ART-中紅外光譜在丁烯酸-β-環糊精酯合成中的應用

李詠富 田竹希 唐洪濤 羅其琪 何揚波 石彬

摘 要：目的：利用衰減全反射（ATR）中紅外光譜技術實現丁烯酸-β-環糊精酯制備條件的快速優化。方法：制備丁烯酸-β-環糊精酯以二甲基甲酰胺為溶劑、N，N-羰基二咪唑為羧酸活化劑、二甲氨基吡啶為催化劑;通過分析不同條件下制備的丁烯酸-β-環糊精酯紅外圖譜中不飽和酯羰基C=O的伸縮振動吸收峰（1 738 cm-1）評價β-環糊精的酯化率。結果：丁烯酸-β-環糊精酯的最佳合成條件為β-環糊精濃度50 mmol/L、二甲氨基吡啶的濃度12.5 mmol/L、丁烯酸濃度450 mmol/L、反應時間20 min、反應溫度25℃。結論：ATR紅外光譜技術的應用可極大地提升β-環糊精酯樣品的分析速度，減少樣品分析時間，適合用于丁烯酸-β-環糊精酯合成條件的快速優化。

關鍵詞：中紅外光譜;乙烯基β-環糊精衍生物;酯合成;衰減全反射（ATR）

含乙烯基β-環糊精衍生物是制備功能性β-環糊精高分子聚合物的前提[1]。含乙烯基β-環糊精衍生物制備工藝的優化和評價多采用紫外分光光度法、液相色譜法、液相色譜質譜聯用法等手段，但由于這些方法前處理復雜，特別是液相、液質方法，分析時間較長，不利于快速優化制備工藝。紅外光譜技術在食品安全領域有著廣泛的應用，特別是近紅外光譜分析技術，在產地溯源、農藥殘留、有毒有害物質監測等領域應用更為廣泛[2-3]。仇遜超[4]利用近紅外分析技術對紅松仁脂肪含量進行了定量分析，用偏最小二乘法構建去殼紅松仁脂肪定量分析模型，該模型可實現去殼紅松仁的快速、無損檢測。劉燕德等[5]利用中紅外光譜法，甲醇汽油中甲醇的含量決定了汽油的性能。通過中紅外光譜對采集的甲醇汽油原始中紅外光譜進行平滑處理、多元散射校正、基線校正、歸一化等預處理，建立PLS模型，并利用該模型對甲醇汽油中甲醇含量進行定量檢測和分析。于喆源等[6]利用中紅外光譜技術對小棗中多糖進行了定量分析，以偏最小二乘法進行多糖含量分析的模型構建。鄒勝瓊等[7]利用中紅外光譜技術建立了一種快速檢測白酒基礎酒總酯的檢測方法。在定量分析過程中，中紅外光譜的檢測限比其他光譜要高出1～3 個數量級，所以中紅外光譜技術在定性及快速定量分析過程中具有重要意義[8]。相較于紫外分光光度法、液相色譜法，在測定新化合物含量方面，中紅外光譜技術可以更快地得到分析結果。

中紅外技術在新化合物合成中常作為一種輔助手段用于鑒定化合物結構，在新化合物的合成條件篩選中應用較少。衰減全反射（ATR）技術的應用，更加簡化了樣品制備，中紅外檢測不再需要溴化鉀壓片，縮短了樣品制備時間[9]。當紅外光束與樣品接觸時，ATR技術通過完全內反射來測量其變化。ATR技術僅需要很少或者完全不需要樣品前處理步驟，即可進行定量或者定性的研究，極大地加快了樣品分析速度。本研究考察了丁烯酸濃度、二甲氨基吡啶濃度、反應溫度、反應時間對丁烯酸β-環糊精酯合成的影響，利用ART中紅外技術測定產物的紅外特征吸收光譜，并分析不同反應條件下產物的特征吸收光譜峰面積與各單因素水平之間的關系，以達到快速優化制備工藝的目的。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

β-環糊精、丁烯酸、N，N-羰基二咪唑、二甲氨基吡啶、N，N-二甲基甲酰胺、氫化鈣和無水乙醇，均為分析純試劑，上海阿拉丁生化科技股份有限公司;實驗用水為超純水;研磨儀（JS39-D 250型），浙江蘇泊爾股份有限公司;離心機（湘儀 CTK32），湘儀離心機儀器有限公司;恒溫水域磁力攪拌儀（J-HH-6A），冠森生物科技上海公司;ART-紅外光譜儀（Spectrum 400），Perkin Elmer Co.美國。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備 β-環糊精使用前在100℃烘箱脫水處理24 h;N，N-二甲基甲酰胺使用前加入氫化鈣脫水，以保證反應體系無水。樣品制備考察了催化劑濃度、丁烯酸濃度、反應時間、反應溫度等4個單因素，樣品制備中β-環糊精終濃度恒定在50 mmol/L。分別稱取環糊精（5 mmol），一定量的丁烯酸和二甲氨基吡啶于三角瓶內，加入50 mL N，N-二甲基甲酰胺溶解待用。稱取一定量的 N，N-羰基二咪唑，加入50 mL N，N-二甲基甲酰胺溶解。將N，N-羰基二咪唑溶液加入上述三角瓶內于一定反應溫度下磁力攪拌，反應一段時間。反應結束后加入30 mL 超純水停止反應。（1）催化劑濃度：二甲氨基吡啶終濃度選取0、0.25、1.25、2.5、7.5、12.5 mmol/L，丁烯酸終濃度為250 mmol/L、β-環糊精濃度50 mmol/L、N，N-羰基二咪唑終濃度為250 mmol/L，反應溫度25℃、反應時間15 min。（2）反應時間：丁烯酸終濃度為250 mmol/L、β-環糊精終濃度為 50 mmol/L、二甲氨基吡啶終濃度1.25 mmol/L、N，N-羰基二咪唑終濃度為250 mmol/L，反應溫度25℃，反應時間選取2、5、15、20、30、60 min。（3）反應溫度：丁烯酸終濃度為250 mmol/L、β-環糊精終濃度為 50 mmol/L、二甲氨基吡啶終濃度1.25 mmol/L、N，N-羰基二咪唑終濃度為250 mmol/L，反應時間15 min，反應溫度選取25、35、45、55、65℃。（4）丁烯酸濃度：丁烯酸終濃度選取50、150、250、350、450 mmol/L，β-環糊精終濃度為 50 mmol/L、二甲氨基吡啶用量1.25 mmol/L，N，N-羰基二咪唑終濃度分別為50、150、250、350 、450 mmol/L，反應溫度25℃、反應時間20 min。

1.2.2 樣品純化處理 反應結束后，混合溶液在負壓條件下（1 mbar）于55℃減壓濃縮，除去溶劑N，N-二甲基甲酰胺;旋轉蒸發結束后，在旋蒸瓶內加入50 mL無水乙醇沉淀出粗產物。粗產物和乙醇（50 mL）加入研磨儀粉碎，于轉速6 000 r/min條件下離心處理，沉淀重復上述處理2次。離心后的沉淀轉移至空SPE小柱（60 mL），加入30 mL乙醇洗滌3次。處理后的沉淀物于55 ℃ 烘干待測。

1.2.3 紅外光譜條件 ATR-FTIR譜圖采用紅外光譜儀Spectrum 400（Perkin Elmer Co.美國）進行檢測。ATR附件包含金剛石晶體內反射部件，紅外光束的入射角45°。光譜分辨率為4 cm-1，光譜在該分辨率上執行總共16次掃描背景和樣本[10-11]。每個樣品大約10 mg，加樣后立即進行掃描。確保樣品表面無空氣氣泡，在樣品上方放置一小塊鋁箔。采樣結束后，ATR附件晶體用75%（v/v）的酒精清洗，在收集下一個樣品圖譜前，重新進行背景掃描。每個樣品重復3次，取其均值使用Origin 2018數據處理軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 化合物紅外光譜結構表征

圖1A中，在3 310 cm-1下觀察到了環糊精中O-H的伸縮振動、在1 409 cm-1出現CH2的變角振動頻率、在1 333 cm-1出現了CH的變角振動頻率、在1 150～1 000 cm-1下出現了環糊精中C-OH和C-O-C的伸縮振動，在944 cm-1下出現了C-O-C的對稱伸縮振動。在丁烯酸-β-環糊精酯中同樣觀察到了上述特征吸收，說明在形成酯的過程中保留了β-環糊精完整的環狀結構。丁烯酸的紅外圖譜（圖1B）中，在1 683 cm-1出現了C=O的伸縮振動，在1 650 cm-1出現了C=C的伸縮振動、在1 421 cm-1出現了COH面內彎曲振動、在1 314 cm-1和1 223 cm-1出現了羧酸C-OH伸縮振動。丁烯酸-β-環糊精酯中，沒有出現丁烯酸中的特征頻率，在1 738 cm-1出現了不飽和酯羰基C=O伸縮振動[12-13]，這是由于當烯類雙鍵與酯羰基的C原子相連時，共軛效應使羰基振動頻率向低頻移動;同時丁烯酸-β-環糊精酯保留了不飽和雙鍵C=C的伸縮振動（1 650 cm-1），但該伸縮振動的吸收峰強度顯著降低。同時，在1 253 cm-1觀察到了酯鍵中C-O的伸縮振動頻率（1 240～1 150 cm-1）[14]，頻率升高的原因是由于不飽和雙鍵上的π電子與羰基相的C-O上氧原子的電子形成了大共軛體系，增強了酯鍵中C-O的鍵級[15]。對比β-環糊精、丁烯酸和丁烯酸-β-環糊精酯的紅外圖譜可以證明，丁烯酸-β-環糊精酯的合成。酯羰基伸縮振動吸收峰往往是光譜中最強的譜峰[16]，因此，不飽和酯鍵中酯羰基C=O的伸縮振動峰可以用來評估β-環糊精的酯化率。

2.2 催化劑濃度的影響

在以N，N-羰基二咪唑為羧酸活化劑的反應體系中，二甲氨基吡啶常作為?；D移試劑加速反應的發生，特別是有利于加速一些反應位阻較大的酯化反應[17]。添加催化劑后，不飽和酯鍵中C=O的伸縮振動吸收峰略高于未添加催化劑合成的樣品，說明二甲氨基吡啶可以促進酯化反應的發生。當二甲氨基吡啶的使用量在12.5 mmol/L時，C=O的伸縮振動吸收峰最大，因此催化劑用量選擇12.5 mmol/L。當催化劑濃度高于該濃度后，丁烯酸-β-環糊精酯的含量有所下降，說明過量的使用催化劑同樣會促進副反應的發生（圖2）。有學者在白藜蘆醇與不飽和脂肪酸的酯化反應中，使用N，N-二甲基甲酰胺做為催化劑，說明其也可作為?；D移試劑加速酯化反應發生[18]，這也說明了在未添加催化劑的情況下β-環糊精酯化率較高的原因。在N，N-二甲基甲酰胺作為溶劑的情況下，添加二甲氨基吡啶同樣有利于加速β-環糊精的酯化反應。

2.3 反應時間的影響

不飽和酯鍵中C=O的伸縮振動吸收峰的強度隨著反應時間增加，呈現出先增加后降低的趨勢（圖3），在反應時間為20 min時，C=O伸縮振動吸收峰強度最高。反應時間高于20min后，C=O伸縮振動吸收峰強度降低的原因可能與丁烯酸-β-環糊精酯中不飽和雙鍵的穩定性有關。

2.4 反應溫度的影響

如圖4所示，隨著反應溫度的升高，不飽和酯鍵中C=O伸縮振動的吸收峰的峰面積逐漸變小，特別是在高溫條件下（65℃），其峰面積降低了30%以上。提高反應溫度，一方面增加了副反應發生，另一方面在較高的反應溫度下合成的丁烯酸-β-環糊精酯中的不飽和雙鍵會發生自由基聚合反應，造成不飽和雙鍵含量的降低。因此，反應溫度選擇25℃為宜。

2.5 丁烯酸用量的影響

丁烯酸濃度對丁烯酸-β-環糊精酯合成的影響最大。隨著丁烯酸用量的增加，不飽和酯鍵中C=O的伸縮振動吸收峰逐漸增高，峰面積逐漸增大（圖5）。這是由于β-環糊精含有7個葡萄糖殘基，每個葡萄糖殘基均含有1個6位羥基（-CH2-OH），理論上每個6位羥基均有可能同丁烯酸形成酯。隨著丁烯酸用量增加，不飽和酯鍵在丁烯酸-β-環糊精酯中的含量也越高。因此，丁烯酸的用量選擇450 mmol/L為宜。

3 結論

ATR紅外光譜技術的應用，極大地提升了丁烯酸β-環糊精酯樣品的分析速度，減少了樣品分析時間，適合用于丁烯酸-β-環糊精酯合成條件的快速優化。丁烯酸-β-環糊精酯的最佳合成條件為β-環糊精濃度50 mmol/L、二甲氨基吡啶的濃度為12.5 mmol/L、丁烯酸濃度為450 mmol/L、反應時間為20 min、反應溫度為25℃。合成的丁烯酸-β-環糊精酯既保留了環糊精的環狀結構，同時也含有不飽和雙鍵，可以作為β-環糊精高分子聚合物的原料。

參考文獻

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Application of ART Mid-Infrared Spectroscopy in Synthesis of β-cyclodextrin Butenate

LI Yong-fu1，2，TIAN Zhu-xi1，2，TANG Hong-tao3，LUO Qi-qi1，2，HE Yang-bo1，2，SHI Bin1，2

（1Integrated Rural Development Center，Guizhou Academy of Agricultural Science，Guiyang 550006，China;2Irradiation preservation and processing engineering technology research center of Guizhou agricultural products，Guiyang 550006，China;3National Center for Child Nutriment Quality Supervision and Testing，Beijing 100035，China）

Abstract：Objective To use attenuated total reflection（ATR）mid-infrared spectroscopy to quickly optimize the preparation conditions of β-cyclodextrin butenate.Method β-cyclodextrin butenate was prepared by using dimethylformamide as solvent，N，N-carbonyl diimidazole as carboxylic acid activator and di-methyl-amino-pyridine as catalyst.The esterification rate of β-cyclodextrin was evaluated by analyzing the stretching vibration absorption peak（1 738 cm-1）of unsaturated ester carbonyl C=O in the infrared spectrum of β-cyclodextrin butenate prepared under different conditions.Result The optimum synthesis conditions of butenic acid -β-cyclodextrin were the concentration of β-cyclodextrin 50 mmol/L，the concentration of dimethyl-amino-pyridine 12.5 mmol/L，the concentration of butenic acid 450 mmol/L，the reaction time 20 min，and the reaction temperature 25℃.Conclusion The application of ATR infrared spectroscopy technology can improve the analysis speed of β-cyclodextrin butenate samples greatly and reduce the analysis time of sample，which is suitable for the rapid optimization of the synthesis conditions of β-cyclodextrin butenate.

Keywords：mid-infrared spectrum;Vinyl β-cyclodextrin derivatives;ester synthesis;attenuated total reflection（ATR）