基于氫鍵誘導(dǎo)理論的有機(jī)化學(xué)探索實(shí)驗(yàn)：(+/?)-2-亞甲基香茅醛的合成與快速鑒定

金劍，楊雪蘋，程景，任鵬

1哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐教育中心，廣東 深圳 518055

2哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)理學(xué)院，廣東 深圳 518055

2021年諾貝爾化學(xué)獎授予了Benjamin List和David MacMillan，以表彰兩位化學(xué)家在不對稱有機(jī)催化領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)[1]。以脯氨酸、氨基酸硫脲、咪唑啉酮為代表的有機(jī)小分子化合物(如圖1所示)廣泛應(yīng)用于不對稱Aldol反應(yīng)、不對稱Mannich反應(yīng)、不對稱Michael加成反應(yīng)、不對稱Diels-Alder反應(yīng)、醛/酮類化合物α-不對稱氨基化/氧化/苯磺酰化等，以高效構(gòu)建復(fù)雜手性化合物[2]。與經(jīng)典金屬有機(jī)催化劑相比，有機(jī)小分子催化有以下特點(diǎn)：1) 催化劑及其合成砌塊在自然界廣泛存在，易于制備、價格低廉；2) 催化劑對氧氣、水不敏感，因此反應(yīng)不需要復(fù)雜的無水無氧操作；3) 有機(jī)催化劑在反應(yīng)后處理中容易除去，不存在金屬有機(jī)催化導(dǎo)致的過渡金屬殘留問題；4) 有機(jī)催化劑在自然界中極易降解無害化，對環(huán)境友好。目前，脯氨酸催化的不對稱Aldol反應(yīng)已經(jīng)在中科大、復(fù)旦大學(xué)、南方科技大學(xué)等高?；瘜W(xué)相關(guān)專業(yè)面向本科生開設(shè)[3–5]。

圖1 小分子催化劑與氫鍵誘導(dǎo)活化

對于脯氨酸、咪唑啉酮等仲胺類有機(jī)催化反應(yīng)，催化劑首先通過氫鍵誘導(dǎo)活化羰基(如圖1所示)，之后胺基對羰基加成脫水共價結(jié)合形成烯胺或者亞胺，其中烯胺作為親電試劑對醛酮類化合物加成，亞胺作為缺電子中心與親核試劑加成。對于硫脲類催化劑，硫脲結(jié)構(gòu)單元與羰基形成雙氫鍵(如圖1所示)，增強(qiáng)羰基碳原子親電性。對于脯氨酸催化的Aldol反應(yīng)，烯胺活性中間體對羰基碳的加成還需要?dú)滏I的二次活化[6]。本實(shí)驗(yàn)中，我們使用吡咯烷和4-二甲基氨基苯甲酸作為有機(jī)小分子催化劑，催化天然香料(+/?)-香茅醛與甲醛的Aldol縮合反應(yīng)并脫水生成(+/?)-2-亞甲基香茅醛[7]。在反應(yīng)物料、催化劑當(dāng)量、反應(yīng)加熱溫度不變的條件下，選用二氯甲烷、乙醇、四氫呋喃三種溶劑開設(shè)平行反應(yīng)，利用薄層色譜法監(jiān)控平行反應(yīng)進(jìn)程，以篩選最佳的反應(yīng)溶劑。反應(yīng)液通過簡單萃取分液干燥濃縮等后處理就可以得到高純度的產(chǎn)物，可直接用于波譜分析和色譜分析。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 了解小分子催化Aldol反應(yīng)制備α,β-不飽和醛的反應(yīng)機(jī)理；

(2) 初步掌握基于反應(yīng)機(jī)理的有機(jī)合成反應(yīng)條件優(yōu)化思路；

(3) 掌握薄層色譜技術(shù)監(jiān)控反應(yīng)進(jìn)程的方法；

(4) 了解用核磁共振波譜法快速鑒別反應(yīng)原料與產(chǎn)物的一般方法；

(5) 初步利用共振理論預(yù)測并解釋結(jié)構(gòu)細(xì)微差異對反相色譜保留時間的影響。

2 實(shí)驗(yàn)原理

有機(jī)胺小分子催化的Aldol反應(yīng)要經(jīng)歷亞胺與烯胺的互變異構(gòu)，如圖2所示，吡咯烷-對二甲基氨基苯甲酸鹽酸堿解離平衡產(chǎn)生游離吡咯烷是啟動催化循環(huán)的關(guān)鍵，吡咯烷對香茅醛的醛羰基親核加成脫水異構(gòu)化形成烯胺a，烯胺中間體對甲醛親核加成生成亞胺中間體b，異構(gòu)化得到烯胺中間體c，之后消除羥基生成亞胺中間體d，最終水解生成產(chǎn)物(+/?)-2-亞甲基香茅醛，吡咯-對二甲基氨基苯甲酸進(jìn)入下一個催化循環(huán)。

圖2 反應(yīng)機(jī)理

3 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

儀器：加熱磁力攪拌器(EYELA，RCH-1000)、移液槍、循環(huán)水真空泵(鄭州長城，SHB-III)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(IKA，RV8)、90 MHz無液氦核磁共振波譜儀(Anasazy，EFT-90，美國)、超高效液相色譜儀(安捷倫1260 Infinity II，安捷倫SB-C18色譜柱，1.8 μm，2.1 × 50 mm；德國)。

試劑：香茅醛(阿拉丁試劑，96%)、甲醛水溶液(西隴科學(xué)，37%)、對二甲氨基苯甲酸(阿拉丁試劑，99%)、吡咯烷(阿拉丁試劑，99%)、二氯甲烷(Admas，99.5%)、無水乙醇(Admas，99.7%)、四氫呋喃(Admas，99.5%)、10%磷鉬酸乙醇溶液、石油醚(Admas，沸程60–90 °C)、乙酸乙酯(Admas，99.5%)、無水硫酸鈉(Admas，99%)、氘代氯仿(TMS內(nèi)標(biāo)，Admas，99.8%)、乙腈(Admas，HPLC級)。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 (+/?)-2-亞甲基香茅醛合成與反應(yīng)監(jiān)控

稱取(+/?)-2-亞甲基香茅醛(1.23 g，8 mmol)加入到圓底燒瓶，加入溶劑(8 mL，三個平行反應(yīng)溶劑分別是二氯甲烷(反應(yīng)1)、四氫呋喃(反應(yīng)2)、無水乙醇(反應(yīng)3))攪拌均勻，先后加入甲醛水溶液(0.65 g，8 mmol)、對二甲氨基苯甲酸(0.13 g，0.8 mmol)、吡咯烷(67 μL，0.8 mmol)。玻璃塞密封反應(yīng)瓶，40 °C水浴攪拌反應(yīng)(反應(yīng)1要加裝冷凝管，無需連接冷卻水循環(huán)，直接空氣冷卻)。

取(+/?)-2-亞甲基香茅醛10 μL加0.5 mL乙酸乙酯稀釋配制反應(yīng)監(jiān)控對照樣品。自投料完畢每間隔20 min取樣點(diǎn)板監(jiān)控，監(jiān)控方法如下：用移液槍吸取10 μL反應(yīng)液，加0.5 mL乙酸乙酯稀釋配制對照品，用于確定在薄層色譜分析中原料斑點(diǎn)與產(chǎn)物斑點(diǎn)的相對位置；用移液槍吸取50 μL反應(yīng)液，加0.5 mL乙酸乙酯稀釋配制反應(yīng)稀釋液；薄層板點(diǎn)四個點(diǎn)，從左到右依次是原料、反應(yīng)1稀釋液、反應(yīng)2稀釋液和反應(yīng)3稀釋液；使用石油醚爬板；之后用磷鉬酸乙醇溶液浸潤薄層板，熱風(fēng)槍烤板顯色。反應(yīng)3在1 h可以反應(yīng)完全。

4.2 反應(yīng)后處理與儀器分析

關(guān)閉加熱，撤掉水浴鍋，加入30 mL水淬滅反應(yīng)，加入石油醚萃取(10 mL × 2)，合并有機(jī)相。先后用0.1 mol?L?1稀鹽酸、飽和碳酸氫鈉、飽和食鹽水各20 mL洗有機(jī)相。加入無水硫酸鈉干燥有機(jī)相，過濾，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮(真空度5 kPa，25 °C水浴溫度)去除石油醚得到無色液體。反應(yīng)3反應(yīng)完全，可計(jì)算產(chǎn)率，按照以上后處理得到無色液體1.25 g，產(chǎn)率94%。

取后處理所得樣品10 μL加0.5 mL氘代氯仿稀釋采集核磁氫譜數(shù)據(jù)。HPLC分析方法：乙腈-水(6 : 4，體積比)，1 mL?min?1，35 °C，6 min，210 nm；分別進(jìn)空白、原料、產(chǎn)物、產(chǎn)物與原料混合四個樣品。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

5.1 反應(yīng)薄層色譜分析

由于甲醛水溶液不溶于二氯甲烷，因此反應(yīng)1是兩相反應(yīng)，反應(yīng)2和反應(yīng)3為均相反應(yīng)。如果反應(yīng)不是氫鍵驅(qū)動的，是否形成均相溶液將明顯影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化速率，在這種假設(shè)下，反應(yīng)2的轉(zhuǎn)化速度應(yīng)該比反應(yīng)1快，但是連續(xù)點(diǎn)板監(jiān)控顯示反應(yīng)2的轉(zhuǎn)化速度比反應(yīng)1慢(圖3所示)。對比反應(yīng)1和3，我們發(fā)現(xiàn)乙醇反應(yīng)液轉(zhuǎn)化速度明顯比二氯甲烷反應(yīng)液快。反應(yīng)1中，二氯甲烷是極性溶劑，但是不能與催化劑和反應(yīng)底物形成氫鍵；對二甲氨基苯甲酸內(nèi)鹽與醛羰基形成氫鍵活化羰基，同時游離吡咯烷對醛羰基親核加成啟動催化循環(huán)。反應(yīng)2中，四氫呋喃氧孤對電子作為氫鍵受體參與形成氫鍵，競爭性抑制催化劑對醛羰基的氫鍵誘導(dǎo)活化，游離的吡咯烷對未活化的醛基加成啟動催化循環(huán)，反應(yīng)速度較慢。對于反應(yīng)3，乙醇羥基既是氫鍵給體也是氫鍵受體，醇羥基氧原子與吡咯鹽形成氫鍵轉(zhuǎn)移質(zhì)子，提高吡咯烷濃度，同時羥基氫原子與醛羰基形成氫鍵提高其親電性，所以反應(yīng)速度最快。

圖3 平行反應(yīng)薄層色譜監(jiān)控

圖3揭示產(chǎn)物的Rf值比原料稍小。硅膠薄層板固定相主要成分是二氧化硅，其中極少數(shù)會水解產(chǎn)生硅酸，二氧化硅/硅酸與化合物極性官能團(tuán)之間的氫鍵以及類氫鍵相互作用強(qiáng)弱是不同化合物Rf值產(chǎn)生差異的主要原因。本實(shí)驗(yàn)中，2-亞甲基香茅醛的共軛結(jié)構(gòu)造成醛基氧原子孤對電子參與1,4-不飽和體系的共振，這使得氧原子與硅酸氫原子之間的氫鍵作用變?nèi)?，表現(xiàn)出來就是2-亞甲基香茅醛的Rf值比香茅醛大。

5.2 反應(yīng)的核磁共振波譜分析

反應(yīng)3原料近乎完全轉(zhuǎn)化，可直接采集核磁數(shù)據(jù)。核磁氫譜(90 MHz, CDCl3)如下：δ 9.52 (s, 1H，C1H)，6.21 (s, 1H, C9H)，5.97 (s, 1H, C9H)，5.19–4.97 (m, 1H, C6H)，2.84–2.57 (m, 1H, C3H), 2.09–1.77(m, 2H, C5H2)，1.66 (d, J = 1.3 Hz, 3H, C11H3)，1.61–1.26 (m, 5H, C4H2, C8H3)，1.06 (d, J = 6.9 Hz, 3H,C10H3)。在典型的多步有機(jī)合成反應(yīng)中，一般一步反應(yīng)只涉及1個官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化。本反應(yīng)只在醛基α位引入一個碳碳雙鍵，因此可以通過核磁圖譜特征官能團(tuán)信號快速鑒別產(chǎn)物。如圖4所示，香茅醛典型特征官能團(tuán)信號是δ 9.75左右的C1醛基氫和δ 5.10左右C6碳碳雙鍵氫；對比原料和產(chǎn)物的氫譜可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物在δ 6.1左右出現(xiàn)兩個碳碳雙鍵的氫信號，結(jié)合醛基氫信號以及δ 5.10左右碳碳雙鍵氫可以確定產(chǎn)物是2-亞甲基香茅醛。另外，對比原料和產(chǎn)物醛基氫的化學(xué)位移，我們能看出產(chǎn)物的醛基氫信號向高場方向偏移0.2左右，這一現(xiàn)象可以用共振理論解釋：相比香茅醛，2-亞甲基香茅醛的α,β-不飽和共軛結(jié)構(gòu)中碳碳雙鍵π電子與羰基π電子共振離域提高醛羰基的電子云密度，導(dǎo)致醛羰基對醛基氫原子的去屏蔽效應(yīng)減弱，醛基氫的化學(xué)位移向高場移動。

在圖4中，我們發(fā)現(xiàn)原料香茅醛C1醛基氫是三重峰，這一有趣現(xiàn)象其實(shí)與核磁共振波譜分析中磁等價概念緊密相關(guān)。香茅醛結(jié)構(gòu)中C3是手性原子，這導(dǎo)致C2H2兩個氫原子是磁不等價的，因此醛基氫理論上應(yīng)該是dd峰，并且兩個d峰耦合常數(shù)不同。但實(shí)際上，由于香茅醛的鏈狀結(jié)構(gòu)，C2C3sigma鍵快速自由旋轉(zhuǎn)，手性中心導(dǎo)致的C2H2兩個氫原子磁不等價性差異極小，對C1醛基氫的耦合常數(shù)幾乎相等，最終的結(jié)果是dd峰簡并成三重峰，這一現(xiàn)象在鏈?zhǔn)饺╊惢衔镏斜容^常見[8]。

圖4 原料與產(chǎn)物核磁共振氫譜

5.3 反應(yīng)的高效液相色譜分析

在產(chǎn)物與原料的高效液相色譜結(jié)果中(圖5所示)，我們可以看到原料在色譜柱上保留時間比產(chǎn)物短了約0.7 min，這也可以用氫鍵理論進(jìn)行解釋：在C18反相色譜分析中存在兩種相互作用，一種是待分析化合物結(jié)構(gòu)中的的碳?xì)滏I與固定相烷基碳鏈的疏水相互作用，一種是待分析化合物結(jié)構(gòu)中的雜原子與流動相中水分子的氫鍵作用，疏水效應(yīng)與氫鍵作用的競爭是保留時間差異的根本原因；與香茅醛比較，2-亞甲基香茅醛的共軛結(jié)構(gòu)減弱了醛基與流動相中水分子的氫鍵作用，因此保留時間相對延長。

圖5 反應(yīng)TLC監(jiān)控與產(chǎn)物HPLC定性分析

6 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

1) 甲醛水溶液具有刺激性，并且能引起蛋白質(zhì)變性，稱量要在有排風(fēng)的環(huán)境進(jìn)行，一定要佩帶活性炭口罩和丁腈手套；條件允許可以先確定溶液密度，移液槍量取。

2) 吡咯烷容易揮發(fā)，味道刺鼻，衣物沾染需要很長時間散盡味道，可以在課前預(yù)先配制成相應(yīng)的溶液，在通風(fēng)櫥內(nèi)用移液槍量取。

3) 對二甲氨基苯甲酸為密度較小的粉末狀固體，稱量過程要防止飛絮產(chǎn)生，建議用配置防風(fēng)罩的天平稱量；并且稱量與轉(zhuǎn)移全程都有佩戴口罩，防止吸入。

4) 反應(yīng)原料和產(chǎn)物Rf差異極小，用于監(jiān)控的薄層色譜板要適當(dāng)干燥，濕度過高可能導(dǎo)致原料產(chǎn)物無法分離；點(diǎn)板過程中毛細(xì)管前端與薄層板接觸時間過長會引起斑點(diǎn)擴(kuò)散、上樣過多，導(dǎo)致原料和產(chǎn)物交叉，因此點(diǎn)板要迅速。

7 實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行建議

1) 建議教師課前為學(xué)生提供比較經(jīng)典的綜述性論文，讓學(xué)生提前理解反應(yīng)機(jī)理。

2) 本實(shí)驗(yàn)包括有機(jī)合成、反應(yīng)監(jiān)控、核磁共振波譜分析和高效液相色譜分析，建議設(shè)置8個學(xué)時；液相色譜分析條件涉及恒溫等度洗脫，建議教師提前開機(jī)運(yùn)行1 h以上。

3) 本實(shí)驗(yàn)建議三人一組，一人選用一種溶劑投料；每人獨(dú)立制備各自反應(yīng)體系三個時間點(diǎn)的薄層色譜監(jiān)控用反應(yīng)稀釋液，并與其他組員分享。每個人要獨(dú)立完成如圖3所示的薄層色譜監(jiān)控。

4) 可根據(jù)學(xué)時、實(shí)驗(yàn)條件等實(shí)際情況靈活調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以只選用無水乙醇反應(yīng)體系，60 min左右能反應(yīng)完畢，波譜和色譜儀器分析可任選其一；也可以摒棄儀器分析，單獨(dú)加強(qiáng)薄層色譜技術(shù)在反應(yīng)監(jiān)控中的應(yīng)用。

8 結(jié)語

本文介紹了一個小分子催化的全新有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了薄層色譜監(jiān)控反應(yīng)進(jìn)程、核磁共振波譜法快速鑒定化合物、高效液相色譜法分析產(chǎn)物的一般方法。選用不同的溶劑來驗(yàn)證已知的反應(yīng)機(jī)理，這一過程可以初步引導(dǎo)學(xué)生了解基于機(jī)理的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)條件優(yōu)化。本實(shí)驗(yàn)以共振離域的氫鍵理論和疏水效應(yīng)來解釋香茅醛和2-亞甲基香茅醛的化學(xué)位移、薄層色譜Rf值、液相色譜保留時間的差異，以此為契機(jī)可以引導(dǎo)學(xué)生將價鍵理論與有機(jī)合成實(shí)踐結(jié)合起來，用理論解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象印證理論。用天然香料作為反應(yīng)底物，改變了傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目試劑刺激性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)室氣味不友好的問題，有利于提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，改善有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)氛圍。

本實(shí)驗(yàn)在我校已經(jīng)歷了2輪的教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，理論與實(shí)踐緊密結(jié)合得到了學(xué)生的廣泛好評。通過有機(jī)合成與儀器分析的緊密結(jié)合，讓學(xué)生充分認(rèn)識到儀器分析在有機(jī)合成中重要的工具性作用，為學(xué)生后續(xù)的科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。