4- 氨基- 3- 硝基苯甲酸的费歇尔酯化中NMR的应用——Nanalysis 60PRO

介绍

Ancourses 是相关的实验室阶段，它有助于使用实验室实验加深对课堂理论的理解。正是通过这种实践经验，学生们接触到了基本概念，例如溶解度、极性、提取/分离技术，以及使用光谱方法（1H 和 13C 磁共振光谱、红外光谱等）以及其他分析技术进行表征.具体来说，核磁共振（NMR）光谱学是早期有机化学课程中引入的主题；然而，学生通常会接触到软件生成的或理想化的光谱，而且许多本科生仍然无法直接使用 NMR 光谱仪，部分原因是他们需要大量的前期和经常性成本1。 然而，随着台式 NMR 的出现，学生能够直接使用 NMR 仪器，在典型的 3 小时实验室区域内收集和解释他们自己的光谱。由于其广泛的结构解析能力，NMR 一次又一次地证明自己是化学中最重要的分析工具之一，而台式 NMR 为这项技术提供了无与伦比的途径。

有机化学中研究最多的反应之一是费歇尔酯化反应，通常在第一年有机化学课程中讲授2。 它是一种可逆的缩合反应，涉及羧酸与醇在酸性条件下反应生成 酯和水，在方案 1 中概述。

方案 1. Fischer 酯化反应的一般反应方案。

在此示例实验中，基于 Schweiker 等人发表的工作，进行了一个简单的 Fischer 酯化反应。在化学教育杂志3。1H和13C{1H} NMR 光谱是使用 60 MHz 台式光谱仪获得的，说明了将该技术纳入本科教学实验室的好处。此外，该实验强调了液-液萃取、溶解性、极性的教学目标，并提供了对台式 NMR 分析的更深入的研究。

步骤

材料

4-氨基-3-硝基苯甲酸（97%）、硫酸（95-98%）、无水甲醇（99.8%）、碳酸氢钠（≥99.5%）、无水乙酸乙酯（99.8%）、戊烷（98%） 和 DMSO-d6 (99.9%) 购自 Sigma Millipore，无需进一步纯化即可使用。

仪器

所有 NMR 数据均使用 Nanalysis 60PRO 仪器获得。 1H 实验使用以下参数进行：

光谱宽度，20 ppm； 光谱中心，5 ppm； 点数，4096； 扫描次数，4-氨基-3-硝基苯甲酸 (1) 为 4，4-氨基-3-硝基苯甲酸甲酯 (2) 为 16； 虚拟扫描，0； 扫描间延迟，4-氨基-3-硝基苯甲酸 (1) 为 5 秒，4-氨基-3-硝基苯甲酸甲酯 (2) 为 7 秒； 脉冲角，90°； 接收器增益，自动。 使用以下参数进行13C{1H} 实验：光谱宽度，220 ppm； 光谱中心，100 ppm； 点数，4096； 扫描次数，对于 4-氨基-3-硝基苯甲酸 (1)，对于 4-氨基-3-硝基苯甲酸甲酯 (2) 为 16384； 虚拟扫描，0； 扫描间延迟，0 秒； 脉冲角，4-氨基-3-硝基苯甲酸 (1) 为67.70°，4-氨基-3-硝基苯甲酸甲酯 (2) 为 30°； 接收器增益，自动。 使用 MestReNova 软件 (v14.1.1) 手动校正所有光谱的相位和基线失真。

合成

从4-氨基-3-硝基苯甲酸 (1)合成 4-氨基-3-硝基苯甲酸甲酯 (2) 改编自 Schweiker 等人描述的文献程序。 并在方案 2 中概述

流程 2. 4-氨基-3-硝基苯甲酸(1)与甲醇在回流条件下反应，以浓硫酸为催化剂制备4-氨基-3-硝基苯甲酸甲酯(2)。

将4-氨基-3-硝基苯甲酸(307mg，1.69mmol)溶解在无水甲醇(40mL)中。 向反应混合物中滴加浓硫酸（6 滴），加热回流 24 小时。 应该指出的是，Schweiker 等人提出的实验程序。 表明反应可以在 1 小时内完成（适合本科实验室），但为了获得最大产率，16 小时是最佳的3。用饱和碳酸氢钠溶液 (40 mL) 淬灭反应并转移到分液漏斗。用乙酸乙酯(40mL)萃取2并用碳酸氢钠溶液进一步洗涤。重复此过程，直到碳酸氢钠层（底层）保持透明（如图1的洗涤 3 所示）。

图 1. 乙酸乙酯（顶层）洗涤说明碳酸氢钠（底层）在连续洗涤后变得清澈。

使用旋转蒸发器真空浓缩乙酸乙酯层。然后将所得固体重新溶解在最少量的乙酸乙酯中，通过硅胶塞过滤以除去不需要的钠盐并真空浓缩得到 2。最终产物为棉状亮黄色固体（ 图 2）。

图 2. 经过洗涤和纯化步骤后的分离产物，4-氨基-3-硝基苯甲酸甲酯 (2)

结果和讨论

使用 1H 和 13C{1H} NMR 光谱，阐明了起始材料 1 和产物 2，并比较了它们的光谱。 图 3 和 4 分别描绘了 1 和 2 的 1H（顶部）和 13C（底部）光谱。

通过比较起始材料和产品的 1H 光谱，我们观察到图 3（顶部）中12.74 ppm 处的宽峰丢失，而图 4（顶部）中出现了 3.81 ppm 处的单峰。宽峰的损失对应于羧酸官能团中的 OH 基团，而单峰代表甲氧基甲基。除了这两组之外，起始材料和产品的光谱看起来非常相似，这是预期的，因为它们在结构上几乎相同。借助 1H 光谱中的其他峰，可以轻松阐明结构。图 3 中以 7.04 ppm 为中心的双峰（图 4 中的 7.05）与芳环的间质子有关，因为除了观察到的分裂导致与其相邻的质子环境耦合。图 3  中  7.90  ppm  处的宽峰（图 4 中的 7.94）对应于分子中的胺基。以 7.84 ppm 为中心的质子信号是指离硝基最远的邻质子，由于与其相邻的质子耦合以及与另一个邻质子的长程耦合，理论上应该是双峰的双峰，这是隐藏的与胺信号重叠。最后，两个 1H 光谱中 8.54 ppm 处去屏蔽最严重的双峰是指另一个邻质子，它位于两个强吸电子基团（硝基和酯基团）之间，并通过长程耦合分裂。

对于 13C 光谱，我们再次看到产品中明显的定义特征，但不存在于起始材料中。在产物 2 的光谱中，我们看到甲氧基碳共振出现在 51.79 ppm，这在起始材料 1 中不存在。除了 2 的 13C 光谱中的甲氧基碳峰外，共有 7 个峰：6 个116 ppm 和 149 ppm，与芳香族峰有关，1 的 166.08 ppm（2 的 164.80 ppm）对应于羰基共振。

图 3. DMSO-d6 中 4-氨基-3-硝基苯甲酸 (1) 的 1H（顶部，60 MHz）和 13C{1H}（底部，15.1 MHz）NMR 光谱。

图 4. 4-氨基-3-硝基苯甲酸甲酯 (2) 在 DMSO-d6 中的 1H（顶部，60 MHz）和 13C{1H}（底部，15.1 MHz）NMR 光谱。

结论

使用台式NMR光谱，学生可以直接在实验室中使用NMR光谱仪，并在收集产品后几分钟内获得 1H 和 13C 数据。 在此示例实验中，完成了Fischer酯化反应以生成产物4-氨基-3-硝基苯甲酸甲酯 (2)。获得了该产物的 1H 和 13C 光谱，并与起始原料 4-氨基-3-硝基苯甲酸进行了分析和比较。经分析，由于甲氧基质子和碳分别出现在 4-氨基-3-硝基苯甲酸甲酯 (2) 的 1H 和 13C 光谱中，最终产品被成功合成 在 4-氨基-3-硝基苯甲酸 (1) 起始原料中。 由于NMR光谱是化学家可用的zui强大的结构解析工具之一，因此该实验展示了台式 NMR 仪器作为本科实验室动手学习工具的潜力。

参考：

[1] Yearty, K.L.; Sharp, J.T.; Meehan, E.K.; Wallace, D.R.; Jackson, D.M.;

Morrison, R.W. J. Chem. Educ. 2017, 94, 932-935.

[2] The following references are examples of Fischer esterification reactions performed in undergraduate laboratories: (a) Reilly, M.K.; King, R.P.; Wagner, A.J.; King, S.M. J. Chem. Educ. 2014, 91, 1706-1709.

(b) Brown, D.P.; Durutlic, H.; Juste, D. J. Chem. Educ. 2004, 81, 1016- 1017. (c) Steele, J.H.; Bozor, M.X.; Boyce, G.R. J. Chem. Educ. 2020, 97, 4127-4132.

[3] Kam, C.M.T.; Levonis, S.M.; Schweiker, S. J. Chem. Educ. 2020, 97, 1997-2000.