合成手性取代芳香醇的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

郭慶君

(濟(jì)寧學(xué)院化學(xué)化工與材料學(xué)院,山東 曲阜 273155)

化學(xué)的核心是合成[1]，學(xué)習(xí)化學(xué)必須做好合成研究，物質(zhì)合成的科學(xué)研究的一般思路,首先立項(xiàng)準(zhǔn)備:①收集有關(guān)物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)及有關(guān)資料；②設(shè)計(jì)合成路線；③運(yùn)用物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、化學(xué)平衡理論等優(yōu)化反應(yīng)路徑；④確定實(shí)驗(yàn)方案(工藝簡單、原料易得價(jià)廉、產(chǎn)品質(zhì)量好、環(huán)境友好)；其次是實(shí)驗(yàn)：①物質(zhì)準(zhǔn)備；②按實(shí)驗(yàn)工藝實(shí)施實(shí)驗(yàn)合成；③分離提純；④產(chǎn)率分析(實(shí)驗(yàn)分析)；第三表征：①驗(yàn)證合成產(chǎn)品，有化學(xué)法、儀器分析法[光學(xué) 電學(xué) 色譜 質(zhì)譜 X 射線衍射(XRD)……]；②利用物質(zhì)特性推測結(jié)構(gòu)，確證產(chǎn)品。如圖1所示。

圖1 物質(zhì)合成科學(xué)研究一般方式Fig.1 The general approach to the science of substance synthesis

本實(shí)驗(yàn)選擇有序介孔有機(jī)硅的非均相固體催化劑[2-6]，在水相中能高效的促進(jìn)氰基芳基酮的不對(duì)稱轉(zhuǎn)移氫化還原，有較強(qiáng)對(duì)映體立體選擇性，可重復(fù)使用，反應(yīng)條件相對(duì)溫和、作為一個(gè)基礎(chǔ)不對(duì)稱合成反應(yīng)[3]，值得再探索，它也是一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，能鞏固在實(shí)驗(yàn)課程中所學(xué)到的基本知識(shí)、規(guī)范基本操作和技能，全面地實(shí)踐科研的全過程，對(duì)提高學(xué)生知識(shí)水平和科研能力具有重要意義，是一個(gè)值得開展的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)練習(xí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一般方法，加強(qiáng)查閱、理解、掌握和運(yùn)用文獻(xiàn)的能力。

(2)理解芳香酮被甲酸還原為手性醇的基本原理。

(3)學(xué)習(xí)萃取、洗滌、干燥、旋蒸、薄層層析色譜法監(jiān)測反應(yīng)等操作。

(4)學(xué)習(xí)高效液相色譜測定化合物純度的方法。

2 實(shí)驗(yàn)原理

網(wǎng)絡(luò)搜索，結(jié)合圖書資料，在眾多的反應(yīng)路徑中，優(yōu)選實(shí)驗(yàn)方案[2-4]如圖2所示。

圖2 合成反應(yīng)原理Fig.2 Principle of synthetic reaction

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 儀器、試劑

主要試劑：苯甲酰乙腈；甲酸；甲酸鈉；催化劑[7-12](自制，回收再用)；無水硫酸鈉；一瓶氮?dú)猓伙柡褪雏}水；石油醚；乙酸乙酯；正己烷；異丙醇。

圖3 合成實(shí)驗(yàn)主要儀器Fig.3 Main instruments of synthetic experiment

主要儀器：薄層色譜板；層析容器；RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；湘儀H-2050R型離心機(jī)(配25 mL離心管)；島津SPD-M20A型高效液相色譜(HPLC)；手性柱 Daicel OJ-H(φ0.46 cm×25 cm)；WXG-4L目視旋光儀。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)反應(yīng)

取18 mL甲酸和甲酸鈉混合水溶液[18 mmol，2.0 mol·L-1的甲酸和2.0 mol·L-1甲酸鈉混合(1:1)，pH值約為 3.73]加入到100 mL的三口圓底燒瓶中，充N2驅(qū)O2(約3分鐘)，再加入65 g(15 μmol)自制固體催化劑、0.435 g苯甲酰乙腈(3 mmol)到三口圓底燒瓶中，再次充N2氣1 min，混合物在室溫下攪拌反應(yīng)。

(2)反應(yīng)進(jìn)程檢測

用薄層色譜法(TLC，展開劑：乙酸乙酯:石油醚=1:5)跟蹤反應(yīng)的進(jìn)程，如圖3 所示，當(dāng)?shù)孜锉郊柞Ｒ译娴陌唿c(diǎn)變淡時(shí)，苯甲酰乙腈完全轉(zhuǎn)化3-羥基-3苯基丙腈[13](芳香醇)，反應(yīng)約3～28 h。

(3)離心分離催化劑

待反應(yīng)完成以后，混合物轉(zhuǎn)移到25 mL離心試管中，配重離心，逐漸調(diào)到8000 r·min-1檔，離心約2 min，當(dāng)固體催化劑和液體分離完全，小心傾出液體到30 mL分液漏斗中，以備下一步使用，固體用10滴乙醇潤洗后，離心分離回收，以備重復(fù)利用。

(4)產(chǎn)品分離純化

液相部分用4 mL×3乙酸乙酯萃取，合并萃取液(乙酸乙酯層)，用3滴(0.15 mL)飽和食鹽水洗滌后，0.2 g無水硫酸鈉干燥，上層液再轉(zhuǎn)入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，控制30 ℃，0.01 MPa，旋蒸去掉乙酸乙酯。收集產(chǎn)物，用電子天平稱重，計(jì)算產(chǎn)率(各批次產(chǎn)品編號(hào)保存，準(zhǔn)備外測使用)。

(5)手性對(duì)應(yīng)異構(gòu)含量測定HPLC法

高效液相色譜法(HPLC)測得產(chǎn)物的對(duì)應(yīng)異構(gòu)體含量及e.e.值：島津SPD-M20A型高效液相色譜儀，采用手性柱 Daicel OJ-H chiralcel (φ0.46 cm×25 cm)，UV-Vis檢測器，λ=215 nm，測試溫度為 35 ℃，流動(dòng)相[V正己烷:V異丙醇=90:10，流速為1.0 mL·min-1]，分析測定3-羥基-3苯基丙腈的對(duì)映異構(gòu)體R、S型的含量，計(jì)算3-羥基-3苯基丙腈對(duì)映異構(gòu)體過量率e.e.值，e.e.=S%-R% =92.5%-7.5%=85.0%(使用峰面積為全部轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，提供編號(hào)產(chǎn)品，送測得數(shù)據(jù))。

圖4 3-羥基-3苯基丙腈高效液相色譜HPLCFig.4 HPLC of 3-hydroxy-3-phenylpropionitrile

4 產(chǎn)品表征

經(jīng)純化后的產(chǎn)品用元素分析儀分析元素含量，用核磁共振光譜儀檢測產(chǎn)物1H NMR譜，用于確定其分子的結(jié)構(gòu)或特殊官能團(tuán)，旋光儀測比旋光度用于比對(duì)，通過結(jié)果分析推理來進(jìn)一步確證合成產(chǎn)品。如圖5所示。

圖5 分析表征儀器Fig.5 Analysis and characterization instrument

4.1 元素檢測結(jié)果分析

純化后的產(chǎn)品外測，他們精確稱取純化后的產(chǎn)品約2 mg，使用Vario EL Series III 型元素分析儀在O模式下測定:C, 73.45%; H, 6.16%; N, 9.52%; 10.87%。擬合物質(zhì)實(shí)驗(yàn)式C9H9NO(提供產(chǎn)品，教師送檢分析)。

4.2 核磁氫譜結(jié)果分析

送外測量，他們用bruker公司Avance400型核磁共振儀，采集產(chǎn)物的1H NMR (CDCl3，400 MHz)信息，得圖6，可以看出，化學(xué)位移吸收峰δ7.38～7.28(m，5H)是芳環(huán)上的氫峰(Ph-)，δ5.17(br，1H)為羥基氫峰(-O-H)，δ4.88～4.85(t，1H)為與羥基相連接的次甲基上的氫峰-CH(OH)-，δ3.08～2.59(dq，2H)為亞甲基上的兩個(gè)氫峰-CH2-，四者的積分面積比大約為5:1:1:2，可以確定有Ph-、-O-H、-CH(OH)-、-CH2-基團(tuán)。考慮反應(yīng)的底物是苯甲酰乙腈，實(shí)驗(yàn)式是C9H9NO，推測產(chǎn)物結(jié)構(gòu)應(yīng)為PhCH(OH)CH2CN，判定產(chǎn)物為仲型醇：3-羥基-3苯基丙腈(提供產(chǎn)品，省大型儀器平臺(tái)協(xié)作檢測，結(jié)果反饋給學(xué)生)。

圖6 3-羥基-3苯基丙腈1H NMR譜Fig.6 1H NMR spectra of 3-hydroxy-3 phenylpropionitrile

4.3 旋光度的測定

5 注意事項(xiàng)

(1)苯甲酰乙腈和甲酸、甲酸鈉水溶液需除氧，因本身是氧化還原反應(yīng)，充N2氣驅(qū)O2減少氧化副反應(yīng)。

(2)薄層層析點(diǎn)樣時(shí)點(diǎn)要細(xì)，直徑不要大于2 mm，間隔0.5 cm，點(diǎn)樣端要距浸入展開劑面0.5 cm以上，展開劑不可沒過樣品原點(diǎn)，距薄板上端0.5～1 cm時(shí)要及時(shí)將板取出。

(3)萃取要排空氣，分液漏斗是否緊密，分液要徹底，上層物從上口放出，下層物從下口放處。

(4)離心機(jī)使用要注意：放平、配重平衡、逐級(jí)啟動(dòng)、完全靜止、輕輕傾去液體，取出固體。

(5)液體洗滌干燥時(shí)，要用飽和食鹽水或無水硫酸鈉充分混合，振搖，分別從上口傾倒出即可。

(6)旋蒸儀接口涂少量凡土林，瓶內(nèi)的液面最好低于水浴加熱的液面，以免中軸受損！蒸餾瓶溶液裝溶劑一般不能超過50%，關(guān)閉旋蒸儀的時(shí)候必須先減壓再關(guān)閉真空泵，防止倒吸，使用過程必須有人在場，暴沸時(shí)進(jìn)行減壓操作，一般先開冷卻裝置，再加熱防止溶劑揮發(fā)，回收溶劑瓶一定要用升降臺(tái)支撐好，防止回收溶劑多時(shí)瓶子掉下來。

6 結(jié) 語

本優(yōu)選綜合實(shí)驗(yàn)，貫穿了合成物質(zhì)的一般方法：文獻(xiàn)調(diào)研(圖書網(wǎng)絡(luò))→設(shè)計(jì)方案→優(yōu)化分析→實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備→操作實(shí)驗(yàn)→反應(yīng)后分離提純、計(jì)算產(chǎn)率→產(chǎn)品表征，學(xué)生鞏固基礎(chǔ)操作和技能，培養(yǎng)了學(xué)生追蹤學(xué)科研究動(dòng)態(tài)、分析比較實(shí)驗(yàn)方法和獨(dú)立完成綜合性實(shí)驗(yàn)的常規(guī)研究模式。如擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)，可以做一下優(yōu)化反應(yīng)的條件，從催化劑、反應(yīng)物濃度、溶劑、溫度、時(shí)間等方面探究。還可以做一下紅外、13C NMR譜，產(chǎn)品結(jié)晶做XRD或中子衍射，以得到權(quán)威確信的構(gòu)型，借此擴(kuò)充化學(xué)科學(xué)研究的深度和廣度。