蔡黃菊，趙華絨，秦敏銳，余利明，邵東貝

(浙江大學(xué) 化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，浙江 杭州 310058)

微核磁應(yīng)用于酯化反應(yīng)的定性定量分析

蔡黃菊，趙華絨，秦敏銳，余利明，邵東貝

(浙江大學(xué) 化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，浙江 杭州 310058)

該文將45 MHz的微型核磁共振波譜儀應(yīng)用于基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以乙酸、乙醇為原料合成乙酸乙酯為例，合成產(chǎn)物通過使用微型核磁共振波譜儀，可以立即進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和定量分析，做到了波譜理論與實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合。實(shí)踐表明，將NMR儀器引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高了學(xué)生操作NMR儀器的信心，減少了學(xué)生對(duì)NMR儀器的恐懼。

微型核磁共振波譜儀；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；酯化反應(yīng)；定量分析；內(nèi)標(biāo)法

核磁共振波譜分析是一種非常重要的現(xiàn)代儀器分析方法，是鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的重要工具之一[1-2]。國(guó)內(nèi)高?；瘜W(xué)相關(guān)專業(yè)的本科教學(xué)中雖然講授核磁共振波譜知識(shí)，但主要以理論教學(xué)為主，基本不開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生無法上機(jī)操作，直接影響到了學(xué)生科研能力的培養(yǎng)[3-4]。如果學(xué)生能有機(jī)會(huì)親自操作NMR儀器，在提高核磁儀器操作技能的同時(shí)，可增加他們的科研興趣[5-7]。

picoSpin-45 MHz脈沖傅里葉核磁共振儀是一種便攜式微型核磁共振儀，與通常的大型核磁共振波譜儀相比，具有體積小、移動(dòng)方便、無須專人維護(hù)、不占專門的實(shí)驗(yàn)室等優(yōu)點(diǎn)。在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間內(nèi)能讓學(xué)生自主完成儀器操作，因此，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程的定性定量分析尤為方便[8-9]。浙江大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將微型核磁共振波譜儀引入到本科生基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，加深了學(xué)生對(duì)現(xiàn)代儀器分析技術(shù)應(yīng)用的了解。

酯類的合成實(shí)驗(yàn)是高校開設(shè)的最重要的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一。在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生了解酯化反應(yīng)的原理及目標(biāo)產(chǎn)物的制備過程和方法，掌握回流、蒸餾、洗滌、分液、干燥等基本操作，通過合成實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)有機(jī)化合物的制備、分離和提純方法[10]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，僅讓學(xué)生對(duì)合成產(chǎn)物進(jìn)行折光率的測(cè)定從而定性地判斷產(chǎn)品純度，對(duì)于產(chǎn)物的純度分析及結(jié)構(gòu)表征都不曾在合成實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中進(jìn)行。本文將便攜式核磁共振波譜儀運(yùn)用到傳統(tǒng)的酯化反應(yīng)中，除保留以上的制備、分離、提純等操作外，增加了使用便攜式核磁共振波譜儀對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征、對(duì)產(chǎn)品收率進(jìn)行定量計(jì)算等環(huán)節(jié)。將合成、分離、結(jié)構(gòu)表征及定量分析有機(jī)結(jié)合在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了實(shí)驗(yàn)的基本操作方法，也體驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的完整性和嚴(yán)謹(jǐn)性。現(xiàn)代儀器分析技術(shù)與有機(jī)合成在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的完美結(jié)合，豐富了有機(jī)反應(yīng)的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)鑒定方法，有助于學(xué)生加深理解關(guān)于化學(xué)位移、耦合常數(shù)、一級(jí)譜、峰面積等NMR基本概念及其影響因素[11]，了解和掌握內(nèi)標(biāo)法定量分析的方法[12-13]。

本文實(shí)現(xiàn)了將微型核磁共振波譜儀應(yīng)用于酯的合成實(shí)驗(yàn)中對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征和定量分析，收到了較理想的教學(xué)效果。本實(shí)驗(yàn)以“乙酸乙酯的合成、產(chǎn)品分析”實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)及儀器的使用作詳細(xì)介紹。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

使用儀器有三口燒瓶、滴液漏斗、蒸餾彎頭、溫度計(jì)、直型冷凝管、分液漏斗、錐形瓶、梨形瓶、蒸餾頭、picoSpin-45微型核磁共振波譜儀(使用軟件：MestReNova)。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

試劑包含冰醋酸、乙醇、濃硫酸、飽和碳酸鈉溶液、飽和氯化鈣溶液、飽和氯化鈉溶液、無水硫酸鎂、氯仿和苯。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)講義，設(shè)計(jì)以冰乙酸、乙醇為原料合成乙酸乙酯的實(shí)驗(yàn)方案[14]，合成乙酸乙酯及樣品采集與核磁檢測(cè)的具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)搭建反應(yīng)裝置，進(jìn)行乙酸乙酯的合成；

2)采集反應(yīng)原料乙醇和乙酸，用便攜式微型核磁進(jìn)行1H NMR分析；

3)酯化反應(yīng)結(jié)束后，粗品經(jīng)飽和Na2CO3處理、飽和NaCl和飽和CaCl2水溶液洗滌，洗滌后樣品用無水MgSO4干燥，干燥后的粗產(chǎn)品進(jìn)行1H NMR分析；

4)蒸餾干燥后的樣品，收集74 ℃-80 ℃餾分，采集蒸餾得到的主餾分，稱量后用便攜式微型核磁對(duì)產(chǎn)品酯進(jìn)行1H NMR分析；

5)取一定質(zhì)量的主餾分，向其中加入一定質(zhì)量的苯(或氯仿)作為內(nèi)標(biāo)物，用便攜式微型核磁對(duì)樣品進(jìn)行1H NMR分析，通過內(nèi)標(biāo)法計(jì)算產(chǎn)品收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)原料的核磁檢測(cè)

分別對(duì)原料乙醇和乙酸進(jìn)行的核磁共振譜圖如圖1和圖2所示。在圖1中，乙醇的核磁譜圖中存在3種氫，其中CH2和CH3的吸收峰分別裂分為四重峰和三重峰。在圖2中，乙酸的核磁譜圖中存在兩種氫。

圖1 反應(yīng)原料乙醇的1H NMR譜圖

圖2 反應(yīng)原料乙酸的1H NMR譜圖

2.2 反應(yīng)產(chǎn)物的定性分析

圖3 乙酸乙酯的核磁譜圖

2.3 產(chǎn)物的定量分析

內(nèi)標(biāo)法計(jì)算產(chǎn)品收率采用的公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，nEA表示乙酸乙酯的摩爾數(shù)，nEA,max表示完全反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的乙酸乙酯的理論摩爾數(shù)，AEA表示核磁譜圖中乙酸乙酯的某一組氫的積分峰面積，NEA表示這組氫中質(zhì)子的個(gè)數(shù)，AS表示核磁譜圖中內(nèi)標(biāo)物的某一組氫的積分峰面積，NS表示內(nèi)標(biāo)物這組氫中質(zhì)子的個(gè)數(shù)，nS表示所加入的內(nèi)標(biāo)物的摩爾數(shù)，mS表示所加入的內(nèi)標(biāo)物質(zhì)量，MS為內(nèi)標(biāo)物的摩爾質(zhì)量，Y表示收率。

分別以苯和氯仿為內(nèi)標(biāo)物對(duì)產(chǎn)品乙酸乙酯進(jìn)行定量分析的核磁共振譜圖如圖4和圖5所示。選擇苯或氯仿為內(nèi)標(biāo)物是因?yàn)樗鼈儾慌c產(chǎn)品乙酸乙酯發(fā)生反應(yīng)，且它們?cè)?H NMR譜圖中的質(zhì)子的化學(xué)位移與產(chǎn)品不重疊。在圖4中，苯環(huán)上的質(zhì)子在1H NMR譜圖中為單峰，其化學(xué)位移在7.38 ppm左右，其峰面積為1.21。在圖5中，氯仿上的質(zhì)子在1H NMR譜圖中為單峰，其化學(xué)位移在7.79 ppm左右，其峰面積為0.24。

表1 酯化反應(yīng)的投料量與產(chǎn)量

注：理論產(chǎn)量基于乙酸的投料量計(jì)算

由于氯仿的沸點(diǎn)較低，在樣品的配制及譜圖采集過程中存在揮發(fā)現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)行核磁分析時(shí)的真實(shí)質(zhì)量小于配制時(shí)加入的質(zhì)量，使內(nèi)標(biāo)法定量分析存在一定誤差。相較而言，苯是乙酸乙酯產(chǎn)物用內(nèi)標(biāo)法定量分析時(shí)較為合適的內(nèi)標(biāo)物。使用苯為內(nèi)標(biāo)物計(jì)算出的產(chǎn)品收率與根據(jù)稱重計(jì)算出的產(chǎn)品收率值較為接近。

表2 以苯和氯仿為內(nèi)標(biāo)物對(duì)產(chǎn)品乙酸乙酯進(jìn)行1H NMR定量分析

圖4 以苯為內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行定量分析的核磁共振譜圖

圖5 以氯仿為內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行定量分析的核磁共振譜圖

3 結(jié)束語

浙江大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)踐與探討了將微型核磁共振波譜儀應(yīng)用在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)——酯化反應(yīng)的合成及產(chǎn)品定性定量分析，以乙酸、乙醇為原料合成乙酸乙酯的實(shí)驗(yàn)為例，應(yīng)用核磁共振儀對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，并采用核磁內(nèi)標(biāo)法計(jì)算產(chǎn)品的收率。學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中合成并分離產(chǎn)品，親自動(dòng)手操作核磁儀進(jìn)行譜圖采集，對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析，大大豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，不僅訓(xùn)練了學(xué)生基本操作與技能，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生多角度思考問題的能力，獲得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

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QualitativeandQuantitativeAnalysisofEsterificationReactionUsingaMicroNMRSpectrometer

CAI Huangju，ZHAO Huarong，QIN Minrui，YU Liming，SHAO Dongbei

(Chemical Experimental Teaching Center，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China)

45 MHz benchtop NMR spectrometer was applied to the basic organic experiment teaching.Ethyl acetate was synthesized from acetic acid and ethanol.The structural and quantitative analysis of the product was carried out on the micro-nuclear magnetic resonance spectrometer.In the experimental class，the synthesized product can be used for structural characterization and quantitative analysis immediately，so the spectral theory and experiment combined perfectly.Practice shows that the experiment improves the confidence of students in the operation of NMR instruments，reducing the fear of students on NMR instruments.

benchtop NMR spectrometer；experiment teaching；esterification reaction；quantification；internal standard method

2015-12-30；修改日期:2016-05-09

國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金(J1210042)；2015年浙江大學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究項(xiàng)目。

蔡黃菊(1982-)，女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理與實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

趙華絨，教授，主要從事有機(jī)化學(xué)方面的教學(xué)與科研，zhr0103@zju.edu.cn

O6-32

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.008