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NMR技術(shù)應(yīng)用于手性識(shí)別實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)

2022-01-06 10:40田小艷蔣京辰李梅珊
實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2021年11期
關(guān)鍵詞:乙胺甲酰手性

田小艷, 羅 琳, 蔣京辰, 李梅珊

(1.廣西師范大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,省部共建藥用資源化學(xué)與藥物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西民族藥省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,廣西桂林541004;2.欽州市生態(tài)環(huán)境局欽州市固體廢物管理中心,廣西欽州535000)

0 引 言

在化學(xué)相關(guān)專業(yè)中最為重要的一個(gè)教學(xué)部分就是實(shí)驗(yàn)教學(xué),但是目前的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)代社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求。因此,需要強(qiáng)化創(chuàng)新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的力度,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)并完成創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生自主創(chuàng)新能力,為將來(lái)的科研和生產(chǎn)實(shí)踐奠定基礎(chǔ)[1-3]?;谔嵘龑W(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力這一培養(yǎng)目標(biāo),充分利用本?,F(xiàn)有教學(xué)儀器資源,將羧酸類手性溶劑化試劑(Chiral Solvating Agents,CSAs)的制備及其通過(guò)核磁共振(NMR)法對(duì)R/S-萘乙胺進(jìn)行手性識(shí)別等研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)成創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn),教授學(xué)生相關(guān)理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技巧及如何運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新思維能力,也使學(xué)生充分了解本學(xué)科當(dāng)前研究現(xiàn)狀和從事化學(xué)行業(yè)所需具備的專業(yè)技能,能夠調(diào)動(dòng)他們對(duì)本專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣。

目前,臨床上使用的藥物約有1/3是手性藥物。但是,由于手性化合物的絕對(duì)立體結(jié)構(gòu)在決定它們的特殊重要化學(xué)、物理、生物、藥學(xué)的性質(zhì)上起了最關(guān)鍵作用,所以這些化合物中往往只有其中一種構(gòu)型的光學(xué)異構(gòu)體具有藥理活性,而另一種光學(xué)異構(gòu)體則可能不具有任何藥理活性甚至?xí)?duì)人體有毒副作用。因此手性化合物的識(shí)別在新藥研發(fā)和活性藥物篩選中至關(guān)重要。近年來(lái),手性化合物的分析方法常用的有高效液相色譜法和NMR法等,其中NMR法具有快速、方便、樣品用量少且可回收等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[4-5]。而手性溶劑化試劑分析法是NMR技術(shù)研究手性化合物的主要方法之一。手性溶劑化試劑主要是能與兩個(gè)對(duì)映異構(gòu)體通過(guò)非共價(jià)鍵、范德華力和氫鍵等形成非對(duì)映絡(luò)合物,從而使對(duì)映體的NMR信號(hào)的化學(xué)位移有所偏差以達(dá)到手性識(shí)別的目的[6-8]。目前已有許多優(yōu)秀的手性識(shí)別試劑被發(fā)現(xiàn)或合成,但是目前商品化的手性溶劑化試劑的價(jià)格都非常昂貴,如常用的(S)-MPA和18-C-6-TCA25試劑僅25 mg就需要上百美元。因此,這些價(jià)格昂貴的識(shí)別試劑顯然不適合用于常規(guī)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。經(jīng)了解發(fā)現(xiàn)松香[9]是一種重要的且廉價(jià)易得的可再生資源,而酒石酸[10]是一種常見(jiàn)于酒類和其他葡萄類產(chǎn)物中的物質(zhì),都極易大量獲取且價(jià)格便宜,較適合用于大規(guī)模的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

酒石酸和從松香中提取得到含有3個(gè)手性碳原子的脫氫松香酸由于結(jié)構(gòu)中都含有可以與胺類發(fā)生良好反應(yīng)的羧基基團(tuán),可作為識(shí)別胺類的手性溶劑化試劑。但是酒石酸的識(shí)別效果并不明顯,因此需要在酒石酸結(jié)構(gòu)上增加苯環(huán)結(jié)構(gòu)以增大手性識(shí)別試劑的磁各向異

性,使手性化合物的NMR信號(hào)裂分效果更加明顯?;谝陨峡紤],本實(shí)驗(yàn)首先從松香中提取純凈的脫氫松香酸、通過(guò)有機(jī)合成方法對(duì)酒石酸進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造制備L-二苯甲酰酒石酸,然后以這兩種羧酸作為手性溶劑化試劑,對(duì)R/S-萘乙胺通過(guò)1H NMR譜圖進(jìn)行手性識(shí)別研究。理論上,該主體與客體有兩種結(jié)合方式:一種是主體的羧基通過(guò)氫鍵與客體的氨基結(jié)合;另一種是由于主體和客體都有苯環(huán)存在,因此可以通過(guò)π-π堆積和磁各向異性作用形成穩(wěn)定的絡(luò)合物結(jié)構(gòu)。當(dāng)主客體體系中主體與客體形成穩(wěn)定的絡(luò)合物后,此時(shí)R/S-萘乙胺被施加一個(gè)不對(duì)稱的環(huán)境,使其處于非對(duì)映異構(gòu)關(guān)系下產(chǎn)生化學(xué)位移不等價(jià),進(jìn)而使得R/S-萘乙胺1H NMR譜圖上的次甲基和甲基基團(tuán)的氫信號(hào)出現(xiàn)裂分,通過(guò)分析這些信號(hào)的變化情況及R-萘乙胺手性質(zhì)子的化學(xué)位移δR和S-萘乙胺手性質(zhì)子的化學(xué)位移δS之間的差異,計(jì)算化學(xué)位移差值ΔΔδ(ΔΔδ=

2 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

2.1 儀器

BRUKER AVANCE 500 MH超導(dǎo)核磁共振儀(瑞士,布魯克公司);WRSI-1A數(shù)字熔點(diǎn)儀(上海精密科學(xué)儀器公司);DLSB-5/20型低溫冷卻液循環(huán)泵(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司);SHB-Ⅲ循環(huán)多用真空泵;ID-300.ID-300.3多功能電子天平;RE-5.2AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器;D-8401型多功能攪拌器。

2.2 試劑

歧化松香、95%乙醇、乙醇胺、石油醚、稀鹽酸、酒石酸、苯甲酰氯、苯,上述藥品除歧化松香、95%乙醇為工業(yè)等級(jí)以外,其余全為分析純。

2.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

以脫氫松香酸和L-二苯甲酰酒石酸兩種手性羧酸作為主體,即為NMR手性溶劑化試劑,分別對(duì)客體R/S-仲丁胺萘乙胺進(jìn)行手性識(shí)別,其化學(xué)結(jié)構(gòu)式分別為:

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 主體化合物的制備

(1)脫氫松香酸的純化[11]。將200 g工業(yè)歧化松香加入2 000 mL燒瓶中,加入500 mL 95%乙醇并加熱溶解工業(yè)歧化松香后趁熱抽濾。濾液趁熱加入40 g乙醇胺和500 mL熱水,用100 mL石油醚萃取5次,胺層冷卻后結(jié)晶,過(guò)濾,沉淀用50%乙醇重結(jié)晶得純凈脫氫松香酸鹽,將脫氫松香酸鹽溶解于700 mL 50%熱乙醇中,用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH=4,冷卻,過(guò)濾,并用水洗滌沉淀,真空干燥,得白色晶體即為脫氫松香酸45 g,使用WRSI-1A數(shù)字熔點(diǎn)儀測(cè)其熔點(diǎn)為170.1~171.5℃,其反應(yīng)式為:

(2)L-二苯甲酰酒石酸的合成[12]。向100 mL燒瓶中加入1 g酒石酸和3 g(4 mL)的苯甲酰氯,并置于油浴鍋中,調(diào)節(jié)油浴使溫度升至140~150℃,回流并攪拌3 h后,停止加熱,加入3 mL苯于燒瓶中,繼續(xù)回流反應(yīng)5 min,待反應(yīng)體系冷卻到室溫后進(jìn)行減壓抽濾,用苯洗滌濾餅兩次,抽濾并干燥,得白色針狀固體即為L(zhǎng)-二苯甲酰酒石酸2.1 g,使用WRSI-1A數(shù)字熔點(diǎn)儀測(cè)其熔點(diǎn)為194.7~196.0℃,其反應(yīng)式為:

3.2 手性識(shí)別作用的1H NMR測(cè)定

以主體脫氫松香酸和L-二苯甲酰酒石酸為NMR手性溶劑化試劑,采用1H NMR測(cè)定法對(duì)客體R/S-萘乙胺分別進(jìn)行手性識(shí)別研究。測(cè)定方法是固定客體濃度不變,依次加入主體的量進(jìn)行測(cè)定(采取連續(xù)加樣連續(xù)測(cè)量的方式)。實(shí)驗(yàn)具體步驟如下:

(1)20℃下,在核磁管中加入R/S-萘乙胺(0.05 mol),加入0.5 mL CDCl3作為溶劑,逐漸加入一定量的脫氫松香酸,每加入一次便進(jìn)行1H NMR測(cè)定,得到一系列脫氫松香酸-R/S-主客體體系的1H NMR譜圖。

(2)20℃下,在核磁管中加入R/S-萘乙胺(0.05 mol),加入0.5 mL CDCl3作為溶劑,逐漸加入一定量的L-二苯甲酰酒石酸,每加入一次便進(jìn)行1H NMR測(cè)定,得到一系列L-二苯甲酰酒石酸-R/S-萘乙胺主客體體系的1H NMR譜圖。

4 結(jié)果與分析

4.1 譜圖分析

從圖1所示可見(jiàn),在脫氫松香酸對(duì)R/S-萘乙胺手性識(shí)別實(shí)驗(yàn)中,客體R/S-萘乙胺分子中手性質(zhì)子(CH)的信號(hào)隨著主體脫氫松香酸的增加逐漸向低場(chǎng)方向位移,并由原來(lái)的四重峰逐漸裂分成六重峰。在主體濃度∶客體濃度=0.7∶1時(shí)手性質(zhì)子就已經(jīng)開(kāi)始裂分,但是隨后由于受到水峰的干擾導(dǎo)致裂分效果不明顯;當(dāng)主體濃度∶客體濃度達(dá)到1∶1之后,就趨于穩(wěn)定,且主體濃度∶客體濃度=1∶1時(shí),脫氫松香酸對(duì)手性質(zhì)子的識(shí)別效果最好,ΔΔδ達(dá)到最大值,為3.35 Hz。R/S-萘乙胺分子中CH3的信號(hào)隨著主體脫氫松香酸的增加也逐漸向低場(chǎng)方向移動(dòng)(見(jiàn)圖2),但主體對(duì)其識(shí)別效果并不明顯;當(dāng)主體濃度∶客體濃度=0.7∶1時(shí),CH3的二重峰開(kāi)始有細(xì)小裂分為四重峰現(xiàn)象,此時(shí)ΔΔδ為1.2 Hz,但是隨后四重峰就開(kāi)始回縮??梢?jiàn),脫氫松香酸對(duì)R/S-萘乙胺有一定的識(shí)別效果,對(duì)手性質(zhì)子(CH)識(shí)別效果優(yōu)于CH3的識(shí)別效果。

圖1 不同濃度脫氫松香酸對(duì)R/S-萘乙胺的1H-NMR識(shí)別局部(CH)放大圖譜

圖2 不同濃度脫氫松香酸對(duì)R/S-萘乙胺的1H-NMR識(shí)別局部(CH3)放大圖譜

在L-二苯甲酰酒石酸對(duì)R/S-萘乙胺手性識(shí)別實(shí)驗(yàn)中,在主體L-二苯甲酰酒石酸加入后客體R/S-萘乙胺手性質(zhì)子(CH)信號(hào)向高場(chǎng)方向位移,但隨著主體含量的增加信號(hào)開(kāi)始逐漸向低場(chǎng)方向位移(見(jiàn)圖3)。當(dāng)主體濃度∶客體濃度=0.4∶1時(shí),主體對(duì)客體才具有明顯識(shí)別效果,客體的手性質(zhì)子信號(hào)由原來(lái)的四重峰開(kāi)始裂分為五重峰;當(dāng)主體濃度∶客體濃度=0.6∶1時(shí),主體對(duì)手性質(zhì)子識(shí)別效果最強(qiáng),ΔΔδ達(dá)到最大值,為7.25 Hz;當(dāng)主體濃度繼續(xù)增加,手性質(zhì)子的五重峰就開(kāi)始回縮。此外,主體濃度∶客體濃度從0.4∶1向1.2∶1變化時(shí),CH裂分峰向低場(chǎng)移動(dòng)不是很明顯。在R/S-萘乙胺的CH3位置,L-二苯甲酰酒石酸也具有明顯的識(shí)別效果(見(jiàn)圖4),主體加入后,客體的CH3信號(hào)向高場(chǎng)方向位移。在主體濃度∶客體濃度=0.4∶1時(shí),CH3的質(zhì)子信號(hào)由雙重峰已明顯裂分為四重峰;當(dāng)主體濃度∶客體濃度=0.8∶1時(shí),ΔΔδ達(dá)到最大值,為7.6 Hz,此時(shí)CH3的質(zhì)子信號(hào)為三重峰。

圖3 不同濃度L-二苯甲酰酒石酸對(duì)R/S-萘乙胺的1H-NMR識(shí)別局部(CH)放大圖譜

圖4 不同濃度L-二苯甲酰酒石酸對(duì)R/S-萘乙胺的1H-NMR識(shí)別局部(CH3)放大圖譜

4.2 曲線分析

將一系列主客體體系的主體摩爾分?jǐn)?shù)與客體化學(xué)位移差值ΔΔδ繪制成曲線。由圖5可見(jiàn),隨著脫氫松香酸摩爾分?jǐn)?shù)的增加,R/S-萘乙胺的次甲基質(zhì)子的ΔΔδ逐漸增加;當(dāng)脫氫松香酸的摩爾分?jǐn)?shù)為0.50時(shí),ΔΔδ出現(xiàn)峰值,說(shuō)明此時(shí)脫氫松香酸與R/S-萘乙胺形成的絡(luò)合物最穩(wěn)定,主體對(duì)客體的識(shí)別效果最顯著。同樣地,在L-二苯甲酰酒石酸對(duì)R/S-萘乙胺手性識(shí)別實(shí)驗(yàn)中,R/S-萘乙胺的甲基質(zhì)子信號(hào)的ΔΔδ值隨著L-二苯甲酰酒石酸摩爾分?jǐn)?shù)的增加而逐漸增加(見(jiàn)圖6),當(dāng)L-二苯甲酰酒石酸摩爾分?jǐn)?shù)為0.44時(shí),ΔΔδ出現(xiàn)峰值。

圖5 R/S-萘乙胺次甲基質(zhì)子化學(xué)位移差值ΔΔδ與脫氫松香酸濃度的變化曲線

圖6 R/S-萘乙胺次甲基質(zhì)子化學(xué)位移差值ΔΔδ與L-二苯甲酰酒石酸濃度的變化曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)從價(jià)格便宜且易得的松香和酒石酸原料中通過(guò)一些簡(jiǎn)單的有機(jī)方法制備NMR手性溶劑化試劑脫氫松香酸和L-二苯甲酰酒石酸,并采用NMR技術(shù)研究不同濃度下兩種手性溶劑化試劑對(duì)R/S-萘乙胺進(jìn)行手性識(shí)別效果,分析討論兩種羧酸的最優(yōu)識(shí)別效果最佳濃度比值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及到化合物提純、有機(jī)合成和結(jié)構(gòu)表征儀器核磁共振儀的使用等,涵蓋多方面的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作方法實(shí)驗(yàn),具有簡(jiǎn)易性、綜合性和創(chuàng)新性的特點(diǎn),可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐技能和理論知識(shí)運(yùn)用分析能力。此外,還可以加強(qiáng)大型精密測(cè)試儀器的開(kāi)放和提高大型儀器在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的使用效益[13-15]。

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