核磁共振手性溶剂化试剂应用的创新教学实践_李梅珊.pdf

第 51 卷第 3 期2023 年 2 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.3Mar.2023教学园地核磁共振手性溶剂化试剂应用的创新教学实践李梅珊1,蒋京辰1,罗 琳1,田小艳1,2(1 广西师范大学化学与药学学院,省部共建药用资源化学与药物分子工程国家重点实验室/广西民族药省部共建协同创新中心,广西 桂林 541004;2 钦州市生态环境局钦州市固体废物管理中心,广西 钦州 535000)摘 要:核磁共振技术是当前手性识别研究中一种非常重要的基础工具。因此,在本科生创新型实验教学中,开展设计制备手性溶剂化试剂并用于核磁共振对手性羧酸手性识别的设计性实验,使学生了解手性溶剂化试剂在手性识别中的研究思路,掌握简单的有机合成方法、波谱解析和手性分析方法等一系列综合实验技能,并能参与创新研究的实验设计与结果分析,能激发学生对本专业的学习兴趣及提高动手能力和科研创新能力。关键词:手性溶剂化试剂;手性识别;主-客体;核磁共振;创新实验教学中图分类号:O6-3;O622 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)03-0197-04 基金项目:国家自然科学基金项目(No:81760626)。第一作者:李梅珊(1994-),女,硕士,科研助理,研究方向为有机化学。通讯作者:田小艳(1986-),女,硕士,工程师,研究方向为环境化学。Exploration on Application of NMR Chiral Solvation Reagents in InnovativeResearch and Teaching of UndergraduatesLI Mei-shan1,JIANG Jing-chen1,LUO Lin1,TIAN Xiao-yan1,2(1 State Key Laboratory for Chemistry and Molecular Engineering of Medicinal Resources,CollaborativeInnovation Center for Guangxi Ethnic Medicine,School of Chemistry and Pharmaceutical Sciences,GuangxiNormal University,Guangxi Guilin 541004;2 Ecological Environment Agency Qinzhou,Qinzhou Municipal SolidWaste Management Center,Guangxi Qinzhou 535000,China)Abstract:Nowadays,NMR technology is an important basic tool for studying chiral analysis.Therefore,in theundergraduate experimental education or technical training,by designing the application experiment of chiral solvationreagent in the chiral recognition of chiral carboxylic acid in using NMR technology,students could understand the researchideas of chiral solvation reagent in chiral recognition and grasp a series of comprehensive experimental skills such as simpleorganic synthesis method,spectrum analysis and chirality recognition,and participate in experimental design and resultanalysis of innovative research,which could stimulate students interest during subject education process and improve theirpractical ability and scientific research and innovation ability.Key words:chiral solvation reagent;chiral recognition;host-object;NMR;innovative research and teaching从三维空间上了解分子的结构与性能已成为现代化学研究的热点研究领域,尤其与生命过程有关的化学问题,而手性羧酸作为生物的基础代谢物,其手性识别作用在生物学和药物化学研究中具有至关重要的意义1-2。因此,开发一种快速、准确、简便的方法来测定这些手性化合物的光学纯度、绝对构型和构象变化显得尤为重要。近年来,除了荧光光谱法(FS)3、红外吸收光谱法(IR)4和高效液相色谱法(HPLC)5等鉴定方法外,还有核磁共振技术分析(NMR),尤其是利用核磁共振手性溶剂化试剂(Chiral Solvating Agents,CSAs)进行 NMR 手性识别分析和测定其绝对构型的方法越来越受到人们的关注6。应用核磁共振方法测定手性化合物的光学纯度(对映体过量 ee%值)7-8,是给手性化合物对映体施加一个不对称的环境,使其处于非对映异构关系下产生化学位移不等价,进而使得对映体上某些基团的氢谱信号完全分开,由其峰面积积分测定计算。对有机化合物绝对构型的测定,主要是通过测定光学纯(R 或S)手性试剂与待测外消旋底物反应产物的H或13C NMR 化学位移数据,得到 值与模型比较来推定底物手性中心的绝对构型9。一些 CSA 的应用文献表明,手性胺是一种简单但功能强大的手性助剂10-12,如手性苯乙胺及其一些衍生物已被广泛用于198 广 州 化 工2023 年 2 月手性羧酸的手性分析13-14。但是,由于光学纯的手性试剂存在价格昂贵、对非芳环骨架的对映体拆分效果不明显、实验耗时较长的缺点。在通常课程时间和财力条件下,不是每个学生都能有机会亲自动手进行操作,达不到全员参与的实验训练目的。为此,在创新教学实践中,我们购买便宜的光学纯手性胺,通过一些简单的有机合成和结构表征获得了一系列简便易行的手性识别底物,设计了 S-苯乙胺对苯甲酰化的手性二酸对映体进行 NMR 手性识别实验,如,以 S-苯乙胺为主体,以苯甲酰化手性二酸对映体为客体,组成一系列主客体体系,采用核磁共振技术对手性羧酸进行手性分析,寻找客体的核磁位移差(=|R-S|)达最大值时主体的含量。在教学实验中,本科生需要掌握一些简单的有机合成方法,并对产物进行表征确认,使本科生在培养有机合成技术的同时了解手性溶剂化试剂在核磁共振中应用,并掌握波谱解析和手性识别的技能,能有效提高学生对专业知识的学习兴趣和创新科研能力。1 试剂及仪器1.1 试 剂无特别说明所用试剂均为 AR 级,甲苯,D/L-酒石酸,苯甲酰氯,苯,D/L-苹果酸,甲醇,S-苯乙胺。1.2 仪 器500 MH 超导核磁共振仪(BRUKER AVANCE),瑞士布鲁克公司;WRSI-1A 数字熔点仪,上海精密科学仪器公司;WZZ-2B 型自动旋光测定仪,上海精密科学仪器公司;Carlo Erba1106 元素分析仪,美国 Perkin Elmer 公司。2 实验方法2.1 主体、客体的选择以 S-苯乙胺作为主体,即为 NMR 手性溶剂化试剂,分别对客体 D/L-苯甲酰苹果酸和 D/L-二苯甲酰酒石酸进行手性识别,如图 1 所示。图 1 主体和客体的化学结构Fig.1 Chemical structural for subject and guests2.2 实 验大部分光学纯的手性识别试剂都比较昂贵,因此选取相对便宜的光学纯的苯乙胺有利于更多的学生能够参与实验。但苯乙胺对苹果酸和酒石酸的识别效果不够明显,不能使二酸对映体的谱峰完全分开。为此,需要在苹果酸和酒石酸上增加芳环骨架,通过引入苯甲酰基对手性二酸底物基团产生更强的磁+各向异性作用,增强苯乙胺对衍生手性酸客体识别作用的观察效果,实验观察其对映体的手性基团氢谱谱峰可以完全分开,可用于计算 和对映体过量。2.2.1 客体的合成通法15于 100 mL 烧瓶中依次加入搅拌子、D/L-苹果酸(或 D/L-酒石酸)和苯甲酰氯(手性二酸和苯甲酰氯投入反应的质量之比为1 3),置于油浴锅中并调节油浴使其温度升至 140 150,回流并搅拌 3 h 后,停止加热,将 3 mL 苯加入烧瓶中,继续回流反应。5 min 后将反应体系冷却到室温进行减压抽滤。滤饼用苯洗涤两次后抽滤,随后用甲苯进行重结晶(酒石酸反应得到的滤饼用苯洗涤两次后抽滤并干燥即可),得目标产物,为白色针状晶体。图 2 合成客体的反应方程式Fig.2 The reaction equation for the synthesized object2.2.21H NMR 手性识别测定在1H NMR 手性识别测定实验中,室温下将客体化合物溶解在以四甲基硅烷为内标的 CDCl3溶剂中配置成溶液,再连续往客体溶液中加入主体化合物形成一定比例的主客体体系,随后使用 500 MHz 超导核磁共振仪测定不同比例下体系的1H NMR 谱。具体实验步骤如下:(1)先加入客体 D/L-苯甲酰苹果酸 5.95 mg 于核磁管中,加入 0.5 mL CDCl3溶解后不断向溶液加入主体 S-苯乙胺固体(每加入一次主体测定一次主客体体系的1H NMR 谱),形成不同组成的 S-苯乙胺-D/L-苯甲酰苹果酸主客体体系(为保证测定前体系完全反应,可以适当加热),从而得到一系列 S-苯乙胺-D/L-苯甲酰苹果酸主客体体系的1H NMR 谱。(2)将(1)中客体换为 D/L-二苯甲酰酒石酸(8.96 mg)与主体 S-苯乙胺组成主客体体系,用(1)的方式进行测定。3 结果与讨论3.1 化合物表征图 3 D/L-二苯甲酰酒石酸的1H NMR 谱图Fig.31H NMR spectrum of D/L-dibenzoyl tartaric acid第 51 卷第 3 期李梅珊,等:核磁共振手性溶剂化试剂应用的创新教学实践199 D/L-二苯甲酰酒石酸:熔点为 178 178.4。1H NMR(CDCl3,500 MHz):6.0(s,2H,CH),7.51(m,4H,3,5,3,5Ar-H),7.67(m,2H,4,4Ar-H),8.11(d,4H,2,6,2,6Ar-H)。D/L-苯甲酰苹果酸:熔点为 131.6 132.4。1H NMR(CDCl3,500 MHz):3.20(dd,1H,3-H),3.52(dd,1H,3-H),5.76(dd,1H,2-H),7.52(t,2H,3,5Ar-H),7.67(t,1H,4Ar-H),8.08(d,2H,2,6-Ar-H)。图 4 D/L-苯甲酰苹果酸的1H NMR 谱图Fig.41H NMR spectrum of D/L-benzoyl malic acid3.2 手性识别谱图分析3.2.1 D/L-苯甲酰苹果酸的1H NMR 谱图分析图 5 不同浓度 S-苯乙胺对 D/L-苯甲酰苹果酸的1H NMR 识别局部(CH)放大图Fig.5 The1H NMR recognition partial(CH)image of D/L-benzoylmalic acid with different concentrations of S-phenethylamine在 S-苯乙胺-D/L-苯甲酰苹果酸体系中,通过1H NMR 研究主体 S-苯乙胺对客体 D/L-苯甲酰苹果酸的识别能力。如图