⑥ 打開滴液管的活塞，使溶液流下。當滴液管中的溶液流完時，立即開動秒表，並測定泡沫高度，然後經過5分鍾，10分鍾，15分鍾再記錄高度，泡沫數值以泡沫高度表示；
⑦ 重複以上試驗2~3次，每次試驗之前必須將器壁洗淨以免影響數據。
圖23最大氣泡法測定表麵張力的裝置
圖24羅式泡沫儀測定
香波的起泡性能
第二節有機化合物的測定方法
一、核磁共振波譜法
由於自旋運動而具有磁矩μ的原子核，將其置於外界磁場H0中，當此原子核受到一個與H0相垂直的振蕩磁場H1時，如果H1的振蕩頻率ν能滿足公式：ν=γH0\/2π，就發生原子核的自旋躍遷，並引起交變磁場電磁能的吸收。這種現象稱為核磁共振（nuclear magnetic resonance，簡稱NMR）。公式中的γ稱為磁旋比(magnetogyric ratio)，它是一個常數。除了偶數質子和偶數中子組成的原子核以外，其他原子核的自旋量子數I和磁矩μ都不是零值。當將原子核置於均勻的外界磁場H0中，它們應當占有(2I+1)取向中的任一取向，這些取向所對應的能量是由核磁矩μ和外界磁場H0的大小決定的。例如：對於質子(1H)，其自旋量子數I=1\/2，在外界磁場作用下隻能有兩種取向。由於這兩種取向對應著兩種能態（-μH0和+μH0），在兩種能態之間有可能發生躍遷，即由於公式hν=2μH0=γH0\/2π中hν能量子的吸收或放出，原子核便從一種取向改變為另一種取向，原子核從低能態向高能態躍遷則引起核磁共振。
由於質子周圍存在旋轉電子，對核形成了磁屏蔽，而所處環境的不同，質子的共振頻率也會有極微小的差別。也就是說，有機化合物受到磁場影響時，由於核外電子的旋轉運動產生了一個與外界磁場方向相反的電子自身的磁場，故呈現出逆磁效應。這種屏蔽效應與外界磁場相比，雖然十分微小，卻表示了與核外電子密度等因素有關的某種特征分布，因此，研究核磁共振NMR將能得到有關分子結構的信息。
1. 核磁共振波譜測試方法
目前，傳統的連續波譜圖隻能用於50毫克以上樣品的1H核磁共振譜，但當樣品量比較小，或需要精確和分辨率較好的譜圖，以及需要所有13C譜，則要測它的傅立葉變換譜圖。對於常規的13C譜所需要的樣品量為50~100毫克，而對於FT 1H譜隻需要1~10毫克，然而如果用大的脈衝，隻用1毫克的樣品就可以得到高質量13C譜，用0.1毫克以下的樣品就可以得到1H譜。假如分子量隻有幾百的話，樣品溶解在一個溶劑中，這個溶劑最好沒有核磁共振信號，常用的溶劑有四氯化碳（CCl4）、氘代氯仿（DCCl3）、氘代苯C6D6）、氘代二甲亞碸（d6DMSO）和重水（D2O）等氘代溶劑。氘代溶劑的選擇是由化合物的溶解度決定的，也可以使用混合氘代溶劑。樣品的氘代溶液被裝在一個精密模式的玻璃管內（大多數核磁管的內徑為5mm），裝料的高度是2~3cm，待測的溶液必須沒有順磁和不溶性的雜質，而且黏度要小，否則分辨率會受影響。
2. 核磁共振波譜化學位移
NMR圖譜中兩個窄的共振譜峰位置之差稱為化學位移之差，由於所有的共振位置都是相對的，因此，所謂化學位移隻是測定它們與標準物質相距的共振位置。化學位移和外界磁場H0成正比。如將共振譜峰的吸收強度用積分強度表示，因為積分強度與質子數成正比，因此，除了能給出化學位移值外，還能確定含有的質子數。質子的化學位移值在各原子核中是最小的，由於12C和16O沒有磁矩，故核磁共振波譜法在有機化學中的應用首先是利用容易測定的質子（1H）化學位移。但是，隨著最近核磁共振儀器的發展，使13C核的NMR測定大為簡便，如圖25。因此，正在同時使用13CNMR法和1HNMR法。這種能以很好的分辨率測定出極微小差別的化學位移並能得到有機化合物分子結構知識的方法就稱為高分辨核磁共振波譜法。
圖25大環希夫堿的13C NMR圖
一些常見基團H的化學位移值如表23所示，C的化學位移值如表 24 所示。
表23一些常見基團H譜的化學位移
質子類型δ(ppm)質子類型δ(ppm)
TMS[(CH3)3Si]0苄基Ar—C—H2.2~3
環烷烴0~1F—C—H4.4~4.45
RCH30.9Cl—C—H3.1~4
R2CH21.3(Cl)2—C—H5.8
R3CH1.5Br—C—H2.7~4
CC—H4.5~6I—C—H2.4
烯丙型—CC—CH31.7醇HO—C—H3.4~4
—C≡CH2~3醚R—O—C—H3.3~4
—C≡C—CH31.8過氧鍵—O—O—C—H5.3
Ar—H6~8.5羧酸酯R—COO—C—H3.7~4.1
甲酸酯R—O—CO—C—H2~2.6
甲酸HO—CO—C—H2~2.6
羧酸R—COO—H10.5~12
酮R—CO—C—H2~2.5
醛R—CO—H9~10
酰胺R—CO—NH5~8
醇R—O—H4.5~9
酚Ar—O—H4~8
胺R—N—H21~5
O2N—C—H4.2~4.6
表24一些常見基團C譜的化學位移（ppm）
質子類型δ(ppm)質子類型δ(ppm)
烷烴鹵代物
甲基（RCH3）0~10C—F
亞甲基（RCH2R′）15~55C—Cl
次甲基（RCH(R′)(R″)）25~55C—Br
季甲基（RC(R′)(R″)(R)）30~40C—I70~80
脂肪烯烴100~150酮、醛
芳香族120~160羧酸衍生物185~220
炔70~90羧酸150~185
腈110~125酯155~180
醇、醚50~90氨基化合物150~180
胺40~60氨基甲酸鹽150~160
3. 核磁共振波譜解析要點
對於13CNMR
（1） 根據峰的個數確定碳原子數,環境相同的碳原子隻有一個峰。
（2） 從偏共振去偶圖譜中確定與碳原子相連的氫原子數。
13C1H自旋耦合對圖譜解析是有用的。從偏共振去偶法測得的13CNMR圖譜中的分裂峰數與碳原子直接相連的氫原子數有關。飽和碳原子將有下列分裂峰數：
—CH3四重峰CH2三重峰
CH二重峰C單重峰
（3） 根據化學位移歸屬飽和碳原子、不飽和碳原子以及羰基化合物（CN、CO）。
（4） 確定甲基類型、確定芳香烴或烯烴取代基個數與類型。
對於1HNMR
（1） 從積分曲線計算並分配全部質子數。
（2） 由化學位移識別羧酸、醛、芳香族、烯烴、烷烴的質子，判斷與雜原子、不飽和鍵相連的甲基、亞甲基和次甲基。
（3） 從自旋耦合常數推斷與其相鄰的取代基。
二、紅外光譜法
紅外光譜被普遍認為是化合物較為特征的性質之一，波長範圍從0.75μm~200μm稱紅外區，在此波長以下者稱可見區，以上者稱微波區。通常所說紅外區主要指2.5μm和40~50μm之間的範圍；紅外線的波長多以波數表示，波數是波長(cm為單位)的倒數，單位是cm-1。例如2.5~25μm範圍即相當於4000~400cm-1。當某一樣品受到一束頻率連續變化的紅外線輻射時，分子將吸收某些頻率作為能量消耗於各種化學鍵的伸縮振動或彎曲振動。此時透射的光線在吸收區自然將有所減弱，如果以透射的紅外線強度對波數(或波長)作圖，那麼將記錄一條表示各個吸收帶位置的吸收曲線，即為紅外光譜，如圖26。
圖26典型的有機化合物紅外光譜圖
1. 紅外光譜的測定方法
一般來說，待測試的樣品要相當純，否則，紅外光譜圖非常複雜，無法識別。測試的樣品可以是氣體、純液體、溶液和固體。
在氣相中：蒸氣被引入一個特殊的樣品池，樣品池通常大約有10cm長，可以直接放置在兩束紅外光之一的光程中，樣品池的端壁通常由氯化鈉組成，因為它對於紅外是透明的，大多數有機化合物的蒸氣壓非常低，因此氣相的紅外光譜用途並不大。
液體的形式：一滴液體夾在氯化鈉平板之間（氯化鈉在4000到625cm-1之間是透明的），這是所有方法中最簡單的。
在溶液中：化合物通常被溶解在四氯化碳或者不含醇的氯仿中，後者具有更好的溶解性，形成1%~5%的溶液，將該溶液引入一個由氯化鈉製成的 0.1~1mm厚的特殊樣品池中另外一個相同的樣品池中加入參比溶劑，放在光譜儀的另一束光程中，這樣溶劑的吸收峰被抵消。如果要用水作為溶劑，那麼需要用特殊的氟化鈣樣品池。
在固相中：固體與10~100倍純的溴化鉀混合在瑪瑙研缽中磨成超細混合物，然後用一個特殊的壓片機，根據壓片的操作步驟壓成透明的薄片，小心取下薄片直接裝到樣品支撐架中。測試所用的溴化鉀應預先幹燥，微量的水會幹擾化合物的正常紅外吸收光譜。
2. 紅外光譜的官能團的特征吸收峰
分子通常有大量的鍵，每個鍵都可能有幾種紅外振動模式，如伸縮振動、彎曲振動，因此產生許多相互重疊交蓋的吸收帶，導致紅外光譜非常複雜，但每一種化合物的光譜都是獨一無二的，這使得紅外光譜對鑒別非常有用，通常與真實樣品的光譜圖直接對比化合物特征吸收峰（指紋區域）。很少有物質在紅外波段是透明的。一些原子團（紅外發色基團）很容易從紅外光譜中識別出來。表25為一些常見基團的特征波數。
表25一些常見基團的特征波數
基團波數\/cm-1強度基團波數\/cm-1強度
Ａ. 烷基
C—H（伸縮）2853~2962（m-s）
—CH(CH3)21380~1385
及1365~1370（s）
（s）
—C(CH3)31385~1395
及~1365（m）
（s）
B. 烯烴基
C—H（伸縮）3010~3095（m）
CC（伸縮）1620~1680（v）
R—CHCH2985~1000
及905~920（s）
R2CCH2880~900（s）
RCHCHR′（Z型）675~730（s）
RCHCHR′（E型）960~975（s）
C. 炔烴基
≡C—H（伸縮）~3300(s)
C≡C（伸縮）2100~2260(v)
D. 芳烴基
Ar—H（伸縮）
芳環取代類型
（C—H麵外彎曲）~3030(v)
一取代690~710
及730~770(v,s)
(v,s)
鄰二取代735~770(s)
間二取代680~725
及750~810(s)
(s)
對二取代790~840(s)
E. 醇酚和羧酸
—OH（醇、酚）3200~3600(br,s)
—OH（羧酸）2500~3600(br,s)
F. 醛酮、酯和羧酸
CO（伸縮）1690~1750(s)
G. 胺
N—H（伸縮）3300~3500(m)
H. 腈
C≡N2200~2600(m)
備注：峰強度說明，br,s=寬單峰，s=強，m=中等，v=不定，~為約等於。
為了便於記憶，編製的基團與紅外光譜波數的順口溜如表26。
表26基團與紅外光譜波數的順口溜
基團波數\/cm-1基團波數\/cm-1
概述紅外可分遠中近，中紅外特征指紋區，
1300來分界，注意橫軸劃分異。
看圖要知紅外儀，弄清物態液固氣。
樣品來源製樣法，物化性能多聯係。
飽
和
烴識圖先學飽和烴，3000以下看峰形。
2960、2870是甲基，2930、2850亞甲峰。
1470碳氫彎，1380甲基顯。
二個甲基同一碳，1380分二半。
麵內搖擺720，長鏈亞甲亦可辨。
烯烴烯氫伸縮過3000，排除倍頻和鹵烷。
末端烯烴此峰強，隻有一氫不明顯。
烯烴CC伸縮帶，1650會出現。
烯氫麵外易變形，1000以下有強峰。
910端基氫，再有一氫990。
順式二氫690，反式移至970；
單氫出峰820，幹擾順式難確定。
炔烴炔氫伸縮3300，峰強很大峰形尖。
三鍵伸縮2200，炔氫搖擺680。
芳烴芳烴出峰很特征，1600～1430。
1650～2000，取代方式區分明。
900～650，麵外彎曲定芳氫。
五氫吸收有兩峰，700和750；
四氫隻有750，二氫相鄰830；
間二取代出三峰，700、780，880處孤立氫
醇
酚
醚醇酚羥基易締合，3300處有強峰。
C—O伸縮吸收大，伯仲叔醇位不同。
1050伯醇顯，1100乃是仲，
1150叔醇在，1230才是酚。
1110醚鏈伸，注意排除脂酸醇。
若與π鍵緊相連，二個吸收要看準，
1050對稱峰，1250反對稱。
苯環若有甲氧基，碳氫伸縮2820。
次甲基二氧連苯環，930處有強峰，
環氧乙烷有三峰，1260環振動，900上下反對稱，800左右最特征。
縮醛酮，特殊醚，1110非縮酮。
酸酐也有C—O鍵，開鏈環酐有區別，
開鏈強寬1100，環酐移至1250。
醛酮羰基伸縮1700，2720定醛基。
吸電效應波數高，共軛則向低頻移。
張力促使振動快，環外雙鍵可類比。
羧酸
酸酐
酯2500到3300，羧酸氫鍵峰形寬，
920，鈍峰顯，羧基可定二聚酸、
酸酐1800來偶合，雙峰60嚴相隔，
鏈狀酸酐高頻強，環狀酸酐高頻弱。
羧酸鹽，偶合生，羰基伸縮出雙峰，
1600反對稱，1400對稱峰。
1740酯羰基，何酸可看碳氧展。
1180甲酸酯，1190是丙酸，
1220乙酸酯，1250芳香酸。
1600兔耳峰，常為鄰苯二甲酸。
胺
酰胺
胺鹽N—H伸縮3400，每氫一峰很分明。
CO伸縮酰胺Ⅰ，1660有強峰，
N—H變形酰胺Ⅱ，1600分伯仲。
伯胺頻高易重疊，仲酰固態1550；
C—N伸縮酰胺Ⅲ，1400強峰顯。
胺尖常有幹擾見，N—H伸縮3300，
叔胺無峰仲胺單，伯胺雙峰小而尖。
1600碳氫彎，芳香仲胺1500偏。
800左右麵內搖，確定最好變成鹽。
伸縮彎曲互靠近，伯胺鹽3000強峰寬，
仲胺鹽、叔胺鹽，2700上下可分辨，
亞胺鹽，更可憐，2000左右才可見。
硝化物硝基伸縮吸收大，相連基團可弄清。
1350、1500，分為對稱反對稱。
氨
基
酸氨基酸，成內鹽，3100～2100峰形寬。
1600、1400酸根伸，1630、1510碳氫彎，鹽酸鹽，羧基顯，鈉鹽蛋白3300。
礦
物
鹽礦物組成雜而亂，振動光譜遠紅端。
鈍鹽類，較簡單，吸收峰，少而寬。
注意羥基、水和銨，先記幾種普通鹽。
無
機
酸1100是硫酸根，1380硝酸鹽，
1450碳酸根，1000左右看磷酸。
矽酸鹽，一峰寬，1000真壯觀。
當用紅外光譜鑒定官能團時，我們考慮將紅外光譜分為以下區域：
· 從4000到2900cm-1：C—H、O—H和N—H的伸縮振動。可以確定含氧、含氮官能團。
· 從2500到2000cm-1：三鍵拉伸和累積雙鍵伸縮振動。如炔和腈類的IR特征吸收峰。
· 從2000到1500cm-1:CO、CN和CC等雙鍵的伸縮振動。
· 從1500到600cm-1：“指紋區”（C—H、C—O、C—N和C—C的彎曲振動等）。利用烯烴的指紋區可以識別烯烴的取代基個數及順反結構，苯環的指紋區能識別苯環取代基個數以及位置關係，C—O的指紋區可以識別伯醇、仲醇、叔醇和酚。
3. 紅外光譜的應用案例
長鏈烷基咪唑啉是用脂肪酸和羥乙基乙二胺發生縮合反應，脫去兩分子水所形成的產物，它是合成低毒、低刺激和高效能兩性表麵活性劑的關鍵中間體。實驗證明，縮合反應開始時首先形成是烷基酰胺，酰胺的紅外特征吸收峰為1638cm-1和1560cm-1。當有烷基咪唑啉生成後，烷基酰胺的兩個峰之間會多出一個1600cm-1的吸收峰，反應完成後，酰胺完全轉化為咪唑啉，樣品的紅外吸收峰隻剩下1600cm-1，烷基酰胺的兩個特征吸收峰消失,如圖 27。 烷基咪唑啉的紅外光譜在1600cm-1的特征吸收峰為CN雙鍵伸縮振動，利用此峰可以定性地檢測出烷基咪唑啉的生成。
圖27用紅外光譜監測反應進程
烷基咪唑啉的紅外光譜表明，在1600cm-1的特征吸收峰有很好的等光點，且吸光度與濃度存在線性關係，利用這個性質可以定量地分析烷基咪唑啉的含量。
三、質譜分析法
由於高分辨質譜儀、氣相色譜質譜聯用儀和液相色譜質譜聯用儀或化學電離（CI）法等的發展，很快擴大了質譜分析法的用途。質譜分析法（Mass Spectrometry， MS）是在高真空係統中測定樣品的分子離子及碎片離子質量，以確定樣品相對分子質量及分子結構的方法。質譜具有最簡單形式的三種基本功能：氣化揮發度範圍變化很廣的化合物；使氣態分子變為離子；根據質荷比（m\/ze）將它分開，並按質荷比大小依次排列而被記錄下來的譜圖稱為質譜。由於單電荷離子產生的比例要比多電荷離子大得多，z通常取1，e為常數（一個電子的電荷），因而，m\/z就表征了離子的質量，使質譜成為產生並稱量離子的裝置。質譜是分子質量精確測定與化合物結構分析的重要工具。1912年開始應用第一台質譜儀。20世紀40年代，出現高分辨率質譜儀，20世紀60年代末，出現色譜—質譜聯用儀。
質譜產生離子的方法有電子轟擊（EI）、化學電離（CI）、快原子轟擊（FAB）、電噴霧電離（ESI）。樣品分子失去一個電子而形成的離子，稱為分子離子，所產生峰稱為分子離子峰，或稱母峰，一般用符號表示：M+或M+·。電子轟擊（EI）離子化法是在電離室裏，氣態的樣品分子受到高速電子的轟擊後，該分子失去電子成為正離子，為有機化合物電離的常規方法；有些化合物（如甲烷等）穩定性差，用EI法不易得到分子離子，因而也就得不到分子量，為了得到分子量可采用化學電離（CI）法，可得到豐度較高的分子離子或準分子離子峰。化學離子源（Chemical Ionization，CI）是離子室內的反應氣經電子轟擊產生離子，再與試樣碰撞，產生準分子離子。
質譜圖的橫坐標為質荷比（m\/z），縱坐標為相對強度（%）。最強的峰稱為基峰，設定其強度為100%，峰的強度與該離子出現的概率有關，豐度最高的陽離子是最穩定的陽離子。質譜圖可提供的信息：（1） 樣品元素組成；（2） 物質的相對分子質量；（3） 物質的結構信息——結構不同分子的碎片不同（m\/z不同）；（4） 複雜混合物的定性定量分析——與色譜方法聯用；（5） 樣品中原子的同位素比。大多數陽離子帶一個正電荷，故其峰的m\/z為陽離子的質量，若母體離子不發生裂解，則m\/z值最大的是母體分子的分子量。
有機化合物中原子的價電子一般可以形成σ鍵、π鍵，還可以是孤對電子n，這些類型的電子在電子流的撞擊下失去的難易程度不同，通常含雜原子的有機分子，其雜原子的孤對電子最易失去，其次是π鍵，再次是C—C相連的σ鍵，最後是C—H相連的σ鍵。分子離子峰的強度與結構的關係：（1） 碳鏈越長，分子離子峰越弱；（2） 存在支鏈有利於分子離子裂解，故分子離子峰很弱；（3） 飽和醇類及胺類化合物的分子離子弱；（4） 有共振係統的分子離子穩定，分子離子峰強；（5） 環狀分子一般有較強的分子離子峰。
識別分子離子峰的方法：（1） 注意m\/z值的奇偶規律，隻有C、H、O組成的有機化合物，其分子離子峰的m\/z一定是偶數；在含N的有機化合物（N的化合價為奇數）中，N原子個數為奇數時，其分子離子峰m\/z一定是奇數，N原子個數為偶數時，則分子離子峰m\/z一定是偶數；（2） 利用某些元素的同位素峰的特點（在自然界中的含量）確定含有這些原子的分子離子峰；（3） 注意該峰與其他碎片離子峰之間的質量差是否有意義，通常在分子離子峰的左側3~14個質量單位處，不應有其他碎片離子峰出現，如有其他峰出現，則該峰不是分子離子峰。因為不可能從分子離子上失去相當於3~14個質量單位的結構碎片。碎片離子是由於分子離子進一步裂解產生的。生成的碎片離子可能再次裂解，生成質量更小的碎片離子，另外在裂解的同時也可能發生重排，所以，在化合物的質譜圖中，常看到許多碎片離子峰。碎片離子的形成與分子結構有著密切的關係，一般可根據反應中形成的幾種主要碎片離子，推測原來化合物的結構。在一般有機化合物分子鑒定時，可以通過同位素的統計分布來確定其元素組成，如Cl原子的兩種同位素35Cl（M表示分子量）和37Cl（M+2），在CH3Cl、C2H5Cl等分子中Cl原子兩種同位素的豐度比35Cl\/37Cl=3.1，即在質譜圖中若（M+2）峰的相對強度是M峰的三倍，則推測分子中可能有一個Cl原子；而在含有Br原子的化合物中兩種同位素的豐度比79Br\/81Br=1.0，即在質譜圖中若（M+2）峰的相對強度幾乎與M峰的相等，則推測分子中可能有一個Br原子。
解析未知物的質譜圖可按下述步驟進行：
第一步對分子離子區進行解析（推斷分子式）
（1） 確認分子離子峰，並注意分子離子峰對基峰的相對強度比；
（2） 注意是偶數還是奇數，如果為奇數，而元素分析又證明含有N原子時，則分子中一定含有奇數個N原子；
（3） 注意同位素峰中M+1\/M及M+2\/M數值的大小，據此可以判斷分子中是否含有S、Cl、Br，並可初步推斷分子式；
（4） 根據高分辨質譜測得的分子離子的m\/z值，推定分子式。
第二步對碎片離子區的解析（推斷碎片結構）
（1） 找出主要碎片離子峰。並根據碎片離子的質荷比，確定碎片離子的組成。通常失去的碎片離子的m\/z=29、43、57、71等，則說明失去的為C2H5、C3H7、C4H9、C5H11等烷基，當失去的碎片離子的m\/z=39、52、65、77等，則說明失去的為C3H3、C4H4、C5H5、C6H5等芳香烴基碎片，常見失去的碎片離子及可能存在的結構如表27。
表27常見失去的碎片離子及可能存在的結構
離子失去的
碎片可能存在的結構離子失去的
碎片可能存在的結構
M1H醛，某些醚及胺
M15CH3甲基
M16
OAr—NO2，≥N+—O-，亞碸
NH2ArSO2NH2，—CONH2
M17
OH醇
NH3胺
M18H2O醇、醛、酮、糖類
M19F
M20HF氟化物
M26C2H2芳香碳氫化合物
M27HCN芳香腈類，含氮雜環
M28
CO醌
C2H4芳基乙基醚，乙酯，正丙酮
M29
CHO醛類，乙基酮
C2H5Ar—正—C3H7
M30
CH2O芳香甲醚
CH2NH2伯胺
NOAr—NO2
M31OCH3甲酯
M32
CH3OH甲酯
S—
M33H2O+CH3—
M33HS
M34H2S硫醇
M35Cl
M36HCl氯化物
M41C3H5丙酯
M42
CH2CO甲基酮，芳香乙酸酯，ArNHCOCH3
C3H6正或異丁酮，芳香丙醚，Ar—正—C4H9
M43
C3H7丙基酮Ar—正—C3H7
CH3CO甲基酮
M44CO2酯（骨架重排）；酸酐
M45
OC2H5乙酯
COOH羧酸
M46C2H5OH乙酯
M46NO2Ar—NO2
M48SO芳香亞碸
M56C4H8Ar—正—C5H11，ArO—正—C4H9
Ar—異—C5H11，ArO—異—C4H9，戊基酮
續表
離子失去的
碎片可能存在的結構離子失去的
碎片可能存在的結構
M57
C4H9丁基酮
C2H5CO乙基酮
M58C4H10—
M60CH3COOH乙酸酯
M91C6H5CH2苄基
M105C6H5CO苯甲酰基
第三步推測出結構式
根據以上分析，列出可能存在的結構單元及剩餘碎片，根據可能的方式進行連接，組成可能的結構式。
[例]氫溴酸替格列汀的質譜圖，如圖28所示。
圖28氫溴酸替格列汀的質譜圖
按照替格列汀分子式C22H30N6OS計算精確的分子量為426.2202，按照M+H計算精確分子量為427.2280，而在質譜圖上發現m\/z=427.2264，也就是[M+H]+峰，與計算值相吻合。
第三節綠色合成技術
化學作為一門“核心、實用、創造性”的科學，從其誕生至今，已經取得了巨大的成就，化學的原理和方法以及化學反應方麵的研究目前仍在主導其他學科，化學在開發天然資源以滿足人類的生活需要方麵做出了巨大的貢獻，人類的衣、食、住、行、用以及保持健康等無一項可以離開化學，化學在這些領域中直接或間接地發揮著不可替代的作用，但是，隨著人類社會的發展，整個人類社會正麵臨著包括全球氣候變暖、臭氧層破壞、光化學迷霧和大氣汙染、酸雨、生物多樣性銳減、森林破壞、土地荒漠化的環境問題，包括能源問題、土地問題、礦產問題和生物資源的資源問題，以及健康問題和可持續發展問題等嚴峻的挑戰。
綠色化學是利用化學原理和方法來減少或消除對人類健康、社區安全、生態環境有害的反應原料、催化、溶劑和試劑、產物、副產物的新興學科，是一門從源頭上、從根本上減少或消除汙染的化學。又稱環境無害化學(Environmentally Benign Chemistry)、環境友好化學(Environmentally Friendly Chemistry)或清潔化學(Clean Chemistry)。
一、綠色化學十二條原則
綠色化學十二條原則如下：
（1） 防止汙染的產生優於治理產生的汙染(Prevention）；
（2） 最有效地設計化學反應和過程，最大限度地提高原子經濟性(Atom Economy)；
（3） 盡可能使用毒性小化學合成路線(Less Hazardous Chemical Syntheses)；
（4） 設計功效卓著而無毒無害的化學品(Design Safer Chemicals)；
（5） 盡可能避免使用輔助物質（如溶劑、分離劑等），如需使用應無毒無害(Safer Solvents and Auxiliaries)；
（6） 在考慮環境和經濟的同時，盡可能使能耗最低(Design for Energy Efficiency)；
（7） 技術和經經濟上可行時應以可再生資源為原料（Use Renewable Feedstocks）；
（8） 盡量避免不必要的衍生化步驟(Reduce Derivatives)；
（9） 盡可能使用性能優異的催化劑(Catalysts with Excellent Performance)；
（10） 設計功能終結後可降解為無害物質的化學品(Design for Degradation)；
（11） 發展實時分析方法，以監控和避免有害物質生成(RealTime Analysis for Pollution Prevention)；
（12） 盡可能選用安全的化學物質，最大限度地減少化學事故發生(Inherently Safer Chemistry for Accident Prevention)。
二、設計安全有效化學品一般原則
在設計安全有效的化學品時，一般要考慮兩個方麵的問題，即物質分子對包括人、動物、水生生物和植物在內的機體的“外部(External)”效應原則和“內部(Internal)”效應原則。
1. “外部”效應原則
“外部”效應原則，主要是指通過分子設計，改善該分子在環境中的分布、人和其他生物機體對它的吸收性質等重要物理化學性質，從而減少它的有害生物效應。通過分子結構設計，從而增大物質降解速率、降低物質的揮發性、減少分子在環境中的殘留時間、減小物質在環境中轉變為存在有害生物效應物質的可能性等，均是重要的“外部”效應原則的例子。另外，通過分子設計，從而降低或妨礙人、動物和水生生物對物質的吸收也是“外部”效應原則要麵對的問題。不同的生命機體對物質吸收的途徑不完全相同。對人類而言，吸收物質的途徑有皮膚吸收、眼睛吸收、肺吸收、腸胃係統吸收、呼吸係統吸收等。生物聚集(Bioaccumulation)和生物放大(Biomagnification，即隨食物鏈向上級進展，化學物質在組織中的濃度增大的現象)，也是在進行分子結構設計時必須考慮的“外部”效應因素。“外部”效應原則也要考慮目標物質中可能產生的不純物的性質，比如，在合成中是否會生成更毒的同係物、幾何異構體、構象異構體、立體異構體或結構上不相關的不純物。“外部”效應原則即是減少接觸的可能性，“外部”效應原則如表28。
表28“外部”效應原則
（一） 與物質在環境中的分布相關的物化性質
1. 揮發性\/密度\/熔點
2. 水溶性
3. 殘留性\/生物降解性
(1) 氧化反應性質
(2) 水解反應性質
(3) 光解反應性質
(4) 微生物降解性質
4. 轉化為具有生物活性(毒性)物質的可能性
5. 轉化為無生物活性物質的可能性
(二) 與機體吸收有關的物理化學性質
1. 揮發性
2. 油溶性
3. 分子大小
4. 降解性質
(1) 水解
(2) pH值的影響
(3) 對消化酶的敏感性
續表
(三) 對人、動物和水生生物吸收途徑的考慮
1. 皮膚吸收\/眼睛吸收
2. 肺吸收
3. 腸胃係統吸收
4. 呼吸係統吸收或其他特定生物的吸收途徑
(四) 消除或減少不純物
1. 是否會產生不同化學類別的不純物
2. 是否會產生有毒或更毒的同係物
3. 是否會產生有毒或更毒的幾何異構體、構象異構體和立體異構體
2. “內部”效應原則
“內部”效應原則通常包括通過分子設計以達到以下目標：增大生物解毒性（Biodetoxication），避免物質的直接毒性和間接生物致毒性（Indirect Biotoxication）或生物活化（Bioactivation）。增大生物解毒性包括把分子設計為本身是親水性的或很容易與葡萄糖醛酸、硫酸鹽或氨基酸結合，從而加速其從泌尿係統等器官中排出。隻有把物質分子設計成無毒無害類化合物，或在分子中引入一些無毒功能團，才能避免其直接毒性。“內部”效應原則如表29。
表29“內部”效應原則——預防毒性
(一) 增大解毒性能
1. 增大排泄的可能性
(1) 選擇親水性化合物
(2) 增大物質分子與葡萄糖醛酸、硫酸鹽、氨基酸結合的可能性或使分子易於乙酰化
(3) 其他相關考慮
2. 增大可生物降解性
(1) 氧化反應
(2) 還原反應
(3) 水解反應
(二) 避免物質的直接毒性
1. 選擇一類無毒的物質
2. 選擇功能團
(1) 避免使用有毒功能團
(2) 讓有毒結構在生物化學過程中消去
(3) 對有毒功能團進行結構屏蔽
(4) 改變有毒基團的位置
(三) 避免生物活化
1. 不使用已知生物活化途徑的分子
(1) 強的親電性或親核性基團
(2) 不飽和鍵
(3) 其他分子結構特征
2. 對可生物活化的結構進行結構屏蔽
三、化學反應的原子經濟性
1. 定義
原子經濟性(Atom Economy)是美國斯坦福大學綠色化學領域的主要創始人Barry M. Trost教授提出的。原子經濟性指化學反應中反應物的原子有多少進入了產物。可理解為在化學品合成過程中，合成方法和工藝應被設計成能把反應過程中所有原材料盡可能多地轉化到最終產物中。常用原子利用率來衡量化學過程的原子經濟性，一個化學反應的反應物中所有原子都進入了目標產物中，則為一個理想的原子經濟性的反應，也就是原子利用率為100%的反應。原子利用率計算公式如下：
原子利用率=目標產物的分子量各反應物的分子量之和×100%
=目標產物的分子量所有產物的分子量之和×100%
在合成反應中，要減少廢物排放的關鍵是提高目標產物的選擇性和原子利用率。原子利用率可以衡量在一個化學反應中，生產一定量目標產物到底會生成多少廢物。
Wittig反應的原子經濟性實例：從原子經濟性角度考慮，320（44+276）份反應物利用率僅有13%，而且，還產生了278份質量的“廢物”氧化三苯膦。
分子量：CH3CHO44+Ph3P+-C-H2276CH3CHCH242+Ph3PO278
原子利用率=目標產物的分子量各反應物的分子量之和×100%
=目標產物的分子量所有產物的分子量之和×100%
=42278+42×100%
=4244+276×100%
=13%
1溴丙烷消除反應生成丙烯的原子利用率僅為34%。
H3CCHHCH2BrNaOH\/乙醇H3CCHCH2+HBr
分子量：1234281
原子利用率僅為34%
2. 原子經濟性反應
由乙烯製備環氧乙烷，采用經典的氯乙醇法，反應分兩步進行，先用氯氣與水生成的次氯酸與乙烯發生加成生成氯乙醇，再用氫氧化鈣脫去氯化氫而得目標產物，合成路線如下：
(1) CH2CH2+Cl2+H2OClCH2OH2OH+HCl
(2) ClCH2CH2OH＋Ca(OH)2H2CCH2O+CaCl2+H2O
總反應式：CH2CH2+Cl2+Ca(OH)2H2CCH2O+CaCl2+H2O
分子量：287174 4411118
假定經典氯乙醇法每一步反應的收率、選擇性均為100%，這條合成路線的原子利用率也隻能達到25%，即得到1kg目標產物的同時有3kg廢物產生；且反應物Cl2腐蝕設備和傷害人體健康，需要特殊的設備和防護措施；要得到有用的產品分離和純化步驟是必須的。如果中間步驟中反應的選擇性、反應物的轉化率達不到100%，則該過程的原子利用率達不到25%。
為了克服以上不足，采用新的催化氧化方法，在銀催化劑存在下、用氧氣直接氧化乙烯一步合成環氧乙烷，反應的原子利用率達到了100%。
分子量：CH2CH2+O2Ag催化劑H2CCH2O
2832 44
原子利用率達到100%的反應有兩個主要特點：
(1) 最大限度地利用了反應原料，最大限度地節約了資源；
(2) 最大限度地減少了廢物排放（零廢物排放），因而最大限度地減少了環境汙染，或者說從源頭上消除了由化學反應副產物引起的汙染。
不飽和烴的加成反應、安息香縮合反應、重排反應、環加成反應、消除反應等均為原子利用率為100%的反應。
從乙烯氧化製備環氧乙烷的兩種方法可見，通過重新設計合成路線和製備方法可以提高合成目標產物化學反應的原子利用率，探索既具有選擇性又具有原子經濟性的合成反應已成為當今合成方法學研究的熱點。
3. 綠色合成實例
（1） 碳酸二甲酯的合成
碳酸二甲酯是一種重要的有機化工中間體，由於其分子結構中含有羰基、甲基、甲氧基和羰基甲氧基，因而可廣泛用於羰基化、甲基化、甲氧基化和羰基甲基化等有機合成反應，碳酸二甲酯的傳統合成方法是采用甲醇與光氣為原料進行：
2CH3OH+OCClClCH3OCOOCH3+2HCl
光氣，又稱碳酰氯，劇毒，光氣是劇烈窒息性毒氣，高濃度吸入可致肺水腫，毒性比氯氣約大10倍。
綠色合成方法：用一氧化碳與氧氣替代光氣，在催化劑作用下製備而得。
2CH3OH+CO+12O2催化劑CH3OCOOCH3+H2O
（2） 亞氨基二乙酸二鈉的合成
以氨氣、甲醛及氫氰酸為原料生成亞氨基二乙腈，然後在堿性條件下水解得產物。
NH3+2HCOH+2HCNNCCH2NHCH2CN
NCCH2NHCH2CN+2NaOHH2ONaOOCCH2NHCH2COONa
綠色合成方法：以二乙醇胺(diethanolamine)HOCH2CH2NHCH2CH2OH為起始原料，在堿性條件下，被銅基氧化劑氧化為亞氨基二乙酸二鈉。避免了劇毒物氫氰酸的使用。
HOCH2CH2NHCH2CH2OHNaOH銅基催化劑NaOOCCH2NHCH2COONa+2H2
（3） 己二酸和苯二酚的合成
利用苯作為起始原料分別合成己二酸和鄰苯二酚、對苯二酚，都會引發環境和健康問題。苯是一種易揮發的有機物(VOC)，在室溫下容易汽化，長期少量吸入大氣中的苯可導致白血病和癌症。此外，苯是由石油生產的產品，消耗的是不可再生的資源。在合成己二酸的過程中，最後一步是利用硝酸氧化環己酮和環己醇，這一反應的副產物N2O的濃度以每年10%的水平增長。N2O在對流層無沉降，上升進入平流層而破壞臭氧層。
H2Ni或PdO2催化劑O+OHHNO3Cu,NH4VO3HOOOOH
+N2O
H+O2OHH2O2催化劑OHOH+OHOH
綠色合成方法：密執安州立大學的J.W. Frost和K.M. Draths利用基因重組技術對大腸杆菌進行修飾，以大腸杆菌中的葡萄糖為原料，改變其新陳代謝途徑，使葡萄糖先代謝為鄰苯二酚（可作為產品分離出來），再氧化為順,順己二烯二酸，然後在催化劑作用下催化加氫而生成產物己二酸。因此，從葡萄糖出發通過生物合成己二酸和鄰苯二酚的合成路線與傳統合成方法相比，不但可利用再生資源，而且可以避免有毒的苯及其加工過程中生成的N2O等造成的環境影響和對人體健康的危害。
〖3〗OOHHOCH2OHOHOH
葡萄糖……基因修飾
大腸杆菌OHOHOOH3，4二羥基苯甲酸OHHO鄰苯二酚
HOOC
COOH
順，順己二烯二酸H2催化劑
OHOOOH
己二酸
四、綠色化工
1. 綠水青山就是金山銀山
習近平總書記強調：“要牢固樹立綠水青山就是金山銀山的理念”。“綠水青山”與“金山銀山”喻指發展經濟與保護生態的辯證關係。“綠水青山”是指良好的生態環境與自然資源，“金山銀山”是指經濟發展成果與物質財富。人們的願望通常是既要綠水青山，又要金山銀山，換言之：既要通過發展經濟獲得豐厚的物質財富，同時又要最大限度地保護好生態環境。但在處理保護環境與發展經濟兩者關係上，我們不能以犧牲生態環境為代價去換取一時的經濟發展。曆史上追逐短期經濟效益而破壞生態環境的事例不勝枚舉：“毀林開荒”“圍湖造田”等都受到了自然界的懲罰；“先汙染後治理”以犧牲生態環境換取一時的經濟增長，最終不但沒有推動經濟的健康持續發展，而且還破壞了生態環境以及浪費了自然資源。恩格斯指出：我們人類不要過分陶醉於對自然界的勝利。用犧牲“綠水青山”的辦法換取所謂“金山銀山”最終隻能付出慘痛的代價，“綠水青山”作為基礎可以為創造“金山銀山”提供條件，通過發展生態產業，將生態優勢直接變成經濟優勢。在推進新時代中國特色社會主義偉大事業過程中，我們必須牢固樹立“綠水青山”就是“金山銀山”的理念，像保護眼睛一樣保護生態環境，像對待生命一樣對待生態環境，推進綠色發展，打好藍天、碧水和淨土保衛戰，讓美麗多姿的綠水青山為我們帶來富饒豐盛的金山銀山。
2. 可持續發展
可持續發展是國際社會在經曆了長達半個世紀對西方傳統工業化發展道路進行反思和探索後，於20世紀末形成的發展理念和目標。其核心是摒棄“先汙染後治理”、高消耗、高排放、不循環的、不可持續的發展路徑，走出一條經濟增長與人口、資源、環境相協調的發展道路，不但滿足當代人的發展需求，而且兼顧後代人的發展需要。21世紀以來，可持續發展理念逐步深入人心成為全球共識，實現路徑進一步豐富和深化，低碳經濟、綠色經濟等經濟發展模式不斷出現。
3. 循環經濟
循環經濟是實現可持續發展的基本途徑，是以資源的高效和循環利用為核心，以減量化、再利用、資源化為原則，以低消耗、低排放、高效率為特征的循環經濟發展模式。我國是工業化後進國家，新中國成立70年來，特別是改革開放40多年來，我國用幾十年的時間完成了西方國家兩三百年走過的工業化路程，發達國家在兩百多年時間裏分階段出現的資源環境問題，在我國卻是在一個階段集中顯現出來，呈現出壓縮性、複合性、緊迫性的特點。
21世紀初，我國經濟發展速度進一步加快，經濟發展和資源環境約束矛盾進一步加劇，轉變經濟發展方式成為時代發展的迫切要求。經過十幾年的推動發展，我國循環經濟成效顯著，國際影響力不斷擴大。“綠色”循環低碳發展理念逐步樹立，促進循環經濟發展的法規政策體係不斷完善，重要行業和領域的循環經濟發展模式基本形成，循環型生產方式得以推行，循環型產業體係、再生資源回收利用體係逐漸形成，資源循環利用產業不斷壯大，“綠色”消費模式逐步形成。通過十幾年的實踐，發展循環經濟在推動經濟發展方式轉變、提高資源利用效率、構築資源戰略保障體係、從源頭減少汙染排放等方麵的作用越來越明顯。“綠色”高質量發展將成為新時代經濟發展的主旋律和必然選擇，是推動生態文明建設的基本途徑，代表了當今科技和產業變革方向。
第四節製備量的放大與縮小實驗
一、定義
在實際工作中，常常遇到製備量的放大與縮小問題。在實驗室製備規模上，大多使用相似放大或縮小方法。一般來說，如果反應條件相似，也就是傳熱傳質等因素相同，反應不會因為反應體積的變化而改變，實際上，反應體積和反應器形狀變化了，傳熱傳質等因素會急劇變化，如表210所示，從而導致放大效應。
表210大小玻璃燒瓶的物理特征
項目25mL圓底燒瓶22L圓底燒瓶
高，cm3.634.8
從上到底混合速率能很快混合不能很快混合
表麵積和體積比，cm2\/mL1.660.17
產生熱量\/反應物質量，J\/g151.51452.9
有關更大製備量的實驗，也就是工藝放大，涉及的反應體積在1到5升之間。通常反應體積超過這個值，則需要使用專業設備進行反應，這顯然超出本書的範圍，詳細見專著。與小量製備相比，轉移到放大量製備除了考慮反應傳熱傳質等因素外，還必須考慮其他問題。放大主要考慮的問題是安全，因為所有與反應相關的危險增加。因此，在嚐試更大的製備規模之前，有必要在小量製備內測試反應，始終將放大規模限製在≤10倍。
二、製備量放大考慮的因素
放大時需要考慮的一些主要問題：
(1) 放大會花更長的時間。由於涉及的體積較大，試劑加入、溶劑蒸發、相分離和後處理等過程，所有這些都要比小規模實驗花費更長的時間，所以，要確保有足夠的時間來完成實驗。反應裝置的質量和體積將明顯增大，所以，要確保它被牢牢地固定住。
(2) 有效的攪拌可能是個問題。通常在放大的設備中機械攪拌是必需的，而磁力攪拌效果很差。在反應容器中有擋板也是有益的，因為這樣可以提高攪拌的效果。在反應混合物中浸入像溫度計這類簡單的東西能夠引起嚴重的湍流，對混合有好處。
(3) 通過注射器加料可用於較小數量的製備實驗(<50cm3)，但對於放大量的製備，注射器泵加料更有效，尤其是當緩慢、需要控製加料時。使用恒壓滴液漏鬥滴加液體料，但不能用於需要控製滴加速率特別好的反應。各種各樣的輸送泵裝置可用於控製更大量的加料。
(4) 對於大體積反應器，反應溫度的控製變得更加困難，它需要加熱或冷卻更長的時間。通過簡單的加熱和冷卻浴，不容易控製大圓底燒瓶的內部溫度。對於高於或低於環境溫度的反應建議使用夾套容器。
(5) 放熱反應在製備量比較大的實驗中特別具有挑戰性。在小量製備實驗中，反應過程中產生的任何熱量通常很快消散，因為反應混合物相對於它的體積而言有比較大的表麵積。然而，較大量製備反應的相對表麵積要小得多，所以熱量不容易散失。任何熱量的積累都會導致反應速率加快，這將產生更多的熱量，又促使反應速率更快。如果發生這種情況，反應會很快失控。因此，在設計大量製備反應時，必須確保不會出現飛溫情況。在放大之前，一定要在小量製備實驗內監控反應，測量反應放熱行為。對於放熱反應，一個常見錯誤是在開始時把所有試劑一起加入反應瓶中或迅速地將一種反應物加到另一種反應物中，導致反應活性組分的積累。在開始產生熱量之前，通常會有一個初始延遲(誘導期)。如果不小心，可能在這一點上加了太多的試劑，它會產生更多的熱量，直到它被消耗完為止。在可控條件下進行放熱反應，最好的做法是在添加限製性試劑之前使反應混合物達到所需溫度。然後以一定的速率添加試劑，以確保反應安全溫度。在升高溫度下開始放熱反應是不合理的，如果反應需要在室溫以上進行，最安全的方法是避免添加試劑的積聚。
(6) 分離和純化的某些方麵可能更具挑戰性。例如，應該為溶劑分離階段留出相當多的時間。也不太方便用色譜法淨化大量物質。
(7) 有些問題在更大量的製備上則變得不那麼重要了，例如濕敏反應在大量製備反應中更容易進行，因為進入係統痕跡的水占反應混合物的百分比很小。保持大的反應器幹燥的一個簡便方法是加入反應溶劑之前，先加入一個與水能形成共沸的溶劑，然後蒸餾共沸物除去水。選擇的溶劑能與水形成良好的共沸物，如甲苯和氯仿等。在產品分離純化過程中產品的損失在更大量的製備中也變得不那麼重要。在更大量規模內結晶或蒸餾原料更容易。
三、製備量放大案例
以蒽和順丁烯二酸酐加成為例（詳見實驗二十四），進一步說明小量和大量製備反應過程中有關條件因素的變化，如表211所示。通常，反應物料可按比例放大，反應溫度和投料比不變化，而反應時間、反應器體積、攪拌方式和純化溶劑會改變，從而導致收率變化。
表211蒽和順丁烯二酸酐加成反應放大反應參數的變化
項目微量級放大5倍放大15倍常規量
馬來酸酐40mg200mg2.0g10g
蒽80mg400mg4.0g20g
二甲苯，mL1.05.050200
物料摩爾比(馬來酸酐：蒽)1.0∶1.11.0∶1.11.0∶1.11.0∶1.1
反應溫度，℃200185~190劇烈回流回流
反應時間30min30min2h3h
反應器體積，mL3.010100250
反應器錐形樣品瓶圓底燒瓶圓底燒瓶圓底燒瓶
攪拌磁攪拌子磁攪拌子磁攪拌子機械攪拌
乙酸乙酯用量，mL0.63.030100
產品量,g0.0960.44.517.6g
收率,%85.1870.9879.8562.49
四、製備量縮小注意事項
小規模反應定義為反應混合物體積小於5cm3。在這種規模進行有機反應時，會出現一些特別的問題，尤其是以下內容：
1. 稱量少量敏感試劑是很困難的。
2. 由於設備設計而造成的物料損失是很大的。
3. 難以去除對水分敏感反應物料中的微量水分。
通常情況下，這些損失隻占總物料的百分之幾；然而，隨著反應規模的減小，這個百分比會急劇增加。例如，如果在1摩爾規模上進行濕敏反應，那麼需要18g水才能完全停止反應的發生；但如果在0.1mmol規模上進行相同的反應，則隻要1.8mg水就能完全熄滅反應。一個實驗技能熟練的化學家應該能夠成功地在0.01mmol的尺度上進行水分敏感反應。
第五節連續流反應技術
一、間歇與連續工藝
絕大多數有機合成反應都是在間歇式反應器中進行的。這種標準的實驗室或製造廠的儀器設備，包括圓底燒瓶和大型反應器，能夠按一定順序添加一定數量的反應物、溶劑和試劑，並通過各種方式混合以進行化學反應。
連續工藝或流動化學是實現化學合成的另一種方法，將反應組分連續導入到連續反應器中進行反應，同時避免了在生成的產物中存在高濃度反應物。
最常見的連續反應器是管式反應器(推流式反應器——PFRs)、槽(連續攪拌槽反應器——CSTR)和固體支撐床試劑或催化劑(填充床反應器——PBR)。
一般來說，與同等生產量的間歇工藝相比，連續工藝使用更小的反應器，能提供更快的加熱和冷卻速度，並且由於消除了從一個反應器到另一個反應器的兩種物料傳輸轉移以及批次間反應器清洗的耗時，既減少了單元操作，又節約了人工成本。一般來說，連續工藝簡化了給定工藝的單元操作數量。
由於連續工藝需要增加額外設備以及複雜的設計，還要為特定的工藝選擇各種泵和反應器，因而連續工藝的優勢並不明顯。連續反應器被視為僅適用於商品化學製造和極度危險工藝，在這種情況下，設計和實施連續工藝相關的工程成本增加是合理的。在商品化工生產中，連續工藝的效率高會帶來高額利潤，因此，連續工藝是工業化首選的工藝過程。長期以來，危險化學生產一直是小規模連續工藝的應用領域。例如，硝化甘油的連續生產至少可以追溯到20世紀40年代。
二、連續流反應技術
隨著時間的推移，人們對連續工藝過程的態度已經改變，許多有機化學家和工程師現在認識到，通過簡單的連續反應器係統，可以實現比間歇過程更高的效益。近年來，流動化學在製藥和精細化工行業得到了迅速的發展，與傳統的間歇式方法相比，實驗有機化學家應用連續式反應器仍然是一個活躍的研究領域，連續流動化學有可能顯著提高生產效率，同時最大限度地降低大規模製備複雜分子的成本。此外，許多複雜靶點化合物的合成可能涉及使用昂貴的貴金屬或複雜配體和高壓反應以提高反應活性和選擇性。連續過程有可能應用小型、靈活的反應器係統替代經典的間歇反應器，或替代典型間歇過程無法適應的極端反應條件，使反應更加安全。
“連續流化學(continuousflow chemistry)”或稱為“流動化學(flow chemistry)”，是指通過泵輸送物料並以連續流動模式進行化學反應的技術。流動化學還可以通過同時進行多個單元操作來提高預期工藝的質量，例如在一個反應裝置中使用更好的反應參數控製後處理和萃取。這可以消除費時和操作成本高的單元操作，包括容器準備、提取和相關的清理工作，這些工作在傳統間歇工藝中是很常見的。連續化學也有利於更大規模的反應，因為它們可以改善傳質和傳熱，而且設備占地麵積相對較小，與間歇式反應器相比，能降低投資和運營成本。
流動技術可以通過與在線過程分析工具(PATs)相結合的自動化來控製，這使得在實驗室中能夠更快地進行優化，並提高這些集成係統的規模性能。盡管文獻中報道了很多流動化學的新應用，但仍有許多反應類型有待研究，並且該領域將繼續拓展研究以實現提高選擇性、反應性和工業過程。
盡管文獻報道了很多連續化的有機合成工藝研究，但適合於本科生在實驗室裏操作的實驗案例並不多，市場上的連續流反應器價格比較貴，並不是一般實驗室標配的設備。而連續化工藝的確是現在乃至未來發展的方向。因此，介紹連續流反應器在精細化工和醫藥合成工業上的應用，目的是讓學生開闊視野、與時俱進，豐富解決問題的方法。
三、連續流反應技術應用案例
1. 案例一
首先介紹采用微通道連續化製備API原料藥布洛芬的代表性實例(Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 85478550)。異丙苯\/丙酸溶液與三氟甲磺酸分別經兩個注射泵送入T形三通閥，經過充分混合的溶液進入微通道反應器(PFA材質，內徑0.75mm)反應溫度150℃,物料停留時間5分鍾時，轉化率91%。對異丙基苯丙酮發生1,2芳基遷移反應條件為：50℃時，原甲酸三甲酯(4.0eq)，二醋酸碘苯(1.0eq)在三氟甲磺酸存在下，得到98%的轉化率，目標產物的收率96%，物料在微通道內的停留時間僅為兩分鍾。第二步反應後的流出液，與5mol\/L的氫氧化鉀充分混合後進入第三個微通道反應器，物料在65℃停留3分鍾即可實現酯的完全水解生成相應的羧酸鉀鹽，經過酸化即可以68%的分離收率得到相應的羧酸(布洛芬)，經過進一步重結晶純化，產品純度可以達到99%以上。在不足500厘米長的PFA軟管內，僅用幾個注射泵即可以用接近9mg\/min的速度實現布洛芬的快速合成。
2. 案例二
應用連續流工藝促進苯胺類化合物轉化為芳基磺酰氯顯示了連續流反應的優勢(Organic Process Research & Development 2016, 20, 21162123.)。從相應的鄰氨基苯甲酸酯製備氯磺酰苯甲酸鹽的間歇工藝，受到氣體釋放和大批量重氮鹽潛在失控反應的挑戰。研究小組選擇在PFR反應器流動中，25℃ 溫度下，37%鹽酸和亞硝酸鈉，可在20秒內完成鄰氨基苯甲酸酯中生成重氮鹽的反應。磺酰氯由重氮鹽與二氧化硫反應生成，二氧化硫則是由亞硫酸氫鈉和37%鹽酸在氯化銅存在下原位生成的。
在加入含有氯化銅、亞硫酸氫鈉和鹽酸的間歇攪拌槽中，與重氮鹽混合並升溫至20℃，反應生成的磺酰氯沉澱，通過過濾分離出來。
3. 案例三
文獻報道了連續流硝化合成1,4二氟2硝基苯的方法(Org Process Res Dev， 2016，17(3):438442.)。以2.0倍摩爾量的硫酸和1.1倍摩爾量的硝酸組成的混酸為硝化劑，如下圖。裝置包含3部分連續流反應器，前2部分的停留時間均為1min，第3部分的停留時間為0.3min。每一部分反應器都保持不同的溫度，分別為30～35℃、65～70℃和-5～0℃，最後一部分的反應器用於淬滅反應。通過這種程序控溫的連續流硝化，有效避免了多硝化等副反應的發生，目標產物收率為98％，產量為6.25kg\/h。
第三章精細化工專業基礎實驗
第三章精細化工專業基礎實驗
實驗一醚類香料β萘乙醚的合成
【主題詞】
香料；β萘乙醚；醇分子間脫水
【單元反應】
醇酚脫水醚化反應
【主要操作】
回流；重結晶；過濾；熔點測定；紅外光譜；氣相色譜
【實驗目的】
(1) 了解香料的基本知識。
(2) 熟悉製備芳香醚的反應原理和方法。
(3) 掌握回流裝置的安裝與操作方法及固體精製的重結晶技術。
【背景材料】
β萘乙醚又稱新橙花醚，為白色片狀晶體，非常稀的β萘乙醚的溶液有類似橙花和洋槐花的氣味，並伴有甜味和草莓、菠蘿樣的香氣，若將其加入一些易揮發的香料中，便會減慢這些香料的揮發速度(具有這種性質的化合物稱為定香劑)，因而它廣泛地用於調配肥皂或大眾化的花露水和古龍香水，是一些香料(如玫瑰香、薰衣草香、檸檬香等)的定香劑，也是調製櫻桃、草莓、石榴、李子以及咖啡、紅茶等香型的香精成分。β萘乙醚的熔點37℃，沸點 282℃，不溶於水，可溶於乙醇、氯仿、乙醚、甲苯、石油醚等有機溶劑中。
【實驗原理】
β萘乙醚的合成，一般采用兩種方法：
(1) 威廉森(A.W.Willamson)合成法：烷基化劑溴乙烷與苯酚在堿性條件下發生親核取代反應製得。反應式如下：
OH
+ NaOH
ONa+ H2O
ONa+ C2H5OH
OC2H5
(2) 醇分子間脫水法：在濃硫酸催化作用下，將β萘酚、乙醇加熱失去一分子水的方法來製取。本實驗采用後一種方法，反應式如下：
OH + C2H5OH H2SO4回流OC2H5+ H2O
【儀器與試劑】
(1) 試劑：β萘酚；無水乙醇；濃硫酸；氫氧化鈉(5%)。
(2) 儀器：可調溫油浴鍋；50mL圓底燒瓶；恒壓滴液漏鬥；回流冷凝管；真空泵；布氏漏鬥；熔點儀；電子天秤。
【預習實驗】
(1) 醚化反應機理。
(2) 重結晶的定義與方法。
【實驗操作】
(1) 實驗準備
在安裝有回流冷凝管並置於油浴上的50mL圓底燒瓶中，加入5g(0.035mol)β萘酚和6g(0.13mol)乙醇
易燃藥品要注意安全，遠離明火。
，加熱溶解。小心滴加2g濃硫酸
濃硫酸加入要緩慢，並使之均勻。
，搖勻。在120℃的油浴上加熱6h。
(2) 析晶
將熱溶液小心地傾入盛有50mL水的燒杯中，攪拌，使析出結晶，傾去水層，剩餘物用18mL質量分數為5%的氫氧化鈉溶液充分洗滌，再每次用 20mL 的熱水洗滌二次，洗滌時用玻璃棒激烈攪拌浮起的產物，每次皆用傾潷法分出洗滌的水溶液
此步操作的目的是精製所製得的醚，以除去未反應的萘酚。在氫氧化鈉作用下，後者轉變為溶於水的萘酚鈉。
，得β萘乙醚粗品；收集兩次堿性洗滌液以回收β萘酚
未反應的β萘酚可以部分回收。將分出粗產品後的堿性濾液用硫酸小心酸化至剛果紅試紙變紫色(此時呈酸性)，析出β萘酚的沉澱，過濾、幹燥、稱重，並從原料中減去。產率計算時要不包括回收的β萘酚。未反應原料的回收套用對工業生產的節能減排非常有用。。
(3) 重結晶
用乙醇重結晶
用減壓蒸餾的方法，也可得到精製的β萘乙醚，沸點為140℃\/1.6kPa。
，減壓抽濾，得到白色片狀晶體的產物。稱重，測熔點、紅外光譜、氣相色譜，計算收率。
【產物表征】
熔點為36～37℃。氣相色譜儀分析純度，色譜條件為:固定相用SE30，柱長50m，柱溫220℃,汽化室和檢測室溫度為250℃，用歸一法測其純度。將重結晶的β萘乙醚在40℃左右溶解於甲醇，進樣量5μL，保留時間：16.52min，用歸一法測得產物的度純。IR(KBr壓片)：2940cm-1、2860cm-1(甲基、亞甲基C—H伸縮振動)，1620cm-1，1590cm-1(苯環C—C骨架振動)，1260cm-1、1182cm-1(醚的芳基C—O伸縮振動)，1150cm-1(醚的脂肪烴基C—O伸縮振動)，845cm-1，750cm-1(苯環對位取代C—H麵外彎曲振動)。
【思考題】
(1) 還有幾種方法可以合成萘乙醚?寫出反應方程式。
(2) 如何回收β萘酚?
實驗二食品防腐劑尼泊金乙酯的合成
【主題詞】
食品防腐劑；尼泊金乙酯；酯化反應
【單元反應】
芳香酸的酯化反應
【主要操作】
恒壓滴液；分水；回流；pH調節；活性炭脫色；過濾；熔點測定；紅外光譜；液相色譜
【實驗目的】
(1) 熟悉尼泊金酯類防腐劑的製備方法。
(2) 練習分水器操作方法。
(3) 掌握經典的酯化反應操作。
【背景材料】
尼泊金酯的化學名為對羥基苯甲酸酯，具抗菌防腐作用，主要用於食品和藥品的防腐。尼泊金酯具有毒性低、幾乎無味、無刺激性以及在較寬的pH值範圍內能保持較好的抗菌效果等優點，可抑製真菌、綠膿杆菌、金黃色葡萄球菌。尼泊金酯類防腐劑為無色結晶或白色粉末，主要品種及其熔點如下：尼泊金甲酯126～128℃；尼泊金乙酯116～118℃；尼泊金丙酯95～98℃；尼泊金丁酯69～72℃。
本實驗製備的尼泊金乙酯的分子量166.17，沸點298℃，幾乎不溶於水，易溶於熱乙醇，也溶於醚和丙酮，味微苦，灼麻。
【實驗原理】
本實驗以對羥基苯甲酸和乙醇為原料，用濃硫酸作催化劑，進行經典的酯化反應來製備尼泊金乙酯
采用此酯化反應，以甲醇、乙醇、丙醇或丁醇與對羥基苯甲酸反應可以分別製備尼泊金甲酯、乙酯、丙酯或丁酯。
。酯化時，按酰氧鍵斷裂方式進行，即對羥基苯甲酸中羧基上的羥基和乙醇中的氫結合成水分子，剩餘部分結合成酯，反應式為：
HOCOOH+ ROH
HOCOOR+ H2O
RCH3,C2H5,n—C3H7,n—C4H9
酯化反應是可逆反應，為了提高酯的收率，本實驗采用易得、價廉、易回收的乙醇過量，同時使用分水器除去反應中不斷生成的水，使可逆反應平衡右移。
提高酯化反應收率常用的方法是除去反應中形成的水，實驗采用分水器帶出酯化反應生成的水。可以在反應體係中加入苯、環己烷等帶水劑，其能與水形成低沸點的恒沸物且在室溫下兩者不互溶，冷凝後，溶劑與水在分水器中分層，水積在分水器下部，溶劑返流到反應體係裏。
本實驗使用環己烷作帶水劑。借助於環己烷水共沸
環己烷水二元共沸溫度69℃，環己烷水二元共沸物中含水9%，含環己烷91%。
或環己烷水乙醇共沸
乙醇過量，環己烷水乙醇三元共沸物的共沸溫度為62.5℃，環己烷水乙醇三元共沸物含水4.8%，乙醇19.7%，環己烷75.5%。
，通過蒸餾從反應體係中把酯化反應生成的水帶出來，而溶有部分乙醇的環己烷又回到反應體係中，通過環己烷水乙醇共沸繼續帶出反應生成的水。
【預習內容】
(1) 提高可逆反應產物收率的方法。
(2) 分水器的使用方法。
【儀器與試劑】
(1) 儀器：可調溫電熱套；電動攪拌器；250mL三口燒瓶；機械攪拌器；恒壓滴液漏鬥；回流冷凝管；分水器；電子天秤。
(2) 試劑：對羥基苯甲酸；乙醇；濃硫酸；50％氫氧化鈉；環己烷；10％碳酸氫鈉；活性炭。
【實驗操作】
(1) 實驗準備
在裝有攪拌器、回流冷凝管和滴液漏鬥的250mL三口燒瓶中，加入13.8g(0.1mol)對羥基苯甲酸、29.2mL(23g，0.5mol)乙醇
乙醇過量，以補充環己烷水乙醇三元共沸物中與水相溶、隨共沸物蒸出後，留在分水器中的乙醇。
和21.5mL(16.8g，0.2mol)帶水劑環己烷
酯化反應的酸性催化劑，可以是濃硫酸，也可以是對甲基苯磺酸等有機強酸或強酸性陽離子交換樹脂。
，攪拌下由滴液漏鬥緩慢滴入1mL濃硫酸，加入沸石，安裝分水器，用量筒向分水器中加入水，加入水的液麵略低於支管1cm，分水器上端裝上回流冷凝管。
(2) 酯化反應
加熱使固體全溶，升溫至保持輕微回流分水。分水器中液麵升高時，打開分水器活塞，把水分去，分水時必須一滴一滴地分，保持水層液麵原來的高度，不再有水生成，即分水器中液麵不再升高時，表明分水結束，停止加熱。
(3) 析晶
待燒瓶物料冷卻後，關閉冷卻水，取下冷凝管，拆卸分水器，把分水器下層水分出合並，記錄總水量，把分水器上層液體從上口倒入三口燒瓶，然後，再把燒瓶中的反應混合物倒入潔淨的燒杯中，冷卻至室溫，用50％的氫氧化鈉溶液調節pH至6，蒸餾回收過量的乙醇和帶水劑，置冷，析出結晶，用10％的碳酸氫鈉溶液調節pH至7~8。抽濾，水洗結晶至洗滌液的pH值為6~7，得尼泊金乙酯粗品。
(4) 精製
將尼泊金乙酯粗品放入帶有回流冷凝管的圓底燒瓶中，加入適量的乙醇，加熱溶解，置冷後加入適量的活性炭微沸片刻，趁熱過濾。濾液置冷結晶，抽濾，水洗，晾置，烘幹，得到尼泊金乙酯精品為白色結晶。稱重，測熔點、紅外光譜、液相色譜，計算收率。
【產物表征】
尼泊金乙酯為白色晶體，熔點為116~118℃。液相色譜的色譜柱:Diamonsil C18柱(5μm，250mm×4.6mm i.d.)；流動相V甲醇∶V水=72∶28，吸收波長：254nm，流速：1.0mL\/min，進樣量：10μL，采用色譜峰的保留時間定性，外標法峰麵積定量，尼泊金乙酯保留時間：9.82min。IR(KBr壓片)：3384.23cm-1(酚羥基O—H伸縮振動)，2955.16cm-1(苯環C—H伸縮振動)，1673.89cm-1(酯基的CO伸縮振動)，1292.53cm-1(酯基的C—O伸縮振動)；1591.76cm-1、1467.55cm-1(苯環 CC 骨架振動)；813.16cm-1(芳環對位取代C—H麵外彎曲振動)。
【思考題】
(1) 本實驗采取什麼措施來提高該平衡反應的收率？
(2) 如何判斷反應結束？
(3) 分水器的作用是什麼？
實驗三醫藥中間體扁桃酸的製備
【主題詞】
卡賓反應；相轉移催化；醫藥中間體；扁桃酸；製備
【單元反應】
α消去反應；卡賓對雙鍵的加成反應；重排反應；水解
【主要操作】
攪拌；滴加；幹燥；重結晶；真空抽濾；電子天秤稱量
【實驗目的】
(1) 掌握相轉移催化原理。
(2) 了解卡賓加成反應和重排反應的機理。
(3) 掌握重結晶的實驗方法。
【背景材料】
扁桃酸(Mandelic acid)學名為α羥基苯乙酸，是重要的手性藥物中間體和精細化工產品，可用於合成血管擴張藥環扁桃酯、尿路感染消炎藥扁桃酸烏洛托品和鎮痙藥扁桃酸苄酯等藥物。扁桃酸為白色斜方片狀結晶或結晶性粉末。有旋光異構體，見光分解變色。天然品為左旋扁桃酸，熔點130℃。消旋扁桃酸熔點為120～122℃，可溶於水、乙醇、乙醚和苯等溶劑。
【實驗原理】
反應以苯甲醛、氫氧化鈉和氯仿為原料，在四丁基溴化銨催化下反應得扁桃酸，反應式如下：
CHO+CHCl3 重排 水解
CHCOOH*OH
反應采用四丁基溴化銨為相轉移催化劑，在氫氧化鈉作用下，氯仿生成三氯甲基碳負離子，被相轉移催化劑轉移到有機相中，在有機相中產生活潑中間體二氯卡賓
卡賓(carbene)，又稱碳烯，一般以R2C∶表示，指碳原子上隻有兩個價鍵連有基團，還剩兩個未成鍵電子的高活性中間體。
，二氯卡賓對苯甲醛的羰基進行加成反應，加成的產物再經過重排，水解得到扁桃酸。
反應曆程如下：
水相 （C4H9）4N+Br-+NaOH(C4H9)4N+OH-CHCl3+NaBr
有機相（C4H9）4N+Cl-+··CCl2(C4H9)4N+CCl-3+H2O
COH
重排CHClCOClH2OOH- H+C*HOHCOOH
【預習內容】
(1) 什麼是相轉移催化反應？
(2) 什麼是卡賓？
(3) 哪些化合物可以用作相轉移催化劑？
【儀器與試劑】
(1) 試劑：苯甲醛；氯仿；50％氫氧化鈉(質量分數)；四丁基溴化銨；50%硫酸。
(2) 儀器：可調溫電熱套、水浴鍋、電動攪拌器、250mL三口燒瓶、恒壓滴液漏鬥、回流冷凝管、電子天秤。
【實驗步驟】
(1) 實驗準備
在配有回流冷凝管、滴液漏鬥和電動攪拌器的三口燒瓶中加入新蒸餾的苯甲醛10.1mL(10.6g，0.1mol)、氯仿20mL(30g，0.25mol)、相轉移催化劑四丁基溴化銨1.61g(0.05mol)。
(2) 反應
水浴加熱，升溫至50℃時，開始滴加50％的氫氧化鈉溶液30mL(0.375mol)，控製水浴溫度在58~60℃，約2h滴畢，保持水浴溫度 60℃，繼續反應1h
當燒瓶上部為黃色油狀液體而沒有白色固狀物時說明反應已完成。停止加熱，燒瓶內上層為棕黃色油狀物，下層為白色絮狀沉澱。。
(3) 分離
在燒瓶內加入適量的水，使固狀物全部溶解，靜置分層除去氯仿層，水層用10mL乙醚萃取二次，乙醚萃取液回收。水層再用50%(質量分數)硫酸酸化至pH<1，這時水層從酸化前的亮黃色變為乳白色，上層有少許黃色油狀物，用分液漏鬥除去油層後，再用乙醚萃取2次，合並乙醚層並用無水硫酸鈉幹燥後，用40℃水浴蒸去乙醚，得到淡黃色固體的扁桃酸粗品。
(4) 純化
將扁桃酸粗品放入燒杯中，根據扁桃酸粗品的量加入少量甲苯進行重結晶，攪拌，加熱使其全部溶解，趁熱過濾，母液在室溫下放置使結晶慢慢析出，冷卻後抽濾、幹燥得白色晶體
用少量石油醚(30~60℃)洗滌，促使其快幹。
，稱重，測定熔點。
【產物表征】
白色結晶，mp：118~120℃。IR：3400.32cm-1(羥基O—H伸縮振動)，2800~3100cm-1(苯環及次甲基C—H伸縮振動)，1716.85cm-1(羧酸 CO 伸縮振動)，1587.76cm-1、1497.33cm-1(苯環骨架振動)，1298.19cm-1(羥基O—H變形振動)，1060.21cm-1(羥基C—O伸縮振動)，730.43cm-1、694.85cm-1(苯環單取代特征峰)；1H—NMR(CDCl3為溶劑，TMS為內標)，δH(ppm)：7.20~7.30(5H，C6H5)，5.10(1H，C—H)，4.70(2H，O—H)。
【思考題】
(1) 舉例說明相轉移催化作用原理。
(2) 如何判斷反應是否結束？
(3) 寫出苯甲醛與氯仿生成扁桃酸的反應機理。
實驗四陰離子型表麵活性劑十二醇硫酸鈉的合成
【主題詞】
表麵活性劑；十二烷基硫酸鈉；LAS
【單元反應】
酯化反應；中和反應
【主要操作】
無水操作；機械攪拌；氣體吸收
【實驗目的】
(1) 掌握高級脂肪醇硫酸酯鹽型陰離子表麵活性劑的合成方法。
(2) 熟悉表麵活性劑分類及洗滌劑的基本知識。
【背景材料】
表麵活性劑(surfactant； SAA)是一類重要的精細化學品，從20世紀50年代開始隨著石油化工飛速發展與合成塑料、合成橡膠、合成纖維一並興起的新型化學品，目前已被廣泛應用於紡織、製藥、化妝品、食品、造船、土建、采礦以及洗滌和日常生活的各個領域。它是許多工業部門的化學助劑，其用量雖小，但效能甚大，往往能起到意想不到的效果。
表麵活性劑的定義無統一的描述，但普遍認為表麵活性劑應包括“表(界)麵”(surface)、“活性”(active)和“添加劑”(agent)三方麵的含義。從肥皂的主要成分是長鏈脂肪酸鈉可以知道是由易溶於油的疏水基和易溶於水的親水基所構成，所以表麵活性劑的分子結構是兩親分子，溶於水的時候，周圍完全被水所包圍，疏水基與水相互排斥被逐出水麵，親水基與水相互吸引留在水中，在水溶液中要達到較為穩定的狀態有兩種方式：一是把親水基留在水溶液中，僅把疏水基在空氣中伸出，這樣在水溶液的表麵定向排列，形成單分子膜，另外一種方式就是在溶液中疏水基相互聚集一起，盡量減少與水的接觸麵，形成膠束，如圖31所示。表麵活性劑在加入量很少時即能明顯降低溶劑(通常為水)的表麵(或界麵)張力，改變物係的界麵狀態以及溶液的性質，因而能夠產生潤濕、疏水基乳化、起泡、增溶及分散等作用，從而達到實際應用的功能。
圖31表麵活性劑在表麵形成單分子層在水中形成膠束示意圖
作為專用名詞，表麵活性劑的曆史並不長，但它的應用卻可以追溯到古代。我國古人已用皂角，古埃及人用皂草提取皂液來洗衣物。這裏的有效成分實際上是結構複雜的生物天然表麵活性劑。這種物質具清洗功能，但它一旦進入人體生化循環體係，就會對人體產生一定的毒性。而合成的表麵活性劑易於降解，無此缺點。
表麵活性劑可以根據離子類型、親水基結構、疏水基種類以及表麵活性劑結構的特殊性等分類。按離子類型分類為表麵活性劑研究與應用過程中最常用的分類方法。大多數表麵活性劑是水溶性的，根據它們在水溶液中的狀態和離子類型可以將其分為離子型表麵活性劑和非離子型表麵活性劑。離子型表麵活性劑又分為陰離子表麵活性劑、陽離子表麵活性劑和兩性表麵活性劑三種。例如十二烷基磺酸鈉在水中電離出磺酸根，屬於陰離子表麵活性劑，苄基三甲基氯化銨電離產生季銨陽離子，屬於陽離子表麵活性劑；兩性表麵活性劑分子中同時存在酸性和堿性基團，如十二烷基甜菜堿，這類表麵活性劑在水中的離子性質通常與溶液的pH值有關。
非離子型表麵活性劑在水中不能離解產生任何形式的離子，如脂肪醇聚氧乙烯醚：
C12H25SO3Na
CH2NCH3CH3
+CH3·Cl-
十二烷基磺酸鈉
苄基三甲基氯化銨
N
C12H25
CH3CH3CH2COO-+
RO（CH2CH2)nH
十二烷基甜菜堿
脂肪醇聚氧乙烯醚
純的十二醇硫酸鈉為白色固體，又稱為十二烷基硫酸酯鈉鹽、十二烷基硫酸鈉、月桂硫酸鈉，屬陰離子表麵活性劑，通式為ROSO3M，其中R為C8～C20，但以C12～C14者最為常見。能溶於水，對堿和弱酸較穩定，在120℃以上會分解。十二醇硫酸鎂鹽和鈣鹽有相當高的水溶性，因此，十二醇硫酸鈉可在硬水中應用，它還較易被生物降解，無毒，因而具有對環境汙染較小的優點。
脂肪醇硫酸鹽商品名為FAS，從結構上看，直鏈的脂肪醇硫酸鹽的洗滌效果更好些，稱為線性烷基硫酸鹽，縮寫為LAS洗滌劑，而以仲醇或具支鏈的醇為原料合成的硫酸鹽則洗滌性較差，但潤濕性好，在工業上常用作潤濕劑、滲透劑、勻染劑、洗滌劑、紡織油劑等，同時也是日用牙膏發泡劑、護膚和洗發用品(常用三乙醇胺的鹽)等的配方成分。
CH3(CH2)nCH2OS
OOONa
CH3—(CH2)14—CH2SO3Na
直鏈烷基硫酸鈉（LAS）（n=10~16)
烷基苯磺酸鹽(ABS)
【實驗原理】
十二醇硫酸鈉可用發煙硫酸、濃硫酸或氯磺酸與十二醇反應而得。首先進行硫酸化反應，生成酸式硫酸酯，然後用堿溶液將酸式硫酸酯中和。硫酸化反應是一個劇烈放熱反應，為避免由於局部高溫而引起的氧化、焦油化、成醚等種種副反應，需在冷卻和加強攪拌的條件下，通過控製加料速度來避免整體或局部物料過熱。十二醇硫酸鈉在弱堿和弱酸性水溶液中都較穩定，但由於中和反應也是一個劇烈放熱的反應，為防止局部過熱引起水解，中和操作仍應注意加料、攪拌和溫度的控製。
脂肪醇硫酸鹽陰離子表麵活性劑通常由12~18醇與濃硫酸或氯磺酸在40~50℃酯化後再用堿或醇胺中和而得。
R—OH+ClSO3HR—O—SO3H+HCl
R—OH+H2SO4R—O—SO3H+H2O
R—O—SO3H+NaOHR—O—SO3Na+H2O
R—O—SO3H+H2NCH2CH2OHR—O—SO3
NH3CH2CH2OH
本實驗中所要製備的十二烷基硫酸鈉是由月桂醇與濃硫酸反應後再加堿中和而得，合成路線如下：
CH3(CH2)11OHH2SO4CH3(CH2)11OSO3H
NaOHCH3(CH2)11OSO3Na
本實驗製得的產品和工業品一樣，為不純物。工業品的控製指標一般為：
活性物含量≥80%水分≤3%
高碳醇≥23%無機鹽≥8%
pH值(3%溶液)8～9
判斷反應完全程度的簡單定性方法是取樣溶於水中，溶解度越大和溶液越透明表明反應越完全(脂肪醇硫酸鈉溶於水中形成半透明溶液，相對分子質量越小溶液越透明)。活性物含量的測定可參考GB\/T 5173—2018。無機鹽含量可按一般灰分測定法測出。水分含量可通過加熱至恒重的一般方法測出。
【預習內容】
(1) 了解硫酸與十二醇合成十二烷基硫酸鈉的實驗原理及注意事項。
(2) 掌握測定含固量、表麵張力和泡沫性能的各種儀器的使用方法。
【儀器與試劑】
(1) 儀器：可調溫電熱套；電動攪拌器；溫度計；恒壓滴液漏鬥；尾氣導出吸收裝置；布氏漏鬥；燒杯；真空泵；冰水浴；蒸發皿；電子天秤。
(2) 試劑：十二醇(月桂醇)；98%濃硫酸；氫氧化鈉(30%水溶液)；雙氧水(30% H2O2)；pH試紙。
【實驗操作】
(1) 實驗準備
在裝有攪拌器、溫度計、恒壓滴液漏鬥和尾氣導出吸收裝置的三口燒瓶內加入19g(0.1mol)月桂醇
所用的儀器必須經過徹底幹燥，裝配時要確保密封良好。
。開動攪拌器，瓶外用冷水浴(溫度0～10℃)冷卻。
(2) 酯化反應
通過滴液漏鬥慢慢滴加11g(0.11mol)98%(質量分數)濃硫酸
硫酸的腐蝕性很強，使用時應戴上橡膠手套。
，控製滴加的速度，使反應保持在30～35℃的溫度下進行
溫度高時酸式硫酸酯可能分解。
。加完濃硫酸後繼續在30~35℃下攪拌60min，得到的酸式硫酸酯密封備用。
(3) 中和反應
在燒杯內加入18mL 30%氫氧化鈉水溶液
氫氧化鈉用量不宜過多，以防產物pH值過高，寧可中和後再補充。
，杯外用冷水浴冷卻，攪拌下將以上製得的酸式硫酸酯慢慢加入其中。中和反應控製在50℃以下
避免酸式硫酸酯在高溫下發生水解。
進行並使反應液保持在堿性範圍內
產物在弱酸性和弱堿性介質中都是比較穩定的，由於在堿性條件下具有較好的使用性能，因此必須保證中和完全。
。加料完畢pH值應為8～9，必要時可用30%氫氧化鈉溶液調整溶液的酸堿性。加入約0.5g 30%雙氧水攪拌漂白 30min，得到稠厚的十二醇硫酸鈉漿液
也可將漿狀產物鋪開自然風幹，留待下次實驗時再稱量。。
(4) 幹燥
將上述漿液移入蒸發皿，在蒸氣浴上或烘箱內烘幹，壓碎後即得到白色顆粒狀或粉狀的十二醇硫酸鈉，稱重、烘幹，計算收率
由於中和前未將反應混合物中的H2SO4分離出去，最後產物中混有Na2SO4等雜質，造成收率超過理論值。這些無機物的存在對產物的使用性能一般無不良影響，相反還起到一定的助洗作用。微量未轉化的十二醇也有柔滑作用。
，測定其含固量、表麵張力及泡沫性能。
【表征】
HPLC：色譜柱：ODS C18(5mm,4.6mm×250mm)：柱溫：35℃，流動相：甲醇∶超純水=55∶45，流速:1.0mL\/min；檢測器溫度：35℃；進樣量：20mL，保留時間：13.6min。
IR(KBr壓片)：2955.43~2861.66cm-1(飽和烴基C—H伸縮振動)，1467.55cm-1 (硫酸酯鹽—O—SO2—O—反對稱振動)，1227.47cm-1(硫酸酯鹽C=S伸縮振動)，1085.12cm-1(硫酸酯鹽S=O伸縮振動)，837.25cm-1(C—S伸縮振動)。1H—NMR(DMSOd6為溶劑，TMS為內標)，δH(ppm)：3.697(2H，—CH2OSO3)，1.480(2H，—CH2CH2OSO3Na)，1.25(18H，—(CH2)9CH3)，0.857(3H，—CH3)。