CN110320310B - 一种在线监测异构化动力学的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可在线监测异构化动力学的方法,该方法涉及装置是由第一泵、进样器、第一色谱柱、第一低温控制柱温箱、三通阀、六通阀、定量环、柱温箱、第一六通阀连接孔、第二六通阀连接孔、第三六通阀连接孔、第四六通阀连接孔、第五六通阀连接孔、第六六通阀连接孔、六通阀流出孔、手柄、第二泵、第一紫外检测器、第二低温控制柱温箱、第二色谱柱和第二紫外检测器组成,该方法基于阀切换技术和低温色谱技术相结合,在以定量环对样品在固定条件下进行储存,有效实现了单一异构体的转换速率的动力学在线监测,为异构化反应的研究提供了简便而可靠的方法,具有较强的科研价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种在线监测异构化动力学的方法。
背景技术
同分异构体自然界中广泛存在的,分子量相同,结构不相同的化合物。同分异构体的种类繁多,其中有几类特殊的结构,如某些差向异构体和顺反异构体,在一定条件下可以相互转化。而很多情况下,异构体间的功能性质并不完全相同,化学家们往往需要根据其在特定条件下研究其转换的动力学问题和热力学问题,从而对其异构化的比例实现人为的控制,以达到理想的效果。其中,转化反应的正负反应速率常数的测定,同时涉及到动力学和热力学两个问题,其相关研究具有十分重要的意义。
目前,可转换的异构体间的正负反应速率常数的测定,主要由动力学反应色谱法,核磁滴定法,旋光度测定法等。动力学反应色谱法的主要原理是在色谱图上记录得到异构体的色谱峰高、峰宽、色谱峰塔板数以及异构体双峰间平台的高度等,结合流动相的线速度,通过统计学数学模型进行模拟,得到一个反应速率的估计值。其操作较为简单,然而,数学模型往往会有一定的误差,因此通常只能作为一个参考值。此外,模拟过程的数据处理较为繁琐。而核磁滴定法和旋光度测定法也都是通过对异构体在特定环境下的精密测定,然后结合动力学速率方程的规律,拟合出转化能及正负反应速率。同样,这两种方法的一个致命的问题在于只能测定一定比例的混合物的转化速率,而不能测定单个异构体的转换速率,因而带来了结果一定程度上的失真。而且核磁滴定操作繁琐,价格又较为昂贵,因此限制了其广泛的应用。除上述三种方法以外,有文献提出,异构体的转换速率和温度高度相关。温度越低,转换越慢。因此,有相关文献则基于这个原理,通过液相色谱将单个异构体峰切下,通过低温进行保存,阻止其动态转换。然后,将液相色谱的柱温调至低水平以保证异构体在柱上不转换。最后,将低温保存的样品重新进样至低温液相色谱上,进行测定异构体的比例。调整样品的保存温度,pH或其他影响其转换效率的环境条件,测定其在不同时间点(t)的异构体占比χ,并通过χ-t曲线,准确拟合出反应的速率。这种方法可以获得单一异构体异构化早期时的数据,提高了拟合的准确性,是一种较为可靠的测定方法。然而,仍然具有一定的局限性。首先,过程较为繁琐。整个动力学测定过程经历了峰切割-储存转化-再分析的过程,整个都是手动操作的过程。而样品手动转移的过程,样品势必经历脱离储存条件的环境条件,造成非固定条件的转换误差,这种误差是难以解决的。对于那些转换能较小的异构体来说,无疑是非常致命的。因此,针对这个弱点研发出新的反应动力学色谱仪器用于准确监测异构体转换速率的动力学,具有十分重要的意义。
阀切换(Valve-switching)技术作为一种化工上常用的流路改造技手段,目前已被广泛应用在液相色谱的功能改造上。其贡献主要体现在液相组分分割的在线(On-line)切换和多维色谱联用进行功能扩展上。其主要原理是通过阀门的开关,改变液相色谱中流动相的流路方向至另一台液相色谱中流动相流动方向。通过和捕集柱或定量环(Loop-cycle)结合,就可以实现单一组分在另一液相色谱的再分离,即多维色谱的概念。假设将异构体进样至液相色谱中,至单一异构体峰处进行阀切换,将样品储存在定量环中。通过对样品中定量环的温度的控制,经过不同时间点,开启第二维液相色谱的流速,将定量环中的样品反冲至第二维的色谱柱中。而第二维的色谱柱的温度控制在异构化可被抑制的程度,这样,可以真实反映出异构体的真实比例。这种阀切换技术可以实现在线的峰储存,避免了样品转移带来的环境变动,可顺利解决上述反应动力学色谱的遗留问题。整个发明的关键点就是在于阀切换技术和低温技术相结合,以及定量环的样品储存及环境改变的外部可控性,实现异构化速率的在线精准监控,这对异构体的深入研究,具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种在线监测异构化动力学的方法,该方法涉及装置是由第一泵、进样器、第一色谱柱、第一低温控制柱温箱、三通阀、六通阀、定量环、柱温箱、第一六通阀连接孔、第二六通阀连接孔、第三六通阀连接孔第四六通阀连接孔、第五六通阀连接孔、第六六通阀连接孔、六通阀流出孔、手柄、第二泵、第一紫外检测器、第二低温控制柱温箱、第二色谱柱和第二紫外检测器组成,本发明所述方法,主要是基于阀切换技术和低温色谱技术相结合,在以定量环对样品在固定条件下进行储存,有效实现了单一异构体的转换速率的动力学在线监测。所述方法中涉及的装置设计,为异构化反应的研究提供了简便而可靠的方法。亦具有重要的学术价值。以安石榴苷为标记物,对装置的功能进行了调试,充分展现了装置和方法上的优越性,所得安石榴苷异构化速率动力学研究结果,为安石榴苷的异构化研究提供了理论支撑。
本发明所述的一种在线监测异构化动力学的方法,该方法涉及装置是由第一泵(1)、进样器(2)、第一色谱柱(3)、第一低温控制柱温箱(4)、三通阀(5)、六通阀(6)、定量环(7)、柱温箱(8)、第一六通阀连接孔(9)、第二六通阀连接孔(10)、第三六通阀连接孔(11)第四六通阀连接孔(12)、第五六通阀连接孔(13)、第六六通阀连接孔(14)、六通阀流出孔(15)、手柄(16)、第二泵(17)、第一紫外检测器(18)、第二低温控制柱温箱(19)、第二色谱柱(20)和第二紫外检测器(21)组成,进样器(2)一端与第一泵(1)连接,进样器(2)的另一端与第一色谱柱(3)连接,第一色谱柱(3)的另一端通过三通阀(5)分别与六通阀(6)中的第六六通阀连接孔(14)和第二紫外检测器(21)连接,在第一色谱柱(3)的外围设有第一低温控制柱温箱(4),第二色谱柱(20)一端与六通阀(6)中的第二六通阀连接孔(10)连接,第二色谱柱(20)的另一端与第一紫外检测器(18)连接,在第二色谱柱(20)的外围设有第二低温控制柱温箱(19),第二泵(17)一端与六通阀(6)中的第三六通阀连接孔(11)连接,定量环(7)的一端与六通阀(6)中的第一六通阀连接孔(9)连接,定量环(7)的另一端与六通阀(6)中的第四六通阀连接孔(12)连接,在定量环(7)的外围设有柱温箱(8),在六通阀(6)上设有六通阀流出孔(15),手柄(16)与六通阀流出孔(15)连接,具体操作按下列步骤进行:
a、将第一色谱柱(1)和第二色谱柱(20)分别通过六通阀中的第六六通阀连接孔(14)和第二六通阀连接孔(10)进行连接,第一色谱柱(1)和第二色谱柱(20)通过第一低温温控柱温箱(4)和第二低温控制柱温箱(19)将柱温控制在低温环境下,将定量环(7)置于可程序升温的数字恒温箱(8)中用于控制定量环(7)中样品的异构化温度;
b、称取10mg石榴皮提取物,溶于1mL水,过孔径为0.22微米水相滤头,将定量环(7)温度控制在70℃,保持六通阀(6)中手柄(16)朝上,待第一色谱柱(1)和第二色谱柱(20)平衡完毕后,将石榴皮提取物样品通过进样器(2)进样至第一色谱柱(3)中,通过第二紫外检测器(21)检测,待石榴皮提取物样品种α安石榴苷的色谱峰出现时,待定量环(7)充满α安石榴苷单一异构体后,停第一色谱柱(1)的流速,记录异构化时间,达到异构化时间点后,扳动手柄(16),通过第二泵(17)将定量环(7)中已经异构化过的α安石榴苷单一异构体组分反冲至平衡好的第二色谱柱(20),分析α安石榴苷和β安石榴苷两个异构体的比例,如此循环操作,得到不同转换时间点下的α安石榴苷在安石榴苷总面积,即α安石榴苷和β安石榴苷的色谱峰面积总和中的占比χα,并作χα(%)-t曲线,通过伪一级动力学模型准确拟合出异构化反应的速率常数kα-β以及异构化平衡时的α安石榴苷的比例同理,通过液相色谱的紫外检测器检测待β安石榴苷的色谱峰出现时,待定量环(7)充满β安石榴苷单一异构体后,停第二色谱柱(20)的流速,记录异构化时间,得到不同转换时间点下的β安石榴苷在安石榴苷总面积,即α安石榴苷和β安石榴苷的色谱峰面积总和中的占比χβ,并作χβ(%)-t曲线,通过伪一级动力学模型准确拟合出异构化反应的速率常数kβ-α以及异构化平衡时的β安石榴苷的比例
本发明所述的一种在线监测异构化动力学的方法,并应用于安石榴苷的异构化反应速率动力学测定,按下列步骤进行:
a、基于二维色谱的流路切换原理及低温液相色谱技术,将两个独立的高效液相色谱仪通过六通阀(6)进行连接,阀门上连接有用来储存组分液的定量环(7)并将其置于可程序升温的数字恒温箱中,该恒温箱用于控制定量环中样品的异构化温度,分别将第一色谱柱(3)和第二色谱柱(20)通过第一低温温控柱温箱(4)和第二低温温控柱温箱(19)将柱温控制在低温环境下(异构体异构化速率较慢的温度,即异构体峰间平台高度几乎为0);流路通过六通阀(6)的扳手(16)进行切换,扳动手柄(16)改变流路,可以实现将定量环(7)中储存的样品反冲进样至第二维液相色谱进行分离检测;对液相色谱柱温的控制,不仅要对色谱柱(1)施行低温控制,还应包括第一色谱柱(1)到六通阀(6)之间的连接管路施行低温控制,以消除这部分管路与外环境接触造成的异构化效应,同理,需要对六通阀(6)至第二色谱柱(20)之间的管道进行低温控制,以防止所得组分在这段管段中异构转换;
b、称取10mg石榴皮提取物,溶于1mL水,过孔径为0.22微米水相滤头,保持六通阀(6)中扳动的手柄(16)朝上,待柱平衡完毕后,通过进样器(2)进样至第一色谱柱(3)中(安石榴苷异构体可顺利分开的低温条件),通过第二紫外检测器(21)检测,待石榴皮提取物中α安石榴苷的色谱峰出现时,待定量环(7)充满α安石榴苷单一异构体后,停第一台液相色谱的流速,记录异构化时间;达到异构化时间点后,扳动手柄(16),通过第二泵(17)将定量环(7)中已经异构化过的α安石榴苷单一异构体组分反冲至平衡好的第二色谱柱(20)(安石榴苷异构体可顺利分开的低温条件),分析α安石榴苷和β安石榴苷两个异构体的比例;如此循环操作,得到不同转换时间点下的α安石榴苷在安石榴苷总面积(即α安石榴苷和β安石榴苷的色谱峰面积和)中的占比χα,并作χα(%)-t曲线,通过伪一级动力学模型准确拟合出异构化反应的速率常数kα-β以及异构化平衡时的α安石榴苷的比例同理,通过第二液相色谱的紫外检测器(18)检测,待β安石榴苷的色谱峰出现时,待定量环(7)充满β安石榴苷单一异构体后,停第二色谱柱(20)的流速,记录异构化时间,得到不同转换时间点下的β安石榴苷在安石榴苷总面积(即α安石榴苷和β安石榴苷的色谱峰面积和)中的占比χβ,并作χβ(%)-t曲线,通过伪一级动力学模型准确拟合出异构化反应的速率常数kβ-α以及异构化平衡时的β安石榴苷的比例
步骤b中将安石榴苷异构化测定的方法,需要第一色谱柱(3)中的流动相的洗脱强度等于或低于第二色谱柱(20)中的流动相,以避免定量环(7)反冲进样时的溶剂效应带来的检测误差;α安石榴苷的异构化动力学公式符合β安石榴苷的异构化动力学公式符合
本发明所述的一种在线监测异构化动力学的方法,该方法基于二维色谱的阀控定量环反冲进样技术和低温环境下的液相色谱技术相结合,从而实现了对异构体间相互转化的动力学的实时监测。以安石榴苷为代表性化合物,通过调整优化色谱温度,溶剂等关键因素,测定了安石榴苷两个异构体间相互转换动力学速率。研制的装置通过简单的阀切换技术和低温色谱技术就实现了异构体的在线监测,相较于核磁监测的复杂性和高成本,以及普通动力学液相色谱应用中模型模拟带来的高误差,实现了精准的在线异构化动力学测试,具有较强的科研价值。
本发明所述的一种可在线监测异构化动力学的方法,以安石榴苷为标记物,对装置的功能进行了调试,充分展现了装置设计和方法上的优越性。本发明所述方法,主要是基于阀切换技术和低温色谱技术相结合,在以定量环对样品在固定条件下进行储存,有效实现了单一异构体的转换速率的动力学在线监测。为异构化反应的研究提供了简便而可靠的方法。亦具有重要的学术价值。所得安石榴苷异构化动力学研究结果,为安石榴苷的异构化研究提供了理论支撑。
附图说明
图1为本发明涉及的装置的示意图;
图2为本发明直接测定安石榴苷异构化色谱示意图;
图3为本发明测定的温度分别为37.5℃、50℃、70℃下β安石榴苷转化为α安石榴苷的异构化动力学曲线;
图4为本发明测定的温度分别为37.5℃、50℃、70℃下α安石榴苷转化为β安石榴苷的异构化动力学曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步详细阐述本发明。
实施例
本发明所述的一种在线监测异构化动力学的方法,该方法涉及装置是由第一泵1、进样器2、第一色谱柱3、第一低温控制柱温箱4、三通阀5、六通阀6、定量环7、柱温箱8、第一六通阀连接孔9、第二六通阀连接孔10、第三六通阀连接孔11、第四六通阀连接孔12、第五六通阀连接孔13、第六六通阀连接孔14、六通阀流出孔15、手柄16、第二泵17、第一紫外检测器18、第二低温控制柱温箱19、第二色谱柱20和第二紫外检测器21组成如图1所示,进样器2一端与第一泵1连接,进样器2的另一端与第一色谱柱3连接,第一色谱柱3的另一端通过三通阀5分别与六通阀6中的第六六通阀连接孔14和第二紫外检测器21连接,在第一色谱柱3的外围设有第一低温控制柱温箱4,第二色谱柱20一端与六通阀6中的第二六通阀连接孔10连接,第二色谱柱20的另一端与第一紫外检测器18连接,在第二色谱柱20的外围设有第二低温控制柱温箱19,第二泵17一端与六通阀6中的第三六通阀连接孔11连接,定量环7的一端与六通阀6中的第一六通阀连接孔9连接,定量环7的另一端与六通阀6中的第四六通阀连接孔12连接,在定量环7的外围设有柱温箱8,在六通阀6上设有六通阀流出孔15,手柄16与六通阀流出孔15连接,具体操作按下列步骤进行:
a、将第一色谱柱3的类型选择为华谱C18色谱柱,规格为长100毫米,直径2.1毫米,填料粒径10微米,第二色谱柱20的类型选择为Phenomenex C18色谱柱,规格为250毫米,直径4.6毫米,填料粒径5微米;将第一色谱柱3和第二色谱柱20分别通过六通阀6中的第六六通阀连接孔14和第二六通阀连接孔10进行连接,第一色谱柱3和第二色谱柱20通过第一低温温控柱温箱4和第二低温控制柱温箱19将柱温控制在低温环境下,将定量环7置于可程序升温的数字恒温箱8中用于控制定量环7中样品的异构化温度;
b、保持的手柄16朝上,通过第一泵1控制流动相为体积比5:95的甲醇-0.1%甲酸水,流速1.0mL/min,通过第一低温控制柱温箱4将第一色谱柱3的柱温调节为16℃,检测波长254nm,平衡第一色谱柱3 15min,通过第二泵17控制流动相为体积比30:70的甲醇-0.1%甲酸水,流速0.6mL/min,通过第二低温控制柱温箱19将第二色谱柱20的柱温调节为-2℃,检测波长254nm,平衡第二色谱柱20 15min;数字恒温箱8控制定量环7的温度为70℃,称取10mg石榴皮提取物,溶于1mL水中,用0.22微米的水膜滤头,量取100μL样品进样,使用色谱工作站实施色谱图采集;待α安石榴苷色谱峰出现(图2(a)所示),通过色谱工作站控制液相色谱的流速为0,待样品在定量环7中储存5min、10min、15min、25min、40min、60min、90min,110min、130min,扳下扳手16,控制第一紫外检测器18的色谱工作站实施色谱图采集(见图2(b)),计算各存储时间下α安石榴苷相对于安石榴苷总面积(α安石榴苷与β安石榴苷面积之和)的占比χα,舍弃掉偏差较大的数据点,作χα(%)-t曲线,并通过伪一级动力学公式模拟,得出温度70℃下在体积比5:95的甲醇-0.1%甲酸水条件下α-安石榴苷转化向β安石榴苷的速率常数kα-β及平衡时α安石榴苷占比维持上述色谱条件不变,待第一维色谱图中β安石榴苷色谱峰出现(图2(c)所示),通过色谱工作站控制液相色谱的流速为0,待样品在定量环7中储存5min、10min、15min、25min、40min、60min、90min,110min、130min,扳动手并16,控制第二紫外检测器21的色谱工作站实施色谱图采集(见图2(d)),计算各存储时间下β安石榴苷和α安石榴苷的面积,计算β安石榴苷在安石榴苷总面积中的占比χβ,舍弃掉偏差较大的数据点,并作χβ(%)-t曲线,并通过伪一级动力学公式 模拟,得出温度70℃下在体积比5:95的甲醇-0.1%甲酸水条件下β安石榴苷转化向α安石榴苷的速率常数kβ-α及平衡时β安石榴苷相对于安石榴苷总面积的占比
调整数字恒温箱8将定量环7的温度控制在50℃,维持上述所有条件不变,按上述温度70℃下χβ(%)-t曲线测定时所用的方法步骤测出β安石榴苷相对于安石榴苷总面积的占比随时间变化的χβ(%)-t曲线,通过伪一级动力学公式模拟出速率常数kβ-α及最终β安石榴苷占比同理,按上述温度70℃下χα(%)-t曲线测定时所用的方法步骤测出温度50℃下α安石榴苷相对于安石榴苷总面积的占比随时间变化的χα(%)-t曲线,通过伪一级动力学公式模拟出速率常数kα-β及最终α安石榴苷相对于安石榴苷总面积的占比再调整数字恒温箱8将定量环7的温度控制在37.5℃,维持上述色谱条件不变,按上述温度70℃下χβ(%)-t曲线测定时所用的方法步骤测出测出温度37.5℃下β安石榴苷相对于安石榴苷总面积的占比随时间变化的χβ(%)-t曲线,通过伪一级动力学公式模拟出速率常数kβ-α及平衡时β安石榴苷相对于安石榴苷总面积的占比同时,按上述温度70℃下χα(%)-t曲线测定时所用的方法步骤测出测出温度37.5℃下α安石榴苷相对于安石榴苷总面积随时间变化的χα(%)-t曲线,通过伪一级动力学公式模拟出速率常数kα-β及平衡时α安石榴苷相对于安石榴苷总面积的占比图3显示了温度分别为37.5℃、50℃、70℃下β安石榴苷异构化至α安石榴苷的动力学检测,其中数据点为搭建仪器监测得到的真实数据,穿插其中的平滑曲线为伪一级动力学模拟得到的β安石榴苷异构化曲线;图4显示了温度分别为37.5℃、50℃、70℃下α安石榴苷异构化至β安石榴苷的动力学检测,其中数据点为搭建仪器监测得到的真实数据,穿插其中的平滑曲线为伪一级动力学模拟得到的α安石榴苷异构化曲线见表1;
表1不同温度下α安石榴苷和β安石榴苷平衡时异构体占比及安石榴苷转化速率常数
表1分别显示了α安石榴苷和β安石榴苷在温度37.5℃、50℃和70℃下异构化达到平衡时的占比及转换速率常数;模拟的相关性系数(R2)均高于0.98,显示测定模拟结果真实准确,表明该方法的性能及稳定性较好,在异构化测定方面显示出了一定的优势。
Claims (1)
1.一种在线监测异构化动力学的方法,其特征在于该方法使用的装置是由第一泵(1)、进样器(2)、第一色谱柱(3)、第一低温控制柱温箱(4)、三通阀(5)、六通阀(6)、定量环(7)、数字恒温箱(8)、第一六通阀连接孔(9)、第二六通阀连接孔(10)、第三六通阀连接孔(11)第四六通阀连接孔(12)、第五六通阀连接孔(13)、第六六通阀连接孔(14)、六通阀流出孔(15)、手柄(16)、第二泵(17)、第一紫外检测器(18)、第二低温控制柱温箱(19)、第二色谱柱(20)和第二紫外检测器(21)组成,进样器(2)一端与第一泵(1)连接,进样器(2)的另一端与第一色谱柱(3)连接,第一色谱柱(3)的另一端通过三通阀(5)分别与六通阀(6)中的第六六通阀连接孔(14)和第二紫外检测器(21)连接,在第一色谱柱(3)的外围设有第一低温控制柱温箱(4),第二色谱柱(20)一端与六通阀(6)中的第二六通阀连接孔(10)连接,第二色谱柱(20)的另一端与第一紫外检测器(18)连接,在第二色谱柱(20)的外围设有第二低温控制柱温箱(19),第二泵(17)一端与六通阀(6)中的第三六通阀连接孔(11)连接,定量环(7)的一端与六通阀(6)中的第一六通阀连接孔(9)连接,定量环(7)的另一端与六通阀(6)中的第四六通阀连接孔(12)连接,在定量环(7)的外围设有数字恒温箱(8),在六通阀(6)上设有六通阀流出孔(15),手柄(16)与六通阀流出孔(15)连接,具体操作按下列步骤进行:
a、将第一色谱柱(3)和第二色谱柱(20)分别通过六通阀中的第六六通阀连接孔(14)和第二六通阀连接孔(10)进行连接,第一色谱柱(3)和第二色谱柱(20)通过第一低温温控柱温箱(4)和第二低温控制柱温箱(19)将柱温控制在低温环境下,将定量环(7)置于可程序升温的数字恒温箱(8)中用于控制定量环(7)中样品的异构化温度;
b、称取10mg石榴皮提取物,溶于1mL水,过孔径为0.22微米水相滤头,将定量环(7)温度控制在70℃,保持六通阀(6)中手柄(16)朝上,待第一色谱柱(3)和第二色谱柱(20)平衡完毕后,将石榴皮提取物样品通过进样器(2)进样至第一色谱柱(3)中,通过第二紫外检测器(21)检测,待石榴皮提取物样品种α安石榴苷的色谱峰出现时,待定量环(7)充满α安石榴苷单一异构体后,停第一色谱柱(3)的流速,记录异构化时间,达到异构化时间点后,扳动手柄(16),通过第二泵(17)将定量环(7)中已经异构化过的α安石榴苷单一异构体组分反冲至平衡好的第二色谱柱(20),分析α安石榴苷和β安石榴苷两个异构体的比例,如此循环操作,得到不同转换时间点下的α安石榴苷在安石榴苷总面积,即α安石榴苷和β安石榴苷的色谱峰面积总和中的占比χα,并作χα(%)-t曲线,通过伪一级动力学模型准确拟合出异构化反应的速率常数kα-β以及异构化平衡时的α安石榴苷的比例同理,通过液相色谱的第二紫外检测器(21)检测,待β安石榴苷的色谱峰出现时,待定量环(7)充满β安石榴苷单一异构体后,停第二色谱柱(20)的流速,记录异构化时间,得到不同转换时间点下的β安石榴苷在安石榴苷总面积,即α安石榴苷和β安石榴苷的色谱峰面积总和中的占比χβ,并作χβ(%)-t曲线,通过伪一级动力学模型准确拟合出异构化反应的速率常数kβ-α以及异构化平衡时的β安石榴苷的比例
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