六元瓜環(huán)對同分異構體-氨基苯酚的新型分離方法

六元瓜環(huán)對同分異構體—氨基苯酚的新型分離方法摘要：基于“厚基礎，寬專業(yè)，大綜合”的研究型實驗教學思想，本文在本科教學實驗中融入超分子化學及大環(huán)化學兩大學科理論知識，設計出以六元瓜環(huán)為主體，用超分子自組裝原理實現(xiàn)鄰、間、對氨基苯酚同分異構體選擇性梯度分離的新創(chuàng)綜合實驗，分離純度達91.46%、94.16%、96.70%。整個實驗中所有試劑均可回收再利用，充分體現(xiàn)綠色化學理念。同時，本實驗涉及多種化學實驗的基本操作，包含薄層色譜法、液相色譜法、紅外光譜法等重要分析手段對目標產(chǎn)物進行分離進程監(jiān)測、純度分析與結構表征，能夠使學生結合基礎理論知識解釋實驗原理、分析實驗現(xiàn)象，進一步提升學生的研究型素養(yǎng)和綜合運用知識的能力。關鍵詞：瓜環(huán)；氨基苯酚；同分異構體；選擇性梯度分離；綜合實驗ANewMethodforSeparationofAminophenolIsomersbyCucurbit[6]urilAbstract:Basedontheresearch-orientedexperimentalteachingconceptof"thickfoundation,wideprofessional,andcomprehensive",thispapercombinesthetheoreticalknowledgeofsupramolecularchemistryandmacrocyclicchemistrytodesignanewcomprehensiveexperimentofselectivegradientseparationofo-,m-,p-aminophenolisomersbyusingsupramolecularself-assemblyprinciplewithcucurbit[6]urilasthehost,andthepurityreached91.46%,94.16%and96.70%.Allreagentscanberecycledthroughouttheexperiment,fullyembodyingtheconceptofgreenchemistry.Atthesametime,thisexperimentinvolvesvariouschemicalexperiments,includingTLC,LC,IR,andotherimportantanalyticalmethodstomonitortheseparationprocess,purityanalysis,andstructuralcharacterizationofthetargetproduct,whichenablesstudentstofullymasterbasictheoreticalknowledge,experimentalprinciples,andlearntoanalyzeexperimentalphenomena,therebyimprovingstudents'research-orientedliteracyandabilitytocomprehensivelyapplyknowledge.KeyWords:Cucurbit[n]uril；Aminophenol；Isomeride；Separationmethod；Comprehensive

experiment1引言氨基苯酚同分異構體是一種重要的精細化工中間體，可用于醫(yī)藥工業(yè)，如制備撲熱息痛等藥物；在染料工業(yè)中是生產(chǎn)毛皮染料、偶氮染料和酸性染料的中間體；在農(nóng)藥上，可用于一些殺蟲劑的合成。但氨基苯酚同分異構體由于理化性質(zhì)十分相似，使得其分離困難。目前氨基苯酚同分異構體常見的分離方法有色譜法、水蒸氣蒸餾法、結晶法等，這些方法都是常規(guī)的分離方法，創(chuàng)新性差，不適用于當前高校創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，因此需要尋找一種新型材料或新方法，用于氨基苯酚異構體的分離。超分子化學是一門新型學科，主要研究兩個或兩個以上的分子通過分子間弱相互作用力聚集在一起形成復雜有序的超分子組裝體。自1987年PedersonC.J.等超分子化學家獲得諾貝爾化學獎以來，超分子化學進入了一個全新的發(fā)展領域。在分子識別與組裝、分子器件、材料、催化和藥物釋放等領域具有潛在的應用前景。例如Chen等研究者[1]使用杯芳烴為主體自組裝的膠束裝載姜黃素用于治療三陰性乳腺癌，通過體外和體內(nèi)實驗表明該膠束能抑制人乳腺癌細胞BT-549的增殖、擴散和腫瘤球體的形成，并可抑制荷瘤小鼠的腫瘤生長。Rahimi等團隊[2]設計合成兩親性杯芳烴修飾的Fe3O4磁性納米粒，通過一系列實驗表明該納米粒能負載甲氨蝶呤用于治療乳腺癌。因此，將超分子化學知識融于本科基礎實驗教學中，能夠激發(fā)學生對超分子化學知識的興趣，具有極其重要的意義。瓜環(huán)（Cucurbit[n]urils，簡稱Q[n]s或CB[n]s，n=5-8,10，圖1），作為超分子化學中重要的大環(huán)主體化合物之一，是由2n個亞甲基橋接n個甘脲單元形成的籠狀化合物，其具有疏水且剛性的特殊空腔，2n個羰基均勻分布在兩個開放的端口，苷脲單元的數(shù)量也決定了疏水空腔和端口開口的尺寸[3]。因其端口分布著高密度的羰基氧，同時具有疏水性剛性空腔，使得其能夠根據(jù)自身空腔大小有效識別包結和其尺寸、形狀相配的分子，通過分子間相互作用力形成超分子組裝體[4-19]。圖1n元瓜環(huán)的X-射線晶體結構圖（n為5,6,7,8,10）因此，本實驗融入超分子化學與大環(huán)化學學科知識，設計利用六元瓜環(huán)實現(xiàn)氨基苯酚同分異構體的選擇性梯度分離實驗。具有以下三個維度的教學意義：學科知識方面。本實驗運用了超分子自組裝原理，同時在分離產(chǎn)物的結構表征方面，還包含了紅外光譜法、液相色譜法、核磁共振等本科重要的基礎表征手段，讓學生能夠理解并掌握基礎的超分子化學知識與儀器分析手段。學科技能方面。實驗涉及兩大板塊：①目標產(chǎn)物的分離，包含多種基礎有機實驗操作（稱量、溶解、超聲震蕩、減壓抽濾、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、TLC等），實驗學時不超過四個小時。②分離產(chǎn)物的結構表征，利用常用分析儀器及手段（核磁共振氫譜法、紅外光譜法、液相色譜法、TLC法監(jiān)測等）進行結果分析，實驗學時可根據(jù)不同分析儀器要求在2~5學時進行調(diào)整。整個實驗通過靈活調(diào)整實驗教學板塊，培養(yǎng)不同層次學生獨立完成整個綜合性實驗的操作能力。學科素養(yǎng)方面，通過本實驗不僅能讓學生培養(yǎng)實驗規(guī)范意識和安全意識，了解化學學科前沿發(fā)展，還能進一步拓寬學科知識交叉運用能力。2實驗部分2.1實驗原理瓜環(huán)的剛性空腔與氨基苯酚同分異構體的位阻效應由于鄰、間、對氨基苯酚在尺寸、形狀上存在著差異，因此選擇空腔大小與其分子尺寸和形狀相匹配的Q[6]作為主體，使得鄰、間、對氨基苯酚在進入Q[6]空腔的過程中受到的位阻大小不同[20]。瓜環(huán)端口羰基氧與氨基苯酚同分異構體形成氫鍵的作用位點差異性官能團的位置不同，氨基苯酚上N、O原子與瓜環(huán)端口羰基氧形成氫鍵的作用位點也不同。對氨基苯酚進入Q[6]后，形成的氫鍵合力點位于空腔中心，利于其在空腔中的穩(wěn)定存在，間氨基苯酚次之，鄰氨基苯酚合力點偏向單一端口，穩(wěn)定性差不利于與Q[6]形成包結配合物。通過等溫滴定量熱法(ITC)實驗獲得了Q[6]與氨基酚異構體配合物的結合常數(shù)（Ka）。結果表明（表1），對氨基苯酚與Q[6]的結合常數(shù)最大，是間氨基苯酚與Q[6]結合常數(shù)的2.6倍，而鄰氨基苯酚與Q[6]的結合常數(shù)僅有1.168×104M-1,為對氨基苯酚與Q[6]的結合常數(shù)的五分之一。表1鄰、間、對氨基苯酚與Q[6]的等溫滴定量熱法數(shù)據(jù)Ka(M-1)ΔH(kJ/mol)ΔS(J/mol?K)ΔG(kJ/mol)TΔS(kJ/mol)PAP@Q[6]5.322×104-52.94-87.10-26.98-25.97MAP@Q[6]2.076×104-100-252.8-24.62-75.38OAP@Q[6]1.168×104-99.99-257.5-23.22-76.78在本次實驗中，通過改變組裝過程中的溫度，在室溫條件下對氨基苯酚能與六元瓜環(huán)形成包結物，而鄰、間氨基苯酚無法形成包結物；當溫度升高至60℃，間氨基苯酚與六元瓜環(huán)形成包結物，此時鄰氨基苯酚與六元瓜環(huán)無法形成包結物，處于瓜環(huán)端口，從而實現(xiàn)氨基苯酚同分異構體的選擇性分離。圖2鄰、間、對氨基苯酚與六元瓜環(huán)形成組裝的單晶結構圖OAP—鄰氨基苯酚；MAP—間氨基苯酚；PAP—對氨基苯酚；Q[6]—六元瓜環(huán)2.2實驗試劑本實驗中所使用到的主要試劑如表2所示：表2主要實驗試劑試劑名稱結構式CAS號純度品牌對氨基苯酚123-30-899%阿拉丁間氨基苯酚591-27-599%阿拉丁鄰氨基苯酚95-55-699%阿拉丁六元瓜環(huán)80262-44-898%納孚生物乙酸乙酯CH3COOCH2CH3141-78-6分析純羅恩無水乙醇CH3CH2OH64-17-5分析純(≥99.7%)川東化工2.3實驗儀器及表征方法本實驗中所使用到的主要儀器如表3所示：表3主要實驗儀器儀器名稱型號制造商液相色譜儀ShimadzuLC-20AT島津（上海）傅里葉變換紅外光譜儀VERTEX70vBruker電子天平BSM-120.4電子天平上海卓精超聲波清洗器KQ5200B昆山舒美旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器XD-52AA上海賢德循環(huán)水式真空泵SHZ-D（III）鞏義予華本實驗中所涉及到的表征方法如下：液相色譜儀型號：ShimadzuLC-20AT；色譜柱尺寸：UltimateXBC18(4.6×200mm,5μm)（4.6×200mm，5μm）；洗脫液：甲醇，水，甲醇/水=80+20（V/V）；流速：0.8ml/min；去除波長：390nm；保留時間：0-20min；柱溫度：40℃；注入體積：80μL傅里葉變換紅外光譜儀（Bruker），該儀為OPUS操作系統(tǒng)（7.0版Bruker光學）軟件，deuteratedtriglycinesulphate（DTGS）作為探測器，鍺作為分束器。每個樣品的少量粉末被放置在與衰減全反射率（ATR）板接觸。在4000-400cm-1的頻率區(qū)域，共加32次掃描，分辨率為4cm-1的FTIR光譜。所有的光譜都用空氣的背景光譜進行了減法。每次掃描后，都采集一個新的參考空氣背景光譜。這些光譜被記錄為吸光度值，并在每個數(shù)據(jù)點重復3次。2.4實驗步驟（1）鄰、間、對氨基苯酚混合溶液的制備稱取鄰間對氨基苯酚各0.2728g(2.50mmol)，向其中加入100ml蒸餾水，攪拌均勻使其充分溶解，制得氨基苯酚混合溶液（2）鄰、間、對氨基苯酚的分離向混合溶液中加入1.2460g(1.25mmol)的六元瓜環(huán)，超聲振蕩30min，觀察到溶液變渾濁。抽濾，往濾液中再加入1.2460g(1.25mmol)倍六元瓜環(huán)，重復以上操作，混合兩次濾餅。濾餅為對氨基苯酚@六元瓜環(huán)。向上述濾液中加入12.4603g(12.50mmol)的六元瓜環(huán)（過量），在60℃恒溫水浴下超聲振蕩30min，再次觀察到溶液變渾濁。將溶液抽濾，濾餅為間氨基苯酚@六元瓜環(huán)，濾液為鄰氨基苯酚水溶液。將上述鄰氨基苯酚水溶液濃縮后與對氨基苯酚@六元瓜環(huán)，對氨基苯酚@六元瓜環(huán)固體分別溶于乙酸乙酯中，充分攪拌10min，靜置萃取30min。抽濾，將濾液旋干后各得鄰、間、對氨基苯酚固體。干燥至恒重后稱重，計算產(chǎn)率。（3）六元瓜環(huán)的純化（實驗后處理）將三次萃取后的濾餅（六元瓜環(huán)粗品）置于乙醇中回流8h，除去六元瓜環(huán)粗品中的雜質(zhì)。烘干，得純凈六元瓜環(huán)固體。圖3氨基苯酚同分異構體混合物分離流程圖3結果與討論3.1分離產(chǎn)物的結構表征（1）薄層色譜法分離監(jiān)測取各階段少許產(chǎn)物，用甲醇溶解，點板，展開（展開劑：V乙酸乙酯∶V石油醚=1∶1），展開結束后放置碘缸中染色。比較各階段薄層色譜法結果，可以判斷鄰、間、對氨基苯酚分離情況。各階段薄層色譜法結果如圖4所示：圖4各階段TLC法及結果示意圖（2）液相色譜法純度分析應用液相色譜對各階段組成進行了成分分析，譜圖及分析數(shù)據(jù)如下所示：圖5首次分離后水相組分的液相色譜分析光譜表4首次分離后水相組分的液相色譜分析數(shù)據(jù)同分異構體保留時間(min)峰面積濃度(×10-4mol/L)分離效率(%)間氨基苯酚6.052133,38982.36794.68對氨基苯酚6.7505,29830.1325.28鄰氨基苯酚9.143100,26112.39595.80圖6首次分離后固相組分的液相色譜分析光譜表5首次分離后固相組分的液相色譜分析數(shù)據(jù)同分異構體保留時間(min)峰面積濃度(×10-4mol/L)分離效率(%)分離純度(%)間氨基苯酚6.0521,98800.0371.481.52對氨基苯酚6.75059,79362.34793.8796.70鄰氨基苯酚9.1431,24290.0431.721.77圖7二次分離后水相組分的液相色譜分析光譜表6二次分離后水相組分的液相色譜分析數(shù)據(jù)同分異構體保留時間(min)峰面積濃度(×10-4mol/L)分離效率(%)分離純度(%)間氨基苯酚6.0529,41360.1696.766.81對氨基苯酚6.7503,11420.0431.721.73鄰氨基苯酚9.14395,04172.27190.8591.46圖8二次分離后固相組分的液相色譜分析光譜表7二次分離后固相組分的液相色譜分析數(shù)據(jù)同分異構體保留時間(min)峰面積濃度(×10-4mol/L)分離效率(%)分離純度(%)間氨基苯酚6.052117,75252.09083.5994.16對氨基苯酚6.7503,47640.0582.312.60鄰氨基苯酚9.1432,45300.0722.873.23經(jīng)測定，分離后的OAP純度為94.16%，MAP純度為91.46%，PAP純度為96.70%，證實通過單次分離流程能夠有效實現(xiàn)氨基苯酚同分異構體的分離。（3）紅外光譜法結構表征將烘干后的三種分離產(chǎn)物進行紅外光譜分析，得譜圖如下：圖9首次分離產(chǎn)物的紅外光譜圖表8首次分離產(chǎn)物的紅外波段數(shù)據(jù)波數(shù)(cm-1)歸屬3355υ(NH2)3286υ(O-H)3013υ(CH2)2950υ(C-H)2808υ(C-H)2630δ(O-H)2340υ(C=C)1538δas(NH2)+υ(C-N)+υ(C-C)1475δas(C-N-H)1285υs(C-N)1233ρ(NH2)+β(C-H)966δas(C-N)749δ(C-H)?1,4520β(C-N-C)472δ(C-C-N)從波段數(shù)據(jù)表中可看出，首次分離產(chǎn)物中存在749cm-1處的譜線，為δ(C-H)?1,4，屬于對氨基苯酚特征譜線。圖10二次分離產(chǎn)物的紅外光譜圖表9二次分離產(chǎn)物的紅外波段數(shù)據(jù)波數(shù)(cm-1)歸屬3392υ(NH2)3332υ(O-H)3093υ(N-H)2938υ(C-H)2882υ(C-H)2820υ(C-H)2720υ(N-H)2625δ(O-H)2426υ(C=C)1626β(NH2)1565δas(NH2)+υ(C-N)+υ(C-C)1434δas(C-N-H)1256υs(C-N)1207ρ(NH2)+β(C-H)1145β(N-H)1072δ(C-H)942δ(C-H)?1,3807δ(C-H)?1,3735δ(C-H)?1,3從波段數(shù)據(jù)表中可看出，二次分離產(chǎn)物中在存在942cm-1、807cm-1、735cm-1，為δ(C-H)?1,3，屬于間氨基苯酚特征譜線。圖11最后剩余產(chǎn)物的紅外光譜圖表10最后剩余產(chǎn)物的紅外波段數(shù)據(jù)波數(shù)(cm-1)歸屬3375υ(NH2)3302υ(O-H)3057υ(N-H)2586δ(O-H)2426υ(C=C)1626β(NH2)1600δas(NH2)+υ(C-N)+υ(C-C)1512δas(C-N-H)1269υs(C-N)1218ρ(NH2)+β(C-H)1145β(N-H)1076δ(C-H)942δ(C-H)742δ(C-H)?1,2從波段數(shù)據(jù)表中可看出，最后剩余產(chǎn)物中存在742cm-1處的譜線，為δ(C-H)?1,2，屬與鄰氨基苯酚特征譜線。4結語作為前沿發(fā)展學科，超分子化學及大環(huán)化學在本科階段涉及的教學實驗極少。本次新創(chuàng)綜合實驗，融入這兩大新型學科體系，以分子間弱相互作用力為動力，六元瓜環(huán)為主體，通過基礎且綜合的有機實驗操作來進行氨基苯酚同分異構體的分離，實現(xiàn)了超分子化學在本科教學實驗中的應用。還加入多種分析表征手段，使得學生有更多的操作空間去獨立完成綜合性實驗，在動手與思考之間，學生逐漸理解與掌握不同學科知識的交叉運用，從而從三個維度來提升自身能力。5創(chuàng)新點主要原料可回收利用，將綠色化學理念體現(xiàn)在實踐教學中。從基礎實驗操作到分析儀器使用，為不同基礎的學生進行分塊教學。超分子化學與大環(huán)化學在本科教學實驗中的應用。參考文獻CHENW,LIL,ZHANGXF,etal.Curcumin:acalixarenederivativemicellepotentiatesanti-breastcancerstemcellseffectsinxenografted,triple-negativebreastcancermousemodel.DrugDeliv,2017,24:1470-1481.RAHIMIM,KARIMIANR,NORUZIEB,etal.Needle-shapedamphotericcalix[4]areneasamagneticnanocarrierforsimultaneousdeliveryofanticancerdrugstothebreastcancercells[J].IntJNanomedicine,2019(14):2619-2636.]陶朱，薛賽鳳，祝黔江，叢航，肖昕，黃英，倪新龍.北京市西城區(qū)北三環(huán)中路，科學出版社，1999，01.YingHuang,RuihanGao,MingLiu,LixiaChen,XinlongNi,XinXiao,HangCong,QianjiangZhu,KaiChen,ZhuTao.Angew.Chem.Int.Ed.,2021,133,15294-15319.DanYang,MingLiu,XinXiao,ZhuTao,CarlRedshaw.Polymericself-assembledcucurbit[n]urils:Synthesis,structuresandapplications.Coordin.Chem.Rev.,2021,434,213733.RuihanGao,YingHuang,KaiChen,ZhuTao.Cucurbit[n]uril/metalioncomplex-basedframeworksandtheirpotentialapplications.Coordin.Chem.Rev.,2021,437,213741.MingLiu,LixiaChen,PeihuiShan,ChengjieLian,ZenghuiZhang,YunqianZhang,ZhuTao,XinXiao.Pyridinedetectionusingsupramolecularorganicframeworksincorporatingcucurbit[10]uril.ACSAppl.Mater.Interfaces.,2021,13,7434-7442.LixiaChen,MingLiu,YunqianZhang,QianjiangZhu,JingxinLiu,BixueZhu,ZhuTao.Outersurfaceinteractionstodrivecucurbit[8]uril-basedsupramolecularframeworks:possibleapplicationingoldrecovery.Chem.Commun.,2019,55,14271-14274.LongCao,YunqianZhang,RuilianLin,JingxinLiu,ZhuTao.Controllablesynthesisofdodecamethylcucurbit[6]urilanditsapplicationinseparatingphenylenediamineisomers.Cryst.GrowthDes.,2021,21,2993-2999.HuangWu,YuWang,LeightonO.Jones,WenqiLiu,LongZhang,BoSong,Xiao-YangChen,CharlotteL.Stern,GeorgeC.Schatz,J.FraserStoddart.SelectiveSeparationofHexachloroplatinate(IV)DianionsBasedonExo-BindingwithCucurbit[6]uril.Angew.Chem.Int.Ed.,2021,60,17587-17594.HongqunShen,ChunLiu,JunZheng,ZhuTao,HaigenNie,XinlongNi.Cucurbit[8]uril-AssistedNucleophilicReaction:AUniqueSupramolecularApproachforCyanideDetectionandRemovalfromAqueousSolution.ACSAppl.Mater.Interfaces.,2021,13,55463-55469.HuaWang,YuchongYang,BinYuan,XinlongNi,JiangfeiXu,XiZhang.Cucurbit[10]uril-EncapsulatedCationicPorphyrinswithEnhancedFluorescenceEmissionandPhotostabilityforCellImaging.ACSAppl.Mater.Interfaces.,2021,13,2269-2276.GuilinZhou,XiaodongZhang,XinlongNi.Tuningtheamphiphilicityofterpyridine-basedfluorescentprobeinwater:Assemblyanddisassembly-controlledHg2+sensing,removal,andadsorptionofH2S.J.Hazard.Mater.,2020,384,121474.TinaSkorjanc,DineshShetty,AliTrabolsi.Pollutantremovalwithorganicmacrocycle-basedcovalentorganicpolymersandframeworks.Chem.,2021,7,882-918.EkaterinaY.Chernikova,