陳邦彥，程昕雨，周倜，孫立森,2,＊，劉永梅,2,＊

1復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系，上海 200433

2復(fù)旦大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 200433

核磁共振(NMR)技術(shù)具有制樣簡(jiǎn)便、檢測(cè)快速自動(dòng)、重復(fù)性好、不破壞樣品等優(yōu)勢(shì)，在化學(xué)、生物學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1,2]。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，NMR的準(zhǔn)確度和精確度已經(jīng)由原本的定性分析水準(zhǔn)，逐步接近或達(dá)到了高效液相色譜(HPLC)和氣相色譜(GC)的定量分析水準(zhǔn)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)定性鑒定和定量分析計(jì)算，部分檢測(cè)分析技術(shù)和方法已經(jīng)廣泛錄入美國(guó)、歐洲等國(guó)家藥典[3]。作為發(fā)展迅速且廣泛應(yīng)用的技術(shù)，有必要將NMR技術(shù)引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，尤其是化學(xué)動(dòng)力學(xué)的教學(xué)中，拓展學(xué)生視野，為從事科學(xué)研究積累知識(shí)、奠定基礎(chǔ)。

化學(xué)動(dòng)力學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)是物理化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中重要的組成部分，它們涉及到不同的檢測(cè)方法，以常見的動(dòng)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，如表1所示[4-7]。

表1 高校常見動(dòng)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)儀器/方法

由表1中列舉內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，本科物理化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)往往采用如分光光度法、氣相色譜法等傳統(tǒng)的定量檢測(cè)方法，而NMR技術(shù)作為重要的檢測(cè)技術(shù)，更多地用于有機(jī)物的定性分析，而在動(dòng)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中很少見。以NMR方法研究化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程，如分子結(jié)構(gòu)和構(gòu)象、化學(xué)交換及立體化學(xué)反應(yīng)速度和其他動(dòng)力學(xué)問題，具有所需樣品含量少、檢測(cè)速度快、重復(fù)性好以及不終止反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[8,9]。

本項(xiàng)目對(duì)已有教學(xué)實(shí)驗(yàn)“負(fù)載金催化苯甲醇氧化反應(yīng)活性的測(cè)定”進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。原實(shí)驗(yàn)中使用氣相色譜(GC)檢測(cè)不同溫度下反應(yīng)物隨反應(yīng)時(shí)間的變化，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。在教學(xué)實(shí)踐中，受限于教學(xué)時(shí)間的限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)固定，不利于學(xué)生個(gè)性化的創(chuàng)新性培養(yǎng)。

現(xiàn)今NMR技術(shù)已經(jīng)具備定量分析的準(zhǔn)確度和精確度，我們?cè)谠搶?shí)驗(yàn)中創(chuàng)新性地引入NMR技術(shù)對(duì)反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行跟蹤，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。由于反應(yīng)溶劑甲苯苯環(huán)上有多個(gè)H，導(dǎo)致反應(yīng)物、產(chǎn)物中1H NMR譜復(fù)雜化，不利于樣品的定量分析。因此，本實(shí)驗(yàn)中利用引入取代基F原子到苯環(huán)，使用19F NMR檢測(cè)。19F NMR具有受干擾小、響應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，從而實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以擴(kuò)展，如進(jìn)行多組反應(yīng)溫度下的動(dòng)力學(xué)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加詳實(shí)。還可以通過團(tuán)隊(duì)合作拓展反應(yīng)底物范圍，比較取代基位置對(duì)催化反應(yīng)速率的影響，進(jìn)而深入探究反應(yīng)機(jī)理，將物理化學(xué)中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、NMR技術(shù)與有機(jī)化學(xué)中的電子效應(yīng)等理論知識(shí)有機(jī)融合，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的探究與思考，真正起到科學(xué)思維的訓(xùn)練拓展和加深教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

試劑：氟代苯甲醇(GC)，Aladdin；氟代苯甲醛(GC)，Aladdin；氟代苯甲酸(GC)，Aladdin；甲苯(A.R.)國(guó)藥；General-reagent Au/TiO2(1%)，Mintek；叔丁基過氧化氫(70%)，國(guó)藥。

儀器：核磁共振儀，Bruker Avance NEO 400 MHz (Bruker公司，德國(guó))；氣相色譜 Echrom A90 EC-Wax (上海儀盟電子科技有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

25 mL三頸瓶上分別安裝溫度計(jì)、回流冷凝管和空心塞，依次加入氟代苯甲醇150 μL、甲苯15 mL，置于60 °C油浴中恒溫至反應(yīng)溫度。加入Au/TiO2催化劑200 mg，之后快速加入叔丁基過氧化氫(TBHP) 15 μL并開始計(jì)時(shí)，反應(yīng)至10 min時(shí)移取0.8 mL反應(yīng)液于離心管中，補(bǔ)加15 μL TBHP。如文獻(xiàn)中所述操作[8]，將所取反應(yīng)液用濾膜過濾，取濾液分別用GC和19F NMR進(jìn)行分析。并在20、30、50、70、90 min時(shí)進(jìn)行取樣分析。

重復(fù)上述操作，測(cè)定80 °C和100 °C時(shí)的催化活性。

經(jīng)濾膜過濾的反應(yīng)液，分別通過GC分析和19F NMR檢測(cè)，記錄各對(duì)應(yīng)物質(zhì)的色譜峰面積和核磁峰面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 19F NMR和GC測(cè)定催化活性

根據(jù)色譜檢測(cè)得到的峰面積，以及響應(yīng)因子計(jì)算不同時(shí)間各物質(zhì)的相對(duì)含量，求得對(duì)氟苯甲醇轉(zhuǎn)化率α，結(jié)果如圖1、表2所示。

圖1 對(duì)氟苯甲醇不同溫度下轉(zhuǎn)化率-時(shí)間圖(GC檢測(cè)結(jié)果)

根據(jù)化學(xué)位移判斷對(duì)氟苯甲醇和對(duì)氟苯甲醛的對(duì)應(yīng)共振峰，積分后得到兩者峰面積之比，由共振峰面積與產(chǎn)生該共振峰的F原子數(shù)成正比而得到兩者的含量比，計(jì)算α，結(jié)果如圖2、表2所示。

圖2 對(duì)氟苯甲醇不同溫度下轉(zhuǎn)化率-時(shí)間圖(19F NMR檢測(cè)結(jié)果)

表2 不同反應(yīng)溫度下對(duì)氟苯甲醇轉(zhuǎn)化率(90 min)

比較分別用19F NMR和GC檢測(cè)得到的α-t圖，可以發(fā)現(xiàn)在相同反應(yīng)溫度和時(shí)間下，通過19F NMR檢測(cè)與GC檢測(cè)分別計(jì)算得到的對(duì)氟苯甲醇轉(zhuǎn)化率結(jié)果一致，這驗(yàn)證了19F NMR檢測(cè)結(jié)果定量分析的可靠性，可以通過19F NMR檢測(cè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)研究的教學(xué)目標(biāo)。同時(shí)發(fā)揮19F NMR分析快速、自動(dòng)進(jìn)樣的優(yōu)勢(shì)，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)獲取更多反應(yīng)溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利于后續(xù)擬合得到Ea。

根據(jù)Arrhenius公式，并對(duì)上述反應(yīng)按照一級(jí)反應(yīng)進(jìn)行擬合，計(jì)算得到各溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)k(min?1)，列入表3。作?ln(k)-1/RT圖擬合得19F NMR和GC檢測(cè)結(jié)果分別為49.15 kJ·mol?1和49.54 kJ·mol?1，結(jié)果非常一致。

表3中結(jié)果進(jìn)一步證明19F NMR和GC檢測(cè)結(jié)果基本一致，從轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率常數(shù)、活化能等多個(gè)角度驗(yàn)證了使用19F NMR檢測(cè)的結(jié)果可靠性，實(shí)現(xiàn)了以19F NMR作為動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法的教學(xué)目標(biāo)。在動(dòng)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入19F NMR技術(shù)用作定性分析檢測(cè)，能夠加深學(xué)生對(duì)NMR技術(shù)和實(shí)際操作的理解，在課后討論中貫通、比較不同的動(dòng)力學(xué)檢測(cè)手段。同時(shí)由底物中F取代基的引入，引起學(xué)生對(duì)反應(yīng)機(jī)理、底物取代基效應(yīng)對(duì)反應(yīng)的影響、副反應(yīng)等多角度的探究。

表3 19F NMR和GC檢測(cè)各反應(yīng)溫度的k

2.2 F原子的取代基效應(yīng)

因19F NMR檢測(cè)技術(shù)的特異性，實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生可以通過團(tuán)隊(duì)合作的形式分別對(duì)鄰、間、對(duì)位取代的底物進(jìn)行催化活性測(cè)試，進(jìn)而比較取代基位置對(duì)反應(yīng)k和Ea的影響，以19F NMR檢測(cè)的催化活性結(jié)果如表4所示，部分19F NMR核磁譜如圖3所示。

表4 不同取代位置底物的k和Ea

圖3 部分不同位置氟代苯甲醇氧化反應(yīng)體系的19F NMR圖譜

由圖3結(jié)果可知，不同位置的F原子取代苯甲醇，100 °C反應(yīng)50 min時(shí)反應(yīng)液的19F NMR譜圖具有顯著差異，對(duì)氟苯甲醇及其氧化產(chǎn)物對(duì)氟苯甲醛的化學(xué)位移(δ)分別在?116和?103，鄰氟苯甲醇及其氧化產(chǎn)物鄰氟F苯甲醛的化學(xué)位移分別在?121和?122，間氟苯甲醇與其氧化產(chǎn)物間氟苯甲醛的化學(xué)位移到?114和?112，信號(hào)峰有不同程度的裂分。再次證明19F NMR技術(shù)能為本實(shí)驗(yàn)方案的順利開展提供良好的技術(shù)。另外，F(xiàn)原子具有強(qiáng)的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)和弱的推電子共軛效應(yīng)，總電子效應(yīng)呈現(xiàn)為吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，且鄰位最強(qiáng)，間位和對(duì)位次之，鄰位和間位都有弱的推電子共軛效應(yīng)。根據(jù)已有文獻(xiàn)研究可知，反應(yīng)物α位H消除是該反應(yīng)的決速步，F(xiàn)的吸電子效應(yīng)會(huì)降低芐位上H的電子云密度，使得H的轉(zhuǎn)移速率降低。因此F取代的底物氧化反應(yīng)速率會(huì)低于苯甲醇的反應(yīng)速率，且由于鄰位吸電子效應(yīng)最強(qiáng)，有k鄰

對(duì)于基元反應(yīng)的反應(yīng)體系[9]，反應(yīng)速率常數(shù)k較小的反應(yīng)，一般據(jù)有較大的Ea。而在本實(shí)驗(yàn)中的氟代苯甲醇氧化，應(yīng)該是復(fù)雜反應(yīng)，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)活化能，無法直接與反應(yīng)速率常數(shù)之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以引導(dǎo)學(xué)生在獲得反應(yīng)k值的基礎(chǔ)上，思考對(duì)于復(fù)雜反應(yīng)的k值、Ea的具體含義，并結(jié)合有機(jī)化學(xué)相關(guān)知識(shí)探索可能的反應(yīng)機(jī)理，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行進(jìn)一步的深入探討。

2.3 副反應(yīng)產(chǎn)物的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)過程中，分別以19F NMR和GC進(jìn)行樣品測(cè)試時(shí)，對(duì)于高溫、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的樣品分析時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)在GC檢測(cè)的譜圖中，對(duì)氟苯甲醛色譜峰旁邊出現(xiàn)一小峰。而在對(duì)應(yīng)的NMR檢測(cè)譜圖中，則沒有這一對(duì)應(yīng)的共振峰。根據(jù)兩個(gè)檢測(cè)結(jié)果的差異，可以啟發(fā)學(xué)生深入思考，并設(shè)計(jì)分析未知物的方法。

副產(chǎn)物的保留時(shí)間略大于對(duì)氟苯甲醛的保留時(shí)間，由此推測(cè)物質(zhì)歸屬于極性更大的物質(zhì)。結(jié)合F在對(duì)位取代的電子效應(yīng)和苯環(huán)上取代的活潑性，推斷可能是發(fā)生芳香親核取代反應(yīng)，F(xiàn)被H取代，生成苯甲醛，針對(duì)這一推測(cè)，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)技術(shù)是將具有高分離能力的氣相色譜和高靈敏度的質(zhì)譜檢測(cè)器聯(lián)合使用的高效分析儀器，同時(shí)具有高靈敏度和高準(zhǔn)確性的定性、定量能力。在色譜柱中被分離的物質(zhì)能夠在各自的保留時(shí)間進(jìn)入質(zhì)譜，每個(gè)色譜峰都可以得到其質(zhì)譜圖，定性、定量分析該色譜峰所含物質(zhì)。因此，GC-MS適合準(zhǔn)確分析本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)液的多組分體系。學(xué)生將反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至120 min，以提高副產(chǎn)物的含量，以便獲取更加可靠的GC-MS檢測(cè)結(jié)果，結(jié)果如圖4所示。

圖4 對(duì)氟苯甲醇氧化的GC-MS檢測(cè)結(jié)果(100 °C，反應(yīng)120 min)

由數(shù)據(jù)庫比對(duì)得到，該色譜峰對(duì)應(yīng)物質(zhì)為苯甲醛，證實(shí)隨著反應(yīng)溫度的升高和反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)物中會(huì)有苯甲醛生成，可能是產(chǎn)物氟代苯甲醛脫氟生成，也可能是氟代苯甲醇脫氟后被氧化得到，具體反應(yīng)通道需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)安排和教學(xué)組織建議

本實(shí)驗(yàn)可采用模塊化教學(xué)模式，分為納米金催化對(duì)氟苯甲醇選擇性氧化動(dòng)力學(xué)測(cè)試(模塊I，6學(xué)時(shí)，本實(shí)驗(yàn)的2.1小節(jié))、取代基位置對(duì)氟苯甲醇選擇性氧化動(dòng)力學(xué)影響(模塊II (多人小組實(shí)驗(yàn))，6學(xué)時(shí)，本實(shí)驗(yàn)的2.2小節(jié))、納米金催化對(duì)氟苯甲醇選擇性氧化副產(chǎn)物解析(模塊III，4學(xué)時(shí)，本實(shí)驗(yàn)的2.3小節(jié))三個(gè)模塊。模塊I涉及動(dòng)力學(xué)測(cè)試的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，模塊II涉及取代基效應(yīng)的有機(jī)化學(xué)內(nèi)容及對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，模塊III涉及儀器分析實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際開展教學(xué)的過程中，各學(xué)?？梢愿鶕?jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課時(shí)數(shù)量、教學(xué)目標(biāo)以及儀器設(shè)備的具體情況，按照表5靈活安排適宜的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

表5 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)與對(duì)應(yīng)的內(nèi)容

4 結(jié)語

本項(xiàng)目對(duì)已有教學(xué)實(shí)驗(yàn)“負(fù)載金催化苯甲醇氧化反應(yīng)活性的測(cè)定”進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地引入19F NMR檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)試以及反應(yīng)活化能的計(jì)算，豐富了教學(xué)內(nèi)容。

同時(shí)通過團(tuán)隊(duì)合作的方式拓展反應(yīng)底物至不同取代位置的氟代苯甲醇，考查取代基位置對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)和活化能的影響，有機(jī)化學(xué)中物質(zhì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)、電子效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)等基礎(chǔ)有機(jī)知識(shí)與物理化學(xué)中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)深度融合，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)層面理解催化反應(yīng)規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考、解決實(shí)際問題的能力。

除此以外，由于F原子取代基的引入，反應(yīng)中少量副產(chǎn)物苯甲醛的生成以及不同位置取代基對(duì)反應(yīng)速率的影響，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步創(chuàng)新探索。通過基于理論的假設(shè)、反應(yīng)物的GC-MS檢測(cè)，不僅實(shí)現(xiàn)了物理化學(xué)中的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更增強(qiáng)了有機(jī)化學(xué)理論知識(shí)、分析鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)等儀器分析技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。