合成中間體檸檬肟不同構型的色譜定性探討

許保海

檸檬肟是合成國際新型香料檸檬腈的中間體。目前國內外所采用的基本合成方法是用物理或化學方法從山蒼子油提取檸檬醛［1］，用檸檬醛與鹽酸羥胺或硫酸羥胺反應制備檸檬肟，再用乙酐等作脫水劑［2］使檸檬肟脫水生成檸檬腈。從山蒼子油提取的檸檬醛有兩種構型，分別是構型為E型的α-檸檬醛和構型為Z型的β-檸檬醛。中間產物檸檬肟的肟鍵與一雙鍵共軛，從理論上說，該結構可能存在如圖1所示的4個構型的檸檬肟:

圖1 檸檬肟的4個構型

從查得的國內外文獻看，關于合成中間體檸檬肟不同構型的色譜定性未見報道。本文針對用山蒼子油提取的檸檬醛經羥胺反應得到的檸檬肟，利用氣相色譜儀、氣質聯用儀，從質譜解析、有機合成各構型簡單產率比的角度對合成中間體檸檬肟構型的色譜定性作了探討。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

氣相色譜:GC-14C，配FID檢測器(島津公司，日本);氣相色譜-質譜聯用儀:GC 6890-MS5973 (惠普公司，美國)。

檸檬醛(92%)(由黔產山蒼子油提取，貴陽海豐日化有限公司售)，鹽酸羥胺，碳酸鈉，鹽酸，所用試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 中間體檸檬肟合成

在250 mL三口燒瓶中加入水50 mL，攪拌下加入鹽酸羥胺11.1 g與碳酸鈉12.7 g。充分溶解后裝上攪拌裝置，控制一定的攪拌速度，用水浴加熱，控制反應溫度為(70±1)℃。15 min內滴加完18.5 mL(約 0.1 mol)檸檬醛。反應完畢后取油層樣，樣品用乙醚稀釋后進氣相色譜、氣質聯用儀分析。

1.2.2 氣相色譜儀設定

HP-5(5%苯基甲基硅氧烷)毛細管色譜柱，25 m×200 μm×0.25 μm;柱初溫 100℃保留1 min，以13℃/min升至165℃，保留1 min后以2℃/min升至175℃，保留1 min;載氣為高純氮，恒流方式1.0 mL/min;分流進樣，分流比50∶1;氫火焰離子檢測器(FID);柱前壓100 kPa，氫氣50 kPa，空氣70 kPa，進樣口溫度 200℃;檢測器溫度250℃;進樣量1 μL。

1.2.3 氣相色譜-質譜聯用儀設定

GC條件:HP-5(5%苯基甲基硅氧烷)毛細管色譜柱，25 m×200 μm×0.25 μm;柱初溫100℃保留1 min，以13℃/min升至165℃，保留1 min后以2℃/min升至175℃，保留1 min;載氣為高純氦，恒流方式1.0 mL/min;進樣口溫度250℃;分流進樣，分流比50∶1;進樣量1 μL;延遲時間1.5 min。

MS條件:EI離子源，電子能量70 eV;離子源溫度230℃;四級桿溫度150℃;色譜質譜傳輸線溫度280℃;掃描頻次2.83次/s;倍增電壓1 529 V。

2 結果與討論

2.1 質譜圖解析的構型色譜定性探討

2.1.1 總離子流色譜圖與產物質譜圖

取合成反應2 h后的樣品經乙醚稀釋后進氣質聯用儀分析，總離子流色譜圖見圖2。

圖2 合成產物的總離子流色譜圖

對圖2中的6個主要色譜峰進行了質譜掃描，其中后4峰的質譜圖見圖3。

圖3 4個色譜峰的質譜圖

2.1.2 碎片離子峰m/z 99的質譜解析

對取得的各組分質譜圖進行譜圖(Wiley譜庫，27.5萬張)檢索后發(fā)現，前兩峰即為反應物Z式和E式檸檬醛，而后4峰A、B、C、D無標準譜圖可檢索。由于檸檬肟的分子量為167，顯然，m/z 167是各色譜峰的分子離子峰M+·。

在使用質譜解析確定肟構型的應用方面，McLafferty關于氫重排的理論［3］已有大量應用，見文獻［4］～［6］。根據F.W.McLafferty的關于氫重排的理論:發(fā)生γ-氫極易重排到不飽和官能團上的原因不是由于六圓環(huán)過渡態(tài)的空間選擇性，也不是由于協(xié)同反應的促成，而是取決于3個因素:氫的不穩(wěn)定性、位置的接受能力和產物的穩(wěn)定性。對于其他非六圓環(huán)重排，只要滿足McLafferty關于氫重排的理論(核心是3個因素均符合)，那么重排是可能的。觀察質譜圖3可以發(fā)現，色譜峰C與D存在相當顯著的碎片離子峰m/z 99，而A與B則沒有或甚小。為此，我們根據McLafferty的關于氫重排的理論對這一現象進行了解釋。圖4為碎片離子峰m/z 99的裂解解析:

圖4 碎片離子峰m/z 99的裂解解析

首先，從位置的接受能力來看，4個異構體均有含氮的官能團，它是最能按受重排氫的，但空間因素卻限制了(E、Z)與(Z、E)的氮原子接受氫的能力。如圖5a，對于(E、Z)-檸檬肟，這樣的氫遷移是不利的;而對于(E、E)和(Z、Z)檸檬肟來說，它們卻沒有氮原子上的羥基所帶來的空間因素的限制。如圖5b，對于(E、E)-檸檬肟，這樣的氫遷移是有利的。

圖5 發(fā)生氫遷移的空間因素示意圖

當然，(E、E)或(Z、Z)檸檬肟并非全都會發(fā)生這樣的氫遷移，因為與4位碳或5位碳相連的價鍵均是σ鍵，它們可以自由轉動。如圖5c，氫原子與氮原子相距太遠，發(fā)生氫遷移亦是困難的。但是，對于(E、E)或(Z、Z)檸檬肟而言，可以發(fā)生氫遷移的這種有利位置一定是存在的，只是一個概率多少的問題了。

其次，1位甲基上的氫是與不飽和碳碳雙鍵相鄰的碳原子上的氫，根據氫的不穩(wěn)定性因素，它是容易發(fā)生氫遷移的。

最后，從產物的穩(wěn)定性因素看，由于裂解后產生的碎片離子峰m/z 99的不成對電子處于共振穩(wěn)定態(tài)，產物穩(wěn)定性增強，重排容易發(fā)生。其共振式如圖6。

圖6 碎片離子峰m/z 99的共振式

因此，(E、E)與(Z、Z)檸檬肟滿足McLafferty氫重排的3個因素。它們可以發(fā)生氫重排而產生m/z 99的碎片離子峰，也即是說，(E、E)與(Z、Z)檸檬肟只能是總離子流色譜的后4峰中的C與D峰了。

2.2 各構型合成的簡單產率比構型色譜定性探討

將烯鍵為Z型構成的肟與烯鍵為E型構成的肟的質量濃度比(用峰面積比值代替)稱為其構型的簡單產率比λ。反應物檸檬醛有兩個構型，為確定兩構型的質量濃度比，我們直接對其進行氣相色譜分析，利用峰面積歸一化法得到Z型與E型的質量濃度比為0.76∶1.0。

取水浴條件下改變pH值，反應3 h后的樣品經乙醚稀釋后進氣相色譜儀分析，得到各pH條件下的峰面積值，經計算發(fā)現，用B與D峰的峰面積之和除以A與C峰的峰面積之和的比例竟亦為0.76∶1.0左右。圖7為B、D構型對A、C構型的簡單產率比。

圖7 不同pH條件下的簡單產率比

這也說明，在普通的反應條件下，反應只是羥胺與檸檬醛上的醛基發(fā)生親核作用，顯然對于檸檬醛上的Z型或E型烯鍵不產生影響。因此可以推測，B與D峰代表的是烯鍵為Z型構成的肟，而A與C峰代表的是烯鍵為E型構成的肟。

2.3 檸檬肟的4個色譜峰的對應構型

通過質譜圖的解析推測出總離子流色譜中C、D峰代表的是(E、E)與(Z、Z)檸檬肟，剩下A、B峰代表的是(E、Z)與(Z、E)檸檬肟;從合成的簡單產率比的角度推測出B、D峰代表的是(Z、Z)與(Z、E)檸檬肟(烯鍵為Z型)，而A與C峰代表的是(E、Z)與(E、E)檸檬肟(烯鍵為E型)。因此我們得到了在給定的色譜條件下，合成中間體檸檬肟構型的色譜定性關系(表1)。

表1 檸檬肟的4個色譜峰的對應構型

3 結論

通過采用色譜、質譜等科學儀器，并結合McLafferty的質譜解析理論和有機合成簡單產率比，以新的視角對合成中間體檸檬肟不同構型的色譜峰進行了定性研究，區(qū)分了給定色譜條件下的4個不同構型檸檬肟色譜峰。

［1］葉毓銘.山蒼子精油及脂肪酸的利用［J］.四川化工與腐蝕控制，1998，1(4):36-39.

［2］沈睿漫，黃金昆.用山蒼子油合成國際新型香料-檸檬腈的新探［J］.精細化工，1994，11(1):28-30.

［3］F W麥克拉弗蒂.質譜解析［M］.王光輝，譯.3版.北京:化學工業(yè)出版社，1987:170-177.

［4］L A科特.有機質譜法導論［M］.潘希明，譯.北京:科學出版社，1982:55-60.

［5］Jessica L，Detlef S，Helmut S.Competitive reactions and diastereoselective C-H bond activation in the McLafferty rearrangement of photoionized 3-methyl valeramide［J］.International Journal of Mass Spectrometry，2005，240(2): 121-137.

［6］劉輝，肖轉泉，李希成.內型β-異莰烷基酮肟的合成及其構型的確定［J］.林產化學與工業(yè)，1997，17(4):6-10.