無氧制備4-溴三聯(lián)苯的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計

袁冰芯 王志武 李恒

摘要：對4-溴三聯(lián)苯的制備進(jìn)行了探索與討論。通過無氧操作制備4-溴三聯(lián)苯，采用實(shí)驗(yàn)檢測與結(jié)果分析相結(jié)合的方法培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

關(guān)鍵詞：4-溴三聯(lián)苯;無氧;薄層色譜分析;綜合性實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）11-0387-02

化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，其中有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)更是重中之重。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在有機(jī)教學(xué)中占了一半比重。此外，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更可為學(xué)生今后從事相關(guān)行業(yè)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。基于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有核心地位和不可替代的獨(dú)特性，為了全面提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和科學(xué)研究素養(yǎng)，在本科教學(xué)中應(yīng)該更加重視綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教育功能[1]。通過完成綜合性實(shí)驗(yàn)，充分鍛煉學(xué)生多方面、全方位的實(shí)驗(yàn)技能，尤其是實(shí)驗(yàn)過程中的獨(dú)立思考能力和分析實(shí)驗(yàn)事實(shí)能力[2]。

傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在內(nèi)容繁多、細(xì)節(jié)繁雜、知識點(diǎn)太多等難題，特別是有機(jī)反應(yīng)原理往往比較抽象，學(xué)生一時很難將理論知識與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合起來。本科有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更多地依賴于簡單反應(yīng)，該類反應(yīng)副產(chǎn)物多，后處理繁雜。更重要的是，反應(yīng)過程不能檢測，學(xué)生只能在最后一步拿到產(chǎn)物計算產(chǎn)率時才能對自己的實(shí)驗(yàn)有較為粗略的評價，至于反應(yīng)過程中哪里出了問題就不得而知。這就造成了學(xué)生在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中產(chǎn)生的“匆忙感”和“懵懂感”，無法對自己掌握的知識內(nèi)容做出正確評價，也會造成學(xué)習(xí)興趣和參與度的降低。此外，本科有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更注重老式、傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作，隨著時代和技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)今科研實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)逐步采用新技術(shù)和新方法替代本科教學(xué)中的某些實(shí)驗(yàn)操作，因此學(xué)生剛開始進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室從事科研工作時常常會產(chǎn)生斷代感。針對上述問題，本文擬設(shè)計過渡金屬催化的經(jīng)典偶聯(lián)反應(yīng)作為綜合性實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對課堂知識的理解，培養(yǎng)綜合實(shí)驗(yàn)技能，鍛煉學(xué)生的動手能力和實(shí)驗(yàn)分析能力。更重要的是，通過本實(shí)驗(yàn)設(shè)計，拉近本科教學(xué)與現(xiàn)代科研工作間的距離，為學(xué)生今后從事相關(guān)行業(yè)的工作和研究打下更為堅實(shí)的基礎(chǔ)，也能夠大大提高學(xué)生對有機(jī)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣。

三聯(lián)苯作為重要的有機(jī)合成砌塊廣泛存在于天然產(chǎn)物、藥物化學(xué)及高分子功能材料中。近年來，隨著有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體（OLED）材料產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，4-溴三聯(lián)苯作為OLED上游材料，其合成路徑受到有機(jī)化學(xué)工作者的高度關(guān)注。鈀催化鹵代聯(lián)苯與苯硼酸的Suzuki交叉偶聯(lián)反應(yīng)是合成4-溴三聯(lián)苯的主流方法，Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)對水、空氣穩(wěn)定，反應(yīng)高效低毒，反應(yīng)副產(chǎn)物極少，因此在工業(yè)化生產(chǎn)中也廣泛采用此法。

本文從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器及試劑、實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果分析等方面，對4-溴三聯(lián)苯的合成這一綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹。該實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)步驟少，更側(cè)重于反應(yīng)后處理操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，與偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理和理論緊密結(jié)合。反應(yīng)操作既包含重結(jié)晶、過濾等基本實(shí)驗(yàn)操作，又有無氧操作處理、薄層色譜分析等實(shí)驗(yàn)技能。對于化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，既能夠復(fù)習(xí)、鍛煉基本實(shí)驗(yàn)操作，又能夠接觸到科研工作中常規(guī)實(shí)驗(yàn)思路和技能，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ奶岣哂泻苤匾淖饔谩１揪C合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計所需時長符合教學(xué)大綱標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)課時要求，因此本實(shí)驗(yàn)可作為有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高階設(shè)計實(shí)驗(yàn)，以供本科化學(xué)專業(yè)學(xué)生必修或者選修。

該實(shí)驗(yàn)具有反應(yīng)步驟少、后處理簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時涉及無氧操作處理、重結(jié)晶等基本實(shí)驗(yàn)操作，對有機(jī)化學(xué)專業(yè)學(xué)生既有基本操作的重復(fù)鍛煉，又有新的無氧條件實(shí)驗(yàn)技能的提高，因此本實(shí)驗(yàn)可以作為化學(xué)專業(yè)的必修或者選修實(shí)驗(yàn)課程。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。?）掌握4-溴三聯(lián)苯的制備方法;（2）熟練掌握過濾、洗滌、無氧等實(shí)驗(yàn)操作;（3）掌握用薄層色譜法對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評價;（4）對鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理和底物選擇性有進(jìn)一步了解。

2.實(shí)驗(yàn)原理。本設(shè)計包含兩個反應(yīng)，皆為一步反應(yīng)，反應(yīng)路線如圖所示：

反應(yīng)1：以4-碘-4'-溴聯(lián)苯和苯硼酸為反應(yīng)底物，在鈀催化劑和配體作用下，4-碘-4'-溴聯(lián)苯的C-I鍵與苯硼酸的C-B鍵反應(yīng)，生成目標(biāo)產(chǎn)物。反應(yīng)2：作為對照試驗(yàn)，以4，4'-二溴聯(lián)苯和苯硼酸為反應(yīng)底物，在鈀催化劑和配體作用下，與反應(yīng)1進(jìn)行對比，看4，4'-二溴聯(lián)苯的C-Br鍵能否與苯硼酸的C-B鍵反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物。本設(shè)計的特點(diǎn)在于采用4-碘-4'-溴聯(lián)苯和4，4'-二溴聯(lián)苯兩種底物分別與苯硼酸反應(yīng)，在合成目標(biāo)產(chǎn)物的同時還可以通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比C-I鍵與C-Br鍵的反應(yīng)活性。

3.實(shí)驗(yàn)儀器及試劑。試劑：二（三苯基膦）二氯化鈀，三苯基膦，4-碘-4'-溴聯(lián)苯，4，4'-二溴聯(lián)苯，苯硼酸，碳酸鉀，甲苯，二氯甲烷，水，氮?dú)狻?/p>

儀器：油浴反應(yīng)儀，聚四氟乙烯攪拌子，水泵，50mL圓底燒瓶，薄層色譜硅膠板，氮?dú)怃撈?，橡膠塞，注射器，長針頭，短針頭，電子秤，分析天平。

4.實(shí)驗(yàn)步驟。（1）以4-碘-4'-溴聯(lián)苯和苯硼酸為反應(yīng)底物。向干燥、潔凈的50mL圓底燒瓶中加入4-碘-4'-溴聯(lián)苯（3.5g），苯硼酸（1.2g），碳酸鉀（2.94g），二（三苯基膦）二氯化鈀（342mg），三苯基膦（256mg），甲苯（21mL），水（11mL），加入攪拌子后，塞好橡膠塞。將長針頭通過橡膠塞加入反應(yīng)瓶中，需注意針頭要位于液面之下，并將短針頭插在橡膠塞上，使瓶內(nèi)氣氛與大氣相通。打開氮?dú)怃撈?，將氮?dú)庖院线m流量通過長針頭通入溶液中，形成連續(xù)的小氣泡，鼓泡10分鐘。10分鐘后，拔掉短針頭，隨即拔掉長針頭，關(guān)閉氮?dú)?。將圓底燒瓶置于油浴中加熱至75℃，反應(yīng)5小時。用注射器取少量反應(yīng)混合液，進(jìn)行薄層色譜分析，判斷反應(yīng)原料是否消耗完全。若尚有原料剩余，則繼續(xù)加熱，直到薄層色譜結(jié)果顯示原料消失完畢為止。反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)混合液冷卻至室溫，過濾反應(yīng)液。濾餅以甲苯、甲醇依次洗滌，抽至近干燥。將所得固體以甲苯溶劑加熱、溶解、重結(jié)晶，冷卻至室溫后抽濾的白色固體、濾餅以少量甲苯洗滌。產(chǎn)品晾干后稱量并計算產(chǎn)率。（2）以4，4'-二溴聯(lián)苯和苯硼酸為反應(yīng)底物。向干燥、潔凈的50mL圓底燒瓶中加入4-碘-4'-溴聯(lián)苯（3.1g），苯硼酸（1.2g），碳酸鉀（2.94g），二（三苯基膦）二氯化鈀（342mg），三苯基膦（256mg），甲苯（21mL），水（11mL），加入攪拌子后，塞好橡膠塞。將長針頭通過橡膠塞加入反應(yīng)瓶中，需注意針頭要位于液面之下，并將短針頭插在橡膠塞上，使瓶內(nèi)氣氛與大氣相通。打開氮?dú)怃撈?，將氮?dú)庖院线m流量通過長針頭通入溶液中，形成連續(xù)的小氣泡，鼓泡10分鐘。10分鐘后，拔掉短針頭，隨即拔掉長針頭，關(guān)閉氮?dú)?。將圓底燒瓶置于油浴中加熱至75℃，反應(yīng)5小時。用注射器取少量反應(yīng)混合液，進(jìn)行薄層色譜分析，判斷反應(yīng)原料是否參與反應(yīng)，是否有產(chǎn)物生成。

二、結(jié)果與討論

反應(yīng)1中，底物C-I鍵相較于C-Br鍵有較高反應(yīng)活性，因此可以選擇性地與苯硼酸反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物，而C-Br鍵則不反應(yīng)。合成得到的4-溴三聯(lián)苯是白色固體，在空氣中穩(wěn)定，在二氯甲烷中溶解性較好，通過薄層色譜（TLC）與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比較，可判斷原料是否反應(yīng)完全，產(chǎn)品是否純凈。

反應(yīng)2中，C-Br鍵反應(yīng)活性低，因此在相同實(shí)驗(yàn)條件下，C-Br鍵不參與反應(yīng)，沒有目標(biāo)產(chǎn)物生成。薄層色譜分析結(jié)果表明，反應(yīng)5小時后，體系中仍然只有原料，未有目標(biāo)產(chǎn)物生成。通過反應(yīng)1和反應(yīng)2薄層色譜結(jié)果分析，理解并掌握碳鹵鍵反應(yīng)活性的差異。

三、教學(xué)總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計中進(jìn)行了無氧操作訓(xùn)練，通過經(jīng)典鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物，以薄層色譜法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，加深學(xué)生對反應(yīng)機(jī)理的理解。通過本設(shè)計可以在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充分發(fā)揮學(xué)生的主導(dǎo)作用，鼓勵學(xué)生自助思考，依據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來分析實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，積極調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，對化學(xué)專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能提升有極大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

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