朱海波

（東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013）

亞砜類化合物作為一種重要的中間體，在精細(xì)化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥、合成纖維、塑料、印染、稀有金屬提取劑、有機合成等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。因此，發(fā)展高效、無毒害、無廢物的選擇性合成亞砜的方法無論從經(jīng)濟利益和環(huán)境影響兩個方面都具有重要意義，硫化物的氧化通常被認(rèn)為是最直接和最有效的合成策略之一。盡管該類反應(yīng)在大學(xué)有機化學(xué)理論教學(xué)中被作為講授內(nèi)容，但是國內(nèi)很少有高等院校將硫醚選擇性氧化作為本科有機化學(xué)實驗教學(xué)。

硫醚的選擇性氧化不能作為大學(xué)基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗，其主要原因是該反應(yīng)使用強毒性、強氧化性及腐蝕性的氧化劑，價格昂貴，穩(wěn)定性差；且氧化副產(chǎn)物對環(huán)境污染嚴(yán)重；很難避免氧化生成亞砜的同時，存在過度氧化成砜的問題，選擇性差；這些缺陷都導(dǎo)致這類合成方法難以滿足現(xiàn)代綠色有機合成的需求。此外，由于本科教學(xué)實驗時間有限，對有機反應(yīng)的反應(yīng)時間、后處理過程要求很嚴(yán)格，且大一學(xué)生基礎(chǔ)實驗操作能力較弱，開展硫醚選擇性氧化實驗難度較大。因此，開發(fā)一種綠色低毒、安全、簡便的催化氧化方法，以高產(chǎn)率和高選擇性合成亞砜，且能夠在基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗教學(xué)中開展，會讓學(xué)生對綠色化學(xué)的理念有更深入的理解。

2021年，我們課題組報道了一種簡便有效的可見光介導(dǎo)方法，可在清潔條件下不使用任何光催化劑，直接將硫化物轉(zhuǎn)化為亞砜，實驗操作簡單，因此可以被應(yīng)用于大學(xué)基礎(chǔ)有機化學(xué)的教學(xué)實驗中。同時，我們也希望該反應(yīng)能被國內(nèi)高等院校基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗教學(xué)采用，幫助化學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生深入了解綠化化學(xué)的意識。

1 本實驗設(shè)計的基本思路

該實驗內(nèi)容為8課時，實驗課以學(xué)生為主體，自己動手，獨立思考。課前學(xué)生需要知道有機化學(xué)實驗室的安全知識，常用有機試劑和溶劑的理化性質(zhì)，熟悉有機實驗玻璃儀器的使用，做好實驗預(yù)習(xí)，嚴(yán)格操作規(guī)程，實驗過程中遵循小量、回收及重復(fù)使用等原則。此外，與傳統(tǒng)有機實驗相比，本實驗內(nèi)容側(cè)重于微量化，倡導(dǎo)綠色化學(xué)。在保證教學(xué)效果的前提下，用毫克級別的原料進行實驗，降低了實驗成本；無須任何催化劑的添加，降低了實驗對環(huán)境的污染。通過本實驗教學(xué)，可增強學(xué)生的微量實驗操作技能，培養(yǎng)良好的科研態(tài)度；積極鼓勵學(xué)生查閱文獻，了解綠色有機化學(xué)實驗的意義，培養(yǎng)大學(xué)生的環(huán)保意識。

2 實驗前的準(zhǔn)備

學(xué)生進入實驗室后，整理相關(guān)儀器和試劑，檢查反應(yīng)裝置的氣密性。熟悉實驗室氧氣瓶的使用方法，氧氣為助燃?xì)怏w，必須遠(yuǎn)離明火。打開氣瓶閥時要緩慢進行，壓力指示在正常值（13.3-15 MPa）之間，此時調(diào)節(jié)閥為關(guān)閉狀態(tài)。接好氧氣球，打開調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)流量在正常值（1.5升-2升/分鐘）直至氧氣球在正常壓力范圍內(nèi)。反應(yīng)步驟：向裝有甲醇和水的混合溶液的圓底燒瓶中，加入4-甲氧基苯甲硫醚，反應(yīng)然后將氧氣球套入到滴液漏洞上方，使整個反應(yīng)體系充滿氧氣。將該反應(yīng)放置在100W的藍(lán)光LED燈下照射，室溫條件下并不斷攪拌約4-6小時。反應(yīng)期間可用薄層色譜（TLC）檢測，直至原料完全消失。反應(yīng)過程中，如果氧氣球變小，可以重新充氣。此外，在用薄層色譜檢測的時候，也可重新?lián)Q氧氣直至反應(yīng)結(jié)束。攪拌不宜太劇烈，防止原料濺到圓底燒瓶內(nèi)壁，致使反應(yīng)不完全。反應(yīng)結(jié)束后，撤去氧氣球，反應(yīng)體系倒出，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮除去反應(yīng)溶劑。然后用二氯甲烷萃取三次，有機層合并并用無水硫酸鈉干燥。過濾得二氯甲烷溶液，濃縮得到亞砜粗產(chǎn)物。采用柱色譜提純粗產(chǎn)物亞砜，用石油醚和乙酸乙酯作為洗脫劑，每接收一定量的流出液，采用薄層色譜檢測，直至紫外燈下可以觀察到亞砜的產(chǎn)物點時開始收集流出液，等到紫外燈下沒有亞砜產(chǎn)物時停止收集。然后合并流出液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干除去溶劑，得到淡黃色固體，可以通過測定熔點和核磁共振氫譜對產(chǎn)物進行表征。

充氧氣球的時候，扭動氧氣瓶的調(diào)節(jié)閥，一定要緩慢，使氣流穩(wěn)定并充滿氧氣球達(dá)到正常壓力。在4-甲氧基苯甲硫醚的選擇性氧化反應(yīng)中，用的是混合溶劑甲醇和水，因此在加原料的時候，應(yīng)先把4-甲氧基苯甲硫醚加到甲醇溶液中溶解后，在加入水?dāng)嚢?，使反?yīng)體系溶清。反應(yīng)開始之前，可稍微用氧氣置換體系中空氣1-2次；在對該反應(yīng)體系進行光照時，為了確保反應(yīng)在室溫條件下，100W的LED燈不能靠圓底燒瓶太近，防止長時間照射使反應(yīng)體系升溫。反應(yīng)過程中，用薄層色譜TLC檢測反應(yīng)體系，可以用原料4-甲氧基苯甲硫醚作為已知點，等原料點消失后，方可停反應(yīng)。且每次用TLC檢測完，氧氣球可以重新充氣以保證體系中的氧氣壓力。反應(yīng)結(jié)束后，用柱色譜分離粗產(chǎn)物之前，必須用TLC算好原料和產(chǎn)物的Rf值，并以此數(shù)值作為參考進行柱色譜分離。分離結(jié)束后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑時，溫度不能過高，防止產(chǎn)物暴沸隨溶劑沖出，導(dǎo)致產(chǎn)率損失。

3 實驗操作

3.1 可見光催化的硫醚的選擇性氧化

將4-甲氧基苯甲硫醚（31 mg，0.2 mmol）放入到一個50 mL的圓底燒瓶中，實驗裝置如圖1(a)，加入甲醇（6 mL），震蕩使原料溶解。向該溶液中加入水（3mL）。用氧氣球置換反應(yīng)體系中的空氣1-2次，將反應(yīng)置于氧氣條件下，在100 W的藍(lán)光LED燈照射下，攪拌條件下反應(yīng)4-6小時。反應(yīng)4小時后，用毛細(xì)管取樣，薄層色譜板（TLC）檢測，并用原料4-甲氧基苯甲硫醚作為對照點，檢測反應(yīng)進程，每次檢測完，氧氣球可以重新充氣到正常壓力范圍。反應(yīng)結(jié)束后，將圓底燒瓶中反應(yīng)液倒入50 mL茄形瓶中，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑，剩余物用二氯甲烷萃取3次，每次10 mL。有機相分液合并，用無水硫酸鈉干燥，過濾得粗產(chǎn)物亞砜的二氯甲烷溶液。

圖1 可見光催化硫醚氧化的實驗裝置圖

3.2 粗產(chǎn)物硫醚的純化

柱色譜分離法提純亞砜。將柱層析硅膠（300-400目）加到石油醚中，不斷攪拌除去硅膠中的氣泡。緩慢倒入帶有砂芯的層析柱中，并不斷用洗耳球輕敲柱子，使硅膠均勻填充。向上述的粗產(chǎn)物二氯甲烷溶液中，加入2倍量的硅膠（100-200目），用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干得硅膠粉末，加入層析柱中。并用乙酸乙酯/石油醚（V:V=1:5）的展開劑進行洗脫，每接收10 mL的流出液，采用TLC檢測，將含有產(chǎn)物亞砜的流出液合并，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干得到淡黃色固體。稱重并計算產(chǎn)率，通過測定熔點、核磁共振氫譜、碳譜對產(chǎn)物進行表征。

4 結(jié)論

本實驗將硫醚的選擇性氧化和光催化相結(jié)合，綜合了微量有機化學(xué)、可見光催化有機反應(yīng)和儀器分析等知識，將有機物的合成、提純及表征融為一體，不但使學(xué)生了解有機合成領(lǐng)域的前沿問題，增強了學(xué)生的微量實驗操作技能，同時提高了學(xué)生的專業(yè)技能和綠色化學(xué)實踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的綠色化學(xué)意識。