（应用化学专业论文）利用NMR技术对紫苏葶顺反异构体的研究.pdf

摘要 y6 6 3 7 紫苏葶( 1 ，8 一对孟二烯一硼亏) 是一种甜度为蔗糖2 0 0 0 倍、 为糖精1 0 倍的超高效甜味剂，在国外已被广泛应用于各种饮料、 糕点、烟酒、食品中，该产品在八十年代末，曾由日本进口我国， 当时售价高达9 万元k g 。目前我国也开始注意到这一产品的优良 性能，在烟草行业作为一种新的高性能卷烟吸味改良剂，具有重要 的应用价值。反式紫苏葶的甜度约为糖精的l o 倍，而顺式紫苏葶 则无甜味。为此，合成甜味剂产品中，反式肟的定量尤显重要，紫 苏葶作为香料物质，目前检测尚无检测标准方法，也尚未见 对紫苏葶顺反异构体分离开，进行定性定量分析的文献报 道和对于紫苏葶在不同温度下的动力学研究。针对以上所 述，作了以下工作： ( 1 )首次利用核磁共振一维、二维h m q c 、h m b c 、h h c o s y 、n o e s y 、r o e s y 、多脉冲d e p t 、n o e 差谱实验，特殊波谱对紫苏葶常温下优势构型进行了 解析。 ( 2 )多种条件下进行了找寻紫苏葶异构体的实验：样品先进行熔 融检测；样品在一2 0 下储藏很长时间后检测；对不同溶剂、 不同浓度以及苯与四氯化碳不同配比条件下，紫苏葶羟基的 变化与构型变化之间的关系进行了解析。考察了光照、时间、 温度对紫苏葶的影响。 ( 3 ) d m s o 溶剂中，分别在5 ，10 ，15 ，2 0 ，2 5 ，3 0 ，35 ，4 0 ，4 5 ，5 0 ，55 ，6 0 ， 6 5 ，7 0 ，7 5 ，8 0 ，8 5 ，9 0 下进行了升温 实验：在d m f 中，分别在35 ，2 5 ，o ，一16 ，一2 6 。c ，一3 6 ，一4 6 进行了低温实验；在 c d c l 3 中，分别在2 0 ，0 ，16 ，一3 6 ，进 行了实验。在苯溶剂中，在2 0 ，2 8 5 ，38 5 ， 4 8 5 下成功观测到紫苏葶羟基慢速交换的全过程， 并在此四个温度下分别求得了速率常数，自由分子活 ( 4 ) 化能。 在苯+ 四氯化碳溶剂中，苯四氯化碳配比为1 3 ，浓度 5 0 m g m l 时测得紫苏葶纯度。在2 8 7 下测得紫苏葶顺反异 构含量，利用一维氢谱，对顺反异构体以及杂质积分定量。 关键词：n m r ，紫苏葶，顺反异构体，定量分析， 定性分析 a b s t r a c t p e r i1l a r tir l e ( 1 ，8 一p - m e n t h a d i ef t e 一7 一o xi m e ) i sa k in d0 f s w e e t e n e rw it h s u p e r s t r o n g e f f e c tw h o s e d e g r e elst w ot h 0l 1 s a l l d st i m e so fs u c r 0 sea , n dt e nt i m es 0 f 9 1u c i d e i tisu se d w i d e l y i l q m a k i n gd r i n k s c a k e s ，w l n ea n dc 1g a f e t t ea r l d0 t h e rf 0 0 d s i nt h ee l q d 0 f19 7 0 s ，t h ep e l - , i 1 1 a r t i n ew a so n c e i m p o r t e df r o m j a p a na n dt he1 3 r icew a s v e r yh i g he v e nr e a c ht 0 r m b 9 0 ，0 0 0p e rk i l0 9 r a ma tt h a t t i m e n o w a d a y s ，i t is 0 f g r e a tu s e f u l n e sst h a ta c t sa s as o r to fn e w s u p e rs w e e t e n e ri nt h et o b a c c 0ir l d u s t r y 0 fc h i n a w h i leg w a r eo f t h ee f f i c a c y 0 f t he p e r i l l a r t i n e s i n c et h es w ee t d e g r e eo ft h ea l l ti p e r i1l a f ti n e ist e nt i m e so f 9 1u c id ew h i let h e s y n - p e r i l l a r t i n e h a sn os w e e tt a s t e ，t h e q u a n t it y0 far l t i 一0 x i m ei nt h e p r o d u c tw i t hs y n t h es iz e d s t e e te 1 - 1 e rb e c o m e sm o r e 1 m p o r t a n t h o w e v e r ，t h e r ea l - en os t a n d a l di i i s p ec ti0 r l m e t h o dsa l l d n o r e p 0 r t0 fa l l a ly s is0 f s e p a r a t i o n0 f s y n a n t i is o m e r i z a t i 0r lo f p e r i l l a r t ir l e ，a l l _ dt h e k 1 1 1 e t icr es e a r c h0 fi t u n d e rd i f f e r e r l tt e m p e r a t l 1 r e s h a sr t o tb e e r l u n d e r t a k e l l r e g a r d i i q gt 0a b o y ep o i n ts t h ef 0 1 1 0 7 v i n g sh a v e b e e nt a k e n 1 1 p ： ( 1 )u 1 3 d e r t a k i r l g t h ea n a l ys isr e v ie wb ym e a n so f e x p e r i 1 0 l l _ t a t i 0 1 30 fr t m o c 、t t m b c 、f t - h c o s y 、 n o e s y 、d e p ta n da l1t h e1 h & r l d 1 3 cn m rc h e l n ic a l s h i f tsw e r e a s s i g n e d ( 2 ) e x p e r i m e r l t a t i0 no i l se a r c h i n gf o r p e r i l l a r ti 1 3 eu n d e r v a r i o usc i r cl i m s t a n c e s ：e x a m i n e s a m p l e sb yh e a t i n gt h en e a tp e r i l l a l t i n ef o rs 0 m e t i m ea1 i t t lea b 0 v e i ts m e l t i n gp 0 i i q t ：a r l d e x a m i n es a m p le sa f t e rs t o r i n ga 1 0 n gt i n l ei nt h e l i i ter n p e r a t u r eo f一2 0 ：a l l a l y z i l 3 9 t h ed i f f e r e nces b e t w e e l 2 一o ha r l dc o n f o r m a t i o no fp e r i l l a r t i r l ei 1 3 t h ec or t d i t i o r lo fd i f f e r e n ts 0 1 v er l t 、c o n c er t t r a t ior la n d m a t c h i l 3 9 o fd i f f e r e l l t p r o r a t e o f b e l 1 z e n e d 6 c c l 4：r e v ie w - o ft h ei n f l u e n c eo f t i m e 、 t e m p e r a t u r e 、 i l lu i n in a t i o no n1 3 e r i l l a r t ir l e ； ( 3 )e x p e r i m e n tb yr a isi i l gte m p e r a t u r e si nd m s o ， l 1 n d e r5 ，l0 ，15 ，2 0 ，2 5 ，3 0 ，3 5 ，4 0 ，4 5 ，5 0 ，5 5 ，6 0 ，6 5 ，7 0 ，7 5 ，8 0 ，8 5 ，9 0 r e s p e c tiv e l y ： e x p e r i m e n tb y 1 0 w i n gt e m p e r a t l l r e si nd m f ， u n d e r3 5 ，2 5 ，0 ，一1 6 ，一2 6 ，一3 6 ，一4 6 r e s p e c t i v e l y f i n a l l y ， w eo b s e r v e dt h e c o m p l e tes l o w e x c h a n g i n g m 0 v e m e n to f p e r i l l a r t i n eu n d e r t h ete m p e r a t u r eo f1 8 7 ，2 9 7 ，3 9 7 ，4 9 7 s u c c ess f u l1y ，a n d g o t t h ek r ag u 1 5 1 d e l 7d i f f e r e n tt c ( 4 ) s ig n i f i c a n td e p e n d e l 2 c eo ft h er a t i oo fea n d zis o m e r si nt h es 0 1v e l 3 to fb e r l z e n e d 6a n d c c l 4w a s0 bs e r v e d t h ee zr a t i0a n dt h e c or l t er l tso f i m p l 1 r i t y w e r e g i v e l 3 b y t h e p r o t o nn m r s d e c t r u i l l k o yw o r d s ：n m rp e r i l l a r t i t i es y n a n t i is o m e r iz a t i o n q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s q u a l i t a t i v e a r l a l y s is 第一章综述 1 1 紫苏葶的重要应用价值 紫苏葶( 1 ，8 一对孟二烯一7 一肟；l ，8 一p m e n t h a d i e n e - - 7 一o x i m e ) 为白色晶状体，稍带紫苏的药草香气，熔点：9 7 1 0 3 ，它是一种甜度为蔗糖2 0 0 0 倍、为糖精1 0 倍的超高效甜昧剂，在 正常使用范围内，它对人无毒副作用。作为一种无热量、不参与体 内代谢，性质稳定、耐热耐酸、并具有防腐作用的甜味剂，在国 外已被广泛应用于各种饮料、糕点、烟酒、食品中，例如：美国专 利6 ，1 5 9 ，5 0 9 中就提出将紫苏葶用于口香糖中，不仅能提高甜度 而且能持续保持甜味，在整个咀嚼的过程中缓慢释放，更令人出乎 意料的是它能提供独特的三叉神经的口感。日本专利第1 9 9 2 一 1 7 3 0 5 6 中揭示防止口腔异味和蛀牙的成分主要都来源于紫苏家族， 例如：迷迭香。另外紫苏葶被用在口腔物品中的还有牙膏、漱口水、 洗口药、牙粉、牙用药剂等e 2 3 。在日本随着紫苏葶被允许作为卷烟 甜味剂而得到大规模的生产。该产品在八十年代末，曾由日本进口 我国，当时售价高达9 万元k g 。目前正处于市场开拓期，随着人们 对它认识的不断加深，其使用范围将不断扩大，有广阔的市场前景。 近年来，我国也开始注意到这一产品的优良性能1 ，由于糖类物质 作为甜昧剂，普遍适用于所有的烟草制品，特别适用于含糖量低、 烟碱含量高、烟气p h 值偏高的卷烟。传统的甜味剂如白糖、红糖、 蜂蜜、葡萄糖、麦芽糖、果糖等。一般都使用在卷烟加料中，烤烟 型配方的用量为0 3 一1 ，混合型卷烟的用量为3 一5 。近年 来，随着加香加料技术的提高，许多烟厂开始使用一些新型香科单 体作为烟草甜味剂，专门针对4 0 级烟叶本身劲头较大、烟气增浓、 稍粗糙等缺陷，以增加烟草的甜润感1 。紫苏葶、二甲基烟叶酮、 氧化异佛尔酮、呋喃酮、大马酮、甲基环戊烯醇酮都有明显改善卷 烟吸味、提高卷烟内在质量、增加烟草天然清甜味的作用。紫苏葶 是国外一种新的高性能卷烟吸味改良剂。它可以抑制烟草的杂气， 增加香气，改善吸味，减少刺激，使余味醇和而舒适。所以中国烟 草总公司，于1 9 8 9 年正式下达科研任务，并于1 9 9 1 年主持通过了杭 州香料厂以天然紫苏精油为原料制取紫苏葶的小试鉴定会，与会专 家一致确认了该产品的优良性能。中德联合研究院以资源丰富的松 节油为原料合成了紫苏葶。上述两种方法得到的产品，分别经郑州 烟草研究院、上海卷烟厂、青岛卷烟厂、许昌卷烟厂、赣南卷烟厂、 广丰卷烟厂及天津阿罗美香精香料公司等单位的试用评吸，认为它 是一种很有前途的新型卷烟添加剂。紫苏葶自1 9 2 0 年由紫苏醛和羟 胺合成首次被分离和鉴定出以后，被广泛应用。但是，紫苏醛仅 天然存在于青紫苏草中，含量只有0 0 5 一o 1 ( w ) ，由于天然 资源的限制，影响了紫苏葶的开发和应用。因此，人们对不同的合 成路线进行了大量的研究1 ，例如以5 甲基一3 一己烯一2 一酮或 取代苯酚为原料的全合成法，和以松节油中蒎烯为原料的半合 成法。全合成法原料难得，反应步骤多，总产率低，以d 蒎烯为 原料的半合成法反应步骤短，产率较好，但a 蒎烯氧化成桃金娘 烯醇的反应中使用剧毒的二氧化硒作氧化剂，且桃金娘烯醇异构成 紫苏葶的反应需在高温( 4 3 0 ) 、真空( 0 6 7 0 9 k p a ) 下进行， 不适于工业生产。选用b 一蒎烯为起始原料，用过氧乙酸环氧化得2 ， 1 0 一环氧蒎烷，再硝酸铵催化下于d m f ( m - 二甲基甲酰胺) 中选 择性异构化成反式紫苏葶，再用重铬酸钠氧化得紫苏醛，进而于盐 酸羟胺肟化得紫苏葶嘶1 。利用柠檬精油合成紫苏葶也有报道。 但因为紫苏葶的低水溶性，可感知薄荷甘草异味，大大局限 了它的商业应用，仅在烟草行业进行大规模的使用。紫苏葶的应 用虽然受到一定限制，但是它却是化合物空间结构与味觉关系，系 统研究的非常有用的起点，从1 9 7 6 年起人们为了减少它的苦味和增 加它的水溶性又保持它的甜味潜力，通过对单体紫苏葶的结构不断 改变比较，总结出紫苏葶分子结构中的乙醛肟部分是甜昧的功能基 团，而其余部分被认为是甜味的载体部分，因此，通过改变载体可 以弥补紫苏葶水溶性差和有苦味的缺陷。人们尝试去掉载体侧链或 改变环的大小以及甚至去掉整个环等方式来寻找新的甜味剂，乙醛 肟是甜味的来源，肟中的羟基既是甜味来源又是水溶性的基本条 件，通过各种实验，发现提高水溶性则失去了甜昧潜能，提高了甜 味，则丧失了水溶能力心”，目前发现的甜味剂中，s r i 肟v 是一 种低分子量的乙醛肟，它比蔗糖甜4 5 0 倍，在烘烤物品中有高度的 热稳定性，在软饮料中有足够的耐酸性。另外一种类似物8 ，9 一环 氧紫苏葶，在美国专利第3 ，6 9 9 ，1 3 2 中有报道，它有很高的水溶 性且没有苦味”。为了研究紫苏葶生物活性的构象，由于反式巴豆 乙醛肟共轭体系是最简单的紫苏葶相似物。通过对巴豆乙醛肟和单 体乙醛肟角c c c n 和角c n o h 的比较，参数基本相似，获得肟的甜 味官能团与构象之间的关系，从而来推断更为复杂的紫苏葶相似 物。文章指出，角c n o h 是1 8 0 度能量最低，羟基旋转在1 2 0 _ ； 1 6 0 度 时能量升高，0 度时有更高的能量升高。角c c c n 除9 0 度之外，能量 变化很小旧，。另有文章利用模式识别技术，对紫苏葶相似物系列以 及醛肟类分子结构和味觉质量关系相互影响进行了分析，将这些化 合物分为两类( 甜和苦) ，开发了判别式功能，所有的化合物通过 三个参数，被正确地区分为不同的味道级别。另外，利用k l 转换 技术检测了划分结果【9 】【1 0 】。还有利用物理化学参数和衰退分析观察 了紫苏葶、氮和氰苯胺衍生物结构和味觉潜能之间的关系【1 。在对 紫苏葶类似化合物结构与味道之间相互作用的不断研究中，已经找 到五十多种不同的潜在人工甜味剂。 1 2 紫苏葶定性定量的意义 尽管在1 9 2 0 年紫苏葶被成功合成并分离出来，而且紫苏葶结 构中的乙醛肟部分被认为是甜味官能团而对其构象和功能进行了 深入的研究，但是有关紫苏葶本身的空间构型的澄清以及顺反异构 的分离相关文献却只有1 9 7 0 年e x p e r i e n t i a 第5 卷第1 5 期 p e r i l l a r t i n ea n ds o m ed e r i v a t i v e s ：c 1 a r i n c a t i o no fs t r u c t u r e s ) ) 一文 中仅只提供了紫苏葶的氢谱数据，并根据在d m s o 溶剂中8n o h 一6c h = n 望3 为反式这一肟类普遍规律推断常温紫苏葶为反式列 引。在此篇文献之前1 9 5 5 年有机化学杂志上刊登过用h c l 和b f 3 化学方法成功分离以下肟类化合物的文章，见下图引： 图1 1 而在p e r i l l a r t i n ea n ds o m ed e r i v a t i v e s ：c l a r i f i c a t i o no f - 3 筹 一 s t r u c t u r e s ) ) 一文中着重澄清了利用上面的方法分离紫苏葶，并不适 用，经过n m r 检测所得产物n o h 一6c h = n 氅3 ，均为反式构型。 因此文献指出，“或许顺式的紫苏葶在普通环境下并不存在，顺式 构型被期望在特别的条件下出现，异常的分子会倾向于这种构型。” 另有文献指出，反式肟的甜度约为糖精的1 0 倍，而顺式肟则 无甜味。为此，合成甜味剂产品中的反式肟的定量尤显重要，紫 苏葶作为香料物质，目前国内尚无标准检测方法，生产厂家一般采 用气相色谱仪f i d 检测器，色谱柱也常用p e g 2 0 m 。有些实验室 也使用气质检测。但将同一样品作对比检测，结果各不相同。由于 无标准样品，各组分结果均采用归一化计算。且采用该方法目前并 未见能够分离异构体的报道。而且，紫苏葶在不同温度下优势构型 的比例变化如何，所测的结果是否能真实反映常温下顺反异构体的 含量，并未进行有关研究。由此可见，紫苏葶定性定量方面工作的 必要。 1 3 肟类化合物异构体原理以及核磁共振技术原理 具有相同分子式而性质和结构不相同的化合物叫做异构体，这 种现象叫做异构现象。异构现象首先划分为结构异构( 或称构造异 构) 和立体异构两大类。结构异构( 或构造异构) 分为五类，包括 碳链异构、位置异构、官能团异构、互变异构、价键异构。立体异 构分为三类，包括旋光异构、构象异构和几何异构，几何异构又称 顺反异构或反顺异构，在此类异构现象中最典型的是由于双键不能 自由旋转的特性，组成双键的这两个碳原子的另外两个价键，如果 结合着不同的原子或原子团，这时便出现顺反异构体。所以要了解 有机分子的性质，就必须知道它的分子结构、构型和构象3 。 含碳氮双键的化合物( 例如，肟) ，由于碳和氮原子间存在6 键和键，键阻碍了碳、氮原子沿6 键的旋转作用，同时氮原子 的三个价键不在一平面上，氮原子除了用两个价键和碳原子形成双 键外，另外一个价键所连接的原子或原子团就偏处于碳一氮双键的 一边。因此当双键上碳原子带有两个不同的取代基时，分子就可能 有两种不同的空间排列形式，就形成了几何异构体 核磁共振基本原理：自旋核绕外磁场h 。作进动运动。拉莫尔 进动频率由下式决定： o = y h o ( 1 1 ) ( oo = 2 u o = yh o ( 1 2 ) uo = y h o 2 兀 ( 1 3 ) 该式是核磁共振的基本方程。不同原子核y 不同，所以共振频 率不同，在同外磁场h 。垂直的方向施加一旋转磁场h 1 于进动核， 如h 。的旋转频率同核的进动频率。值相等时，此进动核可自 h l 吸收能量，由低能态跃迁至高能态，这称为核磁共振现象。h 1 的频率与其能量的关系符合下列关系 e = h v = h ( 1 ) 2 ( 1 - 4 ) 当c a ) = 。相等时，能量将由旋转磁场传递给进动核产生核磁 共振现象。同一种核共振的磁场强度与它的化学环境有关。质子实 际所经受的磁场强度并不等于外磁场，而是h 棱= h o oh o = h o ( 1 - o ) ，o 称为屏蔽常数，因此，为了要满足共振条件，不同化学环境 的核只能在不同外磁场下显示其共振吸收峰，这就产生了“化学位 移”，同样核的化学位移也反映出该核在分子中的化学环境5 3 。 核磁共振用于定量分析的基本原理是：当被测样品是由若干已 知化合物组成，只需要求出各组分的相对含量，如果没有合适的内 标化合物时，可采用相对测量法，以二元混合物为例，应存在下列 关系： w l w 2 = ( a j n l m l ) ( a 2 n 2 m 2 ) ( 卜5 ) 设m l 和1 t 1 2 分别为二种组分的摩尔数，则有 m 1 m 2 = ( w 1 m 1 ) ( w 2 m 2 ) = ( a 1 n 1 ) ( a c n 2 ) ( 卜6 ) 上式表示二组分的摩尔比值即为单位质量的积分值之比，后者 可在谱上直接测定。 设p 1 、p 2 分别为二组分的摩尔数，可得 p 1 = m 1 ( m 1 + m 2 ) = ( a j n l ) ( a 1 n l + a 2 n 2 ) ( 1 - 7 ) p 2 = m 2 ( m i + m 2 ) = ( a 2 n 2 ) ( a 1 n j + a 2 n 2 ) ( 1 - 8 ) 由此可计算二组分相对百分含量 组分1 ：p l m l ( p l m l + p 2 m 2 ) + 1 0 0 ( 1 - 9 ) 组分2 ：p 2 m 2 ( p 1 m 1 + p 2 m 2 ) 4 1 0 0 ( 1 1 0 ) 如二组分分子量相等，如为同分异构体时，m i = m 2 ，可用下列 表示百分含量酬“”： s 组分1 ：( a i n 1 ) l ( a l n l + a 2 n 2 ) + 1 0 0 ( 1 1 1 ) 组分2 ：( a e n 2 ) ( a 1 n l + a 2 1 n 2 ) 卑1 0 0 ( 1 1 2 ) 1 4 肟类化合物利用核磁技术检测进展 在1 9 7 0 年e x p e r i e n t i a 第5 卷第1 5 期p e r i l l a r t i n ea n ds o m e d e r i v a t i v e s ：c l a r i n c a t i o no fs t r u c t u r e s ) ) 对于紫苏葶及其衍生物结构 的澄清一文发表之前，可以说人们主要是通过醛肟，酮肟，或含有 苯环的肟类，分别找寻顺反异构体的划分规律，首次利用核磁共振 检测肟类化合物的是在1 9 6 0 年物理化学杂志上发表的酮肟顺反 异构体的核磁共振研究，文章检测出了部分脂肪族酮肟和酮肟醚 类化合物的顺反异构体，通过在 c = n o h 、r 1 r 2 c = n x 或 c = n o r 附近的氢找到两个共振峰，方法采用带有芳环的溶剂并在一定浓度 下对对称肟和不对称肟分别进行检测7 ，。未测得异构体的化合物 认为是由于空间效应和分子内氢键造成。在此之后于1 9 6 3 年美国 化学会志上有文章对。，) 。一“和r ， c n 7 进行了大量的实 验( z 其中也包括o h ) ，分别从溶剂效应、化学位移、偶合常数方 面，对能够分离顺反异构体的化合物寻找规律，认为r 1 夕c n j 分子式中h ，在反式时相对顺式总是在高场，由此可以划分顺反异 构。对于肟u ( c i s ) 三；一 ， ：l 6 1 h i 6 o h-蕾o(usy6 靠静帮，瓣 u，h 辩搽酽=：；： ，n暑i 哥 z g互导，-譬零青 ，l鼻 -l，； i墨j t；蔓h 2季，n譬 p-暑-；，p il：i2； ，ht；，口n葺-甚 -t_-暑s ，x 譬_t n，i 雹暑o i 6_l娘宴舅蹿_【oioh【 气髓寤-疆磷 强诣灌巍难 。瓣咎=l蟹。 翻一|厶钒苫蘑lho 第三章紫苏葶异构体的找寻 因为羟基质子的化学位移是未络和的自由羟基与氢键络和的 羟基质子化学位移的重量平均值，因而随着溶剂、温度、浓度的不 同，羟基的化学位移也不同。本文试图通过改变溶剂、温度、浓度 来改变顺反异构体的存在条件。 3 1 实验部分 3 1 1 材料试剂 试剂：d m s o 、a c e t o n e 、d m f 、c d c l 3 均由中国科学院武汉 波谱公司提供，核磁测试专用氘代试剂( o 5 m 1 ) ，9 9 8 a t o m d 。 b e n z e n e d 6 ，9 9 5 a t o m d ( 0 5 m 1 ) ，美国a l d r i c h c h e m i c a l c o m p a n y 。四氯化碳( 分析纯) 。 材料：紫苏葶为白色结晶，稍带紫苏的药草香气，熔点：9 7 一 1 0 3 。由湖南先伟实业公司提供。 仪器：v a r i a nu n i t y - 4 0 0 超导n m r 谱仪。h 和cn m r 工作 频率分别为4 0 0 m h z 和1 0 0 m h z 。用5 m m 标准n m r 样品管。 室温下进行。m e t t l e r a e 2 0 0 电子天平( 感量0 1 m g ) 。 1 hn m r 实验： 谱宽为5 9 9 9 7 h z 数据点为4 4 9 2 8 累加次数1 6 3 1 2 实验方法 3 1 2 1 将紫苏葶按文献：，所述方法，对其加热熔融后，溶于d m s o 中，3 5 摄氏度下进行一维氢谱检测。 3 1 2 2 将紫苏葶按文献n ”在一2 04 c ，存在冰箱中一段时间后，然 后溶于丙酮溶剂中，进行一维氢谱检测。 3 1 2 3 将紫苏葶合成后未异构化之前的样品溶于氯仿中，观测碳 谱、氢谱。 3 1 2 4 不同溶剂：将相同量的紫苏葶分别溶于 d m s o ，a c e t o n e ，d m f ，c 6 d 6 ，c d c l 3中在常温下， ( 3 9 9 8 a t o m d ) ，进行一维氢谱的检测，对化学位移6 n o h 一6c h = n 做了对比分析。 不同浓度：以苯为溶剂，分别配制1 0 0 m g m l ，5 0m g m l ， 1r 2 5m g m l ，1 2 5m g m l ，6 2 5m g m l ，3 1 2 5m g m l 紫苏葶 溶液，进行一维氢谱实验，仪器条件同上。 苯与四氯化碳不同配比条件下：苯与四氯化碳的比分别为 l 1 ；1 2 ；1 3 ，配制5 0 m g m l 溶液，放置过夜后，进行一 维氢谱实验。 3 1 3 结果与讨论 3 1 3 1 1 9 6 7 年利用肟基团羟基总结出的规律是用d m s o 作溶 剂，首先将化合物加热熔融后配成溶液，利用n m r 有效 分离了部分肟类化合物后。总结出6n o h 一6c h = n 丝3 为 反式，6n o h 6c h = n 一- - 4 为顺式。虽然该文献实验中， 并未测紫苏葶，但在紫苏葶合成文献中，被多次引用作为 紫苏葶为反式的依据。紫苏葶在d m s o 中羟基化学位移 为1 0 6 8 2 p p m ，6n o h 6c h = n = 3 0 2 4 p p m ，因此为反式。 多次测量未见分离顺反异构体2 1 3 1 3 22 0 0 2 年，物理化学杂志有文章利用红外分离开了顺、 反异构乙醛肟。方法利用不同的前处理，使乙醛肟以顺式 或反式一种状态被检测成功，反式是将乙醛肟在测试前由 液体冷冻在以下一个温度一3 9 ，一1 9 ，0 后通过羟 基在红外上观测到唯一反式。顺式是在测试前将其在冰箱 中冷冻了很长时间，直接测试固体得到的n ”。 一维氢谱检测结果并未见有顺反异构体分开，化学位 移也无明显变化。谱图如下 ： _ ； 繁黉鬻i 墨 j叠u 。 撰g 嘏珐竺一 l 。1 l ；i ，l 一1 了。i - 五_ r _ r 1 r _ 1 图3 - ia c e t o n e 中紫苏葶氢谱 3 1 3 3 将紫苏葶合成后未异构化之前的样品溶于氯仿中，碳 谱、氢谱如下： j m h ：一 ， 5 !瞄j 蕊辩- e 强 纛 f 一颡 if 。一_ 参一 、过，j - = 一、7 2 ，= = 一o o ：= ? f 日= 图3 2 瓣萝一 _ i ： 1 j _ j j l i h l ii 【1 1 1 l i 图3 3 由图中可见有很多杂质，但没有顺反异构体出现。 3 1 3 4 不同溶剂： 苯具有很大的磁各向异性。在外磁场的作用下，苯环上的电 子在碳原子之间循环流动，在整个环平面的上下两侧，产生了环电 流，由此产生的感应磁场与外磁场的方向相反，具有正屏蔽效应， 在环的外侧具有去屏蔽效应。在苯溶液中曾有效分离了n ，n 二甲 基甲酰胺，其原理就是通过苯与酰胺分子之间在特定的位置上形成 碰撞络和物。这样，和羰基成反式位置的甲基处于苯环各向异性的 正屏蔽区，共振大大趋向高场。从而分离开顺反异构体。由表1 可 以看出，d m f 和a c e t o n e 虽也属属磁各向异性，可是丙酮一般含 有少量水，易形成氢键，会干扰检测，d m f 易挥发，属磁各向异 性的溶剂苯对紫苏葶的结构检测有利。 表3 - 1 不同溶剂对紫苏葶异构体的检测 ：1 一l n 善 j 1 ；rili j 1 】1 。烈i j 一： 图3 4 在d m s o 溶剂中的氢谱 1 c ；一。一一! 三；1 4 蹋谰 j 娜 强 稀拶 坦， ， ， _ 一 也 一：习。 七一 u i l - | 。 一 l 一= i 1 ；褂矗图3 - 5 在c d c l 。剂中的氢谱 一- 。：、- 1 一 图3 - 6 在c 。d 。溶剂中的氢谱 一一= 宇= ；。”j 。_ 掣。5 ；i l1v 一一簟一。乳一一一f i l ，鳓i 壹盟一 图3 7 在d m f 溶剂中的氢谱 u j 一 一 ii简 一 - = 一 一 一| 图3 - 8 在a c e t o n e 溶剂中的氢谱 3 1 3 5 不同浓度 由表2 可知，随着浓度增加紫苏葶形成了氢键。当浓度降低时， 羟基峰向高场位移，6c h = n 虽然也向高场有所位移，可是变化很 小，因此，6n o h - 6c h = n 逐渐减小，浓度为5 0 m g m l 时羟基峰 峰型变宽，有裂分迹象如图2 。 表3 2 不同浓度对紫苏葶异构体的检测 盗廑! 坐g ! 堡! ! 堕q 坚 1 0 01 0 0 1 0 5 09 6 6 8 2 59 3 7 4 1 2 59 2 1 4 6 2 59 0 6 l 3 ：1 2 昼：璺3 窆 不同浓度时谱图如下： ；瓣戆囊量 图3 - 9 浓度为1 0 0 m g m l 。 图3 1 0 浓度为5 0 m g m l b j，从一 ! _ 图3 1 1 浓度为2 5 m g m l 图3 1 2 浓度为1 2 5 m g m l - 辩e m ；6 l i 兰：一 图3 1 3 浓度为6 2 5 m g m 1 图3 1 4 浓度为3 1 2 5 m g m l 3 1 3 6 苯与四氯化碳不同配比条件下： 我们尝试进一步减小苯的量，用四氯化碳代替，放置一个晚上， 第二天中午检测，实验结果如下表。 表3 3 苯与四氯化碳不同配比条件下紫苏葶异构体的检测 苯四氯化碳 e i z 1 1 1 2 l 3 没有分开 o 9 3 o 9 6 如下图所示，当苯四氯化碳比为1 2 、1 3 时羟基峰出现裂分， 其余峰没有变化，加入重水交换，发现该分裂峰消失，该溶液中除 大量的紫苏葶和溶剂外只有微量的杂质，因此说明该裂分为紫苏葶 顺反异构体。 麟：一f “尊积上卜毒辨揪 图3 1 5 重水交换谱 。2 一氐 图3 1 6 苯四氯化碳为1 1 时紫苏葶羟基峰异构体的检测 图3 1 7 苯四氯化碳为1 2 时紫苏葶羟基峰异构体的检测 - 0 瀚_ u 爿8 二 图3 1 8 苯四氯化碳为1 3 时紫苏葶羟基峰异构体的检测 3 2 光照和时间对紫苏葶异构体影响 由于测量过程中偶尔可以看到紫苏葶羟基峰峰型变宽，有裂分 迹象，但非常不稳定，且增加累加次数后即测不到裂分。四氯化碳 + 苯溶液，隔天检测即裂分消失，所以对溶液光照时间，和放置时 间进行了考察，经过排除，发现光照和时间对氢谱没有任何影响。 第四章紫苏葶动力学研究 4 1 温度对紫苏葶异构体影响 研究体系内存在分子内的化学交换过程一一互变异构动态过 程时的n m r 谱，根据测不准关系式 6e 8t h 我们可知，当分子能通过这些变化存在多种状态时，它在每种 状态的寿命为6l 【，则由于6 e = h 6 1 9 ，吸收峰的宽度应为 a1 3 2 兀6 t 。1 由于紫外、可见、红外光谱都在高频区( 1 0 1 3 1 0 ”h z ) ，因此 它只能研究非常快速的反应，即6t 必须很小( 1 0 _ 1 2 1 0 叫3 s ) 。 但n m r 谱线的自然宽度很小，仅1 h z 左右，所以它可研究6t 较 长的速率过程( 1 0 一一1 0 5 s ) ，而上述这些过程多数在此范围内，并 且动态速率过程往往随温度等因素而改变其速率，所以即使它原来 不在此范围内，我们可以通过改变温度使它进入此范围”“。 当核处在两个位置中所受的屏蔽常数不同时，则核在这两个 位置上的n m r 共振频率就会不同。当这两种状态由快交换过程向 慢交换过程转换时。n m r 谱会出现下列过程。 ： ：盖一一盈 =三=：= = = = = = 盅 警 。一兰 ! 图4 1 4 1 1 实验 因此我们考察了下列温度下紫苏葶状态的变化，试图通过温度 的变化，找到上述变化过程。 在d m s o 溶剂中：分别在2 0 ，2 5 ，3 0 。c ，3 5 ，4 0 ， 4 5 ，5 0 ，5 5 ，6 0 ，6 5 ，7 0 ，7 5 ，8 0 ， 8 5 ，9 0 下进行了升温实验。仪器：v a r i a n 一4 0 0 超 导傅立叶变换n m r 谱仪，其余参数相同。 在d m f 中：分别在o ，一1 6 ，一2 6 ，一3 6 ，一4 6 进行了低温实验。 在c d c l 3 中：分别在2 0 。c ，0 * c ，一1 6 。c ，一3 6 。c 中进行实验。 仪器：b r u k e r - 5 0 0 超导傅立叶变换n m r 谱仪，其余参 数相同。 ( d m s o 熔点1 8 4 5 、沸点1 8 9 ；d m f 熔点一6 1 、沸点 1 5 3 ；c d c l 3 熔点一6 3 5 、沸点6 1 2 ) 4 1 2 实验结果 4 。1 2 。1 在c d c i 。中2 0 。c ，o ，一1 6 。c ，一3 6 中实验谱图如下。 i ! f 一1 一一一 坠型一一一一燃攀域一 曼。一二二? = 。盟，一雌一 一! ；盘f 苞! ! 立b 【：一 丁 j l 一 蚓 一丝i 泌鱼坠一 27 曼，l 聂 r山冀| 。 一一 一 ： 二 y九埘一 。 | ! 一 一一 |=孽，。儿萄。l 埘 = 一 一 r l 一 胃f j l 垃三 一 it-l-i，j 掣 一 l端。，i i i 嚣 | | 一 一 一一一 ! ：一一、娶- 二一一 k 南f 苗住f 蓟k 1 一1 一 图4 2 在c d c i 。中2 0 。c ，o c ，一1 6 。c ，一3 6 。c 中实验谱图 将羟基部分放大后如图： s 。- ：z ：茅只：警；磐0 邕。：， 8 p e c t r u mn u m b e r ：x l a n g l l a o - 11 图4 3 在c d c i 。中2 0 c ，o4 c ，一1 6 c ，一3 6 c 中将羟基部分放大实验谱图 由上图可以看出羟基峰的化学位移1 0 0 5 p p m 、9 6 0p p m 、9 0 7 p p m 、8 2 3p p m ，随温度降低，逐渐向高场移动，半峰宽从1 3 7 h z 、 3 2 1 h z 、4 3 4 h z 、4 8 5 h z 逐渐增加，但未见有裂分迹象。 4 1 2 2 在d m f 中3 5 、2 5 、0 。c ，1 6 ，一2 6 c ，一3 6 。c ， 2 s 一4 6 低温实验结果如图： 一o ：；霉誉二= 婪咚瓮群= ，等 i iiv。k 越畸譬t v jl li j i f i l 一堂一一， 自 简简蔺能蠡f 拍域闰 = 一1 r 口r 一；1 一1 一r _ r ；o r = o 罨= = 一 却：= ：兰蒜 譬! ：? ! ；! ；：i ：= ；：二 i爸 ：二：。t 口一r 1鲑，一耸、一。鱼一鲑一商塑坐k 。：! = ：! 釜釜笔萎：；- ：= 二 ；， 璺孽目 lj v 三一 商简闰 越南悔l - 割i 涵f 1 1 = = 一f x 1 一t 、p rv 一r ；= 寻二二_ 一 二2 蕊鼍= ：爸融o 。 曼兰孽目基 ! 一一 简简 i 一二一1 _ 一一t 一 l 笪一、隆型剿型 29 一je 扎 l si。l：= 一一 ；一。，。，l 苗闰幽黼商匡隆k 悔旧| 苎| i f 一一1 7 t 一 ；。i 一一一1 1 一r1 r f 一一； 一 o = _ 世京：i ! j ：点i ：麓 墨 l 闰简简国崮雇隆国i 茸套域 = = 一r 一，；一r i 一一r 一：1 1 一r 厂 1i 叫 “_ 磕 普南；黼p 4 j | j jl 叭。l i鱼简 ；茹r 石一i 一i 一 闰闰简稚自k k 崮吲 1 一；一 _ 一1 ”一r 图4 4 由上图可以看出羟基峰的化学位移1 0 8 0 9 8p p m 、1 1 1 9 8 2p p m 、 1 1 3 1 7 7p p m 、1 1 4 6 0 9pp m 、1 1 5 1 1 0p p m 、1 1 4 3 3 7p p m ，随温度 降低逐渐向低场移动，在3 6 之后又向高场移动，6n o h - - 6 c h = n 值为2 7 6 4 8pp m 、2 9 7 0 6pp m 、3 0 7 9 7pp m 、3 2 0 8 7pp m 、 3 2