通过耦合、氧化和溴化等基本有机化学反应,合成并纯化了几种典型羟基多溴联苯醚和多溴联苯.通过C18半制备高效液相色谱柱对反应粗成品进行分离与纯化,以气相色谱-质谱和氢谱核磁共振对产物进行结构鉴定与表征.结果表明,合成制备的产物与目标物一致,纯度达99%以上.国家自然科学基金(21277124;21477115)资

丁佳锋

林坤德

苏勉

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第 34 卷 第 7 期2015 年 7 月环 境 化 学ENVIＲONMENTAL CHEMISTＲYVol． 34，No． 7July 20152015 年 1 月 27 日收稿．* 国家自然科学基金( 21277124，21477115) 资助．＊＊通讯联系人，Tel: 0592-2184860; E-mail: link@ xmu．edu．cnDOI: 10．7524 / j．issn．0254-6108．2015．07．2015012701丁佳锋，苏勉，林坤德．几种典型羟基化多溴联苯醚和多溴联苯的合成、纯化及鉴定［J］．环境化学，2015，34( 7) : 1377-1379几种典型羟基化多溴联苯醚和多溴联苯的合成、纯化及鉴定*丁佳锋1 苏 勉1 林坤德1，2＊＊( 1． 浙江工业大学生物与环境工程学院，杭州，310032; 2． 厦门大学环境与生态学院，厦门，361102)摘 要 通过耦合、氧化和溴化等基本有机化学反应，合成并纯化了几种典型羟基多溴联苯醚和多溴联苯．通过 C18 半制备高效液相色谱柱对反应粗成品进行分离与纯化，以气相色谱-质谱和氢谱核磁共振对产物进行结构鉴定与表征．结果表明，合成制备的产物与目标物一致，纯度达 99%以上．关键词 羟基多溴联苯醚，羟基多溴联苯，合成，提纯．多溴联苯醚( PBDEs) 和多溴联苯( PBBs) 是一类广泛使用的溴代阻燃剂，主要用作塑料、电子以及涂料的添加剂．羟基多溴联苯醚( OH-PBDEs) 和羟基多溴联苯( OH-PBBs) 分别是 PBDEs 和 PBBs 的羟基化衍生物．传统认为，OH-PBDEs 和OH-PBBs 分别是 PBDEs 和 PBBs 在生物体内的代谢产物．OH-PBDEs 和 OH-PBBs 已在鱼类、鸟类、哺乳动物体内、海洋及地表水中频繁检出．作为一类新型的环境有机污染物，OH-PBDEs 和 OH-PBBs 的环境化学行为已备受关注［1-2］．迄今为止，获取足够量的 OH-PBDEs 和 OH-PBBs 标准品仍然是对其进行生物地球化学过程研究的一个瓶颈．虽然目前市场上有2'-OH-BDE-68标样，但都以一定浓度标准溶液( 如 50 mg·L－1，0．1 mL) 出售，不仅量少且价格昂贵．更为遗憾的是，其他大多数 OH-PBDEs 和 OH-PBBs 标准品在市场上尚无法获取．关于 OH-PBDEs 和 OH-PBBs 的合成前人有过研究［3-5］，但他们采用硅胶柱层析分离与纯化粗成品，样品的纯度及产率比较有限．本研究主要以海洋环境中广泛存在的 2'-OH-BDE-68 和 2，2'-diOH-BB-80 两种化合物为例，通过耦合、氧化和溴化等基本有机反应合成了几种典型 OH-PBDEs 和 OH-PBB，采用半制备高效液相色谱( HPLC) 对反应粗成品进行分离与纯化，最后以气相色谱-质谱( GC-MS) 和氢谱核磁共振( 1H-NMＲ) 对产物进行结构鉴定与表征．1 实验部分1．1 仪器与试剂1．1．1 实验材料2，4-二溴苯酚( 2，4-DBP，纯度＞98%) 、2，2'-联苯酚( 2，2'-diphonel，纯度＞99%) 、氟苯甲醛，4-溴-2-氟苯甲醛和 6-溴-2-氟苯甲醛均购于美国 Sigma Aldrich 公司．三氟乙酸酐、苄基三甲基氯化铵，氢溴酸( 47%) 、二氯甲烷等购于阿拉丁( 上海) ，甲醇、丙酮等有机溶剂购于美国 Tedia 公司，其他无机盐( 分析纯) 购于中国国药集团试剂公司( 上海) ，实验用试剂水为超纯水( 电阻率 18．2 MΩ·cm) ．1．1．2 HPLC 及其操作参数样品分离采用 C18 半制备柱( 250 mm× 10 mm，5 μm) ，柱温 25 ℃．纯化 OH-PBDEs 和 2，2'-diOH-BB-80 流动相组成分别为甲醇 /水( 90/10，V /V) 和甲醇 /水( 85/15，V /V) ，流速均为 3．0 mL·min－1 ．UV 检测器检测波长为 224 nm，进样体积 20 μL．1．1．3 GC-MS 及其操作参数GC-MS 仪器( 美国 Agilent 公司) ，气相色谱柱为 HP-5 毛细管柱( 30 m × 0．25 mm × 0．25 μm，Agilent 公司) ，进样口温度 250 ℃，载气为高纯氦气( 流速 1．0 mL·min－1 ) ，柱温从 80 ℃以 10 ℃·min－1升至 300 ℃，保持 20 min，进样体积 2．0 μL，电子轰击源离子化能量 70 eV，传输线温度、离子源温度和检测器温度分别是 280 ℃、230 ℃和 150 ℃，MS 检测器质量扫描范围 50 —700 amu．1．1．4 氢谱核磁共振及其操作参数1H-NMＲ 的质子共振频率为 500 MHz，样品溶于 CDCl3( 测试溶剂) ，以四甲基硅烷( TMS，δH = 0．00 ppm) 为内标．1．2 合成方法1．2．1 OH-PBDEs 的合成过程目前环境中经常检测到的 OH-PBDEs 大多含有 2，4-二溴苯氧基结构，本研究以 2，4-DBP 为底物，参考文献［3-4］进1378 环 境 化 学 34 卷行合成，具体反应过程示如下帨師師:BrBrOH 帨師師+ Ｒ 1FCHOＲNa2CO3→ 帨師師DMAC BrBr 帨師師OＲ1CHOＲ CF3CO3H，CH2Cl2·KH2PO4MeOH，→帨師師HClBrBr 帨師師OＲ1OHＲ反应物苯甲醛类化合物的制备: 将 2，4-二溴苯酚( 5．0 mmol) 和氟苯甲醛( 1∶ 1) 溶于 N，N-二甲基乙酰胺( DMAC)( 10 mL) ，加入碳酸钠( 5．0 mmol) ，在 150 ℃下搅拌并回流反应 1．5 —2 h．待反应结束后，冷却至室温，加入 30 mL 二氯甲烷和 50 mL 水萃取，分离并收集有机相．有机相依次用氢氧化钠溶液( 1 mol·L－1，30 mL) 和纯水( 30 mL) 分别洗涤 3 次．洗涤后有机相经无水硫酸钠干燥后，除去溶剂，再经分离得到醛类化合物纯样品．反应物三氟过氧乙酸( TFPA) 的制备: 过氧化氢( 30%，7．5 mmol) 溶于 2 mL 的二氯甲烷并置于反应瓶中，在 0 ℃下慢慢滴加三氟乙酸酐( 37．5 mmol) 并持续搅拌反应 1 h．OH-PBDEs 的合成: 将苯甲醛类化合物( 5．0 mmol) 溶于 20—30 mL 的二氯甲烷中，加入磷酸二氢钾( 0．1 mol) ，混合物用冰水浴控制在 0 ℃左右，慢慢滴加 TFPA，滴完再持续反应 1 h．在 0 ℃下加入 15—25 mL 饱和氯化钠溶液和硫酸氢钠溶液( 20%，5—15 mL) 稀释，分离有机相，水相用等体积的二氯甲烷再萃取 1 次，合并有机相．有机相依次用饱和碳酸氢钠溶液和纯水各洗涤 1 次，除去溶剂得粗成品．将粗成品溶于甲醇( 20—30 mL) ，加入 2—3 滴浓盐酸，在室温下搅拌反应15 h，除去溶剂，再经 HPLC 分离纯化得纯样品．甲基化反应: 将 OH-PBDEs( 2 mmol) ，氢氧化钠( 6 mmol) 和四丁基溴化铵( 4 mmol) 加入到等体积的二氯甲烷( 5—30 mL) 和水( 5—30 mL) 中，加入碘甲烷( 20 mmol) ，在 40 ℃ 水浴中反应 1．5 h．分离有机相，水相用等体积二氯甲烷萃取1 次，合并有机相，干燥并除去溶剂得甲基化样品．1．2．2 OH-PBBs 的合成过程多溴化联苯的合成以 2，2'-联苯酚为原料，根据文献［5］进行合成，具体反应步骤示如下師師帩: 師師帩OHOHBTMA-Br3CaCO→ 師師帩3Br OH師師帩BrBrBrHOMel，( BU) 4NOH→ 師師帩NaOHBr OCH3師師帩BrBrBrOH3C苄基三甲基三溴化铵( BTMA-Br3 ) 的制备: 将溴酸钠( 4．5 g，30 mmol) 和苄基三甲基氯化铵( 11．1 g，60 mmol) 溶于100 mL水中，在室温搅拌下逐滴加入 47%氢溴酸( 180 mmol) ，可观察到有黄色的固体析出．用 50 mL 二氯甲烷萃取反应液 4 次，有机相用无水硫酸钠干燥，除去溶剂得粗成品．粗成品用二氯甲烷 /乙醚( 10∶1，V /V) 进行重结晶，得到黄色晶体．溴化反应和 2，2'-diOH-BB-80 的合成: 室温下，将 2，2'-联苯酚( 2 mmol) 和碳酸钙( 6 mmol) 置于二氯甲烷 /甲醇( 5∶2，V /V) 的混合溶剂中，缓慢加入 BTMA-Br3( 4．4 mmol) ．加完后，继续反应 l h．反应混合物过滤后，边搅拌边加入亚硫酸氢钠( 5%，40 mL) ．分离有机相，水相用二氯甲烷( 30 mL) 萃取 1 次，合并有机相，有机相用 50 mL 水洗涤 2 次，干燥并除去溶剂得粗产品，经 HPLC 分离纯化得到纯样品．2 结果与讨论本研究旨在合成含多溴的 OH-PBDEs 和 2，2'-diOH-BB-80 标样，特别关注的是产物纯度及产率．前人的研究［3-5］主要采用硅胶柱层析分离提纯粗成品．但是，本研究预实验表明，采用硅胶层析分离的样品纯度不够高，且操作中有一定的产物损失，操作比较复杂．特别是对于溴化反应粗成品的纯化，由于反应生成的杂质多，目标物分离困难．鉴于此，本实验采用 HPLC 半制备 C18 柱对目标产物进行分离纯化，操作相对简单，样品损失少．由于各类 OH-PBDEs 的合成路线和步骤不尽相同，合成的粗成品含有较多的杂质，无法直接作为标准品使用，但经 C18 柱纯化后，样品中的杂质基本被除去．为了验证合成化合物是所需的目标物，对纯化后的样品以 GC-MS 进行结构分析 ( 表 1) ．表 1 列 出 了 合 成 的OH-PBDEs和 OH-PBBs 标样的质谱数据、分子结构及产物的产率．由表 1 可见，OH-PBDEs 的主要碎片离子峰一般为［M］+或［M－2Br］+ ．含有同样数目溴取代的 OH-PBDEs 和 OH-PBBs( 如 2'-OH-BDE-68 和 2，2'-diOH-BB-80) 属同分异构体，GC-MS 分析所得的 MS 谱图相近，难以分辨．因此，对纯化产物进行甲基化处理后再以 GC-MS 分析加以辨认．经过甲基化后，2'-OH-BDE-68 分子中的—OH 被—OCH3 取代( 甲基化后分子量增加 14) ，而 2，2'-diOH-BB-80 分子中的两个—7 期 丁佳锋等: 几种典型羟基化多溴联苯醚和多溴联苯的合成、纯化及鉴定 1379OH 均被—OCH3取代( 甲基化后分子量增加 28) ．表 1 还列出了各目标物通过 C18 柱分离纯化的产率，2'-OH-BDE-68 和2，2'-diOH-BB-80 的产率分别为 80%和 90%，相比硅胶柱层析分离［4-5］，本研究的产率有所提高．表 1 OH-PBDEs 和 OH-PBBs 的 GC-MS 分析结果及合成产率化合物名称 质荷比 m/z( 相对丰度 /%) 结构式 产率 /%( 柱分离［4-5］)2，2'-OH-BB-80502［M+2］+( 58) ; 342［M－2Br］+( 100) ;261［M－C6H3Br2O］+( 18師師帩)Br師師帩OHBrHO BrBr90( -)6'-OH-BDE-25422［M+2］+( 94) ; 262［M－2Br］+( 100) ;236［M－C6H2Br2O2］+( 15 帨師師)BrBr帨師師OBrOH84( 80)2'-OH-BDE-68502［M+2］+( 54) ; 342［M－2Br］+( 100) ;236［M－C6H2Br2O2］+( 16 帨師師)BrBr帨師師OBrOHBr80( 59)2'-OH-BDE-25422［M+2］+( 75) ; 262［M－2Br］+( 100) ;236［M－C6H2Br2O2］+( 26 帨師師)BrBr帨師師O OHBr82( 76)1H-NMＲ 分析结果表明，羟基氢的化学位移在 5—6 ppm 左右，由于 OH-PBDEs 结构上的类同，苯环上的氢都有相类似的化学位移．以 2'-OH-BDE-68 为例，羟基氢的化学位移为 6．04 ppm，3-H( δ= 7．80 ppm) 和 4'-H( δ= 7．40 ppm) 均受到相邻两个 Br 的影响，其化学位移峰位于最左端; 由于 4'-H 受苯环上羟基推电子的影响，其化学位移要比 3-H 略小．6-H( δ=6．66 ppm) 位于苯氧基邻位且 5-H( δ = 6．83 ppm) 位上没有取代基团，所以化学位移值是苯环上所有氢中最小的( 最右端) ．2，2'-diOH-BB-80 作为以 C—C 键为中心的对称体，两个羟基氢的化学位移均为 5．0 ppm; 4-H 和 4'-H( δ = 7．42 ppm)均受到相邻两个 Br 的影响，化学位移峰位于最左边，6-H 和 6'-H( δ= 7．39 ppm) 的化学位移值最小．通过1H-NMＲ 谱图分析，证明所得的标样化合物与目标化合物结构完全一致．此外，利用1H-NMＲ 内标法可以测定化合物的绝对含量需要较高的纯度( ＞95%) 以避免杂质的干扰，清晰分辨出化合物的化学位移，并准确推测出物质的分子式．根据检测到的核磁共振谱图的化学位移，各种化合物的杂质峰积分面积的比值不足 1%，杂质峰基本可以忽略不计，结合 GC-MS 全扫描对杂质的分析，表明合成的标样化合物纯度均达到 99%以上．3 结论采用耦合、氧化和溴化等有机化学反应合成了几种 OH-PBDEs 和 2，2'-diOH-BB-80，粗成品经 C18 半制备高效液相色谱柱分离与纯化，纯度达到 99%以上，可作为其他研究的标准样品．参 考 文 献［1］ Lin K D，Yan C，Gan J． Production of hydroxylated polybrominated diphenyl ethers ( OH-PBDEs ) from bromophenols by manganesedioxide［J］． Environmental Science and Technology，2014，48( 1) : 263-271［2］ Lin K D，Gan J，Liu W P． Production of hydroxylated polybrominated diphenyl ethers ( HO-PBDEs ) from bromophenols bybromoperoxidase-catalyzed dimerization［J］． Environmental Science and Technology，2014，48( 20) : 11977-11983［3］ 余海雯，张彰，李云娴，等． 多溴联苯醚代谢产物的合成［J］． 环境化学，2008，27( 5) : 615-620［4］ Marsh G，Stenutz Ｒ，Bergman A． Synthesis of hydroxylated and methoxylated polybrominated diphenyl ethers natural products and potentialpolybrominated diphenyl ether metabolites［J］． European Journal of Organic Chemistry，2003: 2566-2576［5］ Marsh G，Athanasidou M，Athanassiadis I，et al． Identification，quantification，and synthesis of a novel dimethoxylated polybrominatedbiphenyl in marine mammals caught off the coast of Japan［J］． Environmental Science and Technology，2005，39( 22) : 8684-8690

几种典型羟基化多溴联苯醚和多溴联苯的合成、纯化及鉴定

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/108436/%e5%87%a0%e7%a7%8d%e5%85%b8%e5%9e%8b%e7%be%9f%e5%9f%ba%e5%8c%96%e5%a4%9a%e6%ba%b4%e8%81%94%e8%8b%af%e9%86%9a%e5%92%8c%e5%a4%9a%e6%ba%b4%e8%81%94%e8%8b%af%e7%9a%84%e5%90%88%e6%88%90%e3%80%81%e7%ba%af%e5%8c%96%e5%8f%8a%e9%89%b4%e5%ae%9a....pdf?sequence=1&isAllowed=y

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