化学分析方法的发展趋向
化学先生 / 2019-08-09
现代科学技术要求分析化学提供物质组成、结构、性质的详尽信息，而且尽可能直接测定复杂混合物中的某些组分而不破坏样品，因而现代分析方法有下述两种发展趋势。
第一，分析化学与其他学科的相互结合、相互渗透，通过学科间的借鉴、移植、综合而强化分析能力。也就是说，不仅要由分析化学家来研究分析方法，也需要其他领域的专家研究和创造分析方法。事实上，现代分析文献中，有许多有价值的文献正是由分析化学以外的专家写成的。如医学家、生命科学家、物理学家等，都在分析领域有重大创造。
第二，要不断地强调用最先进的方法去获得和处理资料。现代分析方法的发展和完善，为这方面提供了可能。
例如，麻黄碱是日本人长井长义于1885年在中药麻黄中发现的一种生物碱，是治疗支气管哮喘的特效药。在发现后40年，经过多方分析研究，才把它的化学结构弄清楚，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)
以现代的眼光看，这种生物破的结构是相当简单的，但以20世纪相对陈旧的分析手段而言，为确定这种结构，化学家们却花费了大量的劳动和心血。长井等人首先根据精制过的麻黄碱的元素分析值，导出了分子式 C10 H15NO，然后在盐酸中加热分解，得到甲胺盐酸盐CH3NH2•HCl和苹基甲基酮C6H5CH2COCH3。这点已由元素分析、有机定性分析以及其他各种方式，包括合成后一产物等而得到证实。但根据这些仍然不能否定(Ⅱ)式的可能性。彻底证实(Ⅰ)式，是在1929年完成麻黄碱的全合成之后才实现的。
由麻黄碱的结构可以明显看出，它有两个不对称碳原子。因而这种结构式可能有以下4种光学异构体。
分析证明:从合成麻黄碱所得到的生成物中，分离出了两种溶解性不同的非对映异构体。从每一种又分别得到两种旋光度相反的光学异构体。但从麻黄所得麻黄碱的原子立体构型却只能由IE(Ⅰ)式表示。这一点是这样证实的:这种构型与D-扁桃酸一致，而后者原子的立体构型已知为IE(Ⅰ)型
可见，麻黄碱的结构式是经过了化学家们艰苦工作之后才确定下来的。现在，使用各种现代分析仪器，可以在较短的时间内把它的结构式精确无误地解析出来。21世纪的分析，一天的工作成绩，相当于过去20年的工作成绩。
现代，对麻黄素的分析可如下进行:
首先，由红外吸收光谱(图4-7)可知，麻黄碱的结构式中含有苯基、羟基和氨基。质谱图(图4-8)中m/e=166处相当于M+1，从而可知相对分子质量M=165由碎片m/e=58是( CH3CHNHCH3)+，77是C8H5+，105是C6H5CO+等，可推知各原子团间的结合方式。由此可以断定，麻黄碱的结构并非前述(Ⅱ)式。
由盐酸麻黄碱单晶体的Ⅹ射线衍射图所求得的电子密度分布(图4-9)，可看出各原子的三维坐标，从而可以证实由前述化学方法所得到的原子的立体构型。由X射线解析不仅可以得到立体构型，同时还可以弄清连接羟基的碳原子(C7)与连接CH3NH基的碳原子(C8)之间的键，可因其旋转而产生旋光异构体的各种立体构象。
其结果是(图4-10)IE(Ⅰ)-S型。在此以前，从反应性和立体排斥性等方面曾推测C6H5基与CH3基处于反位的IE(Ⅰ)-T型占有优势。这一看法现在已被否定。
图4-11所示是麻黄碱在重氢试剂中的质子核磁共振光谱图。各信号是由哪些质子产生的已在图中注明，由此可以推断其化学结构。此外，也可以得到有关立体构象的信息。由CH-O的质子旋转键常数为4Hz，可以得知C7和C8上的两个H的扭转角度大约为60摄氏度。此外，无论在溶液中或晶体中，其构象均相同，这一点也已搞清楚。
上述实例说明，过去用古典的方法需要经多年艰苦劳动才能弄清的问题，使用现代分析方法可以轻而易举地完成。这一例证充分说明了化学研究工具的作用。
如果说，正确的思维会推动工具的革命，而工具的革命必然会带来新的科学思维。
21世纪分析方法的工具革命和现代发展，必然给人类认识物质的组成、结构和功能带来更多更大的飞跃。
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