應(yīng)用兩種統(tǒng)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)安息香縮合反應(yīng)的工藝優(yōu)化

付 正 王愛華 丁 陽(yáng) 李 新 張 遠(yuǎn)

山東醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校藥學(xué)系，山東濟(jì)南 250002

安息香（二苯乙二酮）是一種重要的化工原料，也是一種重要的藥物合成中間體，安息香縮合反應(yīng)作為環(huán)境友好實(shí)驗(yàn)的典范被廣泛收載在各個(gè)大學(xué)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中。很多文獻(xiàn)對(duì)該反應(yīng)進(jìn)行過(guò)改進(jìn)，如用其他催化劑（金屬催化劑，相轉(zhuǎn)移催化劑等）代替維生素B1的情況，用三乙胺代替氫氧化鈉的情況，利用超聲法或微波法的例子[1-3]。在大學(xué)生教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，安息香縮合反應(yīng)是指在維生素B1催化作用下，兩分子苯甲醛縮合生成安息香的過(guò)程[4-5]。因?yàn)榫S生素B1催化活性的問(wèn)題，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中一直存在實(shí)驗(yàn)失敗率較高，產(chǎn)率相差較大的問(wèn)題。雖然也有文獻(xiàn)報(bào)道采用正交設(shè)計(jì)的方法考察最佳的合成條件[6]，但未涉及統(tǒng)計(jì)軟件使用，計(jì)算較繁瑣，不利于學(xué)生掌握和使用。SPSS 17.0是經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件，應(yīng)用于自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、社會(huì)科學(xué)等的各個(gè)領(lǐng)域，有數(shù)據(jù)錄入、整理、分析功能于一體，操作簡(jiǎn)單、容易上手、分析功能強(qiáng)大等特點(diǎn)[7-12]。正交設(shè)計(jì)助手是一款針對(duì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析而制作的專業(yè)軟件，具有能直接導(dǎo)出效應(yīng)曲線圖，直觀體現(xiàn)最優(yōu)合成反應(yīng)條件等優(yōu)點(diǎn)[13-15]。本文將探討如何有效地利用兩種統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)該實(shí)驗(yàn)的影響因素進(jìn)行研究，簡(jiǎn)化流程，優(yōu)化有機(jī)合成反應(yīng)條件，期望為大學(xué)生開展有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)時(shí)最佳反應(yīng)條件的摸索提供參考。

1 材料與儀器

1.1 材料

苯甲醛（AR，98% purity，天津市大茂化學(xué)試劑廠，100-52-7）；鹽酸硫胺（維生素 B1）（BR，98% purity，上海德榜化工有限公司，67002134）；無(wú)水乙醇（AR，99.7% purity，20180410），氫氧化鈉（AR，96% purity，20171202），均購(gòu)自天津市富宇精細(xì)化工有限公司。

1.2 儀器

水浴恒溫震蕩儀（蘇州歐倍科學(xué)儀器有限公司OBS-B型）；核磁共振儀（Bruker Avance AMX-400型）；紅外光譜儀（天津港東公司，F(xiàn)TIR-650A型）。

2 方法與結(jié)果

2.1 研究設(shè)計(jì)

本研究主要是利用正交設(shè)計(jì)助手創(chuàng)建和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃表。按計(jì)劃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算產(chǎn)率，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果（產(chǎn)率）輸入計(jì)劃表，得出方差分析表和效應(yīng)曲線圖。再利用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)同樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輸出了相同的方差分析結(jié)果，同時(shí)在結(jié)果中展示了具體的P值，同時(shí)，SPSS軟件還可以反映三個(gè)因素間是否存在交互作用。最后根據(jù)正交設(shè)計(jì)助手創(chuàng)建的效應(yīng)曲線圖確立最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，見圖1。

圖1 研究設(shè)計(jì)圖

2.2 研究步驟

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，先利用正交設(shè)計(jì)助手軟件設(shè)計(jì)因素與水平表，選擇3個(gè)溫度，3個(gè)時(shí)間，3個(gè)pH值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖2）。在不同條件下進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果（即產(chǎn)率），見圖3。

圖2 因素與水平圖

圖3 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃圖

利用兩種軟件輸出的各自的方差分析表（圖4），圖4A顯示溫度、時(shí)間、pH值均對(duì)產(chǎn)率影響顯著。圖4B顯示P=0.019＜0.05，建立的模型顯示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，溫度、時(shí)間、pH值的概率值分別為0.045、0.032和0.010，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

圖4 方差分析圖

另外，利用SPSS軟件考察了三個(gè)因素之間的兩兩交互作用（圖5），發(fā)現(xiàn)三個(gè)因素之間不存在交互作用。

圖5 三個(gè)因素間的兩兩交互作用

最后用正交設(shè)計(jì)助手做出效應(yīng)曲線圖（圖6），從圖中可以看出溫度60 ℃、時(shí)間90 min、pH=10時(shí)，產(chǎn)率最高，建議以此作為最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件。

圖6 效應(yīng)曲線圖

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程：在干燥的150 ml錐形瓶中加入維生素 B12.5 g、蒸餾水7 ml、無(wú)水乙醇 30 ml，搖勻后，置于冰水浴冷卻。將10% NaOH溶液10 ml置于試管中，同樣冰水浴冷卻。將10% NaOH溶液逐滴滴入錐形瓶中，邊振搖邊調(diào)節(jié)pH到9 ～ 10（pH不可超過(guò)10）。撤除冰浴，立即加入新蒸的苯甲醛20 ml，搖勻，再用10% NaOH調(diào)pH值到10，錐形瓶罩塑料膜，置水浴恒溫振蕩器中（60 ℃）反應(yīng)1.5 h，反應(yīng)中保持pH值為9～10。冷卻至室溫后，置于冰水浴中冷卻。減壓抽濾，洗滌。粗產(chǎn)物用95%的乙醇重結(jié)晶。

三組學(xué)生同時(shí)按上述過(guò)程實(shí)驗(yàn)，成功率為100%，三組產(chǎn)率分別為65%、69%和70%，平均達(dá)到了68%的產(chǎn)率。最后進(jìn)行產(chǎn)物安息香的結(jié)構(gòu)確證，樣品經(jīng)CDCl3溶解后用核磁共振儀測(cè)試1H NMR（圖7），1H NMR各峰的歸屬：化學(xué)位移δ7.90～7.95 ppm （d，2H，Ph-H），7.45～7.55 ppm （t，1H，Ph-H），7.23～7.44 ppm（m，7H，Ph-H），5.95 ppm（s，1H，=CH-OH），4.57 ppm（s，1H，-OH）。樣品用紅外光譜儀測(cè)試，KBr壓片（圖8），吸收峰的歸屬：2500～500 cm-1是O-H振動(dòng)吸收，1690 cm-1左右為羰基（C=O）的伸縮振動(dòng)吸收，1400～1600 cm-1為苯環(huán)的骨架振動(dòng)吸收。

圖7 安息香的1H NMR圖譜

圖8 安息香的IR圖譜

3 討論

本研究首次嘗試在大學(xué)生開展有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)時(shí)，同時(shí)利用兩種統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析，確定最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件，提高實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性和產(chǎn)率。正交設(shè)計(jì)助手軟件是專門用于正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的軟件，操作簡(jiǎn)單，其優(yōu)點(diǎn)是可以輸出SPSS 17.0軟件無(wú)法輸出的效應(yīng)曲線圖，從圖形上清晰顯示因素對(duì)結(jié)果的影響情況，對(duì)最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件的選取提供依據(jù)。但正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)軟件的缺點(diǎn)是輸出的方差分析表中是以*表示顯著性水平，缺少具體的概率數(shù)值，而SPSS 17.0軟件完全彌補(bǔ)了這一不足，其輸出結(jié)果中具體描述了方差分析的結(jié)果，清晰地表達(dá)了具體的概率數(shù)值，便于數(shù)據(jù)的對(duì)比和分析。同時(shí)SPSS 17.0軟件還能夠進(jìn)行正交設(shè)計(jì)軟件無(wú)法進(jìn)行的兩兩交互圖的輸出，便于進(jìn)行對(duì)交互作用的相互影響情況的研究。兩種軟件相互補(bǔ)充，更詳盡的數(shù)據(jù)結(jié)果和最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件篩選過(guò)程，這是過(guò)去所有文獻(xiàn)都未報(bào)道的。

用科學(xué)的方法對(duì)有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)的影響因素進(jìn)行研究，既有提高實(shí)驗(yàn)的成功率和產(chǎn)率的現(xiàn)實(shí)意義，又有在專業(yè)軟件指導(dǎo)下進(jìn)行相關(guān)研究的理論意義，也為開展大學(xué)生綜合設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)中探索相關(guān)合成反應(yīng)的影響因素研究提供參考。