化學(xué)分析方法的發(fā)展趨向
化學(xué)先生 / 2019-08-09
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)要求分析化學(xué)提供物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的詳盡信息，而且盡可能直接測定復(fù)雜混合物中的某些組分而不破壞樣品，因而現(xiàn)代分析方法有下述兩種發(fā)展趨勢。
第一，分析化學(xué)與其他學(xué)科的相互結(jié)合、相互滲透，通過學(xué)科間的借鑒、移植、綜合而強(qiáng)化分析能力。也就是說，不僅要由分析化學(xué)家來研究分析方法，也需要其他領(lǐng)域的專家研究和創(chuàng)造分析方法。事實(shí)上，現(xiàn)代分析文獻(xiàn)中，有許多有價(jià)值的文獻(xiàn)正是由分析化學(xué)以外的專家寫成的。如醫(yī)學(xué)家、生命科學(xué)家、物理學(xué)家等，都在分析領(lǐng)域有重大創(chuàng)造。
第二，要不斷地強(qiáng)調(diào)用最先進(jìn)的方法去獲得和處理資料?，F(xiàn)代分析方法的發(fā)展和完善，為這方面提供了可能。
例如，麻黃堿是日本人長井長義于1885年在中藥麻黃中發(fā)現(xiàn)的一種生物堿，是治療支氣管哮喘的特效藥。在發(fā)現(xiàn)后40年，經(jīng)過多方分析研究，才把它的化學(xué)結(jié)構(gòu)弄清楚，如(Ⅰ)式所示:
C6H5一CH一CH一CH3 C6H5一CH一CH一CH3
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OH NHCH3 CH3NH OH
(Ⅰ) ( Ⅱ)
以現(xiàn)代的眼光看，這種生物破的結(jié)構(gòu)是相當(dāng)簡單的，但以20世紀(jì)相對陳舊的分析手段而言，為確定這種結(jié)構(gòu)，化學(xué)家們卻花費(fèi)了大量的勞動和心血。長井等人首先根據(jù)精制過的麻黃堿的元素分析值，導(dǎo)出了分子式 C10 H15NO，然后在鹽酸中加熱分解，得到甲胺鹽酸鹽CH3NH2•HCl和蘋基甲基酮C6H5CH2COCH3。這點(diǎn)已由元素分析、有機(jī)定性分析以及其他各種方式，包括合成后一產(chǎn)物等而得到證實(shí)。但根據(jù)這些仍然不能否定(Ⅱ)式的可能性。徹底證實(shí)(Ⅰ)式，是在1929年完成麻黃堿的全合成之后才實(shí)現(xiàn)的。
由麻黃堿的結(jié)構(gòu)可以明顯看出，它有兩個不對稱碳原子。因而這種結(jié)構(gòu)式可能有以下4種光學(xué)異構(gòu)體。
分析證明:從合成麻黃堿所得到的生成物中，分離出了兩種溶解性不同的非對映異構(gòu)體。從每一種又分別得到兩種旋光度相反的光學(xué)異構(gòu)體。但從麻黃所得麻黃堿的原子立體構(gòu)型卻只能由IE(Ⅰ)式表示。這一點(diǎn)是這樣證實(shí)的:這種構(gòu)型與D-扁桃酸一致，而后者原子的立體構(gòu)型已知為IE(Ⅰ)型
可見，麻黃堿的結(jié)構(gòu)式是經(jīng)過了化學(xué)家們艱苦工作之后才確定下來的。現(xiàn)在，使用各種現(xiàn)代分析儀器，可以在較短的時間內(nèi)把它的結(jié)構(gòu)式精確無誤地解析出來。21世紀(jì)的分析，一天的工作成績，相當(dāng)于過去20年的工作成績。
現(xiàn)代，對麻黃素的分析可如下進(jìn)行:
首先，由紅外吸收光譜(圖4-7)可知，麻黃堿的結(jié)構(gòu)式中含有苯基、羥基和氨基。質(zhì)譜圖(圖4-8)中m/e=166處相當(dāng)于M+1，從而可知相對分子質(zhì)量M=165由碎片m/e=58是( CH3CHNHCH3)+，77是C8H5+，105是C6H5CO+等，可推知各原子團(tuán)間的結(jié)合方式。由此可以斷定，麻黃堿的結(jié)構(gòu)并非前述(Ⅱ)式。
由鹽酸麻黃堿單晶體的Ⅹ射線衍射圖所求得的電子密度分布(圖4-9)，可看出各原子的三維坐標(biāo)，從而可以證實(shí)由前述化學(xué)方法所得到的原子的立體構(gòu)型。由X射線解析不僅可以得到立體構(gòu)型，同時還可以弄清連接羥基的碳原子(C7)與連接CH3NH基的碳原子(C8)之間的鍵，可因其旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生旋光異構(gòu)體的各種立體構(gòu)象。
其結(jié)果是(圖4-10)IE(Ⅰ)-S型。在此以前，從反應(yīng)性和立體排斥性等方面曾推測C6H5基與CH3基處于反位的IE(Ⅰ)-T型占有優(yōu)勢。這一看法現(xiàn)在已被否定。
圖4-11所示是麻黃堿在重氫試劑中的質(zhì)子核磁共振光譜圖。各信號是由哪些質(zhì)子產(chǎn)生的已在圖中注明，由此可以推斷其化學(xué)結(jié)構(gòu)。此外，也可以得到有關(guān)立體構(gòu)象的信息。由CH-O的質(zhì)子旋轉(zhuǎn)鍵常數(shù)為4Hz，可以得知C7和C8上的兩個H的扭轉(zhuǎn)角度大約為60攝氏度。此外，無論在溶液中或晶體中，其構(gòu)象均相同，這一點(diǎn)也已搞清楚。
上述實(shí)例說明，過去用古典的方法需要經(jīng)多年艱苦勞動才能弄清的問題，使用現(xiàn)代分析方法可以輕而易舉地完成。這一例證充分說明了化學(xué)研究工具的作用。
如果說，正確的思維會推動工具的革命，而工具的革命必然會帶來新的科學(xué)思維。
21世紀(jì)分析方法的工具革命和現(xiàn)代發(fā)展，必然給人類認(rèn)識物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和功能帶來更多更大的飛躍。
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