NMR定量技术在教学实验中的运用

梁向晖, 毛秋平, 牛君涛, 王婷婷

(华南理工大学 化学与化工学院, 广东省功能分子工程重点实验室, 广东 广州 510640)

苯甲醇也称苄醇,是具有微弱芳香气味的无色透明液体。苯甲醇作为药用辅料,主要用作防腐剂、抑菌剂,应用于液体制剂及半固体制剂[1-3]。本品的现行标准为《中国药典》2015年版四部[4],为药用辅料品种,药典中含量测定采用气相色谱法,按外标法以峰面积计算,该方法准确性易受进样重复性和实验条件稳定性的影响。核磁共振技术在生物医药、化学化工以及地质地理方面起着难以替代的作用[5-7]。氢核磁共振定量技术已经被包括《中国药典》在内的各大药典收载[8-10],与传统定量方法相比,具有不可比拟的优势,如无须待测物对照品、测定快速准确、专属性强、不破坏样品等,现已在医药、化学、食品、生命及农业等多个领域得到广泛应用[11-13]。

有机化学实验Ⅲ是我院为化学创新班、应用化学专业学生而开设的专业实验课程,所开设的实验项目涵盖了有机化学所涉及的主要反应类型,如Cannizzaro歧化反应、perkin反应、酯化反应等,符合化学和应用化学专业的学生能力和素质的培养要求。这些经典反应缺少产物的定量分析,为此将核磁共振定量技术引入有机化学实验经典反应中,建立核磁内标法,以硝基苯为内标物测定苯甲醇的含量。该方法简便,快速、灵敏、准确,结果较满意。

1 实验原理

Cannizzaro歧化反应制备苯甲醇的原理见图1。

图1 Cannizzaro歧化反应制备苯甲醇原理

2 仪器、试剂与实验条件

2.1 仪器与试剂

仪器: 核磁共振仪(400 瑞士布鲁克),IKA磁力搅拌器,分析天平(赛多利斯),旋转蒸发仪,移液枪(10～100 mL),分液漏斗,锥形瓶,分液漏斗,圆底烧瓶。

试剂:无特别说明所用试剂均为AR级,氢氧化钠,苯甲醛,乙酸乙酯,甲基叔丁基醚,蒸馏水,饱和亚硫酸氢钠溶液(现配),10%碳酸钠溶液(现配),无水硫酸镁,硝基苯,氘代氯仿(CIL)。

2.2 核磁共振仪分析条件

测定温度 25 ℃, 观察频率 400.13 MHz ,谱宽 8012.82 Hz , 90°脉冲宽度 14.55 μs,采集时间4.09 s,脉冲延迟时间1 s,累加次数16,数据分析使用Mestrenova(5.3.1版)软件。

3 实验

(1) 常温久置法制备苯甲醇[14]。取2只干净锥形瓶,分别加入NaOH 5.6 g(粗称),用6 mL水溶解；冰水浴,冷却后分别加入苯甲醛6.3666 g(精称0.06 mol,分3次加入),每加入一次轻轻摇晃混合均匀，然后用胶塞密封好后放置1周。

1周后向2只锥形瓶中分别加入20 mL水、加热溶解,冷却后倒入分液漏斗中,用80 mL的乙酸乙酯进行萃取分液；然后分别再用6 mL饱和亚硫酸氢钠、10 mL 10%的碳酸钠、10 mL的饱和食盐水洗涤,分离出油层,用无水硫酸镁干燥；然后用旋转蒸发仪将萃取剂乙酸乙酯蒸干,得到苯甲醇粗品。

加入与苯甲醛等物质的量的内标(硝基苯)混匀后用移液枪取100 mL加入到核磁管中,并补充400 mL氘代氯仿,摇匀做1H-NMR,并根据峰面积之比算出核磁产率。

(2) 加热(短时)法制备苯甲醇。向50 mL圆底烧瓶加入5.6 g(粗称)的氢氧化钠,加入20 mL的蒸馏水混合均匀,冷却至室温后得碱液；再向烧瓶中加入6.366 6 g(精称0.06 mol)的分析纯苯甲醛；加入搅拌子后油浴加热、磁力搅拌,回流约30 min；加热完毕后趁热倒至分液漏斗中,并向分液漏斗中加入30 mL的乙酸乙酯,再用40 mL左右的乙酸乙酯将反应烧瓶中残留的反应液洗涤干净,洗涤液倒入分液漏斗中合并；加入冷水15 mL,用力摇晃洗涤,然后静置分液；最后分别依次用6 mL饱和亚硫酸氢钠、10 mL 10%碳酸钠、10 mL饱和食盐水洗涤；分离出油层,用无水硫酸镁干燥,过滤,取滤液的五分之一用旋转蒸发仪将萃取剂蒸干,得到苯甲醇粗品；加入五分之一苯甲醛物质的量的内标(硝基苯)混合均匀后,用移液枪取100 mL加入到核磁管中,并补充400 mL氘代氯仿,摇匀做1H-NMR,并根据峰面积之比算出核磁产率。

(3) 探索苯甲醛原料的处理对产率的影响。

① 采用减压蒸馏装置,对分析纯的苯甲醛进行重蒸。

② 对购买的分析纯的苯甲醛与重蒸后的苯甲醛分别加入等物质的量的硝基苯进行核磁共振氢谱的测试。

(4) 探索不同制备条件对产物的影响。分别以不同的萃取剂、反应时间、温度进行实验。

① 探索萃取剂对反应的影响。除萃取剂分别用甲基叔丁基醚和乙酸乙酯外,按步骤(1)进行操作。

② 探索加热法的反应时间对产物产率的影响。除反应时间分别用10 、20、30、40 min外,按步骤(2)进行操作。

③ 探索温度对产物的影响。常温放置实验按步骤(1)进行操作；油浴加热磁力搅拌30 min按步骤(2)进行操作。

(5) 产物的核磁产率计算。加入硝基苯(内标)于粗产物中,再加入适量氘代氯仿作为溶剂混合均匀,将溶液转移入核磁管,进行核磁共振氢谱定量分析,计算产率。计算公式:

ω为苯甲醇的核磁产率；As为苯甲醇的苯环邻位的氢的峰面积；Ar为硝基苯的苯环邻位的氢的峰面积；nr为硝基苯的物质的量；ns为苯甲醛的物质的量。

4 结果与讨论

4.1 原料的纯度对产品产率的影响

苯甲醛是具有苦杏仁气味的无色液体,空气中极易被氧化生成白色苯甲酸。为此对原料苯甲醛进行了核磁氢谱定量分析,结果见图2,化学位移δ=9.99 ppm峰为苯甲醛的醛基的氢,δ=8.15和δ=8.17 ppm的双峰为硝基苯的邻位的氢,δ=7.86和δ=7.84 ppm的双峰为苯甲醛的邻位的氢。由苯环上的氢进行定量分析可以得出,未重蒸的苯甲醛的浓度达到了重蒸的98.35%。因此得出结论,分析纯的苯甲醛较为纯净,并没有发生明显的变质现象,可以采用分析纯的苯甲醛进行苯甲醇的制备实验。

图2 苯甲醛NMR氢谱定量图

4.2 萃取剂对反应的影响

从经济成本和萃取剂的毒性考虑, 常温久置法制备苯甲醇采用乙酸乙酯替代实验教材的甲基叔丁基醚(3类致癌物)。实验结果见表1和图3。实验结果表明:乙酸乙酯是更好的萃取剂。

表1 不同萃取剂下苯甲醇的产率

图3 不同萃取剂萃取的苯甲醇的NMR氢谱

4.3 反应时间对加热回流法产率的影响

通过改变反应时间,用核磁定量的方法测量苯甲醇的产率,结果见表2。测量结果表明,反应时间越长,反应进行的越完全,产率越高；但增大到一定程度后,生成的苯甲醇会继续氧化,使产率下降,因此最佳的反应时间为30 min。图4给出了反应时间为10 min和30 min的苯甲醇的NMR氢谱。

表2 不同反应时间下苯甲醇的产率

图4 反应时间为10 min和30 min的苯甲醇的NMR氢谱

4.4 探索温度对反应时长的影响

常温放置1周或者加热回流30 min所得的产率相差不大,其中加热回流的产率高些,见表3。由于短的反应时间,有利于学生利用有限的课堂时间完成整个实验,更符合教学需要。因此采用加热回流的方式进行实验更好。

表3 不同温度对苯甲醇产率的影响

5 结语

实验改进后,反应时间较短,粗产物后处理简便,产率较高，符合“绿色化学”的要求,是一个集试剂提纯、产品制备、表征为一体的综合型有机化学实验。将绿色化学理念贯穿实验教学,指导学生学会有机实验常用的基本操作,学习一些典型有机化合物的制备方法，进一步培养学生的科学素养,实事求是的工作作风,培养学生实验的设计能力。