梁向暉 毛秋平 鐘偉強(qiáng)

(華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣州 510640)

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利用GC-MS和NMR對(duì)未知有機(jī)化合物定性分析

梁向暉 毛秋平 鐘偉強(qiáng)

(華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣州 510640)

以一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，介紹了如何利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)、核磁共振儀(NMR)包括1H NMR、13C NMR及19F NMR對(duì)某含氟未知物進(jìn)行表征，并通過(guò)譜圖解析確定未知物結(jié)構(gòu)。

氣質(zhì)聯(lián)用 核磁共振 分析技術(shù) 含氟化合物

在現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬核磁共振技術(shù)(NMR)。核磁共振是基于原子尺度的量子磁物理性質(zhì)。具有奇數(shù)質(zhì)子或中子的核子，具有核自旋及自旋角動(dòng)量的內(nèi)在性質(zhì)。核自旋會(huì)產(chǎn)生磁矩。核磁共振譜(NMR)是一種吸收光譜，在適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)條件下，樣品能夠吸收射頻區(qū)(rf)的電磁輻射，而且所吸收的輻射頻率取決于樣品的特性。吸收與分子中的某一給定原子核有關(guān)。吸收峰頻率對(duì)吸收峰強(qiáng)度作圖構(gòu)成NMR譜圖[1]。NMR觀測(cè)原子的方法，是將樣品置于外加強(qiáng)大的磁場(chǎng)下，現(xiàn)代的儀器通常采用低溫超導(dǎo)磁鐵。核自旋本身的磁場(chǎng)，在外加磁場(chǎng)下重新排列，大多數(shù)核自旋會(huì)處于低能態(tài)。通過(guò)額外施加電磁場(chǎng)來(lái)干涉低能態(tài)的核自旋轉(zhuǎn)向高能態(tài)，再回到平衡態(tài)便會(huì)釋放出射頻，這就是NMR信號(hào)。自20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象至今，核磁共振技術(shù)已逐漸發(fā)展成熟，在分析化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥研發(fā)、材料檢測(cè)、石油勘探和水資源探查等等方面有著廣泛而重要的應(yīng)用[2]，在鑒定分子結(jié)構(gòu)、對(duì)化合物進(jìn)行定性、定量分析等方面更是有著顯著貢獻(xiàn)。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)是化學(xué)家常用的另一項(xiàng)儀器分析技術(shù)。它將氣相色譜法和質(zhì)譜法結(jié)合起來(lái)，利用GC對(duì)混合物進(jìn)行分離并用MS對(duì)混合物進(jìn)行定性分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的分離和定性定量分析。GC-MS被廣泛應(yīng)用與藥物檢測(cè)、環(huán)境分析、司法鑒定和未知樣品的測(cè)定。

在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，全世界每天都有很多新的有機(jī)化合物被合成出來(lái)。新合成出來(lái)的有機(jī)物必須借助各種化學(xué)分析技術(shù)來(lái)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定。因而，化學(xué)分析技術(shù)在有機(jī)化學(xué)乃至于整個(gè)化學(xué)領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。NMR與GC-MS無(wú)疑是現(xiàn)代化學(xué)分析的兩把“利劍”。然而，這兩種分析方法都有其各自的不足。例如，對(duì)樣品進(jìn)行NMR檢測(cè)時(shí)要求樣品達(dá)到一定的濃度，否則核磁信號(hào)將會(huì)很弱而影響解譜，因此NMR不適用與微量或痕量分析。而GC-MS一般要求被測(cè)物質(zhì)分子量不能太大，而且被測(cè)物質(zhì)必須容易氣化。因此，在對(duì)未知化合物的檢測(cè)鑒定上，往往將這兩種分析方法結(jié)合起來(lái)，從而確定未知物結(jié)構(gòu)并對(duì)未知物進(jìn)行定量分析。

近年研究發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)化合物上引入氟或含氟取代基，可以極大地改變化合物的理化性質(zhì)和生物活性，例如多數(shù)有機(jī)氟化合物具有化學(xué)穩(wěn)定性、表面活性和優(yōu)良的耐溫性能等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用在材料、農(nóng)藥、醫(yī)藥等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前途和強(qiáng)大的生命力[3-6]。含氟化合物的分析方法有氟離子選擇電極法、氟試劑分光光度法、比色法和離子色譜法等。但這些方法大多數(shù)是針對(duì)溶液中的氟離子進(jìn)行定性或定量，未能對(duì)含氟有機(jī)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)定[7]。核磁共振氟譜(19F NMR)具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高、少干擾、對(duì)含氟化合物的選擇具有唯一性等優(yōu)點(diǎn)，能快速檢測(cè)樣品中是否存在含氟化合物，進(jìn)而推測(cè)屬于哪一類(lèi)含氟化合物[8]。本文將以筆者在研究生及化學(xué)創(chuàng)新班實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)含氟未知化合物進(jìn)行了GC-MS、1H NMR、13C NMR及19F NMR實(shí)驗(yàn)表征，重點(diǎn)介紹如何通過(guò)GC-MS、NMR圖譜對(duì)含氟未知樣進(jìn)行解析從而確定未知樣的結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑、樣品及儀器

a)試劑：乙酸乙酯，AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氘代氯仿，AR，百靈威化學(xué)試劑有限公司。

b)樣品：含氟有機(jī)化合物，百靈威化學(xué)試劑有限公司。

c)儀器：Trace-DSQ氣相質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國(guó)Thermo-fisher公司。

400MHz核磁共振儀，瑞士Bruker公司。

1.2 樣品前處理

1.2.1 GC-MS樣的配制與檢測(cè)

將少量樣品用乙酸乙酯溶解完全后，取少量液于小試管中，標(biāo)好標(biāo)號(hào)，待用。

將配好的樣品用美國(guó)Thermo-fisher的GC-MS進(jìn)行檢測(cè)。

1.2.2 核磁樣的配制與檢測(cè)

分別取適量未知樣于試管中，加入適量CDCl3溶解。然后分別轉(zhuǎn)移到核磁管中，標(biāo)好標(biāo)號(hào)，待用。將配好的樣品分別用瑞士Bruker 核磁共振儀檢測(cè)1H NMR，13C NMR和去偶19F NMR等。

2 結(jié)果與討論

2.1 未知樣A

圖1為未知樣A的質(zhì)譜圖，由圖可知A的分子離子峰為170。A的質(zhì)譜圖中有150.07、141.05、113.05的碎片峰，與分子離子峰相差20、29、57，可能分別對(duì)應(yīng)HF、CH3CH2·和CH3CH2C≡O(shè)+的分子量，圖中還有93.05的碎片峰，與113.05也相差20，由此推測(cè)化合物A中有丙酰基和兩個(gè)F。

圖1 未知樣A的MS圖譜

圖2、圖3、圖4、圖5分別為未知樣A的1H譜、13C譜、DEPT 135和19F譜。由圖5可知，化合物A的去偶19F NMR有兩個(gè)雙峰，且峰面積比為1∶1，故化合物中含有兩種化學(xué)環(huán)境的F，且個(gè)數(shù)相同。從其1H NMR(圖2)可以看出，化合物A總共有5組氫，出峰位置分別在δ7.93，δ6.95，δ6.86，δ2.97和δ1.20，其面積比為1∶1∶1∶2∶3。δ2.97的峰為一個(gè)明顯的八重峰(qd峰)，該亞甲基由于受到鄰位甲基和2位F原子的雙重耦合裂分作用而出現(xiàn)qd峰。δ1.20的峰被裂分成三重峰，δ2.97是一個(gè)被甲基和氟原子裂分的亞甲基，δ1.20為一個(gè)被亞甲基裂分的甲基，即化合物A應(yīng)該存在一個(gè)乙基(—CH2CH3)。亞甲基化學(xué)位移為δ2.97，推測(cè)為與羰基相連，亞甲基由于受到羰基的去屏蔽作用向低場(chǎng)移動(dòng)[9]。初步預(yù)測(cè)該化合物應(yīng)存在基團(tuán)(—C(=O)CH2CH3)。δ7.93，δ6.95和δ6.86 三個(gè)峰歸屬為苯環(huán)上的氫的峰，其面積比為1∶1∶1，初步推測(cè)是一個(gè)三取代苯環(huán)。結(jié)合19F NMR的兩個(gè)雙峰化學(xué)位移均在δ-104～δ-102之間，應(yīng)該是芳環(huán)上的F。故推測(cè)化合物A為一個(gè)三取代苯，其中兩個(gè)取代基為—F。從13C NMR(圖3)可以看出，在δ197.44處有一組d峰，因受鄰位氟原子的耦合作用而裂分為d峰，歸屬為羰基碳。δ104.3～δ167間共6組峰歸屬為苯環(huán)上的碳，基本可以肯定化合物A為含有苯環(huán)的羰基化合物。結(jié)合GC-MS(圖6)給出的分子離子峰m/z為170.06，確定化合物A為含有9個(gè)碳的苯環(huán)三取代化合物，且有兩個(gè)取代基位—F，一個(gè)取代基為—C(=O)CH2CH3。從1H NMR看出，δ7.93的峰在低場(chǎng)，去屏蔽作用明顯；而δ6.95和δ6.86兩組峰化學(xué)位移相差不大，應(yīng)該是具有較為類(lèi)似的化學(xué)環(huán)境。故該苯環(huán)上的氫的鄰位應(yīng)該存在第二類(lèi)定位基，間位存在第一類(lèi)定位基，確定苯環(huán)上與羰基碳相連的碳的兩個(gè)鄰位有一個(gè)是氫，另一個(gè)是氟；另一氟取代基應(yīng)在羰基對(duì)位。

圖2 未知樣A的1H NMR1H NMR數(shù)據(jù)分析 (400M, CDCl3): 1.199(3H, H-9, td, 7.2Hz), 2.977(2H, H-8, qd, 7.2Hz, 3.36Hz), 6.860(1H, H-3, m), 6.952(1H, H-5, m), 7.940(1H, H-6, m).

圖3 未知樣A的13C NMR13C NMR數(shù)據(jù)分析(100M, CDCl3): 7.841(C-9, d, 5JC-F=2.2Hz), 36.627(C-8, d, 4JC-F=7.59Hz), 104.601(C-3, dd, 2JC-F=27.98Hz, 2JC-F=27.91Hz), 112.011(C-5, dd, 2JC-F=21.48Hz, 4JC-F=3.35Hz), 122.084(C-1, dd, 2JC-F=13.68Hz, 3JC-F=4.48Hz), 132.599(C-6, dd, 3JC-F=10.28Hz, 3JC-F=4.48Hz), 162.66(C-2, dd, 3JC-F=12.41Hz, JC-F=289.29Hz), 165.63(C-4, dd, 3JC-F=12.41Hz，JC-F=289.29Hz), 197.387(C-7, d, 5JC-F=2.2Hz).

圖4 未知樣A的DEPT 135

圖5 未知樣A的去偶19F NMR

2.2 結(jié)論

通過(guò)質(zhì)譜圖得到了未知物A的分子量以及一些分子片段的重要信息，推斷A中可能有兩個(gè)F原子和一個(gè)丙?；Ｍㄟ^(guò)核磁譜圖中氫譜和碳譜的化學(xué)位移進(jìn)一步肯定了A中有苯環(huán)和丙?；ㄟ^(guò)F譜也確定了分子中有F原子。根據(jù)氫譜、碳譜和氟譜吸收峰的個(gè)數(shù)判斷出A是一個(gè)不對(duì)稱(chēng)分子，根據(jù)苯環(huán)上氫譜的裂分情況判斷兩個(gè)F應(yīng)該也是處于間位，綜上所述，其結(jié)論為：A為2, 4-二氟苯丙酮，結(jié)構(gòu)式為(圖6)：

圖6 2,4-二氟苯丙酮結(jié)構(gòu)式

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作多年，發(fā)現(xiàn)由于化合物質(zhì)子和碳的化學(xué)環(huán)境復(fù)雜，且存在耦合，使得學(xué)生在解譜的過(guò)程中，需要充分運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，綜合多個(gè)譜圖，來(lái)確定或排除化合物的某種分子排列是否正確，這個(gè)過(guò)程是艱辛的，也是有趣的。例如在確定未知物A的結(jié)構(gòu)時(shí)，苯環(huán)有3個(gè)取代基，有著多種可能性，而正確結(jié)構(gòu)只有一個(gè)，因此需要結(jié)合相關(guān)譜(1H譜，13C譜、DEPT 135和19F譜)判斷，并對(duì)不正確的取代形式進(jìn)行排除，最終得出合理的結(jié)構(gòu)。在這一過(guò)程中，學(xué)生的解譜能力能到了鍛煉，同時(shí)也學(xué)會(huì)了如何從相關(guān)譜中獲取有用的信息，思考和判斷能力也得到提升，對(duì)于化學(xué)專(zhuān)業(yè)的研究生，每天在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)都能得到各種產(chǎn)物。這些化合物有些是目標(biāo)產(chǎn)物，有些則是副產(chǎn)物，有些甚至是原料中雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成的?？焖俚貙?duì)這些產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，判斷目標(biāo)產(chǎn)物并對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行準(zhǔn)確定量分析，能大大提高科研的進(jìn)度。而要對(duì)這些產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析，就需要借助現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)了。根據(jù)GC-MS可以大概知道產(chǎn)物的組成；根據(jù)NMR則可以進(jìn)行更為精準(zhǔn)的定性定量分析。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)例，介紹了如何通過(guò)GC-MS和NMR譜圖對(duì)化合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定，希望能夠拋磚引玉。

[1]Silverstein R M, Webster F X, Kiemle D J, Spectrometric Identification of Organic Compounds (7th Ed.)[M]. John Wiley& Sons. Inc., 2007.

[2]古練權(quán)，等. 有機(jī)化學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社, 2008：15-16.

[3]He L, Natte K, Rabeah J, Taeschler C, Neumann H, Brückner A, Beller M, Angew Chem Int Ed. 2015, 54, 1-6.

[4]Bondi A, Phys J. Chem. 1964, 68, 441- 451.

[5]卿鳳翎，等. 有機(jī)氟化學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2007：3- 4.

[6]卿鳳翎. 從三氟甲基化反應(yīng)的近年進(jìn)展看有機(jī)氟化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 有機(jī)化學(xué), 2012, (32): 815-824.

[7]仇鎮(zhèn)武. 含氟化合物核磁共振譜圖集的研究與應(yīng)用[D]. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué), 2013: 1-7.

[8]Kirk K L. Fluorination in Medicinal Chemistry: Methods, Strategies, and Recent Developments. Organic Process Research & Development, 2016,12(2): 305-321.

[9]孟令芝，龔淑玲，何永炳．有機(jī)波譜分析(3版)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2010：97- 98.

Qualitative analysis of an unknown organic compounds by GC-MS and NMR.

Liang Xianghui, Mao Qiuping, Zhong Weiqiang

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China)

A fluorinated unknown compound was characterized by GC-MS and NMR, including1H NMR,13C NMR and19F NMR. Its structure was determined by spectral analysis.

GC-MS; NMR; analytical technology; fluorides

華南理工大學(xué)校級(jí)教研教改項(xiàng)目(Y9160640);華南理工大學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目(Y9160040)

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.03.015

2016-12-01

梁向暉,女,1972年出生,碩士,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大型儀器設(shè)備管理,E-mail:liangxh@scut.edu.cn。