黃鵬，葛春華，馮大明，林覓

遼寧大學(xué)化學(xué)院，沈陽 110036

有機(jī)化學(xué)是高等院校化學(xué)化工、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、藥學(xué)等相關(guān)專業(yè)重要的基礎(chǔ)必修課，也是研究最為活躍的化學(xué)學(xué)科。在過去的幾十年里，有機(jī)化學(xué)新理論、有機(jī)合成新方法不斷涌現(xiàn)，新的有機(jī)反應(yīng)也層出不窮。很多經(jīng)典的有機(jī)反應(yīng)也得到了極大的改進(jìn)，卻未及時(shí)體現(xiàn)在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教材中。這對基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的教學(xué)也提出了更高的要求，即在教學(xué)中既要注重基礎(chǔ)知識的傳授，也要適當(dāng)關(guān)注學(xué)科發(fā)展的前沿成果。另一方面，有機(jī)化學(xué)課程是開展思政教育的重要陣地[1]，然而基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教材的主要內(nèi)容卻是建立在近代西方有機(jī)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展與重大成就基礎(chǔ)上的[2]，在眾多的西方歷史名人及其成果面前，僅靠我國的歷史典籍和幾位科學(xué)家的歷史事跡激發(fā)學(xué)生愛國熱情顯然是不夠的，還需要適當(dāng)展示近年來國內(nèi)學(xué)者取得的一些創(chuàng)新成果[3]。

本文介紹了幾類經(jīng)典有機(jī)反應(yīng)的改進(jìn)創(chuàng)新。這些反應(yīng)與基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)緊密相關(guān)，新穎、易懂且具有啟發(fā)性，可作為教材內(nèi)容的延伸與拓展用于基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)相關(guān)章節(jié)的教學(xué)中，不僅可開拓學(xué)生的視野，也有助于培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。更重要的是，其中一些具有重要意義的改進(jìn)是由國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)完成的，體現(xiàn)了我國學(xué)者在有機(jī)化學(xué)學(xué)科發(fā)展中所做出的重要貢獻(xiàn)，對于培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義情懷、民族自豪感和文化自信也具有積極作用。

1 Br?nsted酸催化的炔烴水合反應(yīng)

炔烴的水合反應(yīng)是合成乙醛以及酮類化合物的常用反應(yīng)之一。在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教材中，這一反應(yīng)通常是在硫酸水溶液中用硫酸汞催化進(jìn)行，被稱為Kucherov反應(yīng)。該反應(yīng)的機(jī)理涉及汞對炔碳叁鍵的配位活化，對于初學(xué)有機(jī)化學(xué)的學(xué)生而言是一大難點(diǎn)[4]。此外，由于反應(yīng)條件不符合綠色、環(huán)保的要求，Kucherov反應(yīng)在基礎(chǔ)研究和工業(yè)生產(chǎn)中已不具備實(shí)用價(jià)值，導(dǎo)致學(xué)生也缺乏學(xué)習(xí)的動(dòng)力。因此，有必要在教學(xué)過程中對炔烴水合反應(yīng)條件的改進(jìn)研究進(jìn)行簡介，從而激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

事實(shí)上，與烯烴的水合反應(yīng)類似，炔烴的水合反應(yīng)也可僅在濃硫酸的作用下進(jìn)行[5]，其反應(yīng)機(jī)理為典型的親電加成：碳碳叁鍵上的碳原子首先與質(zhì)子加成形成烯基碳正離子中間體，然后與水結(jié)合生成氧鎓鹽，進(jìn)而脫質(zhì)子并經(jīng)烯醇-酮式互變異構(gòu)得到產(chǎn)物酮。然而，該反應(yīng)的效果差且需要大大過量的硫酸(用量至少是炔烴的1500倍)。2000年，Eiji Shirakawa等人[6]采用三氟甲磺酸(TfOH) (注意：三氟甲磺酸是一種液體有機(jī)超強(qiáng)酸，其酸性超過100%的硫酸，具有強(qiáng)腐蝕性和吸水性，在空氣中發(fā)煙，取用時(shí)要做好安全防護(hù))或雙(三氟甲磺酰)亞胺(Tf2NH)代替濃硫酸，首次實(shí)現(xiàn)了Br?nsted酸催化的炔烴水合反應(yīng)。該反應(yīng)需要在1,4-二氧六環(huán)中回流進(jìn)行，TfOH或Tf2NH的用量為炔烴的0.1-0.2倍。2016年，Chao-Jun Li等人[7]采用三氟乙醇作溶劑，進(jìn)一步將TfOH催化的炔烴水合反應(yīng)溫度降至室溫，如圖1所示。三氟乙醇[8]是一類具有強(qiáng)氫鍵給予能力、強(qiáng)致電離能力、弱酸性和弱親核性的獨(dú)特有機(jī)溶劑。它能通過穩(wěn)定烯基碳正離子中間體而降低質(zhì)子與碳碳叁鍵上的碳原子加成的活化能，同時(shí)，其氧原子的Lewis堿性和親核性都很弱，幾乎不與質(zhì)子及烯基碳正離子反應(yīng)。因此，在三氟乙醇溶劑中，多種脂肪炔烴、芳香炔烴、端炔烴和內(nèi)炔烴等都能在TfOH的催化下發(fā)生水合反應(yīng)，不僅反應(yīng)條件溫和，而且反應(yīng)的選擇性和產(chǎn)率都很好。

圖1 三氟甲烷磺酸(TfOH)催化的炔烴水合反應(yīng)及代表性產(chǎn)物

顯然，與Kucherov反應(yīng)相比，上述Br?nsted酸催化的炔烴水合反應(yīng)過程更加綠色環(huán)保，反應(yīng)機(jī)理也更簡單易懂。在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中簡單介紹炔烴水合反應(yīng)的上述發(fā)展過程，既可以達(dá)到在化學(xué)教育中融入綠色化學(xué)理念的目的，也有助于學(xué)生更好地理解與掌握炔烴的親電加成反應(yīng)。

2 無氨Birch還原反應(yīng)

Birch還原是利用溶劑化電子將芳香化合物還原為1,4-環(huán)己二烯類化合物的反應(yīng)，被譽(yù)為芳香族化合物與脂環(huán)族化合物之間的橋梁，在工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中具有廣泛的用途。經(jīng)典的Birch還原反應(yīng)采用金屬鈉與液氨作用產(chǎn)生溶劑化電子，操作繁瑣且危險(xiǎn)[9]。因此，自1944年該反應(yīng)被報(bào)道以來，全球眾多科研團(tuán)隊(duì)對其進(jìn)行了改進(jìn)研究。然而，大多數(shù)的改進(jìn)方法仍然需要使用液氨或有機(jī)胺化合物。

2018年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的安杰等人[10]報(bào)道了首個(gè)具有廣泛適用性的無氨Birch還原反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)鈉分散體可在室溫下與冠醚15-冠-5快速反應(yīng)形成穩(wěn)定的電子鹽，該電子鹽在冰水浴的條件下即可高效還原多種(雜環(huán))芳香化合物，如圖2所示。

圖2 無氨Birch還原反應(yīng)及代表性產(chǎn)物

鈉分散體[11]是細(xì)微分散的鈉微粒在惰性溶劑(如甲苯、二甲苯、汽油等)中的穩(wěn)定懸浮體。相比于鈉片或鈉塊，鈉分散體在空氣中不易自燃，可用注射器或移液管量取，并且由于比表面積大而具有更高的反應(yīng)活性。使用鈉分散體和冠醚代替經(jīng)典的Birch還原條件，不僅操作安全便捷，還具有適用范圍廣、化學(xué)/區(qū)域選擇性好、冠醚可回收使用等反應(yīng)優(yōu)勢。

值得一提的是，上述工作是由安杰教授指導(dǎo)的本科學(xué)生主要完成的[12]。他們不僅為Birch還原反應(yīng)開發(fā)了一種新方法，還發(fā)現(xiàn)了冠醚的新用途。眾所周知，冠醚對堿金屬陽離子具有很強(qiáng)的配位能力，因此常被用作有機(jī)合成反應(yīng)中的相轉(zhuǎn)移催化劑，而安杰等人卻利用冠醚的強(qiáng)配位能力與鈉單質(zhì)反應(yīng)制備還原性的電子鹽。他們對冠醚性質(zhì)的創(chuàng)造性理解和使用無疑可帶給學(xué)生更多的思考與激勵(lì)。

3 碘仿反應(yīng)合成酰胺

1870年，Adolf Lieben[13]在研究堿性條件下單質(zhì)碘與多種羰基化合物的反應(yīng)過程中，發(fā)現(xiàn)甲基酮類化合物在碘的堿性水溶液中會(huì)轉(zhuǎn)化為少一個(gè)甲基的羧酸鹽，同時(shí)生成黃色的碘仿沉淀。此后，該反應(yīng)被稱為碘仿反應(yīng)，成為鑒別甲基酮類化合物或能被碘氧化成甲基酮的化合物的一種常用方法，也是從甲基酮制備少一個(gè)碳的羧酸化合物的一種重要方法[4]。

2009年，華中師范大學(xué)吳安心等人[14]報(bào)道了碘仿反應(yīng)的新用途。他們發(fā)現(xiàn)碘仿反應(yīng)也可在氨水體系中進(jìn)行，但所得產(chǎn)物為酰胺，而非通常的羧酸，如圖3所示。該反應(yīng)具有廣泛的適用性，可將多種取代的(雜環(huán))芳基、烯基、炔基甲基酮或α-甲基醇類化合物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的酰胺。作者提出，氨水本身具有的堿性促使甲基酮發(fā)生α-碘代反應(yīng)，重復(fù)三次，得到三碘甲基酮中間體A。由于氨水溶液中氨分子的親核性比水強(qiáng)，三碘甲基酮難以通過水解反應(yīng)轉(zhuǎn)化為羧酸鹽，而在氨分子的進(jìn)攻下發(fā)生加成-消除反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為酰胺和碘仿。

圖3 碘仿反應(yīng)合成酰胺、代表性產(chǎn)物及反應(yīng)機(jī)理

吳安心等人的上述研究不僅為酰胺類化合物的合成提供了一種簡便且有效的方法，更重要的是，它打破了人們對碘仿反應(yīng)的思維定勢，使人們意識到，通過加入其他的親核試劑，碘仿反應(yīng)還可以用于羧酸衍生物的合成，由此也啟發(fā)和促進(jìn)了人們對碘仿反應(yīng)的應(yīng)用研究。這樣的突破與創(chuàng)新對于基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)而言也是有教育意義的。

4 基于自活化循環(huán)的Beckmann重排反應(yīng)

Beckmann重排反應(yīng)是酮肟類化合物的特征反應(yīng)，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。目前主流的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教材在介紹Beckmann重排反應(yīng)時(shí)，都指出酮肟需要在過量的強(qiáng)酸(如硫酸、多聚磷酸)以及酰氯(如五氯化磷、三氯化磷、苯磺酰氯、亞硫酰氯)作用下才能有效地重排為酰胺[4]，經(jīng)典的反應(yīng)機(jī)理如圖4所示。

圖4 經(jīng)典的Beckmann重排反應(yīng)機(jī)理

事實(shí)上，自1886年Beckmann重排反應(yīng)被首次報(bào)道以來，人們一直在尋找溫和的反應(yīng)體系、簡便的操作方法以便提高酰胺產(chǎn)物的收率，同時(shí)降低污染。近年來，該領(lǐng)域的研究取得了突破性的進(jìn)展，科研人員不僅在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了多種Lewis酸、酸酐、膦酰氯、磺酰氯等可高效催化Beckmann重排反應(yīng)，而且在理論上對Beckmann重排反應(yīng)過程也有了新的認(rèn)識[15]。

2013年，華東理工大學(xué)的鄧衛(wèi)平等人[16]對催化量的對甲基苯磺酰氯(TsCl)促進(jìn)的Beckmann重排反應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，提出了基于自活化循環(huán)(self-propagating cycle)的Beckmann重排反應(yīng)機(jī)理，如圖5所示：少量的酮肟首先與催化量的對甲基苯磺酰氯發(fā)生酯化反應(yīng)，隨后酯化產(chǎn)物F脫掉對甲基苯磺酸并重排成為腈陽離子D’；D’受到另一分子酮肟羥基氧原子的進(jìn)攻，轉(zhuǎn)化為氧鎓鹽中間體G；G迅速分解釋放出一分子酰胺的同時(shí)重排成另一個(gè)腈陽離子中間體D’并參與到下一次循環(huán)中。

圖5 基于自我活化循環(huán)的Beckmann重排反應(yīng)機(jī)理

隨后，鄧衛(wèi)平等人[17]通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，與對甲基苯磺酰氯催化的反應(yīng)類似，在三聚氯氰(CNC)、六氯三聚磷腈(TAPC)、雙(2-氧代-3-噁唑烷基)次磷酰氯(BOP-Cl)、3,3-二氯-1,2-二苯基環(huán)丙烯(CPI-Cl)等有機(jī)物催化的Beckmann重排反應(yīng)中，自活化循環(huán)的機(jī)理比文獻(xiàn)報(bào)道的Meisenheimer絡(luò)合物中間體機(jī)理在能量變化上更為有利。鑒于此，他們認(rèn)為上述有機(jī)氯化物實(shí)質(zhì)上是Beckmann重排反應(yīng)的引發(fā)劑，而非催化劑，并且自活化循環(huán)反應(yīng)機(jī)理可能適用于所有有機(jī)試劑引發(fā)的Beckmann重排反應(yīng)。

鄧衛(wèi)平等人的上述研究厘清了人們對Beckmann重排反應(yīng)中“催化劑”的作用及反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識，也為Beckmann重排反應(yīng)“催化劑”的設(shè)計(jì)與篩選提供了重要的理論指導(dǎo)。對于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的學(xué)生而言，在掌握經(jīng)典的Beckmann重排反應(yīng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討基于自活化循環(huán)的Beckmann重排反應(yīng)，不僅能培養(yǎng)他們對有機(jī)反應(yīng)的思考與分析能力，也有助于他們了解有機(jī)小分子催化這一綠色化學(xué)的重要發(fā)展方向。

5 芳基重氮鹽的雙分子脫氮偶聯(lián)反應(yīng)

1884年，德國化學(xué)家Traugott Sandmeyer[18]希望通過苯胺的重氮鹽(PhN≡NCl)與乙炔銅的反應(yīng)合成苯乙炔，然而，實(shí)驗(yàn)表明，該反應(yīng)的主要產(chǎn)物是氯苯，沒有預(yù)期的苯乙炔生成。仔細(xì)研究反應(yīng)條件后，Sandmeyer發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)體系中產(chǎn)生的CuCl催化了重氮基團(tuán)被氯取代的反應(yīng)。在Sandmeyer反應(yīng)發(fā)現(xiàn)后不久，研究人員便注意到不同的加料順序會(huì)得到不同的反應(yīng)結(jié)果：當(dāng)在10 °C以下向稀釋的CuCl水溶液中加入PhN≡NCl時(shí)，反應(yīng)的主要產(chǎn)物是氯苯；而改變加料順序，則會(huì)導(dǎo)致該反應(yīng)在生成氯苯的同時(shí)伴隨著大量的聯(lián)苯和苯酚副產(chǎn)物。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，在芳基重氮鹽的某些其他反應(yīng)中也會(huì)有聯(lián)芳烴副產(chǎn)物生成。這一現(xiàn)象激起了科研人員的興趣。一方面，科研人員從反應(yīng)機(jī)理的角度分析聯(lián)芳烴的形成原因，并逐漸認(rèn)識到，聯(lián)芳烴是通過芳基自由基的偶聯(lián)形成的；另一方面，研究人員也希望能夠從芳基重氮鹽專一地合成聯(lián)芳烴，盡管發(fā)現(xiàn)了一些方法，但大都因?yàn)榉磻?yīng)適用范圍窄、產(chǎn)物產(chǎn)率低、副反應(yīng)多等缺點(diǎn)而未受重視[19]。

2012年，浙江工業(yè)大學(xué)的宋慶寶和紹興文理學(xué)院的齊陳澤等人[20]發(fā)現(xiàn)，采用當(dāng)量的氯化亞鐵作為促進(jìn)劑，可實(shí)現(xiàn)芳基重氮四氟硼酸鹽的雙分子脫氮偶聯(lián)，如圖6所示。該反應(yīng)操作簡便、反應(yīng)條件溫和、副反應(yīng)少。各種吸電子/給電子基團(tuán)取代的芳基重氮四氟硼酸鹽以及雜環(huán)芳基重氮四氟硼酸鹽都能以中等到優(yōu)良的產(chǎn)率平穩(wěn)地轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的聯(lián)芳烴類產(chǎn)物。

圖6 FeCl2促進(jìn)的芳基重氮鹽雙分子脫氮偶聯(lián)反應(yīng)及代表性產(chǎn)物

上述反應(yīng)是通過單電子轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行的[20]，如圖7所示。苯基重氮四氟硼酸鹽被亞鐵離子還原，發(fā)生碳氮鍵斷裂，釋放氮?dú)獾耐瑫r(shí)形成苯基自由基。兩個(gè)苯基自由基結(jié)合形成聯(lián)苯產(chǎn)物。

圖7 芳基重氮鹽雙分子脫氮偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理

宋慶寶和齊陳澤等人的上述研究成果，克服了傳統(tǒng)的芳基重氮鹽雙分子脫氮偶聯(lián)反應(yīng)的缺點(diǎn)，使這類反應(yīng)重新在對稱的聯(lián)芳烴類化合物的合成中煥發(fā)出了生機(jī)。盡管目前的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教材中還沒有這方面的內(nèi)容，但考慮到該反應(yīng)與Sandmeyer反應(yīng)之間的歷史聯(lián)系，以及聯(lián)芳烴在基礎(chǔ)研究、化學(xué)合成和化學(xué)工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，上述反應(yīng)可作為基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)中重氮鹽相關(guān)內(nèi)容的一個(gè)有益補(bǔ)充，供學(xué)生了解。

6 結(jié)語

隨著有機(jī)化學(xué)的蓬勃發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容的更新與拓展越來越受到教學(xué)雙方的重視。本文簡單介紹了近年來基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)中幾類經(jīng)典有機(jī)反應(yīng)的改進(jìn)創(chuàng)新情況，包括它們的研究背景、新反應(yīng)的特點(diǎn)及意義等。作為經(jīng)典有機(jī)反應(yīng)持續(xù)發(fā)展的新成果，將這些新反應(yīng)引入有機(jī)化學(xué)相關(guān)章節(jié)的教學(xué)中，能夠開拓學(xué)生的眼界與思維，激發(fā)他們對有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提升教學(xué)效果。同時(shí)，學(xué)生深切感受到我國科學(xué)家在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)學(xué)科發(fā)展中所做出的突出貢獻(xiàn)以后，還能激起他們的愛國熱情，增強(qiáng)民族自豪感，深化文化自信。筆者期待后續(xù)能有更多的與基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)緊密相關(guān)的、尤其是國內(nèi)學(xué)者取得的創(chuàng)新成果被發(fā)掘并引入到基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的教學(xué)和教材中。