波谱学杂志  2014, Vol. 31 Issue (3): 364-371

文章信息

张奉民, 余华光
ZHANG Feng-min, YU Hua-guang
吡虫啉生产过程中吗啉精馏副产物的核磁共振分析
NMR Analysis of By-Products in Imidacloprid Production
波谱学杂志, 2014, 31(3): 364-371
Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2014, 31(3): 364-371

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收稿日期: 2014-01-18
收修改稿日期: 2014-07-18
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张奉民, 余华光. 吡虫啉生产过程中吗啉精馏副产物的核磁共振分析[J].波谱学杂志, 2014, 31(3): 364-371.
ZHANG Feng-min, YU Hua-guang . NMR Analysis of By-Products in Imidacloprid Production[J]. Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2014, 31(3): 364-371.
吡虫啉生产过程中吗啉精馏副产物的核磁共振分析
张奉民1, 余华光2     
1. 扬州大学 测试中心，江苏 扬州 225009;
 2. 扬州大学 物理科学与技术学院，江苏 扬州 225002
收稿日期: 2014-01-18 ; 收修改稿日期: 2014-07-18
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(21005069)，江苏省大型科学仪器设备共享服务平台理事会资助项目(BZ201202)
*通讯联系人: 张奉民(1978-), 男, 山东肥城人, 助理研究员, 研究方向为核磁共振技术开发与应用.电话: 0514-87979022.E-mail: fmzhang@yzu.edu.cn; fmzhang@yzu.edu.cn
摘要: 采用核磁共振(NMR)技术对吡虫啉生产过程中吗啉精馏后的副产物进行了定性定量分析.二维扩散排序谱(2D DOSY)表明该产物由两种化合物组成.对样品的核磁共振氢谱(1H NMR)、二维扩散排序谱(2D DOSY)、碳谱(13C NMR)、DEPT、氢-氢相关谱(1H-1H COSY)、碳氢相关谱(HSQC)与碳氢远程相关谱(HMBC)进行了解析，对其所有的NMR谱信号进行了归属，确定样品所含的两种主要组份为双吗啉和烯胺.最后采用定量13C NMR技术得到了该精馏副产物中双吗啉和烯胺组成的摩尔比例为1：4.
关键词： 核磁共振(NMR)     结构分析     定量     扩散排序谱     吡虫啉    
NMR Analysis of By-Products in Imidacloprid Production
ZHANG Feng-min1, YU Hua-guang2     
1. Testing Center, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China;
 2. College of Physics Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225002, China
* Corresponding author: ZHANG Feng-min, Tel: 0514-87979022.E-mail: fmzhang@yzu.edu.cn
Abstract: In this paper, qualitative and quantitative NMR techniques were used to analyze samples obtained from imidacloprid production. Two-dimensional DOSY spectra demonstrated the samples contained two by-products. One-dimensional (i.e., 1H and 13C NMR and DEPT) and two-dimensional (i.e., 1H-1H COSY, HSQC and HMBC) NMR techniques were used to assign the chemical shifts of the by-products, which were finally determined to be 1, 1-dimorpholinopropane and N-(1-propenyl) morpholine. Finally a quantitative 13C NMR method was developed to measure the contents of by-products quantitatively.
Key words: NMR     structure analysis     quantification     DOSY     imidacloprid    
引言

吡虫啉作为一种超高效烟碱类农用杀虫剂，具有广谱、高效、低毒、低残留等特点，可以广泛用于棉花、蔬菜、果树、水稻、小麦等作物，能有效防治蚜虫、飞虱、叶蝉、象甲等刺吸式口器害虫，是目前取代剧毒有机磷农药的骨干品种[1-3].由于在相当长的时间中吡虫啉仍将占据很大的市场，因此其生产工艺路线的优化改进工作也一直广受关注[4]，而生产工艺的监控与优化效果的判断离不开对生产过程中间产物的定性定量分析.近期江苏扬农化工股份有限公司改进了吡虫啉生产过程中双吗啉（1, 1-双吗啉丙烷，1, 1-Dimorpholinopropane）裂解后的精馏工艺，在分离主成份吗啉后对副产物的组成分析时遇到了困难：气相色谱可以分析裂解产物，但双吗啉自身在气相中也容易裂解，无法判断样品中双吗啉有无；液相色谱反相柱不能用，正相柱吸附强不出峰；红外光谱中双吗啉无明显特征峰，也无法判断，生产工艺的改进工作因此而停滞不前.

核磁共振波谱(NMR)作为一种分析有机化合物化学结构的有力工具，一般要求样品在检测前经过分离提纯，获得比较高的纯度后，才进行结构研究[5-7].若样品为混合物，各种不同物质的信号峰会全部叠加在同一谱图上，常常难以进行明确合理的归属.

本文在文献中无法检索到本文所研究的化合物的标准NMR谱图的情况下，对很难分离提纯的吡虫啉生产过程中吗啉精馏后的副产物，充分利用二维扩散排序谱、一维、二维等多种核磁共振波谱技术，分析确证了所含各组份的结构及其相对含量，纠正了合成人员原先对精馏副产物组成的错误认识，为下一步生产工艺的优化方向提供了重要参考.

1 实验部分 1.1 仪器及试剂

Bruker Avance 600型NMR波谱仪，使用5 mm宽带BBO探头；重水(Sigma-Aldrich Co.，氘代度为99.9%)；毛细管为扬州大学化学学院玻璃厂自加工产品，高12 cm，内径2 mm；样品由江苏扬农化工股份有限公司提供.

1.2 核磁共振方法

取0.40 mL样品至5 mm NMR样品管中，管中放置装有重水的毛细管.由毛细管重水提供氘信号并进行化学位移定标，毛细管上端以火封口并插入钻有小孔的样品管帽中，使用时经样品管帽固定在NMR样品管的中间.

所有NMR实验均在恒温298 K时进行. 1H NMR和13C NMR的工作频率分别为600.23 MHz和150.93 MHz，谱宽分别为8 389.26 Hz和25 641.05 Hz.二维谱包括2D 1H-1H COSY，HSQC及HMBC谱，均采用标准脉冲程序. 1H-1H COSY的F2 (1H)和F1 (1H)维的谱宽均为3 659.66 Hz，采样数据点阵t2×t1=2 048×256；HSQC的F2 (1H)和F1 (13C)维的谱宽分别为3 659.66 Hz和22 640.89 Hz，采样数据点阵t2×t1=2 048×256；HMBC的F2 (1H)和F1 (13C)维的谱宽分别为3 659.66 Hz和22 640.89 Hz，采样数据点阵t2×t1=2 048×256.

在DOSY实验中，采用16组不同磁场梯度强度，每一梯度场值分别累加16次，脉冲延迟时间(d1) 4 s，扩散时间90 ms，梯度脉冲长度2 200 μs.

13C NMR定量实验采用反转门控去耦脉冲，脉冲偏转角30°，采样次数(NS) 256，采样数据点(TD) 65 536，谱宽(SWH) 25 641.05 Hz，脉冲延迟时间(d1) 40.00 s，脉冲宽度(P1) 8.50 μs.

2 结果与讨论 2.1 样品的组成

图 1为样品的1H NMR谱，明显可以看出谱图中存在一些杂峰，表明该样品很可能为混合物.

图 1 样品的1H NMR谱图 Fig. 1 1H NMR spectrum of the sample
图选项

为判定混合物的组成，我们考察了样品的二维扩散排序实验谱图(2D DOSY). DOSY被看成是NMR的“色谱”技术，并且是无须实际分离的色谱技术，它是利用物质扩散系数的差异将混合物样品的共振谱线区别开的一种NMR实验技术[8, 9].在无化学交换的体系中，如果含有多种大小不同的分子，同一分子的各官能团随分子整体运动而具有相同的扩散系数，而不同分子一般具有不同的分子量和分子结构，扩散系数会有所区别[10, 11].

图 2为样品的2D DOSY谱，谱图的横坐标为质子的化学位移，纵坐标为扩散系数.从DOSY图中可以清楚地看到，各组分因扩散系数不同而分布在不同的“行”中，主要对应于两个不同的扩散系数(4.74×10-10，3.28×10-10 m2/s)，据此可以判定样品中含有两个主要化学组分（分别标记为化合物1、化合物2）.合成人员原本认为该样品为生产过程中双吗啉高温裂解并精馏出主成份吗啉后的产物，而双吗啉在温度高于100 ℃时会完全分解为吗啉和烯胺，因此样品的主要成份应该为烯胺[化学名为N-（1-丙烯基）吗啉]，可能含少量未精馏出的吗啉，不含双吗啉.但从氢谱中我们看不到吗啉特有的氨基上的氢，结合DOSY谱图可以排除含有吗啉，并推定两种组份可能是烯胺与未完全分解的双吗啉.

图 2 样品的DOSY谱图 Fig. 2 DOSY spectrum of the sampl
图选项
2.2 各组份的结构确证

由于文献中检索不到双吗啉与烯胺两种物质相应的NMR谱图，为了更可靠的确定样品中两种主要组份的化学结构，我们获取了该样品的13C NMR，COSY，HSQC，HMBC等NMR谱图，并对两种化合物的1H和13C NMR数据进行了详细归属，其数据见表 1.

图 3 化合物1和2所对应化合物的结构 Fig. 3 Molecular structures of compounds 1 and 2
图选项

表 1 化合物1的1H NMR, 13C NMR, DEPT, HSQC与HMBC数据 Table 1 1H NMR, 13C NMR, DEPT, HSQC and HMBC data of compound 1
PositionδCδH(J/Hz)HSQC1H -1H COSYHMBC
166.263.80(4H, m)+H-2H-2
249.582.88(4H, m)+H-1H-1, H-3
3140.85.96 (1H, d, 13.7)+H-4H-2, H-4, H-5
495.344.54 (1H, dq, 13.7, 6.6)+H-3, H-5H-3, H-5
515.211.81 (3H, d, 6.6)+H-4H-3, H-4
表选项

化合物1的氢谱、碳谱各给出5组峰. 1H-1H COSY谱表明δH 3.80与δH 2.88为一个自旋体系，结合化学位移可以得知它们分别为H-1和H-2. δH 5.96与δH 4.54处的氢具有相同的耦合常数J=13.7 Hz，结合化学位移可以判断它们对应双键相邻碳上的氢，分别归属为H-3和H-4. 1H-1H COSY谱表明δH 1.81的氢与H-4存在相关，归属为H-5.结合1H NMR，DEPT和HSQC谱图，我们很容易将和氢直接相连的碳指认出来，这里不再详述.以上这些归属都可以用HMBC中提供的远程偶合信息来证实，它们与烯胺的结构完全相符.化合物1的1H NMR和13C NMR信号的详细归属和解释见表 1.

化合物2中共11个碳原子，22个氢原子，由于分子存在对称性，氢谱、碳谱均只给出5组峰. 1H-1H COSY谱表明δH 3.76与δH 2.77处的氢处在同一个自旋体系，HSQC谱显示这两处质子分别与δC 67.15和δC 49.92相关，DEPT谱显示两个碳均为仲碳，可知它们分别为C-1和C-2，所对应氢为H-1和H-2.由化学位移可以判断，δH 1.15的氢为甲基氢H-5，根据裂分峰形可以判断其与亚甲基相连，由1H-1H COSY谱可以得到该相关质子为δH 1.78，归属为H-4.由H-4出发，得到与其相关的另一个质子为δH 2.97处的氢，归属为H-3.结合1H NMR、DEPT和HSQC谱图，可以很容易指认出和H-3，H-4，H-5直接相连的C-3，C-4和C-5. HMBC中提供的远程偶合信息证实了以上这些归属的正确性，它们与双吗啉的结构完全相符.化合物2的1H NMR和13C NMR信号的详细归属和解释见表 2.

表 2 化合物2的1H NMR, 13C NMR, DEPT, HSQC与HMBC数据 Table 2 1H NMR, 13C NMR, DEPT, HSQC and HMBC data of compound 2
PositionδCδH(J/Hz)HSQC1H -1H COSYHMBC
167.153.76(8H, m)+H-2H-2
249.922.77(8H, m)+H-1H-1, H-3
386.292.97(1H, t, 6.1)+H-4H-2, H-4, H-5
419.561.78 (2H, m)+H-3, H-5H-3, H-5
512.051.15 (3H, t, 7.4)+H-4H-3, H-4
表选项
2.3 各组分定量分析

由以上分析可知精馏产物会含有双吗啉，当双吗啉含量高时，可以将其回收再利用，从而降低生产成本，减少能耗和废物排放，因此如果能对产物中双吗啉的含量进行准确快速的在线分析，就能够有针对性地调整工艺流程，实现绿色清洁生产.对于本样品来说，这种分析只能通过定量NMR技术实现.

用于定量分析的NMR谱图包括1H NMR和13C NMR，其中1H NMR因具有灵敏度高、弛豫时间短等优点，是定量NMR技术的首选，近年来在化学、食品、药物等领域的定量研究中开始崭展头角[12-14].但本样品中双吗啉与烯胺的氢谱谱峰有所重叠，会影响定量结果的准确性.考虑到样品的状态为液体，选用毛细管法时可以大大提高13C NMR谱图的信噪比，因此我们选用定量碳谱考察两种组份的含量，谱峰信号的分离度相对氢谱更好，能够在较短的实时监测时间内得到更可靠的结果.

与其它波谱方法相同，NMR定量分析也是通过比较特定的吸收峰的强度实现的，要求所选的定量峰化学环境接近，与其它峰完全分离.本样品中C-1或C-2化学环境类似，代表的碳原子数大于一个，理论上更适合选为定量峰，但实际样品中通常有吗啉类物质残存，出峰位置与C-1，C-2接近，对定量结果会产生干扰，因此我们选用两个化合物中的甲基做为定量峰.如图 4所示，13C NMR谱图上双吗啉分子中δC 12.05处的C-5与烯胺分子中δC 15.21处的C-5，这2组信号峰与其它峰完全分开，峰型对称，两侧基线较为平坦，且没有杂质干扰，故可作为定量分析的特征峰，由二者的积分比值即可得到双吗啉的含量.本样品中双吗啉与烯胺的摩尔比为1：4.

图 4 样品的定量13C NMR谱图 Fig. 4 Quantitative 13C NMR spectrum of the sample
图选项
3 结论

本文利用NMR技术方法众多、信息丰富和定量分析方法灵活的特点，在不对样品分离的情况下，先通过DOSY谱图判断样品由两种化合物组成，然后由1H NMR，13C NMR，DEPT，COSY，HSQC与HMBC等谱图确证了两种化合物的结构分别为双吗啉和烯胺，最后采用定量13C NMR技术得到了二者的组成比例，为调整和优化吡虫啉生产工艺提供了理论依据和技术支持.

NMR波谱仪做为大型仪器，造价昂贵，提高其使用率、更好地为工业生产做好技术支撑一直是提高其社会效益的重要方向.本文研究吡虫啉生产中吗啉精馏后的副产物组成所使用的方法及所得结果无疑将为NMR技术在工业生产中的推广、普及和应用提供有益的借鉴.

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