NMR定量技術在教學實驗中的運用

梁向暉, 毛秋平, 牛君濤, 王婷婷

(華南理工大學 化學與化工學院, 廣東省功能分子工程重點實驗室, 廣東 廣州 510640)

苯甲醇也稱芐醇,是具有微弱芳香氣味的無色透明液體。苯甲醇作為藥用輔料,主要用作防腐劑、抑菌劑,應用于液體制劑及半固體制劑[1-3]。本品的現(xiàn)行標準為《中國藥典》2015年版四部[4],為藥用輔料品種,藥典中含量測定采用氣相色譜法,按外標法以峰面積計算,該方法準確性易受進樣重復性和實驗條件穩(wěn)定性的影響。核磁共振技術在生物醫(yī)藥、化學化工以及地質(zhì)地理方面起著難以替代的作用[5-7]。氫核磁共振定量技術已經(jīng)被包括《中國藥典》在內(nèi)的各大藥典收載[8-10],與傳統(tǒng)定量方法相比,具有不可比擬的優(yōu)勢,如無須待測物對照品、測定快速準確、專屬性強、不破壞樣品等,現(xiàn)已在醫(yī)藥、化學、食品、生命及農(nóng)業(yè)等多個領域得到廣泛應用[11-13]。

有機化學實驗Ⅲ是我院為化學創(chuàng)新班、應用化學專業(yè)學生而開設的專業(yè)實驗課程,所開設的實驗項目涵蓋了有機化學所涉及的主要反應類型,如Cannizzaro歧化反應、perkin反應、酯化反應等,符合化學和應用化學專業(yè)的學生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)要求。這些經(jīng)典反應缺少產(chǎn)物的定量分析,為此將核磁共振定量技術引入有機化學實驗經(jīng)典反應中,建立核磁內(nèi)標法,以硝基苯為內(nèi)標物測定苯甲醇的含量。該方法簡便,快速、靈敏、準確,結果較滿意。

1 實驗原理

Cannizzaro歧化反應制備苯甲醇的原理見圖1。

圖1 Cannizzaro歧化反應制備苯甲醇原理

2 儀器、試劑與實驗條件

2.1 儀器與試劑

儀器: 核磁共振儀(400 瑞士布魯克),IKA磁力攪拌器,分析天平(賽多利斯),旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,移液槍(10～100 mL),分液漏斗,錐形瓶,分液漏斗,圓底燒瓶。

試劑:無特別說明所用試劑均為AR級,氫氧化鈉,苯甲醛,乙酸乙酯,甲基叔丁基醚,蒸餾水,飽和亞硫酸氫鈉溶液(現(xiàn)配),10%碳酸鈉溶液(現(xiàn)配),無水硫酸鎂,硝基苯,氘代氯仿(CIL)。

2.2 核磁共振儀分析條件

測定溫度 25 ℃, 觀察頻率 400.13 MHz ,譜寬 8012.82 Hz , 90°脈沖寬度 14.55 μs,采集時間4.09 s,脈沖延遲時間1 s,累加次數(shù)16,數(shù)據(jù)分析使用Mestrenova(5.3.1版)軟件。

3 實驗

(1) 常溫久置法制備苯甲醇[14]。取2只干凈錐形瓶,分別加入NaOH 5.6 g(粗稱),用6 mL水溶解；冰水浴,冷卻后分別加入苯甲醛6.3666 g(精稱0.06 mol,分3次加入),每加入一次輕輕搖晃混合均勻，然后用膠塞密封好后放置1周。

1周后向2只錐形瓶中分別加入20 mL水、加熱溶解,冷卻后倒入分液漏斗中,用80 mL的乙酸乙酯進行萃取分液；然后分別再用6 mL飽和亞硫酸氫鈉、10 mL 10%的碳酸鈉、10 mL的飽和食鹽水洗滌,分離出油層,用無水硫酸鎂干燥；然后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將萃取劑乙酸乙酯蒸干,得到苯甲醇粗品。

加入與苯甲醛等物質(zhì)的量的內(nèi)標(硝基苯)混勻后用移液槍取100 mL加入到核磁管中,并補充400 mL氘代氯仿,搖勻做1H-NMR,并根據(jù)峰面積之比算出核磁產(chǎn)率。

(2) 加熱(短時)法制備苯甲醇。向50 mL圓底燒瓶加入5.6 g(粗稱)的氫氧化鈉,加入20 mL的蒸餾水混合均勻,冷卻至室溫后得堿液；再向燒瓶中加入6.366 6 g(精稱0.06 mol)的分析純苯甲醛；加入攪拌子后油浴加熱、磁力攪拌,回流約30 min；加熱完畢后趁熱倒至分液漏斗中,并向分液漏斗中加入30 mL的乙酸乙酯,再用40 mL左右的乙酸乙酯將反應燒瓶中殘留的反應液洗滌干凈,洗滌液倒入分液漏斗中合并；加入冷水15 mL,用力搖晃洗滌,然后靜置分液；最后分別依次用6 mL飽和亞硫酸氫鈉、10 mL 10%碳酸鈉、10 mL飽和食鹽水洗滌；分離出油層,用無水硫酸鎂干燥,過濾,取濾液的五分之一用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將萃取劑蒸干,得到苯甲醇粗品；加入五分之一苯甲醛物質(zhì)的量的內(nèi)標(硝基苯)混合均勻后,用移液槍取100 mL加入到核磁管中,并補充400 mL氘代氯仿,搖勻做1H-NMR,并根據(jù)峰面積之比算出核磁產(chǎn)率。

(3) 探索苯甲醛原料的處理對產(chǎn)率的影響。

① 采用減壓蒸餾裝置,對分析純的苯甲醛進行重蒸。

② 對購買的分析純的苯甲醛與重蒸后的苯甲醛分別加入等物質(zhì)的量的硝基苯進行核磁共振氫譜的測試。

(4) 探索不同制備條件對產(chǎn)物的影響。分別以不同的萃取劑、反應時間、溫度進行實驗。

① 探索萃取劑對反應的影響。除萃取劑分別用甲基叔丁基醚和乙酸乙酯外,按步驟(1)進行操作。

② 探索加熱法的反應時間對產(chǎn)物產(chǎn)率的影響。除反應時間分別用10 、20、30、40 min外,按步驟(2)進行操作。

③ 探索溫度對產(chǎn)物的影響。常溫放置實驗按步驟(1)進行操作；油浴加熱磁力攪拌30 min按步驟(2)進行操作。

(5) 產(chǎn)物的核磁產(chǎn)率計算。加入硝基苯(內(nèi)標)于粗產(chǎn)物中,再加入適量氘代氯仿作為溶劑混合均勻,將溶液轉(zhuǎn)移入核磁管,進行核磁共振氫譜定量分析,計算產(chǎn)率。計算公式:

ω為苯甲醇的核磁產(chǎn)率；As為苯甲醇的苯環(huán)鄰位的氫的峰面積；Ar為硝基苯的苯環(huán)鄰位的氫的峰面積；nr為硝基苯的物質(zhì)的量；ns為苯甲醛的物質(zhì)的量。

4 結果與討論

4.1 原料的純度對產(chǎn)品產(chǎn)率的影響

苯甲醛是具有苦杏仁氣味的無色液體,空氣中極易被氧化生成白色苯甲酸。為此對原料苯甲醛進行了核磁氫譜定量分析,結果見圖2,化學位移δ=9.99 ppm峰為苯甲醛的醛基的氫,δ=8.15和δ=8.17 ppm的雙峰為硝基苯的鄰位的氫,δ=7.86和δ=7.84 ppm的雙峰為苯甲醛的鄰位的氫。由苯環(huán)上的氫進行定量分析可以得出,未重蒸的苯甲醛的濃度達到了重蒸的98.35%。因此得出結論,分析純的苯甲醛較為純凈,并沒有發(fā)生明顯的變質(zhì)現(xiàn)象,可以采用分析純的苯甲醛進行苯甲醇的制備實驗。

圖2 苯甲醛NMR氫譜定量圖

4.2 萃取劑對反應的影響

從經(jīng)濟成本和萃取劑的毒性考慮, 常溫久置法制備苯甲醇采用乙酸乙酯替代實驗教材的甲基叔丁基醚(3類致癌物)。實驗結果見表1和圖3。實驗結果表明:乙酸乙酯是更好的萃取劑。

表1 不同萃取劑下苯甲醇的產(chǎn)率

圖3 不同萃取劑萃取的苯甲醇的NMR氫譜

4.3 反應時間對加熱回流法產(chǎn)率的影響

通過改變反應時間,用核磁定量的方法測量苯甲醇的產(chǎn)率,結果見表2。測量結果表明,反應時間越長,反應進行的越完全,產(chǎn)率越高；但增大到一定程度后,生成的苯甲醇會繼續(xù)氧化,使產(chǎn)率下降,因此最佳的反應時間為30 min。圖4給出了反應時間為10 min和30 min的苯甲醇的NMR氫譜。

表2 不同反應時間下苯甲醇的產(chǎn)率

圖4 反應時間為10 min和30 min的苯甲醇的NMR氫譜

4.4 探索溫度對反應時長的影響

常溫放置1周或者加熱回流30 min所得的產(chǎn)率相差不大,其中加熱回流的產(chǎn)率高些,見表3。由于短的反應時間,有利于學生利用有限的課堂時間完成整個實驗,更符合教學需要。因此采用加熱回流的方式進行實驗更好。

表3 不同溫度對苯甲醇產(chǎn)率的影響

5 結語

實驗改進后,反應時間較短,粗產(chǎn)物后處理簡便,產(chǎn)率較高，符合“綠色化學”的要求,是一個集試劑提純、產(chǎn)品制備、表征為一體的綜合型有機化學實驗。將綠色化學理念貫穿實驗教學,指導學生學會有機實驗常用的基本操作,學習一些典型有機化合物的制備方法，進一步培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng),實事求是的工作作風,培養(yǎng)學生實驗的設計能力。