基于19F核磁的納米金催化氟代苯甲醇選擇性氧化的動力學測試

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、藥學等領域廣泛應用[1,2]。隨著科學技術發(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)展迅速且廣泛應用的技術，有必要將NMR技術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。

化學動力學相關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技術作為重要的檢測技術，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)構和構象、化學交換及立體化學反應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活性的測定”進行創(chuàng)新設計。原實驗中使用氣相色譜(GC)檢測不同溫度下反應物隨反應時間的變化，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技術對反應進程進行跟蹤，進行化學反應動力學研究。由于反應溶劑甲苯苯環(huán)上有多個H，導致反應物、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、響應靈敏等特點，從而實驗內(nèi)容可以擴展，如進行多組反應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底物范圍，比較取代基位置對催化反應速率的影響，進而深入探究反應機理，將物理化學中的反應動力學、NMR技術與有機化學中的電子效應等理論知識有機融合，激發(fā)學生對化學反應機制的探究與思考，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，反應至10 min時移取0.8 mL反應液于離心管中，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)濾膜過濾的反應液，分別通過GC分析和19F NMR檢測，記錄各對應物質(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，并對上述反應按照一級反應進行擬合，計算得到各溫度下的反應速率常數(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技術用作定性分析檢測，能夠加深學生對NMR技術和實際操作的理解，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，引起學生對反應機理、底物取代基效應對反應的影響、副反應等多角度的探究。

表3 19F NMR和GC檢測各反應溫度的k

2.2 F原子的取代基效應

因19F NMR檢測技術的特異性，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50 min時反應液的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技術能為本實驗方案的順利開展提供良好的技術。另外，F(xiàn)原子具有強的吸電子誘導效應和弱的推電子共軛效應，總電子效應呈現(xiàn)為吸電子誘導效應，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。根據(jù)已有文獻研究可知，反應物α位H消除是該反應的決速步，F(xiàn)的吸電子效應會降低芐位上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速率會低于苯甲醇的反應速率，且由于鄰位吸電子效應最強，有k鄰

對于基元反應的反應體系[9]，反應速率常數(shù)k較小的反應，一般據(jù)有較大的Ea。而在本實驗中的氟代苯甲醇氧化，應該是復雜反應，測得的實驗活化能，無法直接與反應速率常數(shù)之間進行關聯(lián)。教學實驗中，可以引導學生在獲得反應k值的基礎上，思考對于復雜反應的k值、Ea的具體含義，并結(jié)合有機化學相關知識探索可能的反應機理，并設計實驗，進行進一步的深入探討。

2.3 副反應產(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。而在對應的NMR檢測譜圖中，則沒有這一對應的共振峰。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，F(xiàn)被H取代，生成苯甲醛，針對這一推測，學生進行實驗設計并驗證。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)技術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液的多組分體系。學生將反應時間延長至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120 min)

由數(shù)據(jù)庫比對得到，該色譜峰對應物質(zhì)為苯甲醛，證實隨著反應溫度的升高和反應時間的延長，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涉及取代基效應的有機化學內(nèi)容及對反應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，各學校可以根據(jù)實際實驗教學的課時數(shù)量、教學目標以及儀器設備的具體情況，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活性的測定”進行創(chuàng)新設計，創(chuàng)新性地引入19F NMR檢測技術，實現(xiàn)反應速率常數(shù)的測試以及反應活化能的計算，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速率常數(shù)和活化能的影響，有機化學中物質(zhì)結(jié)構效應、電子效應和空間位阻效應等基礎有機知識與物理化學中的反應動力學深度融合，引導學生從化學反應本質(zhì)層面理解催化反應規(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、反應物的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)構等儀器分析技術的實際應用。