核磁共振氫譜在阿司匹林合成實驗中的應用

劉長青,薛洪寶,李文戈

(蚌埠醫學院藥物合成教研室，安徽蚌埠 233030)

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)是交變磁場與物質相互作用的一種物理現象，最早由Stanford大學的Bloch和Harvard大學的Purcell科研組于1946年分別用實驗所證實[1]，隨后核磁共振技術不斷得到發展，成為化合物結構研究的有力工具。核磁共振技術可以分為核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging)與核磁共振波譜(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)，核磁共振成像技術發現于1973年，通過該技術可以獲取多種物質的內部結構圖像，現已經成為醫學領域無損傷檢測疾病的重要工具。核磁共振波譜技術是20世紀起步并發展起來的，特別是一維、二維乃至多維脈沖傅立葉變換核磁共振理論的發展，大大提高了有機化合物及藥物的結構研究速度與質量，在核磁共振技術中，氫(1H)的核磁共振(1H NMR)提供分子結構中氫原子的類型、數目、相互連接的方式、周圍化學環境乃至空間結構等信息，在確定分子結構與測量中發揮巨大的作用[2]。由于核磁共振可以獲得豐富的信息，因此在藥物合成、分析化學、食品、醫學及高分子材料學等領域中都有著廣泛的應用。

阿司匹林(Aspirin)又稱乙酰水楊酸，為常用的解熱鎮痛藥，也可以用來防治血栓栓塞性疾病，還可以用來治療風濕病和關節炎[3]。到目前為止，阿司匹林已應用百余年，成為醫藥史上三大經典藥物之一，因此阿司匹林的合成實驗是藥學及制藥工程方向本科生的必修課。傳統的阿司匹林合成實驗內容多為驗證性的和基本操作實驗，學生照方抓藥，實驗結果在教材上都可以查到，造成學生嚴重依賴教師與教材，學生分析問題與解決問題的能力不能得到很好的鍛煉。在阿司匹林合成實驗中引入一些新的現代化的教學手段，讓學生查閱資料自行設計阿司匹林的合成實驗，并采用核磁共振儀對實驗結果進行表征與分析，這樣的教學不僅豐富了綜合實驗的內容，提高學生的學習興趣和學生知識學習的連貫性與系統性，還可以使學生更好地與現代的科學研究接軌，培養學生科研能力和綜合實驗素質。

1 實驗過程與結果

1.1 原料水楊酸的核磁共振氫譜及分析

阿司匹林合成實驗常用的方法是水楊酸和乙酸酐在酸催化下進行酰化反應，生成乙酰水楊酸，在實驗教學中主要偏向于合成方法上，對于產物的純度，簡單地使用FeCl3溶液進行顏色比對或根據熔點數據很難確定阿司匹林的真實結構與含量，在教學中引入核磁共振氫譜，可實現對產物進行精確的定性與定量分析。圖1是利用BrukerBioSpinGmbH 500M核磁共振儀對使用的原料水楊酸的測試結果。具體分析結果如下：首先排除譜圖中氘代溶劑(CDCl3)殘余氘信號(=7.26)。=10.36(s,1H)是羧基中氫的吸收信號，=7.95～7.93(m,1H),=7.55～7.52(m,1H),=7.01(d,J=7.4 Hz, 1H),=6.96～6.93(m,1H)，這4個氫為水楊酸苯環上的氫的核磁信號，羥基氫為活性氫，在本次核磁共振氫譜中沒有出現峰。

圖1 水楊酸的核磁共振氫譜圖

1.2 阿司匹林粗產品的合成及混合譜圖分析

學生通過查閱阿司匹林合成文獻資料，自主設計合成路線，經教師審閱后分組實驗，由于各組學生合成方法不同，所得產物僅從外觀上很難鑒定是不是阿司匹林，阿司匹林的含量也很難精準確定。圖2為一組學生使用濃硫酸作為催化劑的合成實驗，所得粗產物經過蒸餾水洗滌，飽和Na2CO3溶液處理去除副產物再酸化抽干后所得粗產物的BrukerBioSpinGmbH 500M核磁共振氫譜。圖2中出現的是非常強的高場核磁信號=2.36(s,3H)，是一個甲基的峰，說明水楊酸已經被乙酰化了，在低場區有小雜峰出現，對比一下原料水楊酸的核磁共振氫譜，不難發現，峰型矮小的雜峰就是剩余原料水楊酸的峰。核磁共振氫譜中峰面積的積分代表著氫原子數目，在粗產品的混合氫譜中，可精確得出產物阿司匹林與剩余原料水楊酸的摩爾比為1∶0.18，即可精確推算出阿司匹林的含量為85%。

1.3 精制阿司匹林的核磁共振氫譜及分析

經過以乙醇和水作為混合溶劑進行重結晶后，可以得到精制的目標產物阿司匹林，干燥后經過BrukerBioSpinGmbH 500M核磁共振氫譜表征為圖3。具體分析如下，1H NMR (500 MHz, CDCl3):=8.12～8.11(m,1H)，7.64～7.60(m,1H)，7.35(t,J=7.7 Hz,1H),7.14(d,J=8.1 Hz,1H),2.35 (s,3H)。同時通過純凈的阿司匹林核磁共振氫譜中的各種氫的化學位移以及裂分情況，也進一步證明前面在阿司匹林混合譜中的推斷是正確的。

圖2 阿司匹林粗產品的核磁共振氫譜圖

圖3 精制阿司匹林的核磁共振氫譜圖

2 結語

藥物合成實驗是為了加深學生對基礎理論知識的掌握，在培養學生的動手能力和實驗結果處理能力的基礎上進一步提高學生靈活應用所學知識和獨立從事科學研究能力而開設的。將核磁共振氫譜應用到阿司匹

林合成實驗教學中，不僅可以測得產物阿司匹林的結構，還可以精準地獲得阿司匹林的含量，實現有機波譜理論和藥物合成實驗的結合。同時將大型儀器運用到本科教學中也收到了良好的教學效果，有利于激發學生的求知欲和對藥物合成實驗后處理數據的能力，全面提高學生的綜合素質，為今后從事科學研究奠定必要的基礎。