4-甲基乙酮具有类似山查子花、紫苜蓿、草莓的香味, 可用于配制紫丁香型香精和果实食品香精等, 是重要的化学中间体。“4-甲基乙酮合成”实验是目前被广泛采用的经典有机化学教学实验之一。
一、实验步骤
(1) 配制4-甲基乙酮的合成产物和标准样品 (购自Aldrich, 纯度95%) 的甲醇溶液:用10μL注射器移取5.0μL4-甲基乙酮合成产物, 加入到盛有1.00 m L的HPLC级甲醇的10 m L锥形瓶中, 混合均匀备用。
(2) 待GC-MS联用仪稳定后, 用5.0μL进样器分别取1.0μL 4-甲基乙酮的合成产物和标准样品的甲醇溶液进样分析, GC程序升温法优化后分析条件:70℃为初始温度, 以25℃/min升温到170℃, 并保温1min。
为了便于比较, 采用原始色谱和质谱丰度信号除以强峰丰度信号方法对色谱图和质谱图进行归一化。
二、结果与讨论
2.1 快速高效色谱分析条件的建立
首先根据色谱理论和待分析样品的特点确立色谱分析条件, 我们尝试了设置初始温度为70、80、90、100℃, 以10、15、20、25℃/min为升温速率升温到170℃并保温1min等各种程序升温色谱条件, 优化出了适宜的色谱条件, 即以25℃/min升温速率从70℃程序升温到170℃并保温1min等各种程序升温色谱条件, 优化出了适宜的色谱条件, 即以25℃/min升温速率从70℃程序升温到170℃并保温1 min, 所得4-甲基乙酮合成产物的色谱图如图1a所示, 可以清楚地看到, 其分析时间仅约4.5min, 这符合我们快速高效分离和分析的要求, 可以有效解决在实验教学实践中学生人数众多与仪器数量偏少的矛盾。
2.2 色谱图和质谱图解析
图1是4-甲基乙酮合成产物和标准样品的色谱图和与各色谱峰对应的质谱图。从图1a可以清楚的看到, 4-甲基乙酮合成产物中的各组分实现了完全分离, 以峰面积归一化法求得各组分的含量依次为4.94%、7.42%、87.03%、0.61%。首先利用质谱对这些色谱峰进行定性归属, 前三个峰来自于3个甲基乙酮 (2-、3-和4-甲基乙酮) , 保留时间为4.391min的色谱峰归属给2, 4-二甲基乙酮。值得注意的是, 因为前三个色谱峰的质谱图高度相似 (见图1c~1e) , 故不能确切对其进行归属, 显然, 四极杆质谱仪在此遇到了困难。据此, 引导学生根据以上实验结果并结合已学过的理论知识探讨以下问题。
根据色谱原理, 标样法是很好的定性方法, 可以实现色谱峰的指认和归属, 缺点是需要有相应的标准样品, 然而不是每个化合物的标准样品都能获得。就“4-甲基乙酮的合成”实验而言, 我们实验室只有购自Aldrich的4-甲基乙酮标样, 其色谱图如图1b所示, 有两个分别位于3.929和4.015min的色谱峰, 其中4.015min色谱峰的面积百分数为97.5%, 由此可以指认4.015min附近的色谱峰来自于4-甲基乙酮。在完成标准样品分析的基础上, 仍需借助各物质的物理性质参数的差异推测在特定色谱柱上的色谱出峰顺序。一般而言, 各物质出峰顺序由物质的沸点和极性、色谱柱的极性等共同决定, 在弱极性的HP-5MS色谱柱上, 沸点高和极性强的物质后流出色谱柱。我们注意到2-、3-和4-甲基乙酮的沸点分别为214、218~220、226℃[13,14,15], 其分子极性也依次增加。因此, 可以将图1a的前3个色谱峰依次指认为2-、3-和4-甲基乙酮。
三、结束语
结合GC-MS技术, 我们建立了行之有效的快速分析和鉴定4-甲基乙酮合成产物的实验方法, 探索出了提升学生综合能力的研究型教学新方法。从教学实践的情况来看, 达成了良好的教学效果, 提高了学生的学识水平和提出问题与解决问题的能力。
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