

仪器: 气相色谱仪( 型号: Trace GC ultra 美国Thermo-fisher) ,质谱仪( 型号: Trace ISQ 美国Thermo-fisher) ,高纯氦(纯度>99.999%) ,微量注射器( 10 μL) 。

试剂: 十二烷基胺,乙醇(95%),甲醛(37%),甲酸(85%),氢氧化钠,无水硫酸钠,氯乙酸,乙酸乙酯,30%氢氧化钠水溶液,N,N-二甲基十二烷基胺(12DMA) 标准品。

2.2 气质联用仪分析条件

(1) GC条件:Trace GC ultra,气相色谱柱: 美国Agilent DB-5MS( 5% 二苯基-95%二甲基聚硅氧烷) 石英毛细管柱( 30 m×0.25 mm×0.25 μm)；程序升温：初温80 ℃,保持1 min,以 25 ℃/min升至250 ℃,保持5 min；载气：氦气；恒流模式,1.2 mL/min；进样口温度：230 ℃；分流进样的分流比：30,进样量：0.5 μL；传输线温度:280 ℃。

(2) MS条件: Trace ISQ,电离方式为EI,电子能量70 eV,灯丝发射电流为200 μA,离子源温度为280 ℃,接口温度为250 ℃,质荷扫描范围33～550 m/z,未知化合物经NIST 08谱库进行检索匹配。

3 实验步骤

3.1 N,N二甲基十二烷基胺的制备

将9.25 g 正十二烷基胺(0.05 mol)缓缓滴入装有12.5 mL的95%乙醇的带有磁力搅拌装置的三口烧瓶中,搅拌溶解后,在冰水浴条件下缓缓滴入13 mL 甲酸(约0.29 mol),滴加完毕后升温至40 ℃；再缓缓滴加10.5 mL 甲醛(约0.10 mol),滴加完毕,升温至回流温度,反应至没有CO2气体释出为止；升温至85 ℃回流1 h,冷却后用30%氢氧化钠溶液调节反应混合物至略偏碱性静置、分液,取上层液用无水硫酸钠干燥,称量。气质联用仪外标法测定产率。

3.2 十二烷基甜菜碱的制备

反应装置与N,N二甲基十二烷基胺的制备相同。加入3.75 g(0.04 mol)氯乙酸,在冷却和搅拌下慢慢滴入由1.6 g(0.04 mol)氢氧化钠和22.5 mL水配成的溶液；然后滴入以上制得的二甲基十二烷基胺,升温至70～80℃搅拌反应3 h,得到浅黄色、黏稠的十二烷基甜菜碱溶液,其中活性物含量约30%。

3.3 GC-MS样品的配制

取少量N,N二甲基十二烷基胺样品用乙酸乙酯溶解完全后,取少量液于小试管中。将配好的样品用美国Thermo-fisher的GC-MS进行检测。

3.4 N,N-二甲基十二烷基胺(12DMA)标准溶液的配制

准确称量0.1250 g 12DMA于50 mL容量瓶中,用无水乙醇定容,得到12DMA储备液；用1 mL移液管准确移取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL储备液于5个50 mL容量瓶中,用无水乙醇定容,得到浓度梯度系列标准溶液,质量浓度分别为10.00、20.00、30.00、40.00、50.00 mg/L,并记为1—5号。

3.5 中间体溶液的配制

称取0.2564 g(精确到0.1 mg)N,N二甲基十二烷基胺样品于50 mL容量瓶中,用无水乙醇定容,得到待测样储备溶液；取该储备溶液0.5 mL于50 mL容量瓶中,用无水乙醇定容,得到待测溶液。

3.6 注意事项

(1) 酸碱中和是放热反应,高温促使胺氧化。若有必要,瓶外用冷水冷却。

(2) 滴加甲醛过程中释放二氧化碳气体,要控制滴加速度,避免突然放出大量气体而将物料冲出。

(3) 由于甲酸大大过量,所形成的叔胺成为叔胺甲酸盐。加碱的目的是使叔胺游离出来,氢氧化钠的量以叔胺析出完全为度。

(4) 下一步的反应是在有水存在下进行的,在此用无水硫酸钠干燥的目的是为了较准确地称量产物,以确定3.2节中其他反应物的量,使反应在基本上等摩尔的情况下进行。

(5) 氯乙酸的腐蚀性很强,皮肤沾上后即感到刺痛,使用时应戴上橡胶手套。氯乙酸又容易吸湿潮解,取用后应立即把盛装氯乙酸的容器密封好。

(6) 若本实验制得的二甲基十二烷基胺的量有变，则应调整氢氧化钠、水和氯乙酸的量,使反应在基本上等摩尔比的情况下进行。

4 结果与讨论

4.1 气质联用仪的定性分析

将二甲基十二烷基胺标样用2.2节中的条件进行全扫描采样,得到该化合物的总离子流图,如图1所示。该化合物的质谱图如图2所示,基峰在58.10(100%)、分子离子峰在213.27(M+)，及其他碎片离子峰。脂肪胺的分子离子峰很弱,胺类化合物的主要裂解方式为a裂解，和经过四元环过渡态的氢重排,强的m/z=58.10(100%)(CH3)2N+=CH2,说明存在N,N-二甲基脂肪胺,其主要裂解过程如图3所示。为了更好地测定试样中二甲基十二烷基胺的含量,选择m/z为58.10(定量离子)、213.27(定性离子)、40.07进行选择性监测扫描(SIM),其谱图如图4所示。

图1 N,N-二甲基十二烷基胺标样总离子流图

图2 N,N-二甲基十二烷基胺质谱图

图3 N,N-二甲基十二烷基胺主要裂解过程

图4 试样选择性离子监控(SIM)扫描谱图

4.2 气质联用仪外标法测定中间体含量

外标法就是用标准品的峰面积(或者峰高)与其对应的浓度做一条标准曲线,测出样品的峰面积(或者峰高),在标准曲线上查出其对应的浓度。这是最常用的一种定量方法。外标法的特点是操作简单、计算方便,不需要测量校正因子,用于痕量组分的分析也能得到满意的结果,适合大量样品分析。实验数据及结果见表1和图5。样品中12DMA的质量分数按下式计算：

×100%

其中：k为校准曲线的比例系数；A为待测样中N,N-二甲基十二烷基胺峰面积；b为校准曲线的截距；5 000为待测样品稀释倍数；106为g转换为μg的转换系数；m0为称取产物质量,g。

表1 N,N-二甲基十二烷基胺标准系列质量浓度及峰面积

图5 N,N-二甲基十二烷基胺标准曲线

所得标准曲线为A=357 897c-52 790,R=0.999 5。经计算求得产物中N,N-二甲基十二烷基胺的含量为72.57%。

5 结语

将绿色化学理念用于精细化学品制备实验教学,不仅激发了学生学习精细化学品制备实验的兴趣,使学生掌握了常见精细化工的基本知识和操作技能,同时也让学生树立绿色环保意识。通过精心设计实验内容,采用连续性实验,从而完成系列实验,既提高了试剂的利用率,又减少了化学试剂对环境的污染。强化了学生环保观念。实验集合成与表征为一体,让学生了解科学研究工作基本过程的同时,也让学生接触学科前沿和技术手段,有助于激发学生创造潜能,拓宽视野,提高科研兴趣。