李勝，楊爽，劉永浩，趙子卓，張琦，黃治炎

陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，西安 710119

2021年5月28日，習(xí)近平總書記在中國科學(xué)院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協(xié)第十次全國代表大會上強(qiáng)調(diào)：“必須深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。”創(chuàng)新人才培養(yǎng)已形成社會共識，是實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的主要抓手之一[1–3]。有機(jī)化學(xué)學(xué)科最大特點(diǎn)就是創(chuàng)造新物質(zhì)、實(shí)現(xiàn)新功能、滿足新需求，學(xué)生著迷于有機(jī)合成是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過程中能合成新物質(zhì)，能體會到“創(chuàng)造”的快樂。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是落實(shí)化學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)課程之一[4]。張樹永等[5]在解讀《化學(xué)類專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》[6,7]中建議：“在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上要體現(xiàn)新穎性。要將一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新方法、新原理、新物質(zhì)、新功能引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更多地貼近實(shí)際、貼近前沿，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與教師的科研、高校的地方和行業(yè)的特色對接，與學(xué)生未來就業(yè)與發(fā)展需要對接，提高實(shí)驗(yàn)的新穎性、實(shí)用性和趣味性?！?/p>

近年來，有機(jī)合成化學(xué)領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展，形成很多綠色合成技術(shù)用于制備重要的精細(xì)化學(xué)品。實(shí)驗(yàn)教材唯有與時(shí)俱進(jìn)，將最新的綠色合成方法應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，才能激發(fā)學(xué)生對有機(jī)化學(xué)、合成化學(xué)等的興趣。在新形勢下，設(shè)計(jì)環(huán)境友好型新創(chuàng)實(shí)驗(yàn)已然成為有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要抓手之一。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用以“科學(xué)問題為目標(biāo)導(dǎo)向”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)原則，將相關(guān)科學(xué)問題的解決過程融入有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于培養(yǎng)化學(xué)類專業(yè)本科生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的內(nèi)生動力和綜合能力，激發(fā)創(chuàng)新意識和潛能，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[8–10]。

本文選擇重要醫(yī)藥中間體鄰硝基苯甲醛的合成工藝為研究案例，以相應(yīng)關(guān)鍵科學(xué)問題的解決過程為主線，將最新發(fā)展的綠色催化氧化合成工藝開發(fā)為有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生理解綠色化學(xué)和催化氧化反應(yīng)的重要意義。具體教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程如圖1所示，通過引出科學(xué)問題、引導(dǎo)分析問題、解決問題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、反思與評價(jià)等環(huán)節(jié)將有機(jī)化學(xué)理論知識、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)操作和科學(xué)探究方法等串聯(lián)起來，夯實(shí)化學(xué)類人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)過程包含實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、結(jié)果解析、討論與展望等五個(gè)環(huán)節(jié)，植入從事有機(jī)化學(xué)方法學(xué)和合成工藝研究的基本思路，培養(yǎng)學(xué)生解決較為復(fù)雜有機(jī)合成問題的綜合能力。

圖1 以“科學(xué)問題為目標(biāo)導(dǎo)向”的探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 背景介紹

鄰硝基苯甲醛是一種非常重要的精細(xì)化學(xué)品，在醫(yī)藥、染料和農(nóng)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如常用于合成治療心血管疾病藥物硝苯地平、尼索地平、恩卡尼、鹽酸氨溴索等(圖2)，全球年需求量超過1000噸，工業(yè)上主要以鄰硝基芐醇為原料，通過控制氧化反應(yīng)(微課介紹氧化反應(yīng)的發(fā)展歷程)條件制備得到。

圖2 鄰硝基苯甲醛及相關(guān)藥物分子結(jié)構(gòu)

截至目前，以鄰硝基芐醇為原料，文獻(xiàn)或?qū)＠麍?bào)道制備鄰硝基苯甲醛的化學(xué)合成方法主要分為三類：1) 基于有機(jī)小分子2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(英文名稱：2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxyl，簡稱TEMPO)與金屬銅或鐵的協(xié)同催化體系[11]；2) 次氯酸鈉氧化體系[12]；3) 稀硝酸或氫溴酸/雙氧水氧化體系。前兩種方法采用空氣、氧氣或廉價(jià)易得的試劑為氧化劑，副產(chǎn)物為水，具有綠色化學(xué)特征。然而，TEMPO易殘留在產(chǎn)品中帶來基因毒性，沸石負(fù)載的金屬催化劑易流失和污染產(chǎn)品[11]。次氯酸鈉氧化選擇性差，副產(chǎn)物鄰硝基苯甲酸比例高[12]。硝酸對設(shè)備腐蝕性強(qiáng)，所得副產(chǎn)物對空氣和水均形成污染[13]，這都是產(chǎn)業(yè)界亟待解決的問題。

產(chǎn)物過度氧化為羧酸是次氯酸鈉氧化體系產(chǎn)率低的主要原因。如圖3所示，受鄰位硝基吸電子誘導(dǎo)和共軛效應(yīng)的影響，鄰硝基苯甲醛可通過形成水合物，繼而被進(jìn)一步氧化為副產(chǎn)物鄰硝基苯甲酸。

圖3 鄰硝基苯甲醛和鄰硝基苯甲酸的形成過程

基于上述文獻(xiàn)案例分析，我們不難發(fā)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)界需求和所面臨問題是重要的創(chuàng)新研究項(xiàng)目。對于鄰硝基苯甲醛的制備，其中的科學(xué)問題亦逐漸明晰：1) 如何解決TEMPO殘留的問題，是發(fā)展新的分離方法，亦或是設(shè)計(jì)更易與產(chǎn)物分離的TEMPO衍生物為催化劑？2) 如何更好固載金屬催化劑防止流失，或者從源頭上避免使用金屬催化劑？3) 如何避免鄰硝基苯甲酸的形成？

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1) 了解有機(jī)小分子催化反應(yīng)；

2) 掌握兩相反應(yīng)設(shè)計(jì)的原理；

3) 掌握催化氧化合成鄰硝基苯甲醛的反應(yīng)機(jī)理；

4) 掌握鄰硝基苯甲醛的制備、反應(yīng)進(jìn)度監(jiān)測以及分離與精制方法；

5) 掌握核磁共振波譜儀、高效液相色譜等產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征和純度分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)相似相溶原理，TEMPO-COOH含有水溶性基團(tuán)，應(yīng)具有較好的水溶性，尤其在堿性條件下，其鈉鹽TEMPO-COONa水溶性更好。基于此，利用兩相反應(yīng)體系可實(shí)現(xiàn)鄰硝基苯甲醛的選擇性氧化合成。如圖4所示，原料具有水溶性，TEMPO-COOH和次氯酸鈉均在水相，氧化反應(yīng)在水相中進(jìn)行；所得產(chǎn)物水溶性差，進(jìn)入有機(jī)相，有效避免了被氧化為酸，從而提高了鄰硝基苯甲醛的收率。

圖4 TEMPO-COOH催化氧化合成鄰硝基苯甲醛(左)及其性狀(右)

“照方抓藥”式完成實(shí)驗(yàn)往往讓學(xué)生失去了體會有機(jī)化學(xué)“創(chuàng)造”和“控制”的過程與樂趣。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生可自主設(shè)計(jì)和引入變量，比如催化劑結(jié)構(gòu)及用量，反應(yīng)溫度、溶劑、pH等。通過分組進(jìn)行，比較各變量所導(dǎo)致的差異，并從原理上加以解釋，共同體會有機(jī)合成方法學(xué)和工藝研究的巨大樂趣。

1.4 試劑和儀器設(shè)備

綜合上述合成方案，實(shí)驗(yàn)所需要的主要試劑和儀器如表1和表2所示，其余物品包含：磁子、鐵架臺、漏斗、玻璃棒、100 mL圓底燒瓶、100 mL錐形瓶、25 mL量筒、100 mL分液漏斗、25 mL恒壓滴液漏斗及1 mL注射器等。

表1 所需主要實(shí)驗(yàn)試劑

表2 所用主要實(shí)驗(yàn)儀器

1.5 合成實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)涉及目標(biāo)產(chǎn)物鄰硝基苯甲醛的合成、反應(yīng)進(jìn)度監(jiān)測、分離與精制以及產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征和純度分析四個(gè)部分。

1.5.1 鄰硝基苯甲醛的合成

1) 鄰硝基苯甲醛的制備。

依次向100 mL圓底燒瓶中加入鄰硝基芐醇(1.53 g，10 mmol)，二氯甲烷(10.0 mL)和攪拌子(注：選取磁力足夠大的攪拌子)，攪拌使固體全部溶解。再依次加入TEMPO-COOH水溶液(1.0 mL，0.01 mmol，0.01 mol·L-1水溶液)和飽和碳酸氫鈉溶液(13.0 mL，17 mmol)。將反應(yīng)瓶放入15 °C水浴中，劇烈攪拌下用恒壓滴液漏斗滴加NaClO水溶液(13.0 mL，20 mmol，10%水溶液)，約10 min滴加完畢。滴加完畢后，繼續(xù)在15 °C下反應(yīng)40 min。

2) 反應(yīng)進(jìn)程監(jiān)測。

停止攪拌，靜置分層后取少量下層溶液，稀釋后通過薄層色譜(TLC)監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)展。以原料和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品二氯甲烷溶液作為對照品，用石油醚和乙酸乙酯(V石油醚:V乙酸乙酯= 3 : 1)作為展開劑。展開后在254 nm的紫外燈下觀察原料消耗情況和產(chǎn)物是否形成。

3) 產(chǎn)物分離。

反應(yīng)完全后，將反應(yīng)液倒入分液漏斗，分出有機(jī)層后，水相再用二氯甲烷(10.0 mL × 1)萃取。合并有機(jī)相，經(jīng)無水硫酸鈉干燥，過濾入已稱重的圓底燒瓶中。濾液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上濃縮得粗品。待恒重后，稱重，收率為93%。

4) 產(chǎn)物精制。

粗品溶解在20.0 mL二氯甲烷中，加入10.0 mL飽和亞硫酸氫鈉，常溫下攪拌30 min，靜置后分層(此處可用TLC監(jiān)測)。分離得到水層，水層在冰浴中用5%氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH到10，淺黃色固體析出完全。抽濾、干燥至恒重。

1.5.2 TEMPO及其衍生物催化活性和萃取回收率比較

參照上述標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)步驟，可分組進(jìn)行研究型實(shí)驗(yàn)，考察其他變量，如催化劑結(jié)構(gòu)或用量，反應(yīng)溫度、溶劑等對該催化氧化反應(yīng)的影響。

此處以比較TEMPO及其衍生物催化活性為例(結(jié)果見2.2小節(jié))。為了進(jìn)一步證明TEMPO-COOH的水溶性優(yōu)勢，我們設(shè)計(jì)了萃取回收率實(shí)驗(yàn)。分別取TEMPO、4-oxo-TEMPO、TEMPOL以及TEMPOCOOH各200.0 mg，溶解于50 mL飽和碳酸氫鈉溶液中，并用二氯甲烷萃取(50 mL × 3)。合并有機(jī)相，無水硫酸鈉干燥，過濾濃縮后稱重，計(jì)算回收率。

1.5.3 結(jié)構(gòu)表征與純度分析

1) 結(jié)構(gòu)表征。

取5.0 mg左右粗品或精制產(chǎn)物溶解在氘代氯仿中，測定產(chǎn)品核磁共振氫譜(1H NMR)，解析數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品比對，確認(rèn)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。

2) 純度分析。

取約1.0 mg粗品或精制產(chǎn)物溶解在色譜級正己烷/異丙醇(V正己烷:V異丙醇= 10 : 1)的混合溶劑中，用高效液相色譜儀(HPLC)分析產(chǎn)物純度，并與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品保留時(shí)間比對。

2 結(jié)果與討論

2.1 薄層色譜分析和精制后產(chǎn)品性狀

如圖5所示，在標(biāo)準(zhǔn)催化反應(yīng)條件下，氧化反應(yīng)完全，在紫外燈下未見明顯副產(chǎn)物。計(jì)算得鄰硝基苯甲醇Rf= 0.26，鄰硝基苯甲醛Rf= 0.39。精制后所得產(chǎn)物為淡黃色粉末。

圖5 TLC結(jié)果分析(左)和精制后產(chǎn)品性狀(右)

2.2 TEMPO及其衍生物催化效果和萃取回收率比較

TEMPO和4-oxo-TEMPO結(jié)構(gòu)類似，無額外親水性基團(tuán)，水溶性差，催化活性均較差；TEMPOL與TEMPO-COOH結(jié)構(gòu)類似，含有親水性基團(tuán)，其催化氧化產(chǎn)率均在90%以上(圖6)。萃取實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TEMPO-COOH相比TEMPOL更易溶于水，前者同時(shí)滿足水相中氧化和易于分離的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求，從而可避免因催化劑殘留在產(chǎn)品中所帶來的基因毒性問題(圖7)。

圖6 TEMPO及其衍生物催化能力對比

圖7 TEMPO及其衍生物萃取回收率比較

2.3 鄰硝基苯甲醛結(jié)構(gòu)表征及純度分析

1) 鄰硝基苯甲醛的結(jié)構(gòu)表征。

對鄰硝基苯甲醛分別進(jìn)行核磁共振氫譜(1H NMR)表征，如圖8所示，數(shù)據(jù)如下。

圖8 鄰硝基苯甲醛的1H NMR圖譜

1H NMR (400 MHz, CDCl3)：δ10.43 (s, 1H)，8.12 (dd,J= 8.0, 1.6 Hz, 1H)，7.96 (d,J= 7.8, 1.8 Hz,1H)，7.82–7.74 (m, 2H)。

2) 鄰硝基苯甲醛的純度分析。

HPLC分析確認(rèn)粗品純度大于99%。分析條件：色譜柱為Luna 5μm Silica (2) 100 ? (1? = 0.1 nm)，柱溫40 °C，流速為1.0 mL·min-1，洗脫液為V正己烷:V異丙醇= 10 : 1，檢測波長為254 nm (圖9)。

圖9 鄰硝基苯甲醛粗品(左)和精制產(chǎn)品(右)HPLC對比圖

3 結(jié)語

本文緊扣鄰硝基苯甲醛的合成工藝發(fā)展過程，將綠色催化氧化合成該醛的方法開發(fā)為有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，豐富了綠色氧化反應(yīng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)拓展和結(jié)果分析，使學(xué)生深入理解催化氧化合成鄰硝基苯甲醛的意義，熟練掌握其制備方法和實(shí)驗(yàn)過程。更為重要的是，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入了以“科學(xué)問題為目標(biāo)導(dǎo)向”的探究型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健⒕G色化學(xué)理念和有機(jī)合成方法學(xué)研究的一般過程，在此教學(xué)基礎(chǔ)上，學(xué)生對科學(xué)問題的解決與工藝技術(shù)的形成過程有了總體的了解。該新創(chuàng)實(shí)驗(yàn)所用試劑環(huán)境友好，安全性高，時(shí)長約3-4學(xué)時(shí)，非常適合用于有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采用微課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，可促進(jìn)學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)與有機(jī)合成實(shí)踐之間的有效互動，提高化學(xué)類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

4 創(chuàng)新性聲明

1) 形成以“科學(xué)問題為目標(biāo)導(dǎo)向”的探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；

2) 采用微課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，并融入有機(jī)合成方法學(xué)研究的一般過程；

3) 采用物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)0.1% TEMPO-COOH為催化劑，提高了氧化合成鄰硝基苯甲醛的選擇性。