基于19F核磁的纳米金催化氟代苯甲醇选择性氧化的动力学测试

2022-09-03陈邦彦程昕雨周倜孙立森刘永梅

大学化学 2022年7期

陈邦彦，程昕雨，周倜，孙立森,2,＊，刘永梅,2,＊

1复旦大学化学系，上海 200433

2复旦大学化学实验教学示范中心，上海 200433

核磁共振(NMR)技术具有制样简便、检测快速自动、重复性好、不破坏样品等优势，在化学、生物学、药学等领域广泛应用[1,2]。随着科学技术发展，NMR的准确度和精确度已经由原本的定性分析水准，逐步接近或达到了高效液相色谱(HPLC)和气相色谱(GC)的定量分析水准，能够同时实现定性鉴定和定量分析计算，部分检测分析技术和方法已经广泛录入美国、欧洲等国家药典[3]。作为发展迅速且广泛应用的技术，有必要将NMR技术引入本科实验教学课程中，尤其是化学动力学的教学中，拓展学生视野，为从事科学研究积累知识、奠定基础。

化学动力学相关的实验是物理化学教学实验中重要的组成部分，它们涉及到不同的检测方法，以常见的动力学教学实验为例，如表1所示[4-7]。

表1 高校常见动力学教学实验与检测仪器/方法

由表1中列举内容可以发现，本科物理化学教学实验中的动力学实验往往采用如分光光度法、气相色谱法等传统的定量检测方法，而NMR技术作为重要的检测技术，更多地用于有机物的定性分析，而在动力学教学实验中很少见。以NMR方法研究化学动力学过程，如分子结构和构象、化学交换及立体化学反应速度和其他动力学问题，具有所需样品含量少、检测速度快、重复性好以及不终止反应等优点[8,9]。

本项目对已有教学实验“负载金催化苯甲醇氧化反应活性的测定”进行创新设计。原实验中使用气相色谱(GC)检测不同温度下反应物随反应时间的变化，进行动力学研究。在教学实践中，受限于教学时间的限制，实验内容相对固定，不利于学生个性化的创新性培养。

现今NMR技术已经具备定量分析的准确度和精确度，我们在该实验中创新性地引入NMR技术对反应进程进行跟踪，进行化学反应动力学研究。由于反应溶剂甲苯苯环上有多个H，导致反应物、产物中1H NMR谱复杂化，不利于样品的定量分析。因此，本实验中利用引入取代基F原子到苯环，使用19F NMR检测。19F NMR具有受干扰小、响应灵敏等特点，从而实验内容可以扩展，如进行多组反应温度下的动力学测试，实验数据更加详实。还可以通过团队合作拓展反应底物范围，比较取代基位置对催化反应速率的影响，进而深入探究反应机理，将物理化学中的反应动力学、NMR技术与有机化学中的电子效应等理论知识有机融合，激发学生对化学反应机制的探究与思考，真正起到科学思维的训练拓展和加深教学实验内容的意义。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

试剂：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.)国药；General-reagent Au/TiO2(1%)，Mintek；叔丁基过氧化氢(70%)，国药。

仪器：核磁共振仪，Bruker Avance NEO 400 MHz (Bruker公司，德国)；气相色谱 Echrom A90 EC-Wax (上海仪盟电子科技有限公司)。

1.2 实验方法

25 mL三颈瓶上分别安装温度计、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油浴中恒温至反应温度。加入Au/TiO2催化剂200 mg，之后快速加入叔丁基过氧化氢(TBHP) 15 μL并开始计时，反应至10 min时移取0.8 mL反应液于离心管中，补加15 μL TBHP。如文献中所述操作[8]，将所取反应液用滤膜过滤，取滤液分别用GC和19F NMR进行分析。并在20、30、50、70、90 min时进行取样分析。

重复上述操作，测定80 °C和100 °C时的催化活性。

经滤膜过滤的反应液，分别通过GC分析和19F NMR检测，记录各对应物质的色谱峰面积和核磁峰面积。

2 结果与讨论

2.1 19F NMR和GC测定催化活性

根据色谱检测得到的峰面积，以及响应因子计算不同时间各物质的相对含量，求得对氟苯甲醇转化率α，结果如图1、表2所示。

图1 对氟苯甲醇不同温度下转化率-时间图(GC检测结果)

根据化学位移判断对氟苯甲醇和对氟苯甲醛的对应共振峰，积分后得到两者峰面积之比，由共振峰面积与产生该共振峰的F原子数成正比而得到两者的含量比，计算α，结果如图2、表2所示。

图2 对氟苯甲醇不同温度下转化率-时间图(19F NMR检测结果)

表2 不同反应温度下对氟苯甲醇转化率(90 min)

比较分别用19F NMR和GC检测得到的α-t图，可以发现在相同反应温度和时间下，通过19F NMR检测与GC检测分别计算得到的对氟苯甲醇转化率结果一致，这验证了19F NMR检测结果定量分析的可靠性，可以通过19F NMR检测实现动力学研究的教学目标。同时发挥19F NMR分析快速、自动进样的优势，在有限的教学时间内获取更多反应温度下的实验数据，利于后续拟合得到Ea。

根据Arrhenius公式，并对上述反应按照一级反应进行拟合，计算得到各温度下的反应速率常数k(min−1)，列入表3。作−ln(k)-1/RT图拟合得19F NMR和GC检测结果分别为49.15 kJ·mol−1和49.54 kJ·mol−1，结果非常一致。

表3中结果进一步证明19F NMR和GC检测结果基本一致，从转化率、反应速率常数、活化能等多个角度验证了使用19F NMR检测的结果可靠性，实现了以19F NMR作为动力学实验检测方法的教学目标。在动力学教学实验中引入19F NMR技术用作定性分析检测，能够加深学生对NMR技术和实际操作的理解，在课后讨论中贯通、比较不同的动力学检测手段。同时由底物中F取代基的引入，引起学生对反应机理、底物取代基效应对反应的影响、副反应等多角度的探究。

表3 19F NMR和GC检测各反应温度的k

2.2 F原子的取代基效应

因19F NMR检测技术的特异性，实际教学中，学生可以通过团队合作的形式分别对邻、间、对位取代的底物进行催化活性测试，进而比较取代基位置对反应k和Ea的影响，以19F NMR检测的催化活性结果如表4所示，部分19F NMR核磁谱如图3所示。

表4 不同取代位置底物的k和Ea

图3 部分不同位置氟代苯甲醇氧化反应体系的19F NMR图谱

由图3结果可知，不同位置的F原子取代苯甲醇，100 °C反应50 min时反应液的19F NMR谱图具有显著差异，对氟苯甲醇及其氧化产物对氟苯甲醛的化学位移(δ)分别在−116和−103，邻氟苯甲醇及其氧化产物邻氟F苯甲醛的化学位移分别在−121和−122，间氟苯甲醇与其氧化产物间氟苯甲醛的化学位移到−114和−112，信号峰有不同程度的裂分。再次证明19F NMR技术能为本实验方案的顺利开展提供良好的技术。另外，F原子具有强的吸电子诱导效应和弱的推电子共轭效应，总电子效应呈现为吸电子诱导效应，且邻位最强，间位和对位次之，邻位和间位都有弱的推电子共轭效应。根据已有文献研究可知，反应物α位H消除是该反应的决速步，F的吸电子效应会降低苄位上H的电子云密度，使得H的转移速率降低。因此F取代的底物氧化反应速率会低于苯甲醇的反应速率，且由于邻位吸电子效应最强，有k邻

对于基元反应的反应体系[9]，反应速率常数k较小的反应，一般据有较大的Ea。而在本实验中的氟代苯甲醇氧化，应该是复杂反应，测得的实验活化能，无法直接与反应速率常数之间进行关联。教学实验中，可以引导学生在获得反应k值的基础上，思考对于复杂反应的k值、Ea的具体含义，并结合有机化学相关知识探索可能的反应机理，并设计实验，进行进一步的深入探讨。

2.3 副反应产物的验证

实验过程中，分别以19F NMR和GC进行样品测试时，对于高温、反应时间长的样品分析时，学生发现在GC检测的谱图中，对氟苯甲醛色谱峰旁边出现一小峰。而在对应的NMR检测谱图中，则没有这一对应的共振峰。根据两个检测结果的差异，可以启发学生深入思考，并设计分析未知物的方法。

副产物的保留时间略大于对氟苯甲醛的保留时间，由此推测物质归属于极性更大的物质。结合F在对位取代的电子效应和苯环上取代的活泼性，推断可能是发生芳香亲核取代反应，F被H取代，生成苯甲醛，针对这一推测，学生进行实验设计并验证。

气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术是将具有高分离能力的气相色谱和高灵敏度的质谱检测器联合使用的高效分析仪器，同时具有高灵敏度和高准确性的定性、定量能力。在色谱柱中被分离的物质能够在各自的保留时间进入质谱，每个色谱峰都可以得到其质谱图，定性、定量分析该色谱峰所含物质。因此，GC-MS适合准确分析本实验反应液的多组分体系。学生将反应时间延长至120 min，以提高副产物的含量，以便获取更加可靠的GC-MS检测结果，结果如图4所示。

图4 对氟苯甲醇氧化的GC-MS检测结果(100 °C，反应120 min)

由数据库比对得到，该色谱峰对应物质为苯甲醛，证实随着反应温度的升高和反应时间的延长，产物中会有苯甲醛生成，可能是产物氟代苯甲醛脱氟生成，也可能是氟代苯甲醇脱氟后被氧化得到，具体反应通道需要进一步验证。

3 实验安排和教学组织建议

本实验可采用模块化教学模式，分为纳米金催化对氟苯甲醇选择性氧化动力学测试(模块I，6学时，本实验的2.1小节)、取代基位置对氟苯甲醇选择性氧化动力学影响(模块II (多人小组实验)，6学时，本实验的2.2小节)、纳米金催化对氟苯甲醇选择性氧化副产物解析(模块III，4学时，本实验的2.3小节)三个模块。模块I涉及动力学测试的物理化学实验，模块II涉及取代基效应的有机化学内容及对反应动力学影响的物理化学实验，模块III涉及仪器分析实验。在实际开展教学的过程中，各学校可以根据实际实验教学的课时数量、教学目标以及仪器设备的具体情况，按照表5灵活安排适宜的实验内容。