金劍，楊雪蘋，程景，任鵬

1哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)實驗與創(chuàng)新實踐教育中心，廣東 深圳 518055

2哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)理學(xué)院，廣東 深圳 518055

2021年諾貝爾化學(xué)獎授予了Benjamin List和David MacMillan，以表彰兩位化學(xué)家在不對稱有機催化領(lǐng)域的卓越貢獻[1]。以脯氨酸、氨基酸硫脲、咪唑啉酮為代表的有機小分子化合物(如圖1所示)廣泛應(yīng)用于不對稱Aldol反應(yīng)、不對稱Mannich反應(yīng)、不對稱Michael加成反應(yīng)、不對稱Diels-Alder反應(yīng)、醛/酮類化合物α-不對稱氨基化/氧化/苯磺酰化等，以高效構(gòu)建復(fù)雜手性化合物[2]。與經(jīng)典金屬有機催化劑相比，有機小分子催化有以下特點：1) 催化劑及其合成砌塊在自然界廣泛存在，易于制備、價格低廉；2) 催化劑對氧氣、水不敏感，因此反應(yīng)不需要復(fù)雜的無水無氧操作；3) 有機催化劑在反應(yīng)后處理中容易除去，不存在金屬有機催化導(dǎo)致的過渡金屬殘留問題；4) 有機催化劑在自然界中極易降解無害化，對環(huán)境友好。目前，脯氨酸催化的不對稱Aldol反應(yīng)已經(jīng)在中科大、復(fù)旦大學(xué)、南方科技大學(xué)等高?；瘜W(xué)相關(guān)專業(yè)面向本科生開設(shè)[3–5]。

圖1 小分子催化劑與氫鍵誘導(dǎo)活化

對于脯氨酸、咪唑啉酮等仲胺類有機催化反應(yīng)，催化劑首先通過氫鍵誘導(dǎo)活化羰基(如圖1所示)，之后胺基對羰基加成脫水共價結(jié)合形成烯胺或者亞胺，其中烯胺作為親電試劑對醛酮類化合物加成，亞胺作為缺電子中心與親核試劑加成。對于硫脲類催化劑，硫脲結(jié)構(gòu)單元與羰基形成雙氫鍵(如圖1所示)，增強羰基碳原子親電性。對于脯氨酸催化的Aldol反應(yīng)，烯胺活性中間體對羰基碳的加成還需要氫鍵的二次活化[6]。本實驗中，我們使用吡咯烷和4-二甲基氨基苯甲酸作為有機小分子催化劑，催化天然香料(+/?)-香茅醛與甲醛的Aldol縮合反應(yīng)并脫水生成(+/?)-2-亞甲基香茅醛[7]。在反應(yīng)物料、催化劑當(dāng)量、反應(yīng)加熱溫度不變的條件下，選用二氯甲烷、乙醇、四氫呋喃三種溶劑開設(shè)平行反應(yīng)，利用薄層色譜法監(jiān)控平行反應(yīng)進程，以篩選最佳的反應(yīng)溶劑。反應(yīng)液通過簡單萃取分液干燥濃縮等后處理就可以得到高純度的產(chǎn)物，可直接用于波譜分析和色譜分析。

1 實驗?zāi)康?/h2>

(1) 了解小分子催化Aldol反應(yīng)制備α,β-不飽和醛的反應(yīng)機理；

(2) 初步掌握基于反應(yīng)機理的有機合成反應(yīng)條件優(yōu)化思路；

(3) 掌握薄層色譜技術(shù)監(jiān)控反應(yīng)進程的方法；

(4) 了解用核磁共振波譜法快速鑒別反應(yīng)原料與產(chǎn)物的一般方法；

(5) 初步利用共振理論預(yù)測并解釋結(jié)構(gòu)細微差異對反相色譜保留時間的影響。

2 實驗原理

有機胺小分子催化的Aldol反應(yīng)要經(jīng)歷亞胺與烯胺的互變異構(gòu)，如圖2所示，吡咯烷-對二甲基氨基苯甲酸鹽酸堿解離平衡產(chǎn)生游離吡咯烷是啟動催化循環(huán)的關(guān)鍵，吡咯烷對香茅醛的醛羰基親核加成脫水異構(gòu)化形成烯胺a，烯胺中間體對甲醛親核加成生成亞胺中間體b，異構(gòu)化得到烯胺中間體c，之后消除羥基生成亞胺中間體d，最終水解生成產(chǎn)物(+/?)-2-亞甲基香茅醛，吡咯-對二甲基氨基苯甲酸進入下一個催化循環(huán)。

圖2 反應(yīng)機理

3 實驗儀器與試劑

儀器：加熱磁力攪拌器(EYELA，RCH-1000)、移液槍、循環(huán)水真空泵(鄭州長城，SHB-III)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(IKA，RV8)、90 MHz無液氦核磁共振波譜儀(Anasazy，EFT-90，美國)、超高效液相色譜儀(安捷倫1260 Infinity II，安捷倫SB-C18色譜柱，1.8 μm，2.1 × 50 mm；德國)。

試劑：香茅醛(阿拉丁試劑，96%)、甲醛水溶液(西隴科學(xué)，37%)、對二甲氨基苯甲酸(阿拉丁試劑，99%)、吡咯烷(阿拉丁試劑，99%)、二氯甲烷(Admas，99.5%)、無水乙醇(Admas，99.7%)、四氫呋喃(Admas，99.5%)、10%磷鉬酸乙醇溶液、石油醚(Admas，沸程60–90 °C)、乙酸乙酯(Admas，99.5%)、無水硫酸鈉(Admas，99%)、氘代氯仿(TMS內(nèi)標(biāo)，Admas，99.8%)、乙腈(Admas，HPLC級)。

4 實驗步驟

4.1 (+/?)-2-亞甲基香茅醛合成與反應(yīng)監(jiān)控

稱取(+/?)-2-亞甲基香茅醛(1.23 g，8 mmol)加入到圓底燒瓶，加入溶劑(8 mL，三個平行反應(yīng)溶劑分別是二氯甲烷(反應(yīng)1)、四氫呋喃(反應(yīng)2)、無水乙醇(反應(yīng)3))攪拌均勻，先后加入甲醛水溶液(0.65 g，8 mmol)、對二甲氨基苯甲酸(0.13 g，0.8 mmol)、吡咯烷(67 μL，0.8 mmol)。玻璃塞密封反應(yīng)瓶，40 °C水浴攪拌反應(yīng)(反應(yīng)1要加裝冷凝管，無需連接冷卻水循環(huán)，直接空氣冷卻)。

取(+/?)-2-亞甲基香茅醛10 μL加0.5 mL乙酸乙酯稀釋配制反應(yīng)監(jiān)控對照樣品。自投料完畢每間隔20 min取樣點板監(jiān)控，監(jiān)控方法如下：用移液槍吸取10 μL反應(yīng)液，加0.5 mL乙酸乙酯稀釋配制對照品，用于確定在薄層色譜分析中原料斑點與產(chǎn)物斑點的相對位置；用移液槍吸取50 μL反應(yīng)液，加0.5 mL乙酸乙酯稀釋配制反應(yīng)稀釋液；薄層板點四個點，從左到右依次是原料、反應(yīng)1稀釋液、反應(yīng)2稀釋液和反應(yīng)3稀釋液；使用石油醚爬板；之后用磷鉬酸乙醇溶液浸潤薄層板，熱風(fēng)槍烤板顯色。反應(yīng)3在1 h可以反應(yīng)完全。

4.2 反應(yīng)后處理與儀器分析

關(guān)閉加熱，撤掉水浴鍋，加入30 mL水淬滅反應(yīng)，加入石油醚萃取(10 mL × 2)，合并有機相。先后用0.1 mol?L?1稀鹽酸、飽和碳酸氫鈉、飽和食鹽水各20 mL洗有機相。加入無水硫酸鈉干燥有機相，過濾，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮(真空度5 kPa，25 °C水浴溫度)去除石油醚得到無色液體。反應(yīng)3反應(yīng)完全，可計算產(chǎn)率，按照以上后處理得到無色液體1.25 g，產(chǎn)率94%。

取后處理所得樣品10 μL加0.5 mL氘代氯仿稀釋采集核磁氫譜數(shù)據(jù)。HPLC分析方法：乙腈-水(6 : 4，體積比)，1 mL?min?1，35 °C，6 min，210 nm；分別進空白、原料、產(chǎn)物、產(chǎn)物與原料混合四個樣品。

5 實驗結(jié)果討論

5.1 反應(yīng)薄層色譜分析

由于甲醛水溶液不溶于二氯甲烷，因此反應(yīng)1是兩相反應(yīng)，反應(yīng)2和反應(yīng)3為均相反應(yīng)。如果反應(yīng)不是氫鍵驅(qū)動的，是否形成均相溶液將明顯影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化速率，在這種假設(shè)下，反應(yīng)2的轉(zhuǎn)化速度應(yīng)該比反應(yīng)1快，但是連續(xù)點板監(jiān)控顯示反應(yīng)2的轉(zhuǎn)化速度比反應(yīng)1慢(圖3所示)。對比反應(yīng)1和3，我們發(fā)現(xiàn)乙醇反應(yīng)液轉(zhuǎn)化速度明顯比二氯甲烷反應(yīng)液快。反應(yīng)1中，二氯甲烷是極性溶劑，但是不能與催化劑和反應(yīng)底物形成氫鍵；對二甲氨基苯甲酸內(nèi)鹽與醛羰基形成氫鍵活化羰基，同時游離吡咯烷對醛羰基親核加成啟動催化循環(huán)。反應(yīng)2中，四氫呋喃氧孤對電子作為氫鍵受體參與形成氫鍵，競爭性抑制催化劑對醛羰基的氫鍵誘導(dǎo)活化，游離的吡咯烷對未活化的醛基加成啟動催化循環(huán)，反應(yīng)速度較慢。對于反應(yīng)3，乙醇羥基既是氫鍵給體也是氫鍵受體，醇羥基氧原子與吡咯鹽形成氫鍵轉(zhuǎn)移質(zhì)子，提高吡咯烷濃度，同時羥基氫原子與醛羰基形成氫鍵提高其親電性，所以反應(yīng)速度最快。

圖3 平行反應(yīng)薄層色譜監(jiān)控

圖3揭示產(chǎn)物的Rf值比原料稍小。硅膠薄層板固定相主要成分是二氧化硅，其中極少數(shù)會水解產(chǎn)生硅酸，二氧化硅/硅酸與化合物極性官能團之間的氫鍵以及類氫鍵相互作用強弱是不同化合物Rf值產(chǎn)生差異的主要原因。本實驗中，2-亞甲基香茅醛的共軛結(jié)構(gòu)造成醛基氧原子孤對電子參與1,4-不飽和體系的共振，這使得氧原子與硅酸氫原子之間的氫鍵作用變?nèi)?，表現(xiàn)出來就是2-亞甲基香茅醛的Rf值比香茅醛大。

5.2 反應(yīng)的核磁共振波譜分析

反應(yīng)3原料近乎完全轉(zhuǎn)化，可直接采集核磁數(shù)據(jù)。核磁氫譜(90 MHz, CDCl3)如下：δ 9.52 (s, 1H，C1H)，6.21 (s, 1H, C9H)，5.97 (s, 1H, C9H)，5.19–4.97 (m, 1H, C6H)，2.84–2.57 (m, 1H, C3H), 2.09–1.77(m, 2H, C5H2)，1.66 (d, J = 1.3 Hz, 3H, C11H3)，1.61–1.26 (m, 5H, C4H2, C8H3)，1.06 (d, J = 6.9 Hz, 3H,C10H3)。在典型的多步有機合成反應(yīng)中，一般一步反應(yīng)只涉及1個官能團的轉(zhuǎn)化。本反應(yīng)只在醛基α位引入一個碳碳雙鍵，因此可以通過核磁圖譜特征官能團信號快速鑒別產(chǎn)物。如圖4所示，香茅醛典型特征官能團信號是δ 9.75左右的C1醛基氫和δ 5.10左右C6碳碳雙鍵氫；對比原料和產(chǎn)物的氫譜可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物在δ 6.1左右出現(xiàn)兩個碳碳雙鍵的氫信號，結(jié)合醛基氫信號以及δ 5.10左右碳碳雙鍵氫可以確定產(chǎn)物是2-亞甲基香茅醛。另外，對比原料和產(chǎn)物醛基氫的化學(xué)位移，我們能看出產(chǎn)物的醛基氫信號向高場方向偏移0.2左右，這一現(xiàn)象可以用共振理論解釋：相比香茅醛，2-亞甲基香茅醛的α,β-不飽和共軛結(jié)構(gòu)中碳碳雙鍵π電子與羰基π電子共振離域提高醛羰基的電子云密度，導(dǎo)致醛羰基對醛基氫原子的去屏蔽效應(yīng)減弱，醛基氫的化學(xué)位移向高場移動。

在圖4中，我們發(fā)現(xiàn)原料香茅醛C1醛基氫是三重峰，這一有趣現(xiàn)象其實與核磁共振波譜分析中磁等價概念緊密相關(guān)。香茅醛結(jié)構(gòu)中C3是手性原子，這導(dǎo)致C2H2兩個氫原子是磁不等價的，因此醛基氫理論上應(yīng)該是dd峰，并且兩個d峰耦合常數(shù)不同。但實際上，由于香茅醛的鏈狀結(jié)構(gòu)，C2C3sigma鍵快速自由旋轉(zhuǎn)，手性中心導(dǎo)致的C2H2兩個氫原子磁不等價性差異極小，對C1醛基氫的耦合常數(shù)幾乎相等，最終的結(jié)果是dd峰簡并成三重峰，這一現(xiàn)象在鏈?zhǔn)饺╊惢衔镏斜容^常見[8]。

圖4 原料與產(chǎn)物核磁共振氫譜

5.3 反應(yīng)的高效液相色譜分析

在產(chǎn)物與原料的高效液相色譜結(jié)果中(圖5所示)，我們可以看到原料在色譜柱上保留時間比產(chǎn)物短了約0.7 min，這也可以用氫鍵理論進行解釋：在C18反相色譜分析中存在兩種相互作用，一種是待分析化合物結(jié)構(gòu)中的的碳氫鍵與固定相烷基碳鏈的疏水相互作用，一種是待分析化合物結(jié)構(gòu)中的雜原子與流動相中水分子的氫鍵作用，疏水效應(yīng)與氫鍵作用的競爭是保留時間差異的根本原因；與香茅醛比較，2-亞甲基香茅醛的共軛結(jié)構(gòu)減弱了醛基與流動相中水分子的氫鍵作用，因此保留時間相對延長。

圖5 反應(yīng)TLC監(jiān)控與產(chǎn)物HPLC定性分析

6 實驗注意事項

1) 甲醛水溶液具有刺激性，并且能引起蛋白質(zhì)變性，稱量要在有排風(fēng)的環(huán)境進行，一定要佩帶活性炭口罩和丁腈手套；條件允許可以先確定溶液密度，移液槍量取。

2) 吡咯烷容易揮發(fā)，味道刺鼻，衣物沾染需要很長時間散盡味道，可以在課前預(yù)先配制成相應(yīng)的溶液，在通風(fēng)櫥內(nèi)用移液槍量取。

3) 對二甲氨基苯甲酸為密度較小的粉末狀固體，稱量過程要防止飛絮產(chǎn)生，建議用配置防風(fēng)罩的天平稱量；并且稱量與轉(zhuǎn)移全程都有佩戴口罩，防止吸入。

4) 反應(yīng)原料和產(chǎn)物Rf差異極小，用于監(jiān)控的薄層色譜板要適當(dāng)干燥，濕度過高可能導(dǎo)致原料產(chǎn)物無法分離；點板過程中毛細管前端與薄層板接觸時間過長會引起斑點擴散、上樣過多，導(dǎo)致原料和產(chǎn)物交叉，因此點板要迅速。

7 實驗組織運行建議

1) 建議教師課前為學(xué)生提供比較經(jīng)典的綜述性論文，讓學(xué)生提前理解反應(yīng)機理。

2) 本實驗包括有機合成、反應(yīng)監(jiān)控、核磁共振波譜分析和高效液相色譜分析，建議設(shè)置8個學(xué)時；液相色譜分析條件涉及恒溫等度洗脫，建議教師提前開機運行1 h以上。

3) 本實驗建議三人一組，一人選用一種溶劑投料；每人獨立制備各自反應(yīng)體系三個時間點的薄層色譜監(jiān)控用反應(yīng)稀釋液，并與其他組員分享。每個人要獨立完成如圖3所示的薄層色譜監(jiān)控。

4) 可根據(jù)學(xué)時、實驗條件等實際情況靈活調(diào)整實驗內(nèi)容，可以只選用無水乙醇反應(yīng)體系，60 min左右能反應(yīng)完畢，波譜和色譜儀器分析可任選其一；也可以摒棄儀器分析，單獨加強薄層色譜技術(shù)在反應(yīng)監(jiān)控中的應(yīng)用。

8 結(jié)語

本文介紹了一個小分子催化的全新有機合成實驗，實驗內(nèi)容涵蓋了薄層色譜監(jiān)控反應(yīng)進程、核磁共振波譜法快速鑒定化合物、高效液相色譜法分析產(chǎn)物的一般方法。選用不同的溶劑來驗證已知的反應(yīng)機理，這一過程可以初步引導(dǎo)學(xué)生了解基于機理的有機化學(xué)反應(yīng)條件優(yōu)化。本實驗以共振離域的氫鍵理論和疏水效應(yīng)來解釋香茅醛和2-亞甲基香茅醛的化學(xué)位移、薄層色譜Rf值、液相色譜保留時間的差異，以此為契機可以引導(dǎo)學(xué)生將價鍵理論與有機合成實踐結(jié)合起來，用理論解釋實驗現(xiàn)象，用實驗現(xiàn)象印證理論。用天然香料作為反應(yīng)底物，改變了傳統(tǒng)有機化學(xué)教學(xué)實驗項目試劑刺激性強、實驗室氣味不友好的問題，有利于提升學(xué)生的實驗興趣，改善有機化學(xué)實驗教學(xué)氛圍。

本實驗在我校已經(jīng)歷了2輪的教學(xué)實踐檢驗，理論與實踐緊密結(jié)合得到了學(xué)生的廣泛好評。通過有機合成與儀器分析的緊密結(jié)合，讓學(xué)生充分認識到儀器分析在有機合成中重要的工具性作用，為學(xué)生后續(xù)的科學(xué)研究打下堅實基礎(chǔ)。