台式核磁19F完美解决在线监测应用方案

介绍

核磁光谱(NMR)由于其出色的结构解析和定量能力，它已成为化学家最有价值的工具之一。这种能力使NMR光谱学能够有效地监视和分析反应。 流动化学的最新进展使得NMR可用于在线和在线流动分析。 这种过 渡允许化学过程从“批处理模式”转换为“连续流模式”，并最终 导致自动化。自动化过程提高了安全性，使化学家能够最大程度地 提高效率，并专注于更多的技术工作，例如计划实验，解释数据和 开发新项目。[1]流动化学的一个重要好处是它使化学家可以实时访问化学反应的状态，这有助于控制化学反应的动力学，产率，可扩展性和效率。目前，化学家采用气相色谱（GC），高效液相色谱（HPLC），紫外可见光谱（UV-vis）和高分辨率NMR光谱等分析技术来深入了解在线流动反应。[2]尽管NMR在结构解析方面优于其他技术，并且在定量方面具有准确性，但NMR通常仍被低估。在工业上，由于仪器的体积大且价格昂贵（高昂的初始成本，维护，冷冻剂和知识渊博的专职人员来保持仪器的运转和运行），高磁场NMR光谱仪的实施并不总是可行的。 良好的工作条件）。 但是，由于低场台式NMR光谱学的进步，与高通量系统相比，使用NMR光谱进行在线或在线分析是有可能的，其成本仅为一小部分，而且占地空间小得多。 为了将此分析技术用于流体化学，在进行反应监控之前必须满足一些条件：

1.目标化学物质必须可溶于所需的溶剂

2.感兴趣的化学物种必须包含NMR活性核（例如1H）

3.感兴趣的信号必须与其他信号区分开可以使用以下方程式监控反应进程。

术语“在线”和“在线”表示无需任何人工操作即可分析化学物种的能力。这两个过程都需要将反应混合物和NMR探针以某种形式连接。“在线”分析是指何时将反应混合物的等分试样从制造过程中

定期转移出去。如果没有从过程流中除去样品，并且对流进行连续分析，则会发生“在线”分析。[3]

使用我们的NMReady-flow套件，可以轻松修改NMReady-60，以进行在线反应监测。该套件包括：

1.一种定制的硼硅酸盐玻璃流通池，设计用于跨越NMReady-60的长度

2.连接玻璃流动池和色谱管所需的必要接头完全组装后，在线反应系统（反应混合物，必要的连接件，泵和NMReady-60）类似于图1中的插图。

由于NMR光谱的非破坏性性质，使用NMR进行反应监测可以与其他一系列分析技术联用，从而可以收集更多信息。

在该实验中，按照Zell等[4]稍加修改的程序，通过在线19F NMR光谱和NMReady-60监测4-氟苯甲酸与2,2,2-三氟乙醇的酯化反应。然后可以将从该反应中获得的数据用于半定量计算每个阶段中存在的每种氟化物质的百分比。

步骤

准备解决方案

将2,2,2-三氟乙醇（0.25g，2.5 mmol）和4-氟苯甲酸（0.35g，2.5 mmol）溶于5 mL丙酮（非氘代）中。 然后使该反应混合物以1mL min-1的速率循环。 随着反应的进行，在两次获取之间以规则的间隔（每4分钟一次，共48分钟）添加羰基二咪唑（70mg，每次添加；840mg，总计5.18mmol）。

监测反应

在添加羰基二咪唑（CDI）之前，获得了19FNMR光谱（光谱宽度=100ppm，光谱中心=-100ppm，扫描次数=16，延迟=0秒，点数=8192）。通过将CDI加入反应混合物中来引发反应。使用NMReady上的动力学模块，每4分钟记录一次19FNMR光谱（等待类型=线性，簇数=12，等待单位=秒，等待时间（tau）=240）。

为了监测反应的进程，测量了反应物（2，-77.7ppm），主要产物（3，-74.5ppm）和次要产物（4，-75ppm）的三氟甲基共振（-CF3）。

 结果/讨论

图2. 2，2，2-三氟乙醇，4-氟苯甲酸和CDI随时间发生酯化反应的反应方案（顶部）和19F NMR光谱的堆叠图（底部）。

如图2所示，反应混合物的放大19F NMR光谱显示三个三重峰。-77.7ppm处的信号是反应物（2,2,2-三氟乙醇2），-74.5 ppm处的信号是主要产物（4-氟苯甲酸2,2,2-三氟乙基酯3），-75ppm是次要产物（N-（2,2,2-三氟乙氧基羰基）咪唑，4）。显而易见的是，随着反应的进行，化合物2的信号随时间降低，同时化合物3和4的信号也随之增加。图3显示了每种物质随时间的相对整合面积。显然，反应物在反应中被完全消耗，稳定地形成了主要和次要产物。包括所有物种的总整合面积以显示反应物和产物之间的质量平衡。在图4中，显示了反应混合物的三个不同时间点以及氟化物质的相对积分。从这些相对积分中，可以确定反应的进程以及存在的反应物和产物的量。通过使用等式1，可以计算每种反应物和目标产物的量。表1显示在时间点a，仅存在化合物2。在时间点b，大约31.4％的化合物2尚未反应，并且在时间点c，可见所有化合物2已被消耗在反应混合物中。

图3.通过跟踪各自的-CF3基团，在不同时间点的每种反应物，主要产物和次要产物的量的积分面积与时间（分钟）的关系图。 包括积分之和以显示反应物和产物之间的质量平衡。

图4.反应混合物的三个不同时间点：a）开始，b）中间和c）反应结束，溶液中每种目标氟化物的相对积分。

结论

基于19F NMR光谱中氟化反应物和产物积分面积的反应进程（％）。

在该实验中，使用氟NMR光谱监测酯化反应。由于反应物和产物的-CF3基团之间的化学位移不同，因此可以使用19FNMR光谱监测使用NMReady-60的反应进程。此外，从光谱中获得了半定量数据，可以确定溶液中化合物2、3和4（反应物和产物）的量。

参考文献

[1] Gomez, M.; de la Hoz, A. Beilstein J.Org.Chem. 2017, 13, 285-300.

[2] Danieli, E.; Perlo, J.; Duchateau, A.; Verzijl, G.; Litvinov, V.; Blümich, B.;

Casanova, F. ChemPhysChem 2014, 15 (14), 3060-3066.

[3] Browne, D.; Wright, S.; Deadman, B.; Dunnage, S.; Baxendale, I.;

Turner, R.; Ley, S. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2012, 26 (17),

1999-2010.

[4] Zell, M.; Marquez, B.; am Ende, D.; Dube, P.; Gorman, E.; Krull, R.;

Piroli, D.; Colson, K.; Fey, M. Monitoring Chemical Reactions in Real Time

with NMR Spectroscopy http://www.rsc.org/events/download/Document/

a60b97ab-0a07-4b7f-8e49-bb7b1ce112ff (accessed Jan 30, 2020)