對乙基苯甲醚的電化學芐位唑胺化反應的探索

胡新偉，阮志雄

廣州醫(yī)科大學藥學院，廣州 511436

1 引言

電化學合成一般在電流條件下促使反應物得到或失去電子，發(fā)生后續(xù)的氧化或還原反應。而且在反應過程中無需添加氧化劑或還原劑，反應物可以直接提供或得到電子，整個反應體系符合綠色化學的要求[1-3]，因此近年來備受關(guān)注。其優(yōu)點可概括為：反應只需常溫、常壓等溫和條件；通過電極進行電子轉(zhuǎn)移避免了有毒或危險還原劑和氧化劑的使用；產(chǎn)品后處理簡單且易分離，對環(huán)境污染?。焕秒娏鲝姸群碗娊鈺r間控制反應速率以此實現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移和化學反應同時進行，減少了副反應的發(fā)生。我們在本科創(chuàng)新實驗中引入電合成方法，期望有助于學生關(guān)注學科前沿，了解綠色有機合成與發(fā)展的新趨勢。

N-雜環(huán)化合物是天然產(chǎn)物和藥物分子的重要骨架，廣泛存在于自然界中，發(fā)展高效制備N-雜環(huán)化合物的有機合成方法學也逐漸成為有機合成化學的研究熱點之一。早期合成N-雜環(huán)的方法多為唑類化合物與缺電子的鹵代芳烴反應，在過量強堿的作用下發(fā)生親核取代反應構(gòu)建C―N鍵[4]。隨著過渡金屬催化的快速發(fā)展，Lundgren教授團隊[5]報道了Cu(I)和過量MnO2催化關(guān)于α-羧酸酯-芳基芐與吡唑的偶聯(lián)反應。近幾年，吳驪珠教授[6]、孫江濤教授[7]、朱戎教授[8]在光催化下分別利用肟酯、重氮、烯烴與唑類化合物反應生成芐基唑類化合物，使得N-雜環(huán)化合物的合成方法學進入了一個新階段(圖1)。然而這些反應會使用過量強堿、氧化劑、催化劑，甚至是在低溫條件下才能控制反應的發(fā)生，增加了反應的操作難度。雖然近年來許多課題組探索了合成唑胺化產(chǎn)物的新方法，但合成這類重要化合物的綠色方法仍相對較少，因此，我們依然需要開發(fā)這類重要N雜環(huán)化合物的綠色合成方法。不僅如此，我們發(fā)現(xiàn)四氮唑類化合物廣泛應用在抗真菌類藥物中，其合成途徑相對復雜，而且反應條件比較苛刻，不利于最終氮唑類藥物的合成。而我們發(fā)展的電合成方法可以一步生成α-羰基四唑化合物，為構(gòu)筑復雜結(jié)構(gòu)的四氮唑類藥物提供了關(guān)鍵中間體。

圖1 傳統(tǒng)的芐位唑胺化反應示例

在目前國內(nèi)外實驗教材中，均未涉及有機電合成反應。但隨著近幾年有機電化學的發(fā)展，一些優(yōu)秀的研究成果開始應用于本科教學的探索中[9]。鑒于氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)被廣泛用于天然產(chǎn)物和藥物分子以及電化學的飛速發(fā)展，我們想是否可以將本課題組前期發(fā)展的電化學芐位唑胺化反應研究成果[10]，通過改進實驗方案，縮短反應時間轉(zhuǎn)化為適用于本科教學的有機創(chuàng)新綜合實驗(圖2)。因此，我們選擇對乙基苯甲醚和5-苯基四氮唑為底物，利用簡單的反應裝置，一步進行C―N鍵構(gòu)建來合成芐位胺化芳烴。這些創(chuàng)新實驗可以讓學生在實驗中學會使用薄層色譜(TLC)監(jiān)測反應，柱層析技術(shù)分離產(chǎn)物以及利用核磁共振和高分辨質(zhì)譜手段對產(chǎn)物進行表征分析。與傳統(tǒng)的有機合成方法不同的是，開展電化學相關(guān)的創(chuàng)新實驗是對重要有機分子的高效合成訓練，不僅有助于啟發(fā)學生對綠色有機合成的新思考，而且在訓練學生綜合運用有機合成知識開發(fā)新反應以及指引學生關(guān)注碳中和遠景方面起到了積極的作用。

圖2 電化學芐位C―H唑胺化反應

2 實驗部分

2.1 循環(huán)伏安實驗

為了更好地引導學生思考該反應的原理，我們測試了原料1和2的氧化還原電勢(圖3)，發(fā)現(xiàn)它們的氧化電位分別為1.98 V (vs.Ag/AgCl)和2.00 V (vs.Ag/AgCl)，產(chǎn)物3的氧化電位2.14 V (vs.Ag/AgCl)，比原料1和2都高。以上結(jié)果說明原料1最容易被氧化，失去電子，而且其經(jīng)歷兩次氧化，最后得到產(chǎn)物3。

圖3 原料及產(chǎn)物的循環(huán)伏安圖

2.2 實驗原理

電化學有機合成反應可以直接在電極表面發(fā)生，也可以通過間接電解，引入氧化還原媒介，進而在溶液中發(fā)生反應。本實驗采用直接電解的方法，在電極表面發(fā)生反應。基于前期研究[10,11]，反應機理如圖4所示：該反應首先由石墨陽極表面發(fā)生氧化開始，芳環(huán)失去電子產(chǎn)生自由基陽離子A，隨后通過電子遷移生成芐基自由基B。B進一步被陽極氧化為芐基正離子C，然后與5-苯基四氮唑發(fā)生親核取代反應，離去一個質(zhì)子，生成最終唑胺化產(chǎn)物3。同時，質(zhì)子經(jīng)過鉑陰極表面還原生成H2，從而消除了對犧牲化學氧化劑的需求。

圖4 可能的反應原理

2.3 實驗方案的優(yōu)化

原實驗方案中，反應溫度需要80 °C，時間需要12 h，難以滿足本科教學需求。本文對反應條件進行了改進，通過探究不同條件(溫度、電流、時間)對該反應的影響(表1)，以期望將反應條件優(yōu)化至合理范圍。首先控制溫度在25 °C，通過改變電流和反應時間發(fā)現(xiàn)產(chǎn)率最高為74%，可能的原因是溫度太低導致化合物活性不高，反應相對緩慢。而當增加溫度至50 °C時，增加反應電流至16 mA，反應6 h能得到最高產(chǎn)率81%。繼續(xù)升高溫度至80 °C，產(chǎn)率沒有較高提升。相較而言，反應中使用的溶劑為乙腈，80 °C下接近沸騰，不方便操作。使用其他相對便宜的石墨片、鐵片和鎳片作為陰極時，收率相對標準條件下稍遜。綜合考慮后，我們選擇石墨片(1.0 cm × 1.0 cm × 0.2 cm)作為陽極，鉑片(1.0 cm × 1.0 cm × 0.01 cm)作為陰極，四丁基硫酸氫銨作為電解質(zhì)，乙腈作為溶劑，反應溫度50 °C、電流16 mA、反應時間6 h為標準反應條件。

表1 不同反應條件對反應進程的影響及產(chǎn)物收率比較

2.4 反應的可重復性

篩選出最優(yōu)的反應條件后，我們對標準底物反應進行了多次重復，并最終確定該電化學反應具有較好的重現(xiàn)性。實驗選取對乙基苯甲醚和5-苯基四氮唑為原料，以鉑片和石墨片為陰陽極，三名學生(A，B，C)分別進行2次實驗，綜合評價反應過程和效果(表2)。反應過程中使用薄層色譜板監(jiān)測(展開劑：V石油醚(PE):V乙酸乙酯(EA)= 10 : 1)，現(xiàn)象基本一致，產(chǎn)率在誤差范圍內(nèi)能夠很好地重復，有助于推廣于本科創(chuàng)新實驗。

表2 優(yōu)選條件的復現(xiàn)性實驗

2.5 趣味性實驗

為增加反應的趣味性，加深同學們對反應的理解，我們將實驗室中的小實驗和日常生活聯(lián)系起來，用生活中常見的物品代替實驗室用品，真正實現(xiàn)科研走進生活。在分析完該反應使用的電極后，我們設想是否可以選擇鉛筆頭作為陽極替換石墨片，陰極仍然以鉑片為電極，來嘗試該反應。

實驗依然是以對乙基苯甲醚和5-苯基四氮唑為原料。準備一支削好的2B鉛筆代替石墨電極(圖5)，依次稱量對乙基苯甲醚(204 mg)、5-苯基四氮唑(73 mg)和四丁基硫酸氫銨(169 mg)，并用移液槍吸取5 mL乙腈于電化學平底反應瓶中，將電化學平底反應瓶置于磁力攪拌器中心，啟動磁力攪拌器。三名學生(A，B，C)分別進行實驗，調(diào)節(jié)電流為16 mA，反應液在50 °C下攪拌6 h，過程中觀察到反應液顏色由無色變?yōu)榈S色，最后變?yōu)樽攸S色。而且反應過程中使用薄層色譜(TLC)監(jiān)測反應進程。具體反應情況如下：

圖5 鉛筆電極及A、B、C三位同學的薄層層析色譜(TLC)結(jié)果

進一步將反應液轉(zhuǎn)移至圓底燒瓶中，真空下旋干，選擇乙酸乙酯和石油醚(VPE:VEA= 20 : 1)為洗脫液過柱分離，收集產(chǎn)物后稱重，得到淡黃色液體，三位同學的反應收率分別為：60%，62%，66%(表3)。表明該反應有很好的重現(xiàn)性，即使用表面積小的鉛筆芯作為陽極電極進行反應，依然可以取得可觀的收率。

表3 趣味性實驗的復現(xiàn)

2.6 試劑與儀器

2.6.1 試劑耗材

對乙基苯甲醚、5-苯基四氮唑、四丁基硫酸氫銨、乙腈、二氯甲烷、無水硫酸鎂、氘代氯仿(98%D)(以上試劑為分析純，購自安耐吉化學、上海畢得醫(yī)藥等試劑公司)；石油醚(60-90 °C)、乙酸乙酯(以上溶劑為分析純，購自廣州佳鉆生物科技有限公司)；柱層析硅膠(300-400目，山西諾泰)；石墨片(1.0 cm × 1.0 cm × 0.2 cm，北京晶龍?zhí)靥加邢薰?，鉑片(規(guī)格為1.0 cm × 1.0 cm × 0.01 cm，天津艾達)，鉛筆芯(自備)。

2.6.2 儀器

400 M核磁共振儀NMR (日本JEOL)、高分辨質(zhì)譜儀HR-MS (日本JEOL)、MPD-3003S直流穩(wěn)壓電源(伊利諾斯工具制品)、B13-3型恒溫定時磁力攪拌器(上海司樂)、RV10型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(德國IKA)、分析天平(德國賽多利斯)、WFH-204BS手提式紫外分析儀(杭州齊威儀器)、移液槍(美國Thermo)、真空系統(tǒng)、圓底燒瓶、10 mL平底反應瓶、分液漏斗、錐形瓶、電極夾、磁子、注射器、反口膠塞、針頭等。

2.7 表征方法

取30.0 mg左右的樣品溶于0.6 mL氘代氯仿(CDCl3)中，轉(zhuǎn)移至核磁管中充分搖勻，室溫下利用核磁測定其氫譜(1H NMR)和碳譜(13C NMR)。再用高分辨質(zhì)譜儀(HR-MS)測定其分子量，進一步分析確定結(jié)構(gòu)。

2.8 實驗步驟

1) 芐位唑胺化產(chǎn)物的制備。

取干燥的電化學平底反應瓶，裝入潔凈攪拌子。分別稱取對乙基苯甲醚(204 mg，1.5 mmol)，5-苯基四氮唑(73 mg，0.5 mmol)和四丁基硫酸氫銨(170 mg，0.5 mmol)，并迅速轉(zhuǎn)移至反應瓶內(nèi)。用移液槍吸取5 mL乙腈于反應瓶中，然后將帶有收集尾氣的氣球以及鉑片電極(1.0 cm × 1.0 cm × 0.01 mm)和石墨電極(1.0 cm × 1.0 cm × 2 mm)的橡膠塞插入反應瓶，再將反應瓶置于磁力攪拌器中進行攪拌，并將溫度設為50 °C。將鉑電極與直流穩(wěn)壓電源的負極相接，石墨電極與電源的正極相接，啟動直流穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)電流穩(wěn)定至16 mA，反應6 h。反應過程中可觀察到反應液由無色變?yōu)樽攸S色(圖6)。

圖6 實驗涉及的反應裝置

2) 反應進度監(jiān)測。

反應過程中，每隔2 h用毛細管吸取少量反應液進行點板，并與原料點及混合點對比。以VPE:VEA=10 : 1為展開劑做TLC分析(圖7)，監(jiān)測反應進度，直至原料2a反應完全停止反應。

圖7 不同反應時間的薄層層析色譜結(jié)果

3) 柱層析分析。

用二氯甲烷將電極上附有的反應液洗至電化學平底反應瓶內(nèi)，再用一次性吸管將反應瓶中的反應液轉(zhuǎn)移至茄型瓶中，用二氯甲烷潤洗三次。往茄型瓶中加入2勺100-200目硅膠粉，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將粗產(chǎn)物旋干，得到吸附有粗產(chǎn)物的黃棕色硅膠。

固定帶有砂芯的色譜柱，依次填裝300-400目硅膠、少量石英砂、粗產(chǎn)物、石英砂，選用乙酸乙酯和石油醚的混合液為洗脫液過柱，洗脫液的用量及比例依次為50 mL的純石油醚、450 mL的VPE:VEA= 20 : 1，用試管收集需要的產(chǎn)物點，并通過TLC時刻關(guān)注流出液情況，防止過漏產(chǎn)物，確定產(chǎn)物分布。收集含有產(chǎn)物的流出液于圓底燒瓶中，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋干濃縮，得到淡黃色粘稠狀液體。取一個25 mL的圓底燒瓶稱重后，用二氯甲烷將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至燒瓶中，真空下旋干溶劑，抽真空15 min，稱量最后的瓶重，得到淡黃色黏性液體114 mg，收率81%。轉(zhuǎn)入2 mL塑料離心管中，貼好標簽保存。

3 結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)物的表征

對芐位唑胺化產(chǎn)物分別進行核磁共振氫譜(1H NMR)和碳譜(13C NMR)表征(圖8和圖9)。

圖8 芐位唑胺化產(chǎn)物的核磁氫譜

圖9 芐位唑胺化產(chǎn)物的核磁碳譜

表征數(shù)據(jù)：1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ8.16 (dd,J= 7.7, 1.9 Hz, 2H), 7.50-7.43 (m, 3H), 7.38 (d,J= 8.7 Hz, 2H), 6.89 (d,J= 8.7 Hz, 2H), 6.08 (q,J= 7.2 Hz, 1H), 3.77 (s, 3H), 2.08 (d,J= 7.2 Hz, 3H)；13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ165.0, 159.8, 131.0, 130.2, 128.9, 128.1, 127.7, 126.9, 114.2, 63.2, 55.3,21.2。HR-MS (ESI)m/zcalcd for C16H16N4ONa [M+Na]+303.1216, found 303.1214。

3.2 實驗討論

該創(chuàng)新實驗利用簡單綠色的電化學合成方法高效制備了芐位唑胺化產(chǎn)物。以石墨片為陽極，鉑片為陰極，反應僅需加入一個當量電解質(zhì)，在單電解槽中常溫恒流(16 mA)反應，即能以81%的收率得到相應產(chǎn)物。反應時間可根據(jù)底物用量和恒電流強度估算，且實驗現(xiàn)象較明顯，后處理簡單，反應過程涉及有機化學和物理化學交叉學科的應用。在進行本科教學實驗時，可以合理預估時間，反應前的準備工作0.5 h，反應6 h，后處理需要0.5 h，分離純化2 h，共9 h。

不僅如此，該教學實驗緊密聯(lián)系當下綠色化學合成熱點，積極融入了以“科學問題為導向”的探究型實驗方案，在引導學生關(guān)注學科前沿的同時也拓寬了自己的思維。且利用有機方法學研究的一般過程，在合成產(chǎn)物方面具有廣泛的衍生空間，適合本科生開展不同類型或底物結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新實驗研究。

4 結(jié)語

本文以電化學Csp3―H胺化反應構(gòu)筑C―N鍵為背景，實現(xiàn)了芐位烷基與胺的脫氫偶聯(lián)反應。通過將科研成果轉(zhuǎn)變?yōu)楸究平虒W實驗，開發(fā)了“對乙基苯甲醚的電化學芐位唑胺化反應研究”實驗。實驗涉及的C―H鍵官能團化反應，為當下有機合成化學的前沿領(lǐng)域。我們嘗試將國際前沿與本科實驗相結(jié)合，應用有機化學知識深入探索含氮化合物的新型合成方法。以本實驗方案為藍本，增強學生對薄層色譜、柱層析純化、核磁共振波譜分析等實驗技能的理解，進一步添加趣味性實驗，融入安全、可持續(xù)的綠色化學理念，綜合訓練學生的設計和思維，以及解決復雜合成問題的能力。