取代苄基三乙基溴化铵制备与表征综合实验

周家容, 刘彩虹, 刘 维, 杨乐敏, 张耀谋, 倪春林

(华南农业大学 材料与能源学院, 生物化工与制药实验教学示范中心, 广东 广州 510642)

制药工程专业涉及化学、药学、生物学和化学工程等多个相关学科[1-2],肩负着为制药工业输送工程技术人才的重任[3]。生物医药是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》制定的11个国民经济和社会发展的重点领域之一, 也是纲要重点安排的前沿技术之一, 生物医药产业是战略性新兴产业的重要组成部分[4-6]。化学制药作为制药工程专业的一个重要专业方向,开设综合性实验、设计性实验和创新性实验课程,对培养较强的创新意识和实践动手能力的应用型人才发挥着重要作用[7-8]。近几年来,作者所在的课题组致力于新型取代苄基季铵盐的合成、结构表征和抗菌性能的研究,并将取代苄基季铵盐阳离子与某些无机配阴离子组装获得了一些性能优良的功能材料[9-12]。在这些科研工作的基础上,本实验项目先以取代甲苯和N-溴代丁二酰亚胺通过自由基取代反应,得到取代苄溴中间体,再在超声辐射作用下,与三乙基胺发生亲核取代反应,制备了5种取代苄基三乙基溴化铵,并用元素分析、红外光谱、紫外光谱、电子喷雾质谱和电导法对产物结构进行表征。

1 实验药品与仪器

药品:甲苯、4-氟甲苯、4-氯甲苯、4-氰基甲苯、4-硝基甲苯、三乙胺、N-溴代丁二酰亚胺以及四氯化碳和过氧化苯甲酰等试剂均为市售分析纯试剂,未经处理直接使用，四氯化碳和乙酸乙酯经干燥处理。

仪器:磁力搅拌器、真空干燥箱、喷雾干燥仪、旋转蒸发仪、超声波清洗器、电导率仪，元素分析仪(美国Perkin-Elmer公司240 C型),红外光谱仪(美国Nicolet公司Acvatar 360 FT-IR),液相色谱-质谱联用仪(日本Shimadzu公司LCMS-2010A),紫外-可见光谱仪(日本岛津公司UV2500型)。

2 实验方法

2.1 样品的制备路线

取代苄基三乙基溴化铵(季铵盐)的制备反应分两步完成:首先利用4-取代甲苯和N-溴代丁二酰亚胺(NBS)在四氯化碳溶剂中反应,制备4-取代苄基溴中间产物；再用加热回流、超声辐射和溶剂热等3种方法与三乙胺在乙酸乙酯中反应,得到目标产物。制备路线如图1所示。

2.2 合成步骤

参照文献[13]合成取代苄溴:将0.01 mol的取代甲苯于100 mL磨口锥形瓶中,用40 mL干燥的CCl4溶解,加入0.012 mol的N-溴代丁二酰亚胺(NBS)和少量的过氧化苯甲酰(BPO),加热搅拌回流12 h后,趁热过滤,将滤液旋转蒸发,得到浅黄色黏稠状液体为取代苄溴合成初产品。

图1 取代苄基三乙基溴化铵的制备路线

将上述得到的初产品在乙酸乙酯中与稍过量三乙胺混合,分别用加热回流、超声辐射和溶剂热(80 ℃)等3种方法反应2 h,室温冷却,减压抽滤得粗品,乙醚洗涤,真空干燥,甲醇-乙酸乙酯(体积比为1∶5)重结晶,得到白色固体为溴化取代苄基三乙基溴化铵产物,3种方法得到的产率分别为90%,81%和95%。

2.3 样品的表征

用元素分析仪测定样品中C、 H、 N含量；红外光谱测定样品中主要官能团的主要振动频率(KBr压片)；紫外-可见光谱测定样品的对紫外和可见光的吸收情况以及电子跃迁类型(水作溶剂)；电子喷雾质谱测定季铵盐中阳离子的式量(甲醇为溶剂)；电导率仪确定季铵盐电解质类型(甲醇为溶剂)。

3 结果与讨论

3.1 样品中C、H和N含量分析

合成的5种季铵盐的组成分析结果如表1所示。实验数据与计算值基本符合。

表1 元素分析结果

注:括号内为计算值。

3.2 样品红光谱的分析与比较

将适量季铵盐粉末样品KBr压片,用Acvatar 360 FT-IR红外光谱仪在400～4 000 cm-1扫描测定样品的振动频率。季铵盐[4NO2BzN(Et)3]Br和[4CNBzN(Et)3]Br的红外光谱图如图2所示。季铵盐的主要红外光谱数据见表2。

图2 季铵盐[4CNBzN(Et)3]Br和[4NO2BzN(Et)3]Br的红外光谱图

季铵盐波数/cm-1[BzN(Et)3]Br3 017,2 969,2 845,1 601,1 580,1 500,1 476,1 457,1 151,1 010,767,714[4FBzN(Et)3]Br3 030,2 970,2 832,1 602,1 514,1 474,1 455,1 226,1 169,1 011,866[4BrBzN(Et)3]Br3 021,2 966,2 818,1 630,1 587,1 497,1 460,1 148,1 015,853,558[4CNBzN(Et)3]Br3 011,2 978,2 234,1 609,1 507,1 478,1 465,1 020,859,801[4NO2BzN(Et)3]Br3 054,2 975,2 863,1 605,1 528,1 480,1 461,1 355,1 175,874,822

从表2可以看出：苯环上的C—H键伸缩振动峰分别出现在3 017、3 030、3 021、3 054、3 011 cm-1附近；甲基和亚甲基的C—H键伸缩振动分别为2 969、2 845 cm-1、2 970、2 832 cm-1、2 966、2 818 cm-1、2 978、2 865 cm-1、2 875、2 863 cm-1；苯环上骨架CC键伸缩振动分别出现在1 601、1 580、1 500、1 457 cm-1,1 602、1 514、1 455 cm-1、1 630、1 587、1 497、1 460 cm-1、1 609、1 507、1 465 cm-1、1 605、1 461 cm-1。从表2还可以看出,与季铵盐[BzN(Et)3]Br相比,季铵盐[4-FBzN(Et)3]Br在1 226 cm-1处出现C—F特征峰；[4-BrBzN(Et)3]Br在558 cm-1处出现C—Br的特征峰；季铵盐[4-CNBzN(Et)3]Br在2 234 cm-1处出现了C≡N特征峰；季铵盐[4-NO2BzN(Et)3]Br分别在1 528 cm-1和1 355 cm-1处出现了—NO2的特征峰[14]。[BzN(Et)3]Br中的苯环为单取代,苯环上的C—H面外弯曲振动峰出现在767 cm-1和714 cm-1处；而季铵盐[4-FBzN(Et)3]Br、[4-BrBzN(Et)3]Br、[4-CNBzN(Et)3]Br，以及[4-NO2BzN(Et)3]Br中的苯环为1,4-双取代,苯环上的C—H面外弯曲振动峰出分别出现在866、853、859和874 cm-1处[14]。

3.3 样品电子吸收光谱

5种季铵盐在200～700 nm范围内的紫外-可见吸收光谱数据见表3,季铵盐[BzN(Et)3]Br和[4CNBzN(Et)3]Br的光谱图见图3。由表可知,5种季铵盐的紫外-可见吸收光谱大致相似,其在205～230 nm和260～275 nm范围有2个最大吸收峰,均起源于苯环的π→π* 跃迁；当苯环对位的氢原子被助色基团(F和Br)和生色基团(—NO2和—CN)取代,最大吸收虚的峰值向长波方向位移[14]。

表3 季铵盐的紫外-可见光谱数据

3.4 样品中阳离子的质谱

以色谱纯的甲醇作为溶剂,测定了5种季铵盐的电子喷雾质谱。图4为季铵盐[BzN(Et)3]Br和[4-NO2BzN(Et)3]Br的阳离子电子喷雾质谱(m/Z为质荷比,R为相对丰度)。

测得季铵盐的最大离子峰如下:[BzN(Et)3]Br的测量值为192.0,理论值192.1；[4-FBzN(Et)3]Br的测量值为209.9,理论值为210.1； [4-BrBzN(Et)3]Br的测量值为269.8,(M+1)峰为271.8,理论值271.0； [4-CNBzN(Et)3]Br的测量值为217.0,理论值为217.1；[4-NO2BzN(Et)3]Br的测量值为237.0,理论值为237.1；可以得知,实验值与预期值很接近,表明所得到样品为目标产物。

图3 季铵盐[BzN(Et)3]Br和[4CNBzN(Et)3]Br紫外-可见光谱

图4 季铵盐[BzN(Et)3]Br和[4NO2BzN(Et)3]Br的阳离子电子喷雾质谱

3.5 样品所属电解质类型的测定

以甲醇为溶剂配制浓度为1.0 × 10-3mol/L的[BzN(Et)3]Br、[4-FBzN(Et)3]Br、[4-BrBzN(Et)3]Br、[4-NO2BzN(Et)3]Br和[4-CNBzN(Et)3]Br的溶液,在常温下用电导率仪测得它们的电导率分别是0.087、0.088、0.092、0.080、0.098 mS/cm。计算的摩尔电导率分别为87、88、92、80、98 S·cm2/mol,可知所合成的5种取代苄基三乙基溴化铵属于1∶1型电解质[15]。

4 实验教学的组织

(1) 分组实验。由于实验项目涉及用3种方法分别制备5种取代苄基三乙基溴化铵,实验工作量大,因此将学生分成若干个3人小组,每个小组负责用一种方法,制备2种季铵盐并进行表征,便于小组内对比分析取代基对季铵盐光谱性质的影响。

(2) 集中讨论与总结。各小组根据实验结果制作PPT, 并选派1名代表陈述,小组间开展讨论,总结分析影响自由基反应、亲核取代反应、季铵盐的电导率、紫外-可见光谱和红外光谱的因素,最后以小组为单位提交实验报告。

5 结语

综合性实验是在开设有机化学、分析化学、药物化学和药物分析等实验课程之后独立开设的一门实验课程。本实验是综合性实验课程中开设的实验项目之一,将超声波辐射和溶剂热合成技术应用于季铵盐的合成中,并与传统的加热回流方法比较,其中溶剂热合成法产率高、纯度好。学生通过文献查阅→季铵盐的制备→组成分析和结构表征→实验结果的处理与分析→制作PPT和口头报告→集中讨论→撰写实验报告等过程,加深了有机化学和分析化学等多个学科的知识的理解,加强了化学合成技术、超声波辐射制备技术、溶剂热合成技术和现代仪器分析技术的训练。

通过分组实验和集中讨论,培养了学生科学的态度和团队精神,提高了分析问题和解决问题的能力。