薄层色谱实验改进*

周小强，蔡秀琴，黄 栋，田战友，安 航

(渭南师范学院化学与材料学院，陕西 渭南 714099)

有机化学反应能否进行，反应进行的程度如何，经历哪些中间体过程，一种反应物完全转化需要多少其它反应物，需要多长时间能够反应完全等等，是进行有机化学反应实验时必须考虑的基本问题，更是反应能否应用于实际生产的重要指标之一[1-2]。在本科有机化学教学实验中，反应时间往往已经规定，或者因为教学实验侧重于学生掌握实验原理、学习实验操作技术、训练动手能力、锻炼思维方法、培养创新意识、而不过于追求产物的产率和合理的反应时间[2]，从而导致反应监测这部分内容往往不被学生重视。因此，监测反应是现代有机化学实验的必要环节，也是本科有机化学实验教学过程中应强化的重要内容。

薄层色谱技术(TLC)是有机合成工作者的眼睛，具有微量、快速、操作简便等优点，被广泛应用于监控反应。目前的本科有机化学实验教学中，薄层色谱实验安排的实验内容主要包括薄层层析板的制备和混合物的分离(偶氮苯和苏丹III的分离，邻硝基苯胺与间硝基苯胺的分离，镇痛药片APC组分的鉴定)两部分[3]。随着商品化的薄层层析板的广泛应用，节约出的时间可用于更加有意义的反应进程和反应历程的探究。教材中薄层色谱分离混合物的实验中，展开剂已给定，例如教材中偶氮苯和苏丹III的分离建议的展开剂为9:1的甲苯—乙酸乙酯，邻硝基苯胺与间硝基苯胺的分离建议的展开剂为5:1的环己烷—乙酸乙酯，镇痛药片APC组分的鉴定建议的展开剂为 12:1的1，2-二氯乙烷—乙酸[3]。这样的实验安排容易使学生养成照方抓药的习惯，不利于培养学生的探索精神和质疑精神，不能有效地激发学生做实验的兴趣和自主学习的热情，不利于学生科研素质的提升[4]。最新的实验教材中已经有推荐使用薄层色谱技术监测反应终点的相关内容，但是此类实验大多为一步反应，没有显著的中间体，对反应历程监测的相关内容有所欠缺[5]。因此，紧贴本科教材设计“一锅法”串联反应，使用薄层色谱技术监测反应进程和反应历程，使学生在学习判断反应终点的同时，能够更加直观地观察反应历程，有助于增加学生学习有机化学的兴趣，提升学生的科研素养。

酮的性质和卤代烷的亲核取代反应是本科有机化学教材中的重要内容，酮的α-H具有一定的弱酸性，容易发生卤代反应；羧酸根离子是很好的亲核试剂。选用苯甲酰乙酸乙酯为反应底物，将这两步反应串联起来通过“一锅法”反应实现酮的α-H酰氧基化修饰，通过对反应条件的合理调控，使反应过程中有显著的中间体α-溴代苯甲酰乙酸乙酯生成，反应在2～3 h内完成，利用薄层色谱技术能够清晰地监测反应历程。此改进实验方案中使用的试剂低毒易得，实验操作简单，反应时长适宜，通过微量化学反应实现了教学实验的目的，拓宽了学生的知识面，有助于激发学生对有机化学实验课程的学习兴趣，对有机化学实验技能训练和科研能力培养有很大的帮助，符合现代有机化学实验教学改革要求。

1 实验部分

1.1 实验原理

苯甲酰乙酸乙酯与N-溴代丁二酰亚胺、乙酸钠在二甲基亚砜中能够快速合成α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯，反应历程如图1 所示，乙腈能有效降低该反应的速率[6]。底物苯甲酰乙酸乙酯(A)、中间体α-溴代苯甲酰乙酸乙酯(B)和产物α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯(C)都含有苯环结构，在254 nm紫外灯照射下有显著的显色现象。

图1 苯甲酰乙酸乙酯的乙酰氧基化反应

1.2 试 剂

苯甲酰乙酸乙酯，N-溴代丁二酰亚胺(NBS)，乙酸钠，二甲基亚砜，乙腈，乙酸乙酯，石油醚，薄层层析硅胶预制板(25 mm×75 mm)。

α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯由苯甲酰乙酸乙酯、乙酸钠和N-溴代丁二酰亚胺室温条件下在二甲基亚砜中反应，并经萃取、干燥、柱层析分离制备得到，产物结构经液体核磁共振氢谱、碳谱，质谱测试分析得到确认，与文献值一致[7]。

在教学活动中，本论文实验(2)所得到的α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯粗产物可安排用于学生柱层析分离练习使用，得到的α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯纯品可用于下一级学生薄层色谱实验使用。

1.3 仪器和表征方法

分析天平，磁力搅拌器，玻璃仪器，手持式紫外灯，气相色谱质谱联用仪(Thermo Fisher， ISQ 7000)。

中间体α-溴代苯甲酰乙酸乙酯的结构由气相色谱质谱联用仪进行表征。

1.4 实验步骤

(1)苯甲酰乙酸乙酯与α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯的分离分别取2 mg的苯甲酰乙酸乙酯和α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯，用0.5 mL乙腈溶解，制成标样A和C。在同一块薄层板上均匀的点5个A与C的混合样，分别用等体积的石油醚—乙酸乙酯体积比为20:1、15:1、10:1、5:1和1:1的5种展开剂点在混合样上，通过展开剂和混合物的扩散程度粗选出2～3种展开剂，并通过单向展开实验筛选出最优展开剂，分别求出样品A和C的比移值Rf。

(2)薄层色谱监测苯甲酰乙酸乙酯α- H的乙酰氧基化反应

分别取3个反应管并编号，1号反应管中依次加入19 mg苯甲酰乙酸乙酯(0.10 mmol)、12 mg无水乙酸钠(0.15 mmol)、1 mL乙腈、0.2 mL二甲基亚砜和18 mg NBS(0.10 mmol)。2号试管作为对照组，16 mg无水乙酸钠(0.20 mmol)在反应进行1 h后加入反应体系。3号作为对照组，不加NBS，见表1所示。

表1 苯甲酰乙酸乙酯的α- H的乙酰氧基化反应对照实验

在10 min、20 min、40 min、60 min、……时，分别用点样毛细管取A、1、2、3、C中反应液，从左至右点在画有均匀分布的5个点的薄层层析硅胶板上，用实验(1)中优选出的石油醚—乙酸乙酯展开剂展开，在紫外灯下观察现象并记录，直至1号反应管中反应液反应完全。在反应进行60 min时，从2号反应管中取少量反应液进行气相色谱-质谱联用分析。

1.5 注意事项

(1)薄层层析板使用前需要活化处理。

(2)点样位置必须高于展开剂液面。

(3)点样量尽可能保持一致。

(4)点样时毛细管液面刚好接触到薄层即可，切勿点样过重而使薄层破坏。

2 结果与讨论

2.1 苯甲酰乙酸乙酯与α-乙酰氧基苯甲酰乙酸乙酯的分离

通过展开剂和混合物的扩散程度，粗选了15:1、10:1、5:1的三种展开剂，见图2所示。通过这三种体系对混合物的单向展开实验，优选的最佳展开剂为体积比为10:1的石油醚-乙酸乙酯，苯甲酰乙酸乙酯的Rf值为0.40，α-酰氧基苯甲酰乙酸乙酯的Rf值为0.17，见图3所示。

图2 不同体积比的石油醚—乙酸乙酯对混合样的扩散结果

图3 三种体积比的石油醚—乙酸乙酯对样品的单向展开实验结果

2.2 薄层色谱监测苯甲酰乙酸乙酯的α- H的乙酰氧基化反应

TLC监测苯甲酰乙酸乙酯的α-H的乙酰氧基化反应实验结果如图4所示。从反应进行过程中的薄层色谱分析结果可以看出，反应10 min时，第2、3组中均有Rf值为0.4的点，与A样品Rf值一致，该点组分为苯甲酰乙酸乙酯；第1组反应液中未观察到Rf值为0.40的点，说明苯甲酰乙酸乙酯已经完全消耗。第1、2 组中均新增了Rf值为0.35的点，推测此组分为反应的中间产物α-溴代苯甲酰乙酸乙酯B。第1组中新增了Rf值为0.17的点，与产物C的Rf值一致，证明此时已有酰氧基化产物生成。

图4 薄层色谱监测苯甲酰乙酸乙酯α- H的乙酰氧基化反应实验结果

随着反应的进行，通过TLC实验监测能够清晰的观察到第1组反应液中组分B的含量显著降低，组分C的含量显著增加；第2组反应液中组分A的含量略有降低，组分B的含量有明显增加；第3组反应液中没有监测到新组分的生成。

在反应进行60 min时第2组反应液的气质联用分析结果中发现有质荷比为270的信号和272的信号，强度比为1:1，证明该反应中有α-溴代苯甲酰乙酸乙酯B生成，如图5所示。

图5 α-溴代苯甲酰乙酸乙酯(B)的EI-MS图

反应进行80 min时，在第2组反应液中观察到了Rf值为0.17的组分C。反应进行100 min时，第1组反应反应完全，有大量的组分C生成。反应进行120 min时，第2组反应中组分C的含量显著增加。第3组反应依然没有监测到新组分的生成。

上述结果表明：苯甲酰乙酸乙酯的乙酰氧基化反应是在NBS和NaOAc的共同作用下完成的，反应经历了苯甲酰乙酸乙酯α-H的溴代过程，NaOAc能够促进苯甲酰乙酸乙酯的α-H溴代反应，反应时长约为120 min。

3 结 语

本实验是教材中薄层色谱实验的改进与创新设计，将验证型实验改为探索型实验，让学生自己寻找较优的展开体系、判断最优反应时长；利用薄层色谱技术对苯甲酰乙酸乙酯的α-H的乙酰氧基化反应历程进行监测，有利于学生直观地观察有机化学反应的进程，激发学生对有机化学实验的学习兴趣。本实验是室温条件下一锅法微量反应，所用试剂价格便宜，容易购买，实验操作简单，反应时长2～3 h，适用于大规模本科实验教学。本实验涉及的酰氧基化反应与亲核取代反应在有机合成中具有广泛的应用，有利于拓宽学生的知识面，对学生有机化学实验技能训练和科研能力培养有很大的帮助，符合现代有机化学实验教学改革的要求。