將綠色化學理念引入基礎化學實驗的設計與實踐*

吳彥東，鄭 曄，王崔穎，孟思璇，陳 瓊，邱明強，余廣鰲

(華中師范大學化學學院,湖北 武漢 430079)

隨著人們物質生活的提高和社會工業水平的快速發展，人們的環保意識也在快速提高，人們普遍意識到“綠水青山就是金山銀山”，科學研究實驗(包括教學實驗)中的環境保護問題也越來越受到大家的重視[1-2]。綠色化學強調以綠色意識為指導，研究并設計對環境負作用少，技術及經濟上可行的化學化工生產過程，是從源頭上制止污染的理念和策略。目前，有機化學實驗教學過程中所使用的試劑和藥品絕大多數具有強腐蝕性和高毒性，同時，目前所使用的基礎化學實驗教材內容較陳舊、重結果輕過程、缺乏科學性，這嚴重影響了學生對于化學學科的學習興趣和后續的化學研究興趣[3-4]。化學學科在發展，化學實驗課程的內容和教學模式也應該順應潮流，不斷創新變革。將具有綠色化理念的前沿科研成果轉化為本科生基礎化學實驗，能促進學生對綠色有機合成方法的理解，讓學生系統性的接觸科研前沿，提升研究興趣，培養具有較好研究能力和創新能力的人才[5-8]。

金屬催化的偶聯反應是當今有機合成的重要研究方向并發揮著越來越重要的作用， 三位科學家由于在“鈀催化的交叉偶聯反應”做出開拓性貢獻而榮膺2010年諾貝爾化學獎。其中，Pd催化的芳基鹵代物和有機硼試劑的Suzuki偶聯反應是構建C-C鍵最安全有效的方法之一，該反應具有較好的官能團耐受性等優點，受到大家的廣泛關注，廣泛應用于活性天然產物的全合成，醫藥中間體合成，農藥中間體合成以及OLED材料等[9-13]。本試驗依托于縱向科研項目及研究成果，借助于本科生基礎試驗平臺，將“Suzuki 偶聯反應制備 4,4’-二甲基聯苯”引入到本科生基礎試驗課程中。該實驗中所使用的溶劑為乙醇和水，相較于其他溶劑更為無毒化及綠色化，同時，該基礎化學實驗的實施，補充了學生化學實驗內容的新內容和新過程，擴展學生對偶聯反應的認知，促進學生對金屬催化的偶聯反應，綠色有機合成方法的理解和應用，使學生認識到有機合成化學對醫藥、農藥以及材料科學的重要性，提高科技文獻搜集、閱讀和化合物結構表征和鑒定的綜合能力。

1 實驗目的

(1)掌握Suzuki偶聯反應的基本原理；

(2)掌握化合物合成、監測、分離的方法和手段；

(3)掌握回流、過濾、重結晶等基本實驗操作技術及紅外、核磁、質譜等儀器分析方法；

(4)培養文獻檢索及譜圖分析等方面的綜合能力。

2 實驗原理

聯苯類化合物是一類重要的化工中間體, 廣泛應用于醫藥、農藥、半導體、有機導體和液晶材料等領域[14]。在聯苯類化合物的合成方法中，Suzuki偶聯反應具有安全穩定且廉價易得的多樣性底物、溫和的反應條件、簡便易行的后處理方式等特點和優勢，使其在該領域擁有舉足輕重的地位[15]。該基礎化學實驗“Suzuki 偶聯反應制備4,4’-二甲基聯苯”是基于甲基苯硼酸和對甲基溴苯Suzuki偶聯反應制備4,4’-二甲基聯苯(見圖1)，反應經歷了氧化加成，轉金屬化，還原消除等基元過程。該實驗反應及后處理過程中所使用的溶劑為乙醇和水，相較于其他溶劑更為無毒化及綠色化。該實驗反應條件溫和、產率高、副產物少，且該反應適用于具有空氣和水的條件，有利于學生基于安全簡單的操作接觸并了解諾貝爾化學獎相關反應，使學生認識到有機合成化學對醫藥、農藥以及材 料科學的重要性，開闊學生視野。

圖1 Suzuki 偶聯反應制備4,4’-二甲基聯苯Fig.1 The preparation of 4,4’-dimethylbiphenyl via Suzuki cross-coupling reaction

3 實驗試劑與儀器

試劑及溶劑：催化劑(由老師配制成500 mL乙醇溶液，用時充分搖動，每位同學量取8 mL，每位同學的催化劑由11.2 mg Pd(OAc)2, 35.1 mg 2-二環己基膦聯苯和8 mL乙醇配制而成)，對甲基苯硼酸 0.70 g，對甲基溴苯 0.85 g，K3PO4·3H2O 2.8 g，乙醇20 mL，水20 mL，石油醚5 mL (用于TLC監測反應)，無水硫酸鈉，硅膠(200～300 目)。

儀器：熔點以XT4B顯微熔點儀測定；紅外光譜以KBr壓片用Perkin-Elmer PE紅外光譜儀測定；1H NMR和13C NMR使用Varian Mercury Plus-400 MHz spectrometer系統測定；質譜用裝有EI電離源的SHIMADZU GCMS QP-2020測定。其他常規儀器：恒溫磁力攪拌器，磁力攪拌子，量筒，圓底燒瓶，冷凝管，薄層色譜，層析缸，燒杯和布氏漏斗。

4 教學設計

4.1 實驗預習

(1)教師整理Suzuki偶聯反應相關文獻并提前發放給學生，引導學生了解Suzuki偶聯反應的機理及相關應用。

(2)引導學生自主查閱2010年諾貝爾化學獎相關內容，理解Suzuki偶聯反應的重要性，比較該實驗方法相比于其他實驗方法的優勢。

(3)預習實驗步驟，引導學生理解實驗每一步操作的目的，撰寫實驗預習報告。

4.2 操作步驟

(1)于50 mL三口燒瓶中加入磁子，0.70 g對甲基苯硼酸，0.85 g對甲基溴苯，以及2.80 g K3PO4·3H2O。再加入催化劑的乙醇溶液8 mL。

(2)裝好回流裝置，回流20 min，冷卻1 min，TLC板監測反應(反應物對甲基溴苯為對照物)，繼續回流15 min，冷卻1 min，TLC板監測反應，發現反應完全，冷卻至室溫，向三口燒瓶瓶中加入18 mL乙醇，攪拌3 min。

(3)于布氏漏斗中加入4 g硅膠(200～300 目)，鋪平，加入2 mL乙醇，經抽濾壓實，將反應混合物的乙醇溶液進行減壓抽濾，用2 mL乙醇洗滌硅膠，濾液(大約28 mL)轉移至燒杯中，加入24 mL水，析出白色固體狀的4,4’-二甲基聯苯。抽濾，用2 mL水洗滌固體，80 ℃烘箱中烘干，或晾干，稱重，計算產率。

4.3 注意事項：

(1)在量取配置好的催化劑溶液時，要將其搖勻進行量取及轉移；

(2)加入硅膠進行減壓抽濾時，要將硅膠用乙醇潤濕并壓實。

5 產物數據表征

稱取15 mg 4,4’-二甲基聯苯固體溶于氘代氯仿中，用玻璃滴管轉移至干凈的核磁管內，用核磁共振波譜儀進行檢測。

4,4’-二甲基聯苯，白色固體，m.p. 120～123 ℃; IR (KBr): 3021, 2912, 1495, 1449, 803 cm-1,1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=7.63 (d,J=8.0 Hz, 4H), 7.37 (d,J=8.0 Hz, 4H), 2.53 (s, 6H);13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ=138.2, 136.6, 129.4, 126.8, 21.0。

圖2 4,4’-二甲基聯苯的1H NMR譜圖Fig.2 1H NMR spectra of 4,4’-dimethylbiphenyl

如圖2所示，該化合物的1H NMR圖譜在7.362～7.640出現的2組雙重峰為苯環上的8個氫，在2.529出現的一個單峰為芐位上的6個氫；如圖3所示，13C NMR 圖譜中，在138.2, 136.6,129.4,126.8處出現的 4 個單峰位苯環上的碳信號，在21.0出現的單峰為芐位碳信號。

圖3 4,4’-二甲基聯苯的13C NMR譜圖Fig.3 13C NMR spectra of 4,4’-dimethylbiphenyl

取少量固體置于質譜直接進樣槽中，直接進樣方式進行質譜表征(見圖4)， EI-MS: 182.20。

圖4 4,4’-二甲基聯苯的質譜圖Fig.4 MS spectra of 4,4’-dimethylbiphenyl

6 結 語

該基礎化學實驗從綠色化學的角度出發，以自主學習和實踐的模式完成Suzuki偶聯反應制備4,4’-二甲基聯苯的實驗。實驗中所使用的溶劑為乙醇和水，相較于其他溶劑更為無毒化及綠色化。在實驗過程中，強化學生對綠色有機合成方法的的理解和應用，補充化學實驗內容的新知識和新過程，拓展學生對諾貝爾化學獎反應機理及應用的認知，激發學生對合成化學的興趣。其次，對所合成的化合物進行紅外，核磁、質譜、熔點等表征分析，提升學生對于大型儀器的理解和使用。該基礎實驗包含了相關文獻搜集、文獻閱讀理解、化合物合成及結構表征解析等過程，學生在基礎實驗的過程中得到了系統的訓練，有助于提升學生的科學研究綜合素質以及獨立思考解決問題的能力，為后續深造或工作打好基礎。