核磁共振氫譜在阿司匹林合成實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

劉長(zhǎng)青,薛洪寶,李文戈

(蚌埠醫(yī)學(xué)院藥物合成教研室，安徽蚌埠 233030)

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)是交變磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的一種物理現(xiàn)象，最早由Stanford大學(xué)的Bloch和Harvard大學(xué)的Purcell科研組于1946年分別用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[1]，隨后核磁共振技術(shù)不斷得到發(fā)展，成為化合物結(jié)構(gòu)研究的有力工具。核磁共振技術(shù)可以分為核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging)與核磁共振波譜(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)，核磁共振成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)于1973年，通過該技術(shù)可以獲取多種物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，現(xiàn)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域無損傷檢測(cè)疾病的重要工具。核磁共振波譜技術(shù)是20世紀(jì)起步并發(fā)展起來的，特別是一維、二維乃至多維脈沖傅立葉變換核磁共振理論的發(fā)展，大大提高了有機(jī)化合物及藥物的結(jié)構(gòu)研究速度與質(zhì)量，在核磁共振技術(shù)中，氫(1H)的核磁共振(1H NMR)提供分子結(jié)構(gòu)中氫原子的類型、數(shù)目、相互連接的方式、周圍化學(xué)環(huán)境乃至空間結(jié)構(gòu)等信息，在確定分子結(jié)構(gòu)與測(cè)量中發(fā)揮巨大的作用[2]。由于核磁共振可以獲得豐富的信息，因此在藥物合成、分析化學(xué)、食品、醫(yī)學(xué)及高分子材料學(xué)等領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。

阿司匹林(Aspirin)又稱乙酰水楊酸，為常用的解熱鎮(zhèn)痛藥，也可以用來防治血栓栓塞性疾病，還可以用來治療風(fēng)濕病和關(guān)節(jié)炎[3]。到目前為止，阿司匹林已應(yīng)用百余年，成為醫(yī)藥史上三大經(jīng)典藥物之一，因此阿司匹林的合成實(shí)驗(yàn)是藥學(xué)及制藥工程方向本科生的必修課。傳統(tǒng)的阿司匹林合成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為驗(yàn)證性的和基本操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)生照方抓藥，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在教材上都可以查到，造成學(xué)生嚴(yán)重依賴教師與教材，學(xué)生分析問題與解決問題的能力不能得到很好的鍛煉。在阿司匹林合成實(shí)驗(yàn)中引入一些新的現(xiàn)代化的教學(xué)手段，讓學(xué)生查閱資料自行設(shè)計(jì)阿司匹林的合成實(shí)驗(yàn)，并采用核磁共振儀對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行表征與分析，這樣的教學(xué)不僅豐富了綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)的連貫性與系統(tǒng)性，還可以使學(xué)生更好地與現(xiàn)代的科學(xué)研究接軌，培養(yǎng)學(xué)生科研能力和綜合實(shí)驗(yàn)素質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 原料水楊酸的核磁共振氫譜及分析

阿司匹林合成實(shí)驗(yàn)常用的方法是水楊酸和乙酸酐在酸催化下進(jìn)行酰化反應(yīng)，生成乙酰水楊酸，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要偏向于合成方法上，對(duì)于產(chǎn)物的純度，簡(jiǎn)單地使用FeCl3溶液進(jìn)行顏色比對(duì)或根據(jù)熔點(diǎn)數(shù)據(jù)很難確定阿司匹林的真實(shí)結(jié)構(gòu)與含量，在教學(xué)中引入核磁共振氫譜，可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行精確的定性與定量分析。圖1是利用BrukerBioSpinGmbH 500M核磁共振儀對(duì)使用的原料水楊酸的測(cè)試結(jié)果。具體分析結(jié)果如下：首先排除譜圖中氘代溶劑(CDCl3)殘余氘信號(hào)(=7.26)。=10.36(s,1H)是羧基中氫的吸收信號(hào)，=7.95～7.93(m,1H),=7.55～7.52(m,1H),=7.01(d,J=7.4 Hz, 1H),=6.96～6.93(m,1H)，這4個(gè)氫為水楊酸苯環(huán)上的氫的核磁信號(hào)，羥基氫為活性氫，在本次核磁共振氫譜中沒有出現(xiàn)峰。

圖1 水楊酸的核磁共振氫譜圖

1.2 阿司匹林粗產(chǎn)品的合成及混合譜圖分析

學(xué)生通過查閱阿司匹林合成文獻(xiàn)資料，自主設(shè)計(jì)合成路線，經(jīng)教師審閱后分組實(shí)驗(yàn)，由于各組學(xué)生合成方法不同，所得產(chǎn)物僅從外觀上很難鑒定是不是阿司匹林，阿司匹林的含量也很難精準(zhǔn)確定。圖2為一組學(xué)生使用濃硫酸作為催化劑的合成實(shí)驗(yàn)，所得粗產(chǎn)物經(jīng)過蒸餾水洗滌，飽和Na2CO3溶液處理去除副產(chǎn)物再酸化抽干后所得粗產(chǎn)物的BrukerBioSpinGmbH 500M核磁共振氫譜。圖2中出現(xiàn)的是非常強(qiáng)的高場(chǎng)核磁信號(hào)=2.36(s,3H)，是一個(gè)甲基的峰，說明水楊酸已經(jīng)被乙酰化了，在低場(chǎng)區(qū)有小雜峰出現(xiàn)，對(duì)比一下原料水楊酸的核磁共振氫譜，不難發(fā)現(xiàn)，峰型矮小的雜峰就是剩余原料水楊酸的峰。核磁共振氫譜中峰面積的積分代表著氫原子數(shù)目，在粗產(chǎn)品的混合氫譜中，可精確得出產(chǎn)物阿司匹林與剩余原料水楊酸的摩爾比為1∶0.18，即可精確推算出阿司匹林的含量為85%。

1.3 精制阿司匹林的核磁共振氫譜及分析

經(jīng)過以乙醇和水作為混合溶劑進(jìn)行重結(jié)晶后，可以得到精制的目標(biāo)產(chǎn)物阿司匹林，干燥后經(jīng)過BrukerBioSpinGmbH 500M核磁共振氫譜表征為圖3。具體分析如下，1H NMR (500 MHz, CDCl3):=8.12～8.11(m,1H)，7.64～7.60(m,1H)，7.35(t,J=7.7 Hz,1H),7.14(d,J=8.1 Hz,1H),2.35 (s,3H)。同時(shí)通過純凈的阿司匹林核磁共振氫譜中的各種氫的化學(xué)位移以及裂分情況，也進(jìn)一步證明前面在阿司匹林混合譜中的推斷是正確的。

圖2 阿司匹林粗產(chǎn)品的核磁共振氫譜圖

圖3 精制阿司匹林的核磁共振氫譜圖

2 結(jié)語

藥物合成實(shí)驗(yàn)是為了加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握，在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理能力的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和獨(dú)立從事科學(xué)研究能力而開設(shè)的。將核磁共振氫譜應(yīng)用到阿司匹

林合成實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以測(cè)得產(chǎn)物阿司匹林的結(jié)構(gòu)，還可以精準(zhǔn)地獲得阿司匹林的含量，實(shí)現(xiàn)有機(jī)波譜理論和藥物合成實(shí)驗(yàn)的結(jié)合。同時(shí)將大型儀器運(yùn)用到本科教學(xué)中也收到了良好的教學(xué)效果，有利于激發(fā)學(xué)生的求知欲和對(duì)藥物合成實(shí)驗(yàn)后處理數(shù)據(jù)的能力，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，為今后從事科學(xué)研究奠定必要的基礎(chǔ)。