紫外、红外、核磁共振和质谱在醛亚胺合成中的应用

朱先翠，冯天懿

（安徽师范大学 化学与材料科学学院，安徽 芜湖 241000）

测定和表征有机化合物的结构是有机合成化学的首要任务之一。经典化学测定方法的缺点主要在于样品用量多、耗时长、工作量大，例如镇痛药吗啡（C17H19NO3）在1806年被德国化学家Sertuner分离得到，之后化学家们不断用实验方法推断其局部结构，历经147年，于1952年才完全确定其结构。近年来，随着科技发展以及各种波谱测量技术的出现，紫外光谱、红外光谱、核磁共振波谱和质谱成为鉴定有机化合物以及测定其结构的常用手段，提高了机分析能力和分析速度，样品需要量也减少了许多。目前，这四种波谱分析方法在化学、石油、橡胶、食品、医药等工业领域均有着广泛应用，推动了有机化学、生物化学等学科发展。这门技术已成为化学工作者所必须具备的、重要的专业基本技能。同时，化学专业教材有机化学中有专门章节来介绍这部分内容。

亚胺，又称Schiff base（席夫碱），通常由伯胺与醛、酮类化合物在酸催化下生成羟胺，然后迅速失水生成C=N双键类化合物，Hugo Schiff在1864年首次发现，后由他的名字而命名。醛与胺生成的亚胺称为醛亚胺（aldimine），酮与胺生成的亚胺称为酮亚胺（ketamine）。亚胺类化合物具有抑菌、杀菌、抗肿瘤和抗病毒的药理学活性和生物活性，在有机合成上具有重要意义。此外，由于亚胺氮原子上有孤对电子，能与多数金属离子形成配位键，因而在金属有机化学领域中被作为最常用的支撑配体[1-2]。手性席夫碱的铜配合物能高效引发苯乙烯与重氮乙酸乙酯的环丙烷化反应[3]。席夫碱的钴配合物能催化苯甲醇氧化制备苯甲醛[4]。芳杂环化合物吡咯是环戊二烯的等电子体，与金属离子的配位模式有与氮原子的η1配位和五元环的η5配位[5]。芳香杂环化合物在自然界分布很广，尤其在生物体、植物染料和药物合成等方面较为常见[6]。可是在本科院校常用的课本如李景宁主编的《有机化学》[7]、邢其毅主编的《基础有机化学》[8]和孟令芝主编的《有机波谱分析》[9]等教材中，对于杂芳香化合物的四类波谱分析的例子非常少。此外，在本科生常用的《有机化学实验》[10]教材中，有机物合成实验主要集中在烯烃、卤代烃、醇和醚类、酯类、酰胺等羧酸衍生物，没有与亚胺类化合物合成有关的实验。涉及醛酮类物质的实验主要有：有关α-H活性的羟醛缩合反应，如苄叉丙酮的合成；无α-H醛酮的康尼扎罗（Cannizzaro）反应，如呋喃甲醇和呋喃甲酸的合成；醛酮的缩合反应，如安息香缩合（Benzoin）制备二苯乙醇酮、珀金（Perkin）反应制备肉桂酸等，这类反应的共同点是碱催化。目前，本科实验教学还没引入醛酮类物质的酸催化反应实验，亟待进一步研究和完善。

基于以上调查研究，设计了2-吡咯甲醛与2,6-二异丙基苯胺在甲酸催化下，通过加成消除反应合成醛亚胺。质子酸与醛基结合，增强其亲核性，与芳胺首先发生亲核加成生成羟胺，再迅速脱去一分子水，转变成具有共轭结构的醛亚胺。芳香亚胺类化合物相对稳定，可以被分离出来。由于芳胺以及合成产物醛亚胺都存在共轭结构，在紫外灯下均有显色，可以利用紫外-薄层层析跟踪反应进程。实验结束后，对产物进行分离、洗涤、提纯和干燥，再利用核磁共振、红外和质谱对产物进行结构和纯度分析。本实验方法可行性高，操作简便、安全，需要的课时较少，适合在本科阶段实施。另外，除化合物的合成部分，对其结构的分析测试内容可根据各高校课时安排和仪器设备条件灵活调整。

1 实验部分

试剂。2-吡咯甲醛、2,6-二异丙基苯胺、甲酸、无水乙醇、正己烷、石油醚、乙酸乙酯，均为分析纯。

实验仪器。圆底烧瓶、烧瓶夹、磁子、布氏漏斗、抽滤瓶、滤纸、磁力搅拌器、水泵、旋转蒸发仪RE-5286A、ZF-1型三用紫外分析仪、薄层硅胶板、5 mL离心管、核磁共振仪400 MHz（Bruker）、气相色谱（Thermo TRACE 1300）-质谱（Thermo ISQ QD）联用仪、Bruker Optik GmbH红外光谱仪、TG16-WS台式高速离心机、熔点仪SGWX-4。

实验步骤。在装有磁子的50 mL圆底烧瓶中依次加入2-吡咯甲醛0.95 g（10.0 mmol），2,6-二异丙基苯胺1.88 mL（10.0 mmol），无水乙醇5 mL，搅拌至所有原料溶解。再加入5滴甲酸，无色透明溶液立即变成黄色，室温搅拌反应，反应装置及实验现象如下页图1所示。反应30 min后开始有固体析出，用紫外分析仪-薄层层析跟踪反应进程。紫外灯波长254 nm；展开剂为乙酸乙酯∶石油醚=1∶10（体积比），醛亚胺Rf=0.46，紫外灯下薄层板显色如下页图2所示。由于碱性胺类（包括亚胺）与酸性硅胶板有较强的成盐作用力，显色有明显的“拖尾”现象，与醛的显色点有显著不同。反应1 h时，原料醛还有少量剩余，2 h后，观测到反应体系中已无明显的原料醛剩余，结束醛亚胺的合成实验。减压并旋转蒸发除去乙醇溶剂，固体用5 mL×2水洗涤。抽滤至干燥，得到白色固体产物2.3 g。粗产物用10 mL正己烷重结晶、冷却，析出白色块状晶体2.1 g（产率84%）。熔点：150.2°C～151.6°C。芳胺在空气中很容易被氧化，呈黄色液体，久置呈浅棕色。使用前需重新蒸馏，否则重结晶后产物醛亚胺为黄色固体，但纯度不受影响，可以进行后续的结构表征测试。利用醛亚胺在醇中溶解度小、产物易在溶剂中析出而原料溶于乙醇的特点，推动反应持续进行，促进亚胺合成更彻底。实验设计有别于苯甲酸乙酯的合成，同样是可逆反应，都有水分子生成。酯合成用分水器移走生成的水，提高产率，而醛亚胺利用原料与产物溶解度差异，减少目标产物在溶剂乙醇中的溶解度，从而推动醛亚胺的合成。

图2 紫外灯下的薄层色谱。

2 结果分析

2.1 核磁氢谱测试及分析

1H NMR核磁表征及纯度分析：取约5 mg的重结晶产物溶于0.8 mL CDCl3（内标TMS）核磁管中，用400 MHz核磁共振仪进行核磁氢谱检测，图谱如图3所示。图中，低场区化学位移10.87 ppm为吡咯环氮上氢的吸收峰，表现为宽峰；7.95 ppm处的单峰为亚胺氢（CH=N），是亚胺类化合物的特征峰，峰高且强；（7.18～7.14）ppm为苯环氢吸收峰，由于苯环的π电子在外磁场作用下产生环流，发生去屏蔽效应，所以质子氢在低场区出现。吡咯环上的三组氢在（6.59～6.13）ppm之间（见图3局部放大部分，红色），与苯环原因类似。异丙基的共振峰出现在高场区（见图3局部放大部分，蓝色）。与芳基相反，烷基的屏蔽效应大，出现在高场区。异丙基中的甲基CH3和次甲基CH相互耦合，根据n+1规律，分别呈现为双峰和七重峰。1H NMR（400 MHz,CDCl3,ppm,20°C）:δ10.87(br,NH,1H),7.95(s,CH=N,1H),7.18-7.14(m,Ph-H),6.58(dd,J=1.2,3.2 Hz,5-pyr-H,1H),6.20(s,3-pyr-H,1H),6.13(t,J=3.2 Hz,4-pyr-H,1H),3.07(sept,J=6.8 Hz,CH,2H),1.11(d,J=6.8 Hz,CH3,12H)。由核磁氢谱可以看出，合成的产物纯净，没有出现原料醛的特征峰（化学位移在9～10 ppm之间）和原料芳胺（化学位移在3～5 ppm之间）的特征峰。反应进行比较完全，用正己烷重结晶后产品纯净，但核磁氢谱上出现极少量的残余正己烷的溶剂峰，化学位移在1.11 ppm附近。

图3 醛亚胺的核磁氢谱图

2.2 核磁碳谱测试及分析

醛亚胺的核磁碳谱如图4所示。因碳谱的灵敏度较氢谱低，放在核磁碳谱图中并未观察到残余的溶剂峰。碳谱测试为去氢耦合，用13C{1H}表示。由于13C在自然界的丰度低，看不到13C-13C之间的耦合。通常情况下，碳谱解析相比氢谱容易些。每个不等价的碳原子出现一个单峰。醛亚胺的苯环和吡咯环分别呈现4个单峰，同样出现在低场区。标记为2和6的分别为苯环和吡咯环的季碳原子，由于没有NOE效应，信号强度比其他类型碳原子信号弱。最低场152.7 ppm为醛亚胺碳的特征吸收峰。同样，高场区2个峰为异丙基的吸收峰。各峰的具体鉴定见图4。13C{1H}NMR（100 MHz,CDCl3,ppm,20°C）：δ152.7、148.2、139.0、129.8、124.6、124.3、123.2、116.9、110.0、27.9、23.6。

图4 醛亚胺的核磁碳谱图

2.3 质谱测试及分析

称取重结晶产物5 mg溶于4 mL的乙酸乙酯中，离心机离心6 min（转速8 000 r/min）或者用滤纸过滤。吸取上层清液注入样品管，在气相色谱-质谱联用仪上进行检测。色谱柱：HP-5MS，30 m×0.25 mm×0.25μm；气相色谱接口温度400°C，不分流进样。升温速度：（10～15）°C/min，离子源为EI源。GC-MS检测结果如图5所示。醛亚胺在色谱柱上的保留时间为tR=11.1 min（图5，上半部分）。用鼠标点击总离子流图中峰顶的位置可获得醛亚胺的质谱图（图5，下半部分）。GC-MS仪器的离子源为EI源，属于硬电离，电子轰击能量高，一般为70 eV的电子束。有机共价键的电离能一般小于15 eV，分子离子剩余的能量会使一些化学键断裂，产生非常多的碎片离子，通常丰度最高的（基峰）不是分子离子峰，这一点不同于高分辨质谱中常用的软电离ESI源。这里只分析丰度较高的几组碎片离子。质荷比m/z为254.29的是醛亚胺的分子离子峰（C17H22N2，理论值m/z=254.17）。m/z为80.08的是醛亚胺C=N键断裂后，甲基吡咯的碎片峰[C5H6N]+。m/z为239.24的是分子离子峰失去一个甲基后[M-CH3]+的碎片峰。m/z为211.21的是醛亚胺碳碳键断裂，失去一个异丙基后[MC-H(CH3)2]+的碎片峰；m/z为196.17的是再进一步碎裂出一个甲基后[M-CH3-CH(CH3)2]+的碎片峰。

图5 醛亚胺的GC-MS图

2.4 红外光谱测试及分析

取重结晶产物约0.2 mg，与无水KBr固体混合、研磨，装入模具，制作KBr薄片。以空气为背景吸收，进行红外测试，醛亚胺红外光谱IR如图6所示。IR谱一般分为官能团区（4 000 cm-1～1 350 cm-1）和指纹区（1 350 cm-1～650 cm-1）。官能团区一般存在由伸缩振动产生的吸收带，具有很强的特征性，用以确定某些特殊的共价键和官能团。指纹区主要由C-C、C-O、C-N单键的伸缩振动和弯曲振动引起，吸收峰密集、谱图复杂，像人的指纹一样。分析结果如下：官能团区υ在3235 cm-1的为吡咯N-H的伸缩振动峰，通常为宽峰；2 964 cm-1和2 870 cm-1分别为sp3的C-H键的不对称和对称伸缩振动峰；1 626 cm-1为C=N键的伸缩振动峰，吸收峰很强，由于π-π共轭向低波数方向移动；1 583 cm-1至1 417 cm-1为苯环和吡咯环的骨架振动。指纹区1 253 cm-1是C-N单键伸缩振动峰；双峰1 338 cm-1和1 309 cm-1为异丙基中甲基C-H键的弯曲振动峰。1 132 cm-1至1 032 cm-1为吡咯环上C-H键的弯曲振动峰；932 cm-1为亚胺上C-H键的弯曲振动峰。859 cm-1至743 cm-1为取代苯环上C-H键的弯曲振动峰。醛亚胺的IR（KBr pel‐lets）包含：3 235 cm-1、2 964 cm-1、2 925 cm-1、2 870 cm-1、1 722 cm-1、1 626 cm-1、1 583 cm-1、1 457 cm-1、1 417 cm-1、1 338 cm-1、1 309 cm-1、1 253 cm-1、1 179 cm-1、1 132 cm-1、1088 cm-1、1 032 cm-1、932 cm-1、859 cm-1、743、606 cm-1。

图6 醛亚胺的IR图

3 结论

通过杂芳醛2-吡咯甲醛与芳胺2,6-二甲基苯胺在酸催化下的加成消除反应高产率制备醛亚胺。该实验设计具有设备简单、实验现象明显、结果重复性好等特点。更重要的是，该实验是对醛酮类物质在常规碱性条件下合成新物质的补充，进一步拓宽了醛酮类物质在制备有机分子方面的应用。此外，该实验将表征有机化合物常用的方法紫外、红外、核磁共振和质谱灵活运用于醛亚胺的合成过程和结果分析。该实验既涉及化合物制备、产物洗涤、重结晶和干燥等基本的实验操作，又涉及目标产物的结构分析和数据表征。通过该实验，学生既能够掌握新物质的制备和结构表征等系列实验原理，又能熟悉各种现代测试方法和技术，有效培养学生的动手能力和培养他们利用各种谱图资料进一步推断化合物结构的能力，促进了理论知识传授和实验教学相结合，增强了本科生的实验兴趣，拓宽了他们的科研视野，也为后续本科毕业论文的开展夯实了基础。