陳邦彥，程昕雨，周倜，孫立森,2,＊，劉永梅,2,＊

1復旦大學化學系，上海 200433

2復旦大學化學實驗教學示范中心，上海 200433

核磁共振(NMR)技術(shù)具有制樣簡便、檢測快速自動、重復性好、不破壞樣品等優(yōu)勢，在化學、生物學、藥學等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1,2]。隨著科學技術(shù)發(fā)展，NMR的準確度和精確度已經(jīng)由原本的定性分析水準，逐步接近或達到了高效液相色譜(HPLC)和氣相色譜(GC)的定量分析水準，能夠同時實現(xiàn)定性鑒定和定量分析計算，部分檢測分析技術(shù)和方法已經(jīng)廣泛錄入美國、歐洲等國家藥典[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)引入本科實驗教學課程中，尤其是化學動力學的教學中，拓展學生視野，為從事科學研究積累知識、奠定基礎(chǔ)。

化學動力學相關(guān)的實驗是物理化學教學實驗中重要的組成部分，它們涉及到不同的檢測方法，以常見的動力學教學實驗為例，如表1所示[4-7]。

表1 高校常見動力學教學實驗與檢測儀器/方法

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

本項目對已有教學實驗“負載金催化苯甲醇氧化反應(yīng)活性的測定”進行創(chuàng)新設(shè)計。原實驗中使用氣相色譜(GC)檢測不同溫度下反應(yīng)物隨反應(yīng)時間的變化，進行動力學研究。在教學實踐中，受限于教學時間的限制，實驗內(nèi)容相對固定，不利于學生個性化的創(chuàng)新性培養(yǎng)。

現(xiàn)今NMR技術(shù)已經(jīng)具備定量分析的準確度和精確度，我們在該實驗中創(chuàng)新性地引入NMR技術(shù)對反應(yīng)進程進行跟蹤，進行化學反應(yīng)動力學研究。由于反應(yīng)溶劑甲苯苯環(huán)上有多個H，導致反應(yīng)物、產(chǎn)物中1H NMR譜復雜化，不利于樣品的定量分析。因此，本實驗中利用引入取代基F原子到苯環(huán)，使用19F NMR檢測。19F NMR具有受干擾小、響應(yīng)靈敏等特點，從而實驗內(nèi)容可以擴展，如進行多組反應(yīng)溫度下的動力學測試，實驗數(shù)據(jù)更加詳實。還可以通過團隊合作拓展反應(yīng)底物范圍，比較取代基位置對催化反應(yīng)速率的影響，進而深入探究反應(yīng)機理，將物理化學中的反應(yīng)動力學、NMR技術(shù)與有機化學中的電子效應(yīng)等理論知識有機融合，激發(fā)學生對化學反應(yīng)機制的探究與思考，真正起到科學思維的訓練拓展和加深教學實驗內(nèi)容的意義。

1 實驗部分

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.)國藥；General-reagent Au/TiO2(1%)，Mintek；叔丁基過氧化氫(70%)，國藥。

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

1.2 實驗方法

25 mL三頸瓶上分別安裝溫度計、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并開始計時，反應(yīng)至10 min時移取0.8 mL反應(yīng)液于離心管中，補加15 μL TBHP。如文獻中所述操作[8]，將所取反應(yīng)液用濾膜過濾，取濾液分別用GC和19F NMR進行分析。并在20、30、50、70、90 min時進行取樣分析。

重復上述操作，測定80 °C和100 °C時的催化活性。

經(jīng)濾膜過濾的反應(yīng)液，分別通過GC分析和19F NMR檢測，記錄各對應(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測定催化活性

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

圖1 對氟苯甲醇不同溫度下轉(zhuǎn)化率-時間圖(GC檢測結(jié)果)

根據(jù)化學位移判斷對氟苯甲醇和對氟苯甲醛的對應(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，計算α，結(jié)果如圖2、表2所示。

圖2 對氟苯甲醇不同溫度下轉(zhuǎn)化率-時間圖(19F NMR檢測結(jié)果)

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

比較分別用19F NMR和GC檢測得到的α-t圖，可以發(fā)現(xiàn)在相同反應(yīng)溫度和時間下，通過19F NMR檢測與GC檢測分別計算得到的對氟苯甲醇轉(zhuǎn)化率結(jié)果一致，這驗證了19F NMR檢測結(jié)果定量分析的可靠性，可以通過19F NMR檢測實現(xiàn)動力學研究的教學目標。同時發(fā)揮19F NMR分析快速、自動進樣的優(yōu)勢，在有限的教學時間內(nèi)獲取更多反應(yīng)溫度下的實驗數(shù)據(jù)，利于后續(xù)擬合得到Ea。

根據(jù)Arrhenius公式，并對上述反應(yīng)按照一級反應(yīng)進行擬合，計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)果進一步證明19F NMR和GC檢測結(jié)果基本一致，從轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率常數(shù)、活化能等多個角度驗證了使用19F NMR檢測的結(jié)果可靠性，實現(xiàn)了以19F NMR作為動力學實驗檢測方法的教學目標。在動力學教學實驗中引入19F NMR技術(shù)用作定性分析檢測，能夠加深學生對NMR技術(shù)和實際操作的理解，在課后討論中貫通、比較不同的動力學檢測手段。同時由底物中F取代基的引入，引起學生對反應(yīng)機理、底物取代基效應(yīng)對反應(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檢測技術(shù)的特異性，實際教學中，學生可以通過團隊合作的形式分別對鄰、間、對位取代的底物進行催化活性測試，進而比較取代基位置對反應(yīng)k和Ea的影響，以19F NMR檢測的催化活性結(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時反應(yīng)液的19F NMR譜圖具有顯著差異，對氟苯甲醇及其氧化產(chǎn)物對氟苯甲醛的化學位移(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位移到?114和?112，信號峰有不同程度的裂分。再次證明19F NMR技術(shù)能為本實驗方案的順利開展提供良好的技術(shù)。另外，F(xiàn)原子具有強的吸電子誘導效應(yīng)和弱的推電子共軛效應(yīng)，總電子效應(yīng)呈現(xiàn)為吸電子誘導效應(yīng)，且鄰位最強，間位和對位次之，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)速率會低于苯甲醇的反應(yīng)速率，且由于鄰位吸電子效應(yīng)最強，有k鄰

對于基元反應(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。而在本實驗中的氟代苯甲醇氧化，應(yīng)該是復雜反應(yīng)，測得的實驗活化能，無法直接與反應(yīng)速率常數(shù)之間進行關(guān)聯(lián)。教學實驗中，可以引導學生在獲得反應(yīng)k值的基礎(chǔ)上，思考對于復雜反應(yīng)的k值、Ea的具體含義，并結(jié)合有機化學相關(guān)知識探索可能的反應(yīng)機理，并設(shè)計實驗，進行進一步的深入探討。

2.3 副反應(yīng)產(chǎn)物的驗證

實驗過程中，分別以19F NMR和GC進行樣品測試時，對于高溫、反應(yīng)時間長的樣品分析時，學生發(fā)現(xiàn)在GC檢測的譜圖中，對氟苯甲醛色譜峰旁邊出現(xiàn)一小峰。而在對應(yīng)的NMR檢測譜圖中，則沒有這一對應(yīng)的共振峰。根據(jù)兩個檢測結(jié)果的差異，可以啟發(fā)學生深入思考，并設(shè)計分析未知物的方法。

副產(chǎn)物的保留時間略大于對氟苯甲醛的保留時間，由此推測物質(zhì)歸屬于極性更大的物質(zhì)。結(jié)合F在對位取代的電子效應(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，針對這一推測，學生進行實驗設(shè)計并驗證。

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)譜檢測器聯(lián)合使用的高效分析儀器，同時具有高靈敏度和高準確性的定性、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間進入質(zhì)譜，每個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適合準確分析本實驗反應(yīng)液的多組分體系。學生將反應(yīng)時間延長至120 min，以提高副產(chǎn)物的含量，以便獲取更加可靠的GC-MS檢測結(jié)果，結(jié)果如圖4所示。

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

由數(shù)據(jù)庫比對得到，該色譜峰對應(yīng)物質(zhì)為苯甲醛，證實隨著反應(yīng)溫度的升高和反應(yīng)時間的延長，產(chǎn)物中會有苯甲醛生成，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)通道需要進一步驗證。

3 實驗安排和教學組織建議

本實驗可采用模塊化教學模式，分為納米金催化對氟苯甲醇選擇性氧化動力學測試(模塊I，6學時，本實驗的2.1小節(jié))、取代基位置對氟苯甲醇選擇性氧化動力學影響(模塊II (多人小組實驗)，6學時，本實驗的2.2小節(jié))、納米金催化對氟苯甲醇選擇性氧化副產(chǎn)物解析(模塊III，4學時，本實驗的2.3小節(jié))三個模塊。模塊I涉及動力學測試的物理化學實驗，模塊II涉及取代基效應(yīng)的有機化學內(nèi)容及對反應(yīng)動力學影響的物理化學實驗，模塊III涉及儀器分析實驗。在實際開展教學的過程中，各學?？梢愿鶕?jù)實際實驗教學的課時數(shù)量、教學目標以及儀器設(shè)備的具體情況，按照表5靈活安排適宜的實驗內(nèi)容。

表5 實驗學時與對應(yīng)的內(nèi)容

4 結(jié)語

本項目對已有教學實驗“負載金催化苯甲醇氧化反應(yīng)活性的測定”進行創(chuàng)新設(shè)計，創(chuàng)新性地引入19F NMR檢測技術(shù)，實現(xiàn)反應(yīng)速率常數(shù)的測試以及反應(yīng)活化能的計算，豐富了教學內(nèi)容。

同時通過團隊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，考查取代基位置對反應(yīng)速率常數(shù)和活化能的影響，有機化學中物質(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)有機知識與物理化學中的反應(yīng)動力學深度融合，引導學生從化學反應(yīng)本質(zhì)層面理解催化反應(yīng)規(guī)律，培養(yǎng)學生主動思考、解決實際問題的能力。

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反應(yīng)速率的影響，激發(fā)學生進一步創(chuàng)新探索。通過基于理論的假設(shè)、反應(yīng)物的GC-MS檢測，不僅實現(xiàn)了物理化學中的動力學實驗教學，更增強了有機化學理論知識、分析鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)等儀器分析技術(shù)的實際應(yīng)用。