丙烯酸叔丁酯與對硝基苯甲醛的親核加成*

張東華, 黃焰根, 程若男

(東華大學化學化工與生物工程學院基礎化學實驗中心，上海　201620)

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丙烯酸叔丁酯與對硝基苯甲醛的親核加成*

張東華, 黃焰根, 程若男

(東華大學化學化工與生物工程學院基礎化學實驗中心，上海201620)

Morita- Baylis-Hillman (MBH)反應是一個重要的有機人名反應，通過對反應催化劑、溶劑和反應溫度的優化，設計了可以由本科生獨立完成的MBH反應實驗，即以甲醇和水為混合溶劑，1,4-二氮雜二環[2.2.2]辛烷為催化劑實現丙烯酸叔丁酯與對硝基苯甲醛的親核加成反應。實驗涉及有機合成基本操作和結構表征，可了解有關催化機理、選擇性和產率等基本概念，提高學生在文獻查閱、實驗設計及化合物表征等方面的綜合能力。

Morita-Baylis-Hillman反應；催化；加成；綜合實驗

有機化學是一門實驗性學科，有機化學實驗作為有機化學教學中的重要環節，不僅要訓練學生的基本操作技能，還需注重培養學生的創新思維和創新能力[1]。為實現這一目標必須將學科前沿知識不斷融入本科實驗教學中，通過文獻查閱、實驗設計、條件優化和數據處理等訓練，可以拓展學生視野、提升科研興趣、增強科研素質，亦可培養學生的專業技能、提升社會競爭力，最終為學生的進一步研究深造或社會就業打好基礎[2]。為此，我們結合自身的科研工作和有機化學學科發展的前沿熱點，經過反應體系的優化，設計了可以由本科生獨立完成的Morita- Baylis-Hillman (MBH)反應實驗。

Morita-Baylis-Hillman (MBH) 反應是α, β-不飽和化合物與親電試劑(醛、酮)在合適的催化劑作用下，生成烯烴α位加成產物的反應，是構建碳碳鍵的有效手段, 是生成含多個官能團分子的有效合成方法[3]。該反應具有高效合成方法所具備的基本特征, 如反應選擇性(化學的、區域的、非對映的和對映的) 優良、原子經濟性高、反應條件溫和以及產物具有多個能進一步轉換的官能團, 因而得到了廣大化學家的關注。

1　實驗目的

(1)訓練正確查閱文獻資料、綜合運用有機合成及儀器分析實驗技術的能力；

(2)了解α,β-不飽和羰基化合物α位引入取代基的方法；

(3)掌握薄層層析技術監測反應進程；

(4)掌握柱層析分離技術；

(5)掌握IR和1H NMR譜圖解析方法。

2　實驗原理

1968年, Morita首次使用三環己基膦(PCy3)為催化劑完成了醛與缺電子烯烴生成多官能團化合物的反應[4]，但當時并沒有引起化學家的注意。20世紀80年代以來，國內外越來越多的化學家關注這一重要反應，實驗研究蓬勃開展。在反應底物的設計、催化劑的篩選、復合催化劑的使用、溶劑效應的研究以及反應條件的優化等方面均有突破[5]。如圖1所示，經典的MBH反應主要是指叔胺或叔膦催化的缺電子烯烴與親電試劑之間形成碳-碳鍵的反應，當X=N時，反應被稱為aza-MBH反應。

圖1　Morita-Baylis-Hillman反應通式

缺電子的烯烴通常包括丙烯酸酯、丙烯腈、乙烯基酮、乙烯基砜和丙烯醛等，碳親電試劑可以是醛、α-烷氧羰基酮、亞胺以及Michael受體等。反應的催化劑則可以是各種各樣的叔胺和叔膦化合物，其中1,4-二氮雜二環[2.2.2]辛烷 (DABCO)成為最常見的催化劑。

本實驗以甲醇和水為混合溶劑，以1,4-二氮雜二環[2.2.2]辛烷為催化劑完成對硝基苯甲醛與丙烯酸叔丁酯的加成反應，反應式如圖2所示。

推薦理由:趙萬里先生是國學大師王國維之高足，主持北京圖書館（今國家圖書館）古籍保護、整理工作多年，學術界仰為泰山北斗，古文字學家陳夢家稱趙氏“版本之學海內第一”。《趙萬里先生年譜長編》既是趙萬里先生迄今為止最全面的一部傳記，更是一部重要的學術史資料。

圖2　對硝基苯甲醛與丙烯酸叔丁酯的加成反應

MBH反應的機理研究也相當活躍，通常認為整個反應是一個可逆的平衡過程，如圖3所示[6]。首先催化劑叔胺3與活化烯2發生1,4-親核加成, 生成兩性離子烯醇鹽5, 接著烯醇鹽5與親電試劑醛1發生類似于醛醇縮合的反應生成中間體6, 隨后6發生質子轉移，形成兩性離子烯醇鹽7，經消除反應得到產物4并再生催化劑3。產物4中含有硝基、羥基、烯基和酯基等官能團，并含一個手性中心，具有廣泛的轉化空間。

圖3　對硝基苯甲醛與丙烯酸叔丁酯的加成反應機理

3　實驗試劑和儀器

3.1儀器

烘箱、電子天平、旋轉蒸發儀、循環水泵、顯微熔點測定儀、核磁共振儀、紅外光譜儀、紫外分析儀、帶加熱器的磁力攪拌器及磁子(一套)、鑷子、色譜缸、溫度計、球形冷凝管、

三頸瓶、茄形瓶、錐形瓶、量筒、燒杯、分液漏斗、層析柱、試管、抽濾裝置，硅膠板、核磁管、熔點管、點樣毛細管。

3.2試劑

對硝基苯甲醛、丙烯酸叔丁酯、1,4-二氮雜二環[2.2.2]辛烷、甲醇、蒸餾水、二氯甲烷、飽和亞硫酸氫鈉水溶液、飽和氯化鈉水溶液、2 N鹽酸、無水硫酸鎂、柱層析硅膠 (100～200 目)、石英砂、高效薄層硅膠板、石油醚、乙酸乙酯等。

4　實驗步驟

5　結果與討論

MBH反應的主要缺點是反應速率較慢，而受制于本科實驗教學的課時限制，必須控制反應時間。同時考慮到有機化學實驗教學的綠色化趨勢[7]，我們對MBH反應體系進行了設計和條件優化。首先，依據反應機理，選取強吸電子基團取代的對硝基苯甲醛為底物；其次，由于丙烯酸酯類化合物沸點較低、易揮發，具有刺激性，綜合考慮該類化合物的揮發性和反應性，我們選取丙烯酸叔丁酯為對應底物，實驗過程中用注射器移取。MBH反應可以在無溶劑條件下進行，同時對溶劑適應性優良，氯仿、二氯甲烷、乙腈、二甲亞砜、甲醇或以上溶劑組成的混合溶劑等均可以作為反應溶劑。近年研究表明[8]，水可以使MBH反應速度加快。因此，在確定反應底物后，選擇符合綠色化學要求的甲醇和水為混合溶劑對反應條件進行優化。在此溶劑體系中，由于叔胺的堿性較弱，丙烯酸酯的水解和酯交換等副反應將難以發生。反應結果如表1所示，以1,4-二氮雜二環[2.2.2]辛烷(DABCO)為催化劑，室溫反應2 h，柱層析后能以53%的產率分離到目標產物。當用3-羥基-1-氮雜二環[2.2.2]辛烷(3-HQD)為催化劑時，產率為80%，但該催化劑價格較高。以三甲胺的甲醇溶液為催化劑時，雖可以62%的產率分離到產物，但副產物也較多，對于未熟練掌握柱層析技術的本科生不易操作。因此，DABCO是較理想的催化劑，室溫反應20 h，反應產率可以提高至89%；將反應溫度提高至70 ℃，2 h后產率為70%；但進一步提高反應溫度至100 ℃，產率卻降至49%，反應體系中有大量聚合副產物生成，不易分離純化。因此，我們設定能滿足本科實驗教學的反應條件為：以DABCO為催化劑，甲醇和水為混合溶劑，70 ℃反應2 h。反應過程中，可以運用薄層色譜跟蹤反應，直觀地看到產物的生成。反應2 h后，雖然兩個反應底物都不會完全消失，但未反應的對硝基苯甲醛可以由飽和亞硫酸氫鈉水溶液洗滌輕易去除，而丙烯酸叔丁酯會在旋蒸的過程中被去除。

表1　反應條件的優化

圖4　2-[(羥基)(對-硝基苯基)甲基]丙烯酸叔丁酯4的紅外光譜圖

圖5　2-[(羥基)(對-硝基苯基)甲基]丙烯酸叔丁酯4的

產物2-[(羥基)(對-硝基苯基)甲基]丙烯酸叔丁酯(4)為白色固體，熔點80.0～82.0 ℃。圖4為化合物4的紅外光譜圖，從中可以觀察到各官能團的特征峰。如3327 cm-1的強寬峰為羥基的伸縮振動吸收峰，雙鍵與苯環上碳氫鍵的共振吸收在3074 cm-1處，1639 cm-1和1604 cm-1處分別為烯烴雙鍵和苯環骨架振動吸收峰，硝基的對稱和不對稱伸縮振動吸收峰分別出現在1357 cm-1和1524 cm-1處，作為α,β-不飽和羧酸酯在1712 cm-1、1277 cm-1和1154 cm-1出現三個酯基的特征吸收峰。圖5

為化合物4的核磁共振氫譜圖，8.23 ppm和7.58 ppm處的峰歸屬為苯環上的氫，雙鍵上兩個氫的信號分別在6.31 ppm和5.75 ppm處，5.58 ppm處的單峰歸屬為與羥基相連碳原子上的氫, 羥基的信號為一低矮的寬峰，出現在3.40 ppm處, 叔丁基的單峰信號在1.44 ppm處。

6　思考題

(1) MBH反應的主要缺點是反應速率較慢，本實驗是如何提高原料轉化率的，未轉化的原料是如何去除的？

(2) 當應用對甲氧基苯甲醛替代對硝基苯甲醛進行本實驗時，預測反應速率是增加還是降低，并解釋原因。

(3) 簡要說明本實驗中用于洗滌萃取液的各種溶液的洗滌目的。

(4) 簡要說明柱層析分離方法和實驗步驟。如果色譜柱中有氣泡對層析有何影響，怎樣去除氣泡？

7　教學效果

將有機化學學科前沿成果轉化為教學實驗，有助于培養學生的科研素質，激發學生的科研興趣。本實驗內容從反應產物結構看，突破了學生課堂理論學習的知識，在α,β-不飽和羧酸酯的α位引入了取代基團，但從反應機理看又緊密結合了羰基化合物的親核加成特征，有助于加深學生對理論知識的理解。本實驗原料易得，操作簡單，產物單一，譜圖特征信號充分。本實驗內容曾做為第六屆上海市大學生化學實驗競賽有機化學實驗考題，來自上海市16所各類高校的本科學生絕大部分都能在規定時間內完成實驗并獲得產物。作為東華大學應用化學專業本科生第二課堂課外實驗活動以及非化學專業碩士研究生實驗內容開展4屆教學，學生基本都能得到產物，產率為30%～65%，教學效果良好。因此，推薦此實驗作為大學本科有機化學實驗進一步推廣。

[1]楊屹,王桂花,張常群,等. 以大學化學實驗推進創新教育的探索與實踐[J]. 中國大學教學, 2008 (1): 72-75.

[2]鄭小琦,查正根,汪志勇. 研究型大學有機化學實驗教學體系改革與創新[J]. 大學化學, 2010, 25(6): 12-16.

[3]Basavaiah D， Rao A J, Satyanarayana T. Recent advances in the Baylis-Hillman reaction and applications [J]. Chem. Rev., 2003, 103(3): 811-892.

[4]Morita K, Suzuki Z, Hirose H. A tertiary phosphine-catalyzed reaction of acrylic compounds with aldehydes [J]. Bull. Chem. Soc. Jpn., 1968, 41(11): 2815.

[5]Basavaiah D, Veeraraghavaiah G. The Baylis-Hillman reaction: a novel concept for creativity in chemistry [J]. Chem. Soc. Rev., 2012, 41(1): 68-78.

[6]楊春紅,樊建芬,喬龍光. Baylis-Hillman反應機理研究進展[J]. 有機化學, 2008, 28(2): 175-180.

[7]査正根, 蘭泉, 鄭媛, 等．綠色創新型有機化學實驗教學模式構建與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2014, 33(3): 136-141.

[8]趙三虎, 趙明根, 張海容, 等. 非傳統介質中的Baylis-Hillman反應[J]. 有機化學, 2007, 27(3): 322-328.

Nucleophilic Addition oftert-butyl Acrylate and 4-nitrobenzaldehyde*

ZHANGDong-hua,HUANGYan-gen,CHENGRuo-nan

(Fundamental Experimental Chemistry Center, College of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

An experiment for undergraduate students based on the Morita-Baylis-Hillman (MBH) reaction was recommended. The addition reaction of 4-nitrobenzaldehyde andtert-butyl acrylate was conducted by using 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane as a catalyst in a mixed solvent of methanol and water. The experiment involving basic operations of organic synthesis and structural characterization is helpful for students to understand the basic concepts related to the catalytic mechanism, reaction selectivity and yield. By conducting this experiment, the comprehensive abilities of students can be enhanced, including literature review, experimental design, compound characterization, etc.

the Morita- Baylis-Hillman reaction; catalysis; addition; comprehensive experiment

上海市教委科研創新項目(13ZZ047)和東華大學教學改革經費資助項目。

黃焰根，男，副教授，從事有機化學教學與研究。

O621.25+9.4

A

1001-9677(2016)010-0194-03