核磁共振在综合实验-美沙拉嗪合成中的应用*

孙远东 王 杰

(蚌埠医学院 安徽蚌埠 233000)

核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)是突变磁场与物质相互作用的一种物理现象，是目前化学领域用于化合物结构鉴定和研究的重要工具。核磁共振技术可分为核磁共振成像和核磁共振波谱。核磁共振成像现今主要运用于医学领域，在检测疾病时不会对患者产生任何损伤，有别于传统的检测手段[1]；核磁共振波谱主要用于有机化合物及药物的结构研究，核磁共振波谱分为核磁共振氢谱(1H-NMR)和核磁共振碳谱(13C-NMR)。其中1H-NMR可显示有机化合物结构中氢原子所处的化学环境、空间及数目等信息，可确定分子结构。13C-NMR可显示有机化合物结构中碳原子所处的化学环境及数目等信息，对分子结构进一步佐证[2-3]。目前核磁共振波谱在药物研发、高分子材料等领域被广泛应用。核磁共振技术的使用不仅让学生提高了对该尖端仪器的熟悉度，也培养了其探索的兴趣，具有非常重要的实践和教育意义。

美沙拉嗪又名马沙拉嗪，化学名为5-氨基-3-羟基苯甲酸，结构如图1所示。其是治疗溃疡性结肠炎的活性成分，对肠壁的炎症有明显的抑制作用[4]。药理学研究显示，美沙拉嗪用于结肠炎的治疗主要是通过抑制前列腺素的合成和炎性介质白三烯的形成，从而对肠黏膜的炎症起到明显的抑制作用。目前面世的治疗溃疡性结肠炎的药物中，美沙拉嗪具有不良反应少，毒性低和耐受性强等特点，具有非常好的应用前景[5-6]。为了与现实社会相关联，避免出现教学与社会实际的脱节，该校在设置专业综合实验时选择了美沙拉嗪的合成。综合实验的模式不再是传统式的灌输、全凭老师指导，其更加注重锻炼学生自主分析解决问题的能力，可以有效避免学生对教师和教材的依赖；同时在实验中核磁共振技术，不仅对所做实验结果进行验证，也激发学生的学习兴趣，提高学生对所学药物合成、药物设计、色谱、波谱解析等学科知识的连贯性、系统性，以培养学生的创新意识和科研素养；显著提高了制药工程专业综合实验的教学效果。

图1 美沙拉嗪结构

1实验项目确定

蚌埠医学院制药工程实验项目繁多，但多数为验证性实验或单元操作，此类实验可加深学生对所学理论知识的理解，有利于对课本理论知识的运用和夯实。近年来，制药行业飞速发展，对专业人才同时具有动手能力、设计能力、思考解决问题的能力等综合素质要求越来越高，仅开展验证性实验等已无法满足企业对人才的高要求。因此，在原有验证性实验、药物合成实验等单元操作的基础上，该校为制药工程专业开设了制药工程综合实验。为了让学生了解制药行业动态，通过走访众多药物生产企业，确立了将美沙拉嗪的合成作为综合实验内容。为了提高学生对现代检测手段和实验技术的运用能力，在美沙拉嗪的合成实验中引入核磁共振技术。

2实验任务分配

综合实验强调以学生为中心，采取根据学生的学号先后，将学生按5人一组进行分组，指导老师指导学生如何从各大数据库查阅文献。学生通过自主查阅文献，并进行总结与筛选，结合所学知识设计出一条具有可操作性、合理且安全的美沙拉嗪的合成路线。路线设计出后先交由指导老师审批通过后，由学校合成方面的研究生进行安全培训和操作培训后才可开展实验。

3实验结果及过程

3.1实验过程

同学们通过文献的检索，设计了合成美沙拉嗪的合成路线，主要包括：①以水杨酸为原料，经过硝化反应生成5-硝基水杨酸，再在金属催化剂的作用下发生还原反应生成美沙拉嗪[7]；②以苯胺为原料，经重氮化反应生成氯化重氮苯，该化合物与水杨酸发生偶合反应生成苯偶氮水杨酸，再在碱性条件下与连二亚硫酸钠发生还原反应最终生成美沙拉嗪[8]；③以对乙酰氨基苯酚为原料，在固体催化剂的作用下，与CO2发生Kolbe-Schmitt 反应，再经酸化得到美沙拉嗪[9]；④以5-硝基邻氯苯甲酸为原料，在氢氧化钾体系下发生水解反应，还原反应得到美沙拉嗪[10]。每组学生根据设计的合成路线，并采用核磁共振氢谱进行结果确证，均得到目前化合物。各合成路线的具体操作步骤如下：

(1)水杨酸硝化还原。操作步骤：取5g水杨酸，加入一个100mL配有回流冷凝装置的三口烧瓶中，加入50mL纯净水、20mL醋酸和10mL丙酮，升温至55℃，缓慢滴加10mL的68%硝酸与醋酸的混合酸(体积比10∶1)，加毕升温至65～75℃保温2h。反应完全后将溶液倒入60mL纯净水中，降温在0～5℃继续析晶2h，过滤，重结晶，干燥得到5-硝基水杨酸，收率61.2～74.8%。取一个100mL配有回流冷凝装置的三口烧瓶，加入3mL浓盐酸和50mL纯净水，升温至60℃后一次性加入2g铁粉，升温至回流，再加入1.5g 5-硝基水杨酸，加毕继续搅拌10min，再分3批加入4.5g 5-硝基水杨酸和6g铁粉，加毕继续回流反应1.5～2h。反应完全后热溶液条件下用50%的氢氧化钠溶液调节pH=11～12，趁热抽滤，滤液用40%的硫酸溶液调节pH=3，冷却析晶，过滤，干燥得到美沙拉嗪粗品；将粗品加入80mL纯净水中，加热溶清后用浓盐酸调节pH=1，加入活性炭2g，加入回流5min，趁热抽滤，滤液滴加氨水调节pH=3，调毕冷却至0～5℃保温1h后抽滤，滤饼用适量冰水洗涤，干燥得到粉红色症状晶体，收率79.2～89.5%。具体合成路线如图2所示。

图2 水杨酸硝化还原法反应合成美沙拉嗪

(2)苯偶氮水杨酸还原法。操作步骤：100mL三口瓶中加入3.8g苯胺、9mL浓盐酸和9mL水，置于冰机中冷却至-2℃搅拌10min，缓慢滴加4.2mol/L的亚硝酸钠溶液10mL，滴加温度不得超过2℃，加毕继续反应搅拌30min，所得淡黄色溶液保存备用；另取一个100mL三口瓶，加入5.6g水杨酸和20mL 5mol/L的氢氧化钠溶液，搅拌至固体完全溶清，将反应瓶转移至冰机中降温至5℃，将上述反应所得溶液缓慢加入其中，滴加温度不得超过5℃，加毕继续反应1h，有红棕色沉淀生成，抽滤，得到红棕色固体湿品约13g，收率约81%；将红棕色固体加入250mL三口瓶中，加入2.5mol/L氢氧化钠溶液60mL，升温至90℃，在此温度下分四批加入22g连二亚硫酸钠，加毕继续反应1h，趁热抽滤，滤液冷却分层，取水层搅拌下滴加浓盐酸调节pH=3，有大量白色固体析出，抽滤，干燥得5.3g类白色固体，固体采用水进行重结晶，干燥得到美沙拉嗪，收率60～70%。具体合成路线如图3所示。

图3 苯偶氮水杨酸还原法反应合成美沙拉嗪

(3)Kolbe-Schmitt法。操作步骤：取5g对乙酰氨基酚、7.5g碳酸钾和2.5g氧化硅，加入200mL高压反应器中，通入二氧化碳在170℃和1.5MPa下反应4h，反应结束后将反应液降温至80℃下加入500mL蒸馏水，活性炭进行脱色，所得滤液用20%盐酸溶液调节pH=4，降至室温过滤，得白色固体美沙拉嗪，收率85～97%。具体合成路线见图4。

图4 Kolbe-Schmitt法反应合成美沙拉嗪

(4)卤代芳烃水解还原法。操作步骤：取14g氢氧化钾加入100mL配有回流冷凝装置的三口瓶中，加入50mL水充分溶清后，保持在20～40℃内缓慢加入10g 2-氯-5-硝基苯甲酸，升温至120℃下保温反应6h，反应完全后降至室温，用浓盐酸调节pH=1～3，再搅拌1.5h，过滤，50mL水洗涤滤饼，滤饼用30mL水再25～30℃下打浆，过滤，干燥得到2-羟基-5-硝基苯甲酸，收率90～95%；另取一个100mL三口瓶，加入3.26g碳酸钠，加入64mL水溶清后分批加入上述固体8g，使其pH位于8～10之间，将10%得Raney Ni溶液加入，于60℃，3MPa下氢化反应6h，原料反应完全后，反应体系冷却至室温下，加入26mL5%氢氧化钠水溶液，加毕继续搅拌30min，过滤，滤液用浓盐酸调节pH=2.5～3.5，搅拌析晶，过滤得到粗品，粗品转移至100mL三口瓶中，加入11.2mL水和8.2mL浓盐酸，加热至70℃，加入0.56g活性炭，保温搅拌2h，趁热抽滤，滤液用饱和碳酸钠溶液调节pH=3～4，降至室温，搅拌1h析晶，抽滤，滤饼加入适量水洗涤，干燥得到白色结晶美沙拉嗪，收率80～85%。具体合成路线见图5。

图5 卤代芳烃水解还原反应合成美沙拉嗪

3.2 1H分析及结构解析

为了锻炼学生对现代检测手段得能力和提高对所学波谱知识的掌握程度，在所设实验中引入核磁共振氢谱，用于佐证目标化合物为美沙拉嗪。美沙拉嗪的1H-NMR谱图解析如下：以DMSO-d6为溶剂，δ=2.50为DMSO-d6溶剂吸收峰，δ7.21(d， J = 4 Hz， 1H)，δ6.92～6.89 (m， 1H)，δ6.71(d， J = 8 Hz， 1H)为苯环上的三个氢，δ5.21 (s， 2H)为氨基上的两个氢，羟基和羧基上的氢均为显示，氢谱显示所合成化合物为美沙拉嗪。详见图6。

图6 美沙拉嗪的1H- NMR谱图

4结语

综合实验的开展不仅可以加深学生对理论知识的掌握，而且还培养了学生的动手能力和实验水平。该专业开设的实验项目主要以学生为中心，锻炼了其自我设计，独立从事科学研究的能力。项目开展过程中，将核磁共振技术引入到美沙拉嗪的实验教学中，不仅能够更加准确的进行结构确证和确认实验结果，另外也让学生了解和使用现代化的检测手段，进一步开阔其视野与提高科学素养，全面提高学生的总体素质，为以后其在学习和工作奠定一个坚实的基础。