星狀多席夫堿的設(shè)計(jì)及多途徑合成及表征
——介紹一個(gè)化學(xué)科學(xué)訓(xùn)練綜合實(shí)驗(yàn)

李一鳴，王本花，魏保生，宋相志，羅一鳴，喻桂朋

中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083

1 背景

席夫堿是含有亞胺或甲亞胺特性基團(tuán)(―C＝N)的一類有機(jī)化合物，通常由伯胺和有活性羰基的化合物縮合而成。大多數(shù)席夫堿具有抗菌、抗癌、抗炎和抗毒的生物性能，其表現(xiàn)出的獨(dú)特性質(zhì)使它們?cè)诖呋⑺幬锖驮\療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。席夫堿的亞胺基氮原子具有孤對(duì)電子，對(duì)各種金屬中心具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性。席夫堿的亞胺基所具有的生物活性使其在生物工業(yè)上的應(yīng)用被廣泛研究[2,3]，因此研究席夫堿結(jié)構(gòu)及性質(zhì)具有重要的意義。

螯合席夫堿(Salen)可與過渡金屬M(fèi)形成N,N,O,O-四齒配合物(M-Salen)，此類小分子是一種高活性催化劑，已被成功用于催化如酚類物質(zhì)氧化、二氧化碳加成、曼尼希氧化、嵌段聚合物合成等多種有機(jī)催化反應(yīng)，是近年的熱門研究領(lǐng)域。螯合席夫堿如Co-Salen已在國(guó)內(nèi)外大型化工廠、制藥企業(yè)取得應(yīng)用。1889年，Alphonse Combes通過水楊醛和乙二胺的縮合反應(yīng)首次合成了原型物Salen，即N,N’-雙(水楊醛)乙二胺，形成了穩(wěn)定的Cu配合物。通常，M-salen催化劑的性能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。側(cè)基數(shù)量、位置、金屬中心的種類及其配體環(huán)境等會(huì)對(duì)其性能起到?jīng)Q定性作用。但M-Salen均相催化劑的使用，存在難從產(chǎn)物中分離、無法回收再生以及金屬團(tuán)聚等問題。通過載體實(shí)現(xiàn)M-Salen催化劑的異相化顯著彌補(bǔ)了這些不足[4–6]。

本文針對(duì)化學(xué)理科拔尖創(chuàng)新人才的學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)為主要目標(biāo)[7–9]，設(shè)計(jì)了本綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)，也是國(guó)內(nèi)第一個(gè)將貴金屬催化偶聯(lián)有機(jī)反應(yīng)引入本科生課堂的嘗試。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)加深鞏固定位規(guī)律、占位反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用；(2)掌握定位重氮化反應(yīng)的安全操作和機(jī)理；(3)明晰酸催化下席夫堿縮合反應(yīng)的機(jī)理；(4)熟悉Suzuki偶聯(lián)等基本操作；(5)學(xué)習(xí)無水、無氧等特殊條件下的操作；(6)學(xué)會(huì)利用核磁共振和紅外等手段對(duì)有機(jī)化合物進(jìn)行定性定量測(cè)試，能夠根據(jù)圖譜數(shù)據(jù)獨(dú)立分析化合物的結(jié)構(gòu)與純度；(7)比較分析多反應(yīng)途徑下制備M-Salen催化劑配體的策略；(8)培養(yǎng)安全環(huán)保的科學(xué)素養(yǎng)；(9)培育實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

3 合成路線

星狀多席夫堿的合成路線如圖1所示，先由2,4,6-三溴苯胺的重氮化反應(yīng)制備1,3,5-三溴苯，再經(jīng)Suzuki偶聯(lián)和席夫堿縮合獲得星狀多席夫堿(C4)。

圖1 星狀多席夫堿的合成路線

4 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

試劑：4-甲?；脚鹚?97%)、2,4,6-三溴苯胺(99%)、苯胺(99%)、四氫呋喃(分析純)、二氯甲烷(分析純)、石油醚(分析純)、乙酸乙酯(分析純)、二氧六環(huán)(分析純)、無水乙醇(分析純)、醋酸(分析純)、亞硝酸鈉(分析純)、碳酸鉀(分析純)、98%濃硫酸(分析純)、氮?dú)?高純)、雙(三苯基膦)二氯化鈀(鈀含量15.2%)、硅膠粉。

儀器：?jiǎn)慰趫A底燒瓶、雙口圓底燒瓶、球形冷凝管、抽濾瓶、布氏漏斗、磁力攪拌子、三通接頭、氣球、色譜柱、硅膠板、帶蓋玻璃瓶、電子天平、循環(huán)式真空泵、紫外燈、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、磁力攪拌加熱器(MRHEL-TEC，德國(guó)Hedolph)、超聲波儀、微波反應(yīng)器(MAS-II Plus，上海新儀)、核磁共振儀(AVANCE III 500 MHz、德國(guó)Bruker)、紅外光譜儀(AVATAR360、美國(guó)Nicolet)。

5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

5.1 1,3,5-三溴苯的合成

將20 mL乙醇溶液與0.17 mL 98%濃硫酸先后加入到50 mL雙口圓底燒瓶?jī)?nèi)，加入0.99 g(3 mmol)化合物C1(2,4,6-三溴苯胺)，并開啟磁力攪拌使其均勻分散，在冰浴條件下，同時(shí)持續(xù)攪拌將0.21 g(3 mmol)的亞硝酸鈉(NaNO2)分4次加入。逐漸升至室溫，攪拌約1 h后升溫至80 °C，回流反應(yīng)4–5 h。通過薄層色譜對(duì)反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，減壓抽濾得到粗產(chǎn)物，隨后用乙醇重結(jié)晶得到黃色針狀晶體0.79 g，為目標(biāo)產(chǎn)物C2(1,3,5-三溴苯)，產(chǎn)率84%。

5.2 1,3,5-三(4-甲?；交?苯的合成

稱取0.5 g(1.6 mmol)化合物C2(1,3,5-三溴苯)，0.75g(5 mmol)4-甲酰基苯硼酸于25 mL雙口燒瓶中，隨后加入10 mL四氫呋喃，5 mL的2 mol?L-1K2CO3(10 mmol)溶液和磁力攪拌子，在回流冷凝管上端接上帶有氮?dú)馇虻娜ㄩy。檢查裝置氣密性后，旋轉(zhuǎn)三通閥，接通反應(yīng)瓶與真空泵，抽去反應(yīng)瓶?jī)?nèi)空氣。再旋轉(zhuǎn)三通閥，接通反應(yīng)瓶與氮?dú)馇颍蚱績(jī)?nèi)充入氮?dú)?。反?fù)操作3次之后，將反應(yīng)瓶與氮?dú)馇蚪油?，保證體系內(nèi)氮?dú)夥諊?。將反?yīng)瓶移至70 °C油浴中攪拌3–5 min，隨后在氮?dú)夥諊屑尤?.15 g雙(三苯基膦)二氯化鈀催化劑，繼續(xù)在70 °C反應(yīng)6 h，待反應(yīng)冷卻至室溫后，減壓旋蒸除去溶劑(35–45 °C)，用柱色譜分離，硅膠作為固定相，洗脫劑為乙酸乙酯與石油醚的混合溶液(V:V=1:5–1:2)，提純后得到0.38 g目標(biāo)產(chǎn)物C3(1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯)，為黃色固體，產(chǎn)率61%。

5.3 星狀多席夫堿的多途徑合成

A.加熱法：稱取39 mg(0.1 mmol)C3于25 mL雙口圓底燒瓶中，用移液槍加入46 μL(0.5 mmol)苯胺，量取5 mL二氧六環(huán)作為溶劑，再加入約0.2 mL的6 mol?L-1醋酸水溶液與磁力攪拌子，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱至110 °C回流。通過薄層色譜對(duì)反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反應(yīng)結(jié)束后通過降溫(或采用冰箱冷凍)使產(chǎn)品析出，抽濾得淡黃色固體57.8 mg，為產(chǎn)物星狀多席夫堿C4，產(chǎn)率94%，熔點(diǎn)142 °C。

B.超聲法：稱取39 mg(0.1 mmol)C3于10 mL玻璃瓶中，用移液槍加入46 μL(0.5 mmol)苯胺，量取2 mL二氧六環(huán)和約0.1 mL的6 mol?L-1醋酸水溶液，用蓋子將玻璃瓶封口，開啟超聲儀進(jìn)行反應(yīng)。通過薄層色譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反應(yīng)結(jié)束后將體系降至室溫(或冰箱冷凍)，析出淡黃色固體，通過抽濾得到產(chǎn)物星狀多席夫堿C4 56.7 mg，產(chǎn)率92%。

C.微波法：稱取39 mg(0.1 mmol)C3于50 mL聚四氟乙烯反應(yīng)器中，用移液槍加入46 μL(0.5 mmol)苯胺，量取2 mL二氧六環(huán)和約0.1 mL的6 mol?L-1醋酸水溶液加入反應(yīng)體系，放置于微波反應(yīng)器中，設(shè)置反應(yīng)功率為100 W，溫度80 °C下反應(yīng)10 min。通過薄層色譜對(duì)反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反應(yīng)結(jié)束后，將體系降至室溫(或冰箱冷凍)，析出淡黃色固體，通過抽濾得到產(chǎn)物星狀多席夫堿C4 58.4 mg，產(chǎn)率95%。

6 結(jié)果表征與分析

6.1 1,3,5-三溴苯的核磁表征

取5 mg合成的1,3,5-三溴苯溶于500 μL的CDCl3中，充分搖勻溶解后進(jìn)行核磁測(cè)試。1,3,5-三溴苯的核磁共振氫譜如圖2A所示，1H NMR(500 MHz,CDCl3):δ7.61(s,3H)。13C NMR(101 MHz,CDCl3)δ133.03,123.41。

圖2 (A)1,3,5-三溴苯的核磁氫譜；(B)1,3,5-三(4-甲?；交?苯的核磁氫譜

6.2 1,3,5-三(4-甲?；交?苯的核磁表征

取5 mg合成的1,3,5-三(4-甲?；交?苯溶于500 μL的CDCl3中，充分搖勻溶解后測(cè)試。1,3,5-三(4-甲?；交?苯的核磁共振氫譜如圖2B所示：1H NMR(500 MHz,CDCl3):δ10.11(s,3H),8.04(d,J=10 Hz,6H),7.92(s,3H),7.89(d,J=10 Hz,6H)。13C NMR(101 MHz,CDCl3)δ191.77,146.29,141.59,135.76,130.44,127.98,126.48。

6.3 星狀多席夫堿的核磁與紅外表征

在核磁管中，分別加入5 mg合成的星狀多席夫堿C4和0.5 mL CDCl3，充分搖動(dòng)，使樣品溶解后，在核磁共振以上測(cè)試。星狀多席夫堿C4的核磁共振氫譜如圖3C所示，并對(duì)照化學(xué)結(jié)構(gòu)(圖3A)對(duì)其進(jìn)行歸屬：1H NMR(500 MHz,CDCl3):δ8.55(s,3H,Hd),8.06(d,J=10 Hz,6H,He),7.92(s,3H,Hg),7.86(d,J=10 Hz,6H,Hf),7.45(m,6H,Hb),7.28(m,9H,Ha,Hc)。C4的核磁共振碳譜如圖3D所示：13C NMR(101 MHz,CDCl3)δ159.79,152.04,143.61,141.83,135.70,129.46,129.23,127.73,126.11,125.71,120.96。利用FT-IR對(duì)星狀多席夫堿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果如圖3B所示，從圖中可以看出在3200–3500 cm-1區(qū)域內(nèi)沒有吸收峰存在，表明苯胺中的伯氨已經(jīng)與羰基縮合，形成席夫堿結(jié)構(gòu)，沒有觀測(cè)到vN-H伸縮振動(dòng)峰。此外，從圖譜上1700 cm-1附近沒有觀測(cè)到醛基(C＝O)的特征峰，而在1600 cm-1附近觀測(cè)到很強(qiáng)的C＝N伸縮振動(dòng)峰，充分證明了星狀多席夫堿的成功合成。

圖3 (A)星狀多席夫堿的化學(xué)結(jié)構(gòu)；(B)星狀多席夫堿的紅外圖譜；(C)星狀多席夫堿的核磁氫譜；(D)星狀多席夫堿的核磁碳譜

7 實(shí)驗(yàn)思考題

(1)重氮反應(yīng)去除―NH2的過程中，可能會(huì)有哪些副反應(yīng)發(fā)生？

(2)第二步鈴木偶聯(lián)反應(yīng)的機(jī)理是什么？水與氧氣的存在對(duì)反應(yīng)可能有何影響？

(3)為什么能采用加熱、超聲等多種方式來制備席夫堿化合物？是否還可以采用其他手段？

8 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)過程中使用的所有儀器必須保持干燥、清潔；

(2)配制濃硫酸-乙醇溶液的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)在攪拌操作下將濃硫酸緩慢加入大量乙醇溶液中，充分混合均勻；

(3)因?yàn)榉磻?yīng)會(huì)劇烈放熱，加入亞硝酸鈉的過程應(yīng)在冰浴條件下進(jìn)行，嚴(yán)格控制反應(yīng)液溫度(亞硝酸鈉須分批加入)；

(4)鈀催化劑現(xiàn)取現(xiàn)用，因?yàn)槠湓诳諝庵袠O易失活；

(5)拌樣過程中應(yīng)當(dāng)將棉花塞于防濺球口部，防止粉末飛入旋蒸儀；

(6)制備標(biāo)準(zhǔn)樣時(shí)，最好將反應(yīng)原液進(jìn)行稀釋。直接使用原液進(jìn)行點(diǎn)板可能導(dǎo)致濃度太高，爬板易拖尾。

9 教學(xué)方法與組織形式

(1)階段教學(xué)。建議本綜合實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)階段進(jìn)行教學(xué)(約16小時(shí))：第一階段，指導(dǎo)教師講解實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容與步驟，強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)，需要1小時(shí)；第二階段，合成1,3,5-三溴苯，需要6–8小時(shí)；第三階段，合成1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯，需要8–10小時(shí)；第四階段，星狀多席夫堿的多途徑合成，需要3–4小時(shí)。由于第二、三階段反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，可采用互相穿插策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即在第二階段反應(yīng)時(shí)間內(nèi)穿插進(jìn)行第三與第四階段反應(yīng)，可用提前購(gòu)買的1,3,5-三溴苯與1,3,5-三(4-甲?；交?苯作為反應(yīng)原料，以大幅節(jié)省教學(xué)時(shí)間。

(2)實(shí)驗(yàn)安排。該實(shí)驗(yàn)在內(nèi)容和安排上具有一定的靈活性，整體性教學(xué)模式已在校內(nèi)探索，每學(xué)年選一個(gè)30人班級(jí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反饋良好。在實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)階段，學(xué)生5–6人組成一個(gè)小組，要求學(xué)生查閱文獻(xiàn)，查找席夫堿類化合物主要應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)，充分了解席夫堿的合成原理以及無水無氧反應(yīng)操作，自主設(shè)計(jì)制備星狀多席夫堿的合成路線以及實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生查閱、篩選文獻(xiàn)的科研技能。在實(shí)驗(yàn)課講解階段，教師對(duì)各小組匯報(bào)的合成路線進(jìn)行評(píng)閱，討論目標(biāo)產(chǎn)物星狀多席夫堿的合成方法，優(yōu)化最佳合成路線。在實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生每2人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選用不同的途徑進(jìn)行目標(biāo)席夫堿產(chǎn)物的合成，并對(duì)不同的途徑進(jìn)行比較分析。得到合成產(chǎn)物之后，每組學(xué)生均需測(cè)試核磁共振譜與紅外光譜數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，每位同學(xué)單獨(dú)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，總結(jié)和分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)譜圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，進(jìn)行特征峰歸屬并分析產(chǎn)物純度，要求學(xué)生掌握基本的科研分析能力，并鼓勵(lì)學(xué)生在討論中發(fā)散創(chuàng)新思維，積極探索前沿科學(xué)問題。

(3)課程思政與綜合素質(zhì)培養(yǎng)。綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中全程踐行課程思政，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。通過教師介紹席夫堿在催化、醫(yī)藥等眾多學(xué)科領(lǐng)域的重要應(yīng)用，闡述研究席夫堿結(jié)構(gòu)及性質(zhì)具有重要的意義，引導(dǎo)學(xué)生利用自身所學(xué)科學(xué)理論知識(shí)探索解決我國(guó)醫(yī)藥化工生產(chǎn)中的實(shí)際問題，激發(fā)學(xué)生愛國(guó)意識(shí)與社會(huì)責(zé)任感。通過分組進(jìn)行合成路線設(shè)計(jì)與分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性。通過課前引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，了解席夫堿領(lǐng)域前沿研究熱點(diǎn)，探索不同的合成策略和方案，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力。通過將專業(yè)的有機(jī)化學(xué)知識(shí)以及合成路線設(shè)計(jì)方案運(yùn)用至星狀多席夫堿的合成，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)與能力。在制備席夫堿的過程中，通過合理正確的使用揮發(fā)性有機(jī)溶劑、濃硫酸等試劑，以及廢酸、廢液處置等，培養(yǎng)學(xué)生安全環(huán)保與社會(huì)責(zé)任意識(shí)。通過多途徑反應(yīng)進(jìn)行星狀多席夫堿的合成，引導(dǎo)學(xué)生的發(fā)散思維，培養(yǎng)學(xué)生開放性思維意識(shí)。通過引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行比較與分析，總結(jié)在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的失敗原因，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確記錄每一步反應(yīng)的產(chǎn)率、產(chǎn)物性狀等，樹立嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

10 結(jié)語

根據(jù)應(yīng)用化學(xué)理科拔尖人才培養(yǎng)的課程要求，結(jié)合應(yīng)用化學(xué)專業(yè)課程要求以及學(xué)生化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)水平以及綜合實(shí)驗(yàn)所需條件，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的、面向大三學(xué)生的有機(jī)化學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)通過重氮化反應(yīng)、鈴木偶聯(lián)反應(yīng)、席夫堿反應(yīng)制備星狀多席夫堿，利用薄層色譜監(jiān)測(cè)反應(yīng)以及柱色譜分離產(chǎn)物，通過核磁共振、紅外光譜對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定分析。實(shí)驗(yàn)新穎實(shí)用，涵蓋了大部分基礎(chǔ)有機(jī)實(shí)驗(yàn)的基本操作，以及無水無氧反應(yīng)的復(fù)雜操作。通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了席夫堿類分子的合成方法，進(jìn)一步深入地練習(xí)了無水無氧反應(yīng)的操作，學(xué)習(xí)了有機(jī)化合物的表征和鑒定方法；學(xué)生通過對(duì)產(chǎn)物的核磁數(shù)據(jù)歸屬分析，鍛煉處理數(shù)據(jù)和科學(xué)作圖的能力，為今后走上科研道路打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而且，該綜合實(shí)驗(yàn)踐行課程思政，在充分訓(xùn)練學(xué)生科研動(dòng)手能力的同時(shí)，提高學(xué)生環(huán)保意識(shí)與社會(huì)責(zé)任意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。