虞宗豪，洪宇軒，曹馨尹，孫宏枚，趙蓓，姚英明

蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部，江蘇 蘇州 215123

1 引言

氧化反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)中的基本反應(yīng)之一，在有機(jī)合成中具有特殊重要的意義[1]。選擇性氧化是有機(jī)化學(xué)理論教學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容，其中，伯醇的選擇性氧化是一個(gè)典型例子。因?yàn)槿┦且环N用途廣泛的重要有機(jī)化學(xué)品，但通過(guò)伯醇的氧化法制備時(shí)容易被直接氧化為羧酸。所以，由伯醇制備醛往往需要特殊試劑或反應(yīng)條件來(lái)控制氧化進(jìn)程[2]。

苯甲醛是最簡(jiǎn)單的、也是工業(yè)上最常使用的芳香醛。目前，面向本科生的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中，苯甲醇選擇性氧化的實(shí)驗(yàn)方案是以Na2WO4·2H2O、(C4H9)4NHSO4和30%的H2O2為催化-氧化體系，在90 °C下反應(yīng)，再經(jīng)減壓蒸餾得到目標(biāo)產(chǎn)物苯甲醛，分離產(chǎn)率低(圖1，方程式a)[3]。由于Na2WO4·2H2O含有重金屬、排放的廢液具有環(huán)境污染性，同時(shí)90 °C下使用H2O2存在安全隱患，尤其是蒸餾時(shí)若有殘留的H2O2可能引發(fā)爆炸。因此，很有必要對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改良。

圖1 苯甲醇選擇性氧化為苯甲醛

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)伯醇的選擇性氧化作為有機(jī)合成中一個(gè)非常重要的官能團(tuán)轉(zhuǎn)換，受到了廣泛的關(guān)注。其中一個(gè)新進(jìn)展就是基于鐵系催化體系的O2氧化法[4–7]。鐵是地殼中含量最豐富的金屬元素之一，價(jià)格低廉，同時(shí)具有很好的生物相容性，是目前開(kāi)發(fā)綠色金屬催化劑的首選之一[8]，而O2相對(duì)其他常用氧化劑而言，也具有價(jià)廉、環(huán)境友好(如氧化副產(chǎn)物為水)等優(yōu)勢(shì)[4]。因此，基于鐵系催化體系的O2氧化法為伯醇的選擇性氧化提供了一個(gè)極具吸引力的新策略。2011年，何良年和張鎖江等人[9]設(shè)計(jì)了一個(gè)含F(xiàn)e3+離子的離子液體，發(fā)現(xiàn)它與NaNO2、O2組成的催化-氧化體系可以將苯甲醇選擇性地氧化為苯甲醛，反應(yīng)以H2O為溶劑，但是使用毒性較強(qiáng)的NaNO2限制了該方法的實(shí)用(圖1，方程式b)。2019年，麻生明等人[10]報(bào)道了以Fe(NO3)3·9H2O、4-羥基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(4-OH-TEMPO)、NaCl和O2為催化-氧化體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硝基苯甲醇的選擇性氧化(圖1，方程式c)。其中，鐵(III)鹽和4-OH-TEMPO可以購(gòu)買(mǎi)，價(jià)格也較便宜，但是該方案的優(yōu)選溶劑是毒性較強(qiáng)的1，2-二氯乙烷(DCE)或者高沸點(diǎn)的甲苯，遇H2O則不能順利進(jìn)行。于是，我們希望能夠綜合上述兩個(gè)研究成果的優(yōu)點(diǎn)，以Fe(NO3)3·9H2O和4-OH-TEMPO為催化劑、O2為氧化劑、H2O為溶劑進(jìn)行反應(yīng)，將苯甲醇高選擇性地氧化為苯甲醛，獲得適合本科生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方案(圖1，方程式d)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

參考文獻(xiàn)[4,5]，本實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)機(jī)理涉及兩個(gè)催化循環(huán)過(guò)程。如圖2所示，在循環(huán)1中：首先，鐵(III)鹽中的Fe3+離子與4-OH-TEMPO結(jié)合生成中間體1，然后，中間體1與苯甲醇反應(yīng)，釋放H+形成中間體2，最后，中間體2經(jīng)過(guò)攫氫反應(yīng)生成苯甲醛，同時(shí)生成Fe2+離子和4-OH-TEMPOH；循環(huán)2則涉及Fe2+離子和Fe3+離子之間的轉(zhuǎn)變，其中O2和NO2起了關(guān)鍵的作用，這個(gè)循環(huán)確保了循環(huán)1的順利進(jìn)行。在催化劑預(yù)反應(yīng)階段，逐漸產(chǎn)生的催化量NO2來(lái)源于鐵(III)鹽Fe(NO3)3·9H2O。

圖2 本實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)機(jī)理

2.2 試劑及材料

實(shí)驗(yàn)試劑及材料如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)試劑及材料

2.3 儀器和表征方法

2.3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

2.3.2 表征方法

(1) 氣相色譜(GC)：以乙酸乙酯為溶劑，n-C12H26為內(nèi)標(biāo)。色譜柱型號(hào)：P/N: 19091J-413(HP-5 30 m × 320 μm × 0.25 μm)。升溫程序：初溫80 °C保持1 min，程序升溫速率20 °C·min-1，終溫300 °C保持2 min。運(yùn)行后在280 °C保持2 min。

(2) 快速制備液相色譜：洗脫劑為V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 9 : 1，安裝分離柱并潤(rùn)洗；安裝上樣柱，啟動(dòng)快速制備程序，用試管自動(dòng)接收洗脫液。

(3) 核磁共振氫譜(1H NMR)：將樣品溶于含有0.03% (體積分?jǐn)?shù)) TMS的氘代氯仿(CDCl3)中，轉(zhuǎn)移到核磁管中充分搖勻，室溫下測(cè)定。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1 預(yù)反應(yīng)

如圖3所示搭建反應(yīng)裝置，向50 mL三頸圓底燒瓶中依次加入Fe(NO3)3·9H2O (0.56 g，1.4 mmol)、5滴乙酸(HOAc，約0.25 mL)和4-OH-TEMPO (0.48 g，2.8 mmol)，塞上堵頭，打開(kāi)彈簧夾，通入O2，室溫下攪拌預(yù)反應(yīng)15 min，反應(yīng)瓶?jī)?nèi)逐漸有紅棕色氣體出現(xiàn)。

圖3 反應(yīng)裝置示意圖

2.4.2 苯甲醇的氧化

用注射器分別量取20.0 mL H2O和2.1 mL (20 mmol)苯甲醇，依次從乳膠管處(圖4紅色圈注處)注入。將水浴溫度控制在50–55 °C之間，反應(yīng)每1 h用注射器取出極少量反應(yīng)混合物，通過(guò)薄層色譜法(TLC)監(jiān)控反應(yīng)進(jìn)程。TLC的展開(kāi)劑為石油醚和乙酸乙酯的混合液，體積比為5 : 1。約2 h后反應(yīng)趨于完全，停止加熱和攪拌，接上尾氣吸收裝置，通過(guò)擠壓氣袋的方式排出尾氣，用NaOH溶液吸收。

圖4 紅圈內(nèi)為注射器加液體處

2.4.3 苯甲醛的分離、提純與表征

待反應(yīng)混合液冷卻至室溫后，用硅藻土過(guò)濾，再用20 mL乙酸乙酯淋洗硅藻土。分液，用5 mL乙酸乙酯萃取水層一次。合并有機(jī)相，加入適量無(wú)水CaCl2干燥。過(guò)濾，將濾液轉(zhuǎn)移至圓底燒瓶中。用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑，得到橙黃色粗產(chǎn)物。取極少量粗產(chǎn)物，用乙酸乙酯稀釋后進(jìn)行GC分析，其結(jié)果見(jiàn)圖5。發(fā)現(xiàn)其中主要是目標(biāo)產(chǎn)物苯甲醛。

圖5 反應(yīng)混合物的GC譜圖

利用快速制備液相色譜儀對(duì)粗產(chǎn)物進(jìn)行分離提純，根據(jù)檢測(cè)曲線(xiàn)圖(圖6)，并結(jié)合TLC的檢測(cè)結(jié)果，確定目標(biāo)產(chǎn)物苯甲醛所在的接收管。合并目標(biāo)洗脫液，濃縮得到無(wú)色產(chǎn)品。通過(guò)減重法計(jì)算產(chǎn)物的產(chǎn)量和產(chǎn)率。本實(shí)驗(yàn)可以得到1.91 g苯甲醛，分離產(chǎn)率為91%。粗產(chǎn)物也可以通過(guò)柱色譜提純，并用TLC跟蹤、檢出。

圖6 粗產(chǎn)品的快速制備液相色譜儀的分離譜圖

所得產(chǎn)物用1H NMR進(jìn)行表征(圖7)，確定為苯甲醛。實(shí)驗(yàn)到此結(jié)束，歷時(shí)約4–5 h。

圖7 產(chǎn)物苯甲醛的1H NMR譜圖(300 MHz，CDCl3)

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)條件篩選

我們以水為溶劑，對(duì)苯甲醇選擇性氧化為苯甲醛進(jìn)行了條件篩選，結(jié)果見(jiàn)表3。首先，我們參照文獻(xiàn)報(bào)道的反應(yīng)條件，即25 °C，由Fe(NO3)3·9H2O、4-OH-TEMPO、NaCl和O2組成催化-氧化體系[10]，僅將溶劑由原來(lái)的DCE改成H2O，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)24 h反應(yīng)，苯甲醛的GC產(chǎn)率只有15% (表3，序號(hào)1)。考慮到HOAc既可能代替上述方案中NaCl的作用，又能提供H+促進(jìn)Fe2+離子和Fe3+離子之間的轉(zhuǎn)變[10]，我們以HOAc代替NaCl進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，果然發(fā)現(xiàn)苯甲醛的GC產(chǎn)率有所提升(表3，序號(hào)2)。又考慮到NO2在此氧化反應(yīng)中的作用，我們?cè)黾恿祟A(yù)反應(yīng)環(huán)節(jié)，希望通過(guò)提升NO2的初始濃度來(lái)促進(jìn)苯甲醛的生成。結(jié)果確如我們所料，在室溫下經(jīng)過(guò)15 min預(yù)反應(yīng)(最佳時(shí)間)后，苯甲醇可以近乎100%轉(zhuǎn)化，苯甲醛的GC產(chǎn)率高達(dá)91% (表3，序號(hào)3)。相比較，添加NH4Cl和NH4OAc的效果較差(表3，序號(hào)4和5)。隨后，我們將H2O的用量從6 mL減少至3 mL，同時(shí)將水浴溫度提高到30 °C，通過(guò)GC檢測(cè)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)可以在7 h內(nèi)順利完成(表3，序號(hào)6)。考慮到本科生實(shí)驗(yàn)的課時(shí)要求，我們進(jìn)一步提高反應(yīng)溫度至50 °C，同時(shí)又稍微增加了催化劑的用量，使得反應(yīng)可以在2 h內(nèi)完成，目標(biāo)產(chǎn)物的分離產(chǎn)率可達(dá)89% (表3，序號(hào)7和8)。考慮到本科生實(shí)驗(yàn)的可操作性，也為了確保每一位本科生實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性，我們將苯甲醇的用量由3 mmol增加至20 mmol，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)在2 h內(nèi)也可以順利完成(表3，序號(hào)9)，水浴溫度在50–55 °C之間變化時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率基本不變。

表3 實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化過(guò)程a

通過(guò)上述反應(yīng)條件的篩選，本實(shí)驗(yàn)的最佳方案是：2.1 mL苯甲醇(20 mmol)，0.56 g Fe(NO3)3·9H2O(x= 7%)，n(Fe(NO3)3·9H2O) :n(4-OH-TEMPO) :n(HOAc) = 1 : 1 : 2，氧氣袋，20 mL H2O，室溫預(yù)反應(yīng)15 min，然后50–55 °C水浴反應(yīng)2 h，可得到苯甲醛1.91 g，分離產(chǎn)率為91%。

3.2 產(chǎn)物分離與表征

3.2.1 粗產(chǎn)物表征

反應(yīng)混合物經(jīng)硅藻土過(guò)濾、分液、干燥、濃縮后得橙黃色液態(tài)粗產(chǎn)物，將該樣品做了GC檢測(cè)(圖5)。為了方便比較，我們還分別對(duì)苯甲醇、苯甲醛、苯甲酸和4-OH-TEMPO進(jìn)行了GC分析，發(fā)現(xiàn)它們的保留時(shí)間分別為2.033、1.641、3.016和4.115 min。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)圖5和薄層色譜的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)粗產(chǎn)物中主要是目標(biāo)產(chǎn)物苯甲醛(保留時(shí)間1.623 min)，此外還包含4-OH-TEMPO和痕量的苯甲醇，沒(méi)有觀察到苯甲酸。保留時(shí)間0.706 min的信號(hào)歸屬于溶劑乙酸乙酯。

3.2.2 粗產(chǎn)物分離

考慮到苯甲醛比較容易氧化且是無(wú)色液體，因此我們采用快速制備液相色譜儀對(duì)粗產(chǎn)物進(jìn)行分離提純，結(jié)果如圖6所示。

在正相柱色譜分離中，極性較小的有機(jī)化合物會(huì)較快地被洗脫。因此，根據(jù)上述分離譜圖，結(jié)合TLC分析，可以確定產(chǎn)物收集在2號(hào)和3號(hào)接收管中。我們合并2號(hào)、3號(hào)接收管中的洗脫液，通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到了目標(biāo)產(chǎn)物。通過(guò)減重法計(jì)算出苯甲醛的產(chǎn)量是1.91 g，產(chǎn)率為91%。

3.2.3 產(chǎn)物的表征

產(chǎn)物為無(wú)色液體，其1H NMR譜圖上有四組峰，δ7.49–7.88的信號(hào)歸屬于苯環(huán)上的氫；δ10.00的信號(hào)歸屬于甲?；系臍?，譜圖中各峰面積之比為1 : 2 : 1 : 2 (圖7)，由此可以確定所得產(chǎn)物為苯甲醛。

3.3 教學(xué)可行性

在本實(shí)驗(yàn)方案中，選用Fe(NO3)3·9H2O、4-OH-TEMPO、HOAc和O2組成的催化-氧化體系，避免了已有實(shí)驗(yàn)教材中鎢鹽的重金屬污染和過(guò)氧化氫的安全隱患。其中，F(xiàn)e(NO3)3·9H2O、4-OH-TEMPO和HOAc可以直接購(gòu)買(mǎi)使用，價(jià)格也比較便宜，使用H2O作為溶劑，因此所需試劑成本低；O2可以直接從氧氣鋼瓶用氣袋接取，實(shí)驗(yàn)全程不涉及明火操作，安全性較高且清潔。反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的NO2是催化量的，很容易通過(guò)NaOH溶液吸收處理。此外，這一氧化反應(yīng)對(duì)溫度不是很敏感，水浴溫度在50–55 °C都可順利進(jìn)行，便于操作。

反應(yīng)過(guò)程中現(xiàn)象明顯，催化劑預(yù)反應(yīng)時(shí)瓶?jī)?nèi)會(huì)逐漸出現(xiàn)紅棕色氣體，當(dāng)反應(yīng)趨于完全時(shí)瓶?jī)?nèi)幾乎看不到紅棕色，同時(shí)溶液顏色變淺，便于學(xué)生對(duì)反應(yīng)進(jìn)程的監(jiān)測(cè)。

整個(gè)反應(yīng)時(shí)間可控制在2 h，教師可以利用這段時(shí)間介紹氣相色譜儀、快速制備液相色譜儀和核磁共振波譜儀的使用和操作要領(lǐng)。總的實(shí)驗(yàn)時(shí)間約4–5 h。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中除了過(guò)濾、分液、干燥、萃取等常規(guī)操作以外，還在分離、提純和表征等過(guò)程中引入了TLC、GC、1H NMR和快速制備液相色譜等技術(shù)手段，提升了本科生的實(shí)驗(yàn)技能，拓寬了本科生的專(zhuān)業(yè)視野，與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際緊密聯(lián)系，符合現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)“實(shí)驗(yàn)基本操作–小型綜合實(shí)驗(yàn)–綜合實(shí)驗(yàn)”的多層次改革要求。

綜合上述要點(diǎn)，我們認(rèn)為本次創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)適合推廣至大規(guī)模的本科生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文報(bào)道了將苯甲醇高選擇性氧化為苯甲醛的一個(gè)創(chuàng)新性改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案。由于采用了綠色環(huán)保且價(jià)廉的鐵系催化劑、O2為氧化劑，H2O為溶劑，使得反應(yīng)綠色、安全性較高，同時(shí)兼具高選擇性和良好的重現(xiàn)性。此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們還采用了TLC和GC監(jiān)測(cè)反應(yīng)的進(jìn)程，使用快速制備液相色譜儀和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對(duì)粗產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純，采用1H NMR對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行表征。因此，這樣的創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅滿(mǎn)足了本科生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的要求，還提升了本科生的實(shí)驗(yàn)技能和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，與目前科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系更加緊密。同時(shí)也將有助于培養(yǎng)本科生的綠色化學(xué)理念，樹(shù)立安全意識(shí)、環(huán)保意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。