光鎳協(xié)同催化合成對甲氧基苯丙酮

郭鎮(zhèn)宇，李雨杭，陳帥，朱成建，謝勁

南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京 210023

光是自然界中儲量極為豐富的能源之一。研究如何將光能應(yīng)用于生產(chǎn)中，將低價值產(chǎn)物或工業(yè)廢料轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”，是踐行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很少涉及到光化學(xué)反應(yīng)。將光化學(xué)反應(yīng)引入教學(xué)，具有實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作上的創(chuàng)新性。同時，考慮到光化學(xué)反應(yīng)具備條件溫和、過程平緩、用料經(jīng)濟(jì)等友好特性，將其作為基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅安全隱患低、難度適中，還能培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保觀念，具有一定的思政教育意義。

2008年MacMillan課題組提出光與有機(jī)催化劑協(xié)同催化的策略，可以在普通熒光燈照射下實(shí)現(xiàn)醛的直接不對稱烷基化[1]。這種方法解決了高能紫外光直接照射下產(chǎn)生大量副反應(yīng)的問題，開辟了條件溫和、副反應(yīng)少、產(chǎn)物純度高的光反應(yīng)模式。2014年，Molander、Doyle、Macmillan等研究團(tuán)隊(duì)首次報道了光-鎳協(xié)同催化體系。他們通過芳基鹵代物與鎳催化劑形成的二價鎳中間體捕獲烷基自由基，從而生成三價鎳中間體。借助該體系，成功地在溫和反應(yīng)條件下實(shí)現(xiàn)了構(gòu)建C(sp3)―C(sp2)鍵的方法[2,3]。光-鎳協(xié)同催化的催化循環(huán)與光合作用相似，都是光催化循環(huán)與另一化學(xué)催化循環(huán)組成的雙循環(huán)過程：在光照條件與光催化劑的作用下，反應(yīng)物生成自由基，進(jìn)而被鎳催化劑捕獲，通過鎳催化循環(huán)生成產(chǎn)物。2019年，謝勁課題組首次將?；杂苫牍?鎳協(xié)同催化中，實(shí)現(xiàn)了羧酸脫氧官能團(tuán)化反應(yīng)[4]。

芳香羧酸類化合物是化工領(lǐng)域中廉價易得的產(chǎn)物，甚至有些可以直接從工業(yè)廢料中獲得，例如對甲基苯甲酸存在于生產(chǎn)重要聚合單體對苯二甲酸所產(chǎn)生的工業(yè)廢水中[5,6]。2021年，謝勁等人發(fā)展了一例在光鎳協(xié)同催化條件下的芳香羧酸脫氧烷基化反應(yīng)[7]。該反應(yīng)的另一原料乙烯是石油化工產(chǎn)業(yè)的核心，作為大宗化學(xué)品，2019年我國乙烯的年產(chǎn)量已超過了2500萬噸[8]。該反應(yīng)的產(chǎn)物為芳香丙酮類化合物，可用作香精以及部分藥物合成的中間體，具有較高的經(jīng)濟(jì)附加價值。傳統(tǒng)的合成芳香酮類化合物的Friedel-Crafts?；磻?yīng)需要使用強(qiáng)酸，并且釋放出對環(huán)境有害的氯化氫氣體。而光催化的芳香羧酸脫氧烯基化反應(yīng)通過室內(nèi)“光合作用”實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，且無毒害物質(zhì)排出，是一個既經(jīng)濟(jì)又綠色的反應(yīng)。然而，由于反應(yīng)使用的鎳催化劑在空氣中不穩(wěn)定，該實(shí)驗(yàn)在空氣中難以進(jìn)行操作。

2020年Engle等人報道了一種可以在空氣中穩(wěn)定存在的鎳催化劑(1,5-環(huán)辛二烯) (杜醌)鎳(0)，即Ni(COD)(DQ)。該催化劑適用于各類金屬鎳催化反應(yīng)中，可作新型鎳催化劑前體[9]?；谝陨涎芯?，我們將該催化劑用于對甲氧基苯甲酸與乙烯的反應(yīng)，僅需溫和條件和短暫光照，即在6 h內(nèi)合成出4′-甲氧基苯丙酮。該反應(yīng)適合用于基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

1) 掌握光與化學(xué)協(xié)同催化的基本原理，理解不同試劑在催化循環(huán)中的作用。

2) 練習(xí)氣相反應(yīng)操作，掌握常溫常壓下的光反應(yīng)技術(shù)，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室操作技能。

3) 學(xué)習(xí)快速柱層析方法，強(qiáng)調(diào)柱層析和薄層色譜在純化過程中的重要性，提高實(shí)驗(yàn)室純化技能。

4) 增強(qiáng)學(xué)生對綠色化學(xué)概念的理解，通過本實(shí)驗(yàn)的研究和實(shí)踐，踐行可持續(xù)發(fā)展理念，培養(yǎng)環(huán)保意識和可持續(xù)發(fā)展的思維方式。

2 實(shí)驗(yàn)原理

4′-甲氧基苯丙酮可作為有機(jī)合成中間體和醫(yī)藥中間體用于研發(fā)和生產(chǎn)過程中。本實(shí)驗(yàn)以廉價的對甲氧基苯甲酸和乙烯為原料，在光催化劑[Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)]PF6和鎳催化劑Ni(COD)(DQ)的催化下，光照生成經(jīng)濟(jì)價值高的4′-甲氧基苯丙酮。本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)時間較短，反應(yīng)中無有毒害物質(zhì)生成，轉(zhuǎn)化效率高，反應(yīng)后處理方便。

本實(shí)驗(yàn)芳香羧酸與乙烯的光-鎳催化協(xié)同反應(yīng)式如圖1所示。

圖1 合成芳基乙基酮以及催化劑結(jié)構(gòu)

具體反應(yīng)機(jī)理如圖2所示，經(jīng)過光循環(huán)體系中酰基自由基的生成，鎳催化循環(huán)體系中鎳對?；杂苫牟东@，通過乙烯插入形成五元環(huán)中間體，進(jìn)而消除得到芳香酮產(chǎn)物。

圖2 可能的反應(yīng)機(jī)理

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 試劑

實(shí)驗(yàn)所需試劑及規(guī)格如表1所示，其中所購買的溶劑均為市售無水溶劑，未經(jīng)過額外預(yù)處理。

表1 實(shí)驗(yàn)試劑及規(guī)格

3.2 儀器

反應(yīng)使用的光反應(yīng)器為購買于Kessil公司的45 W藍(lán)色LED燈(λmax= 455 nm)。表征所用的儀器及其信息如表2所示。

表2 儀器信息

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.3.1 主反應(yīng)

首先在加入磁子的10 mL Schlenk管中依次加入對甲氧基苯甲酸(30.4 mg，0.2 mmol)，三苯基膦(63 mg，0.24 mmol)，光催化劑[Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)]PF6(4.7 mg，0.004 mmol，2 mol%，摩爾百分比)，Ni(COD)(DQ) (2.0 mg，0.006 mmol，3 mol%)，和5,6-二甲基-1,10-菲咯啉(5,6-dimethyl-1,10-phenanthroline) (2.4 mg，0.012 mmol，6 mol%)。然后蓋上橡膠塞，側(cè)口抽真空5 min，接著關(guān)閉真空，插上乙烯氣球，體系充入乙烯(注意：乙烯氣體易燃，因此充放氣過程應(yīng)在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，并遠(yuǎn)離火源)。隨后，在1 mL離心管中加入二異丙基胺(57 μL，0.4 mmol)，用注射器吸取2 mL乙腈，將部分乙腈注入離心管溶解二異丙基胺，然后將離心管中溶液與剩余乙腈一同注入Schlenk管中。最后將體系置于藍(lán)色LED燈下，反應(yīng)2 h。反應(yīng)裝置如圖3所示。

圖3 反應(yīng)裝置示意圖

3.3.2 后處理

用毛細(xì)管取少量反應(yīng)液進(jìn)行薄層色譜(TLC)分析，展開劑為石油醚(60–90 °C)-乙酸乙酯溶液(V石油醚:V乙酸乙酯= 20 : 1)，計(jì)算得到Rf值約為0.36。將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至25 mL圓底燒瓶中，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮。濃縮物采用快速柱層析進(jìn)行分離純化?？焖僦鶎游龇椒ǎ悍Q取7 g 200–300目柱層析硅膠，用70 mL石油醚(60–90 °C)溶脹后濕法裝柱(?= 1 cm)。將濃縮后的粗產(chǎn)品用1 mL左右的二氯甲烷溶解，緩慢加入裝好的層析柱中。用200 mL石油醚(60–90 °C)-乙酸乙酯溶液(V石油醚:V乙酸乙酯= 50 : 1)淋洗，通過加壓球來調(diào)整洗脫液面下降的速度為3–4滴/秒。用10 mL試管收集，并依次編號和分組，TLC分析(展開劑同前)。直至產(chǎn)品完全洗脫出(用毛細(xì)管蘸取色譜柱下端滴出液體，點(diǎn)樣于用過的薄層板空白處。若紅色斑點(diǎn)消失，說明產(chǎn)物已被完全洗出)。將所有含有產(chǎn)品的溶液合并至250 mL圓底燒瓶中，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)蒸除溶劑。用20 mL二氯甲烷將產(chǎn)品轉(zhuǎn)移至25 mL已稱量的圓底燒瓶中，再次旋干。最后用水泵抽去殘余溶劑，稱量產(chǎn)物與燒瓶的總質(zhì)量，減去燒瓶質(zhì)量，計(jì)算產(chǎn)率。

4 結(jié)果與討論

4.1 反應(yīng)過程

4.1.1 反應(yīng)現(xiàn)象

反應(yīng)液由無色變?yōu)槟G色(在光照過程中，若將反應(yīng)管取出可觀察到)，最后變?yōu)樽攸S色。最終的得到的產(chǎn)物為黃色油狀液體。

4.1.2 反應(yīng)液的薄層色譜

通過圖4可以計(jì)算得出，產(chǎn)物的Rf值為0.36，主要雜質(zhì)三苯基氧膦的Rf值為0.75。

圖4 反應(yīng)液的TLC分析

4.2 產(chǎn)率統(tǒng)計(jì)

我們在實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行多次反應(yīng)，結(jié)果具有良好的重現(xiàn)性，均可得到70%左右的產(chǎn)率，產(chǎn)率的具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 反應(yīng)產(chǎn)率統(tǒng)計(jì)

4.3 產(chǎn)物的表征

4.3.1 產(chǎn)物氣相色譜與質(zhì)譜

對產(chǎn)物進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)分析，其氣相色譜流出曲線如圖5所示，在該測試條件下，4′-甲氧基苯丙酮的保留時間為7.983 min，可以看出產(chǎn)物的純度很高，基本不含雜質(zhì)。

圖5 產(chǎn)物的氣相色譜流出曲線

產(chǎn)物的質(zhì)譜如圖6示，可以看出其相對分子質(zhì)量為164.1，與理論值相符。

圖6 產(chǎn)物的質(zhì)譜

4.3.2 產(chǎn)物的核磁共振分析

產(chǎn)物的核磁共振氫譜如圖7所示，碳譜如圖8所示，均與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)一致[7]，證明所得產(chǎn)物確實(shí)是4′-甲氧基苯丙酮。

圖7 產(chǎn)物的1H NMR譜圖

圖8 產(chǎn)物的13C NMR譜圖

4.4 光照時間對產(chǎn)率的影響

我們測定了不同光照時間下4′-甲氧基苯丙酮的氣相產(chǎn)率，結(jié)果如表4所示。對表中數(shù)據(jù)作產(chǎn)率-光照時間圖，得到圖9。

表4 光照時間對產(chǎn)率的影響

圖9 產(chǎn)率與光照時間的關(guān)系

從圖9中可以看出，在前半小時內(nèi)，產(chǎn)率上升速度較快，之后上升速度放緩，2 h后產(chǎn)率增加有限。考慮到基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的時間限制，采用光照2 h作為反應(yīng)條件較為合理。

4.5 反應(yīng)原料的篩選

我們在該反應(yīng)條件下嘗試了多種芳香羧酸作為反應(yīng)物，得到的產(chǎn)率如表5所示。最終，我們選擇了產(chǎn)率最高的對甲氧基苯甲酸作為反應(yīng)物。

表5 分離條件探究

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排

本實(shí)驗(yàn)共分為四個階段，總共需要6學(xué)時。第一階段為教師講解實(shí)驗(yàn)原理，搭建反應(yīng)裝置及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，需1.5學(xué)時；第二階段為學(xué)生搭建反應(yīng)裝置并進(jìn)行光反應(yīng)，需1學(xué)時；第三階段為在等待光反應(yīng)過程中，教師講解后處理步驟，包括快速柱層析操作方法、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀使用方法等，需1學(xué)時；第四階段為學(xué)生進(jìn)行后處理步驟，包括柱層析、溶劑蒸發(fā)和產(chǎn)物收集等，需2.5學(xué)時。通過以上四個階段的實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生將進(jìn)一步掌握基礎(chǔ)化學(xué)知識及實(shí)驗(yàn)操作技能，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性和綜合分析問題的能力。

6 思考題

要求每位同學(xué)在完成上述實(shí)驗(yàn)后提交實(shí)驗(yàn)報告，并在報告的討論部分回答以下問題：

(1) 能否在投料的同時加入二異丙基胺和乙腈？

(2) 結(jié)合反應(yīng)機(jī)理，討論苯環(huán)上的取代基對反應(yīng)難易程度(或產(chǎn)率)的影響。

(3) 光-鎳協(xié)同催化相比于傳統(tǒng)偶聯(lián)反應(yīng)具有哪些優(yōu)勢？試結(jié)合本實(shí)驗(yàn)加以說明。

7 創(chuàng)新性與特點(diǎn)

1) 利用常見能量來源(光)將低成本的芳香羧酸和乙烯合成高附加值的芳基酮類化合物，實(shí)現(xiàn)了廉價廢料的轉(zhuǎn)化和高附加值產(chǎn)品的合成。

2) 反應(yīng)條件溫和，催化劑對空氣不敏感，光照時間短，操作簡單，無需使用手套箱。這使得實(shí)驗(yàn)操作更加安全可靠，并且可以在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行。

3) 該反應(yīng)首次利用光催化技術(shù)在空氣氛圍下催化芳香羧酸與乙烯反應(yīng)，這是前沿研究領(lǐng)域的一項(xiàng)創(chuàng)新。將這一創(chuàng)新應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，可以為學(xué)生帶來新的科學(xué)理念和思路，激發(fā)學(xué)生突破傳統(tǒng)的研究熱情，并提高學(xué)生對光化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識和掌握程度。

8 結(jié)語

該光鎳協(xié)同催化的實(shí)驗(yàn)不僅具有重要的應(yīng)用價值，在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)方面還有很多優(yōu)點(diǎn)。一方面，該實(shí)驗(yàn)反應(yīng)條件溫和，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，反應(yīng)產(chǎn)率高，操作簡單易于學(xué)生掌握，同時又能夠展示出光化學(xué)反應(yīng)的基本原理和實(shí)際應(yīng)用。另一方面，該實(shí)驗(yàn)使用的是常見的工業(yè)廢料和廉價工業(yè)原料，非常符合可持續(xù)發(fā)展理念。這不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識，還可以幫助學(xué)生了解如何將廢物轉(zhuǎn)化為有價值的化學(xué)物質(zhì)。

綜上，該實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性良好，單次實(shí)驗(yàn)可控制在6 h以內(nèi)，適合在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中進(jìn)行教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈浹a(bǔ)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中光化學(xué)反應(yīng)相關(guān)內(nèi)容的空缺。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更加深入地了解光催化反應(yīng)的機(jī)理和應(yīng)用，提高他們的實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)素養(yǎng)。