基于可見光催化硫醚氧化的有機化學綜合實驗設計

朱海波

（東華理工大學化學生物與材料科學學院，江西 南昌 330013）

亞砜類化合物作為一種重要的中間體，在精細化工、醫藥、農藥、合成纖維、塑料、印染、稀有金屬提取劑、有機合成等行業得到了廣泛的應用。因此，發展高效、無毒害、無廢物的選擇性合成亞砜的方法無論從經濟利益和環境影響兩個方面都具有重要意義，硫化物的氧化通常被認為是最直接和最有效的合成策略之一。盡管該類反應在大學有機化學理論教學中被作為講授內容，但是國內很少有高等院校將硫醚選擇性氧化作為本科有機化學實驗教學。

硫醚的選擇性氧化不能作為大學基礎有機化學實驗，其主要原因是該反應使用強毒性、強氧化性及腐蝕性的氧化劑，價格昂貴，穩定性差；且氧化副產物對環境污染嚴重；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；這些缺陷都導致這類合成方法難以滿足現代綠色有機合成的需求。此外，由于本科教學實驗時間有限，對有機反應的反應時間、后處理過程要求很嚴格，且大一學生基礎實驗操作能力較弱，開展硫醚選擇性氧化實驗難度較大。因此，開發一種綠色低毒、安全、簡便的催化氧化方法，以高產率和高選擇性合成亞砜，且能夠在基礎有機化學實驗教學中開展，會讓學生對綠色化學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，直接將硫化物轉化為亞砜，實驗操作簡單，因此可以被應用于大學基礎有機化學的教學實驗中。同時，我們也希望該反應能被國內高等院?；A有機化學實驗教學采用，幫助化學相關專業的學生深入了解綠化化學的意識。

1 本實驗設計的基本思路

該實驗內容為8課時，實驗課以學生為主體，自己動手，獨立思考。課前學生需要知道有機化學實驗室的安全知識，常用有機試劑和溶劑的理化性質，熟悉有機實驗玻璃儀器的使用，做好實驗預習，嚴格操作規程，實驗過程中遵循小量、回收及重復使用等原則。此外，與傳統有機實驗相比，本實驗內容側重于微量化，倡導綠色化學。在保證教學效果的前提下，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，降低了實驗對環境的污染。通過本實驗教學，可增強學生的微量實驗操作技能，培養良好的科研態度；積極鼓勵學生查閱文獻，了解綠色有機化學實驗的意義，培養大學生的環保意識。

2 實驗前的準備

學生進入實驗室后，整理相關儀器和試劑，檢查反應裝置的氣密性。熟悉實驗室氧氣瓶的使用方法，氧氣為助燃氣體，必須遠離明火。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，此時調節閥為關閉狀態。接好氧氣球，打開調節閥，調節流量在正常值（1.5升-2升/分鐘）直至氧氣球在正常壓力范圍內。反應步驟：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，反應然后將氧氣球套入到滴液漏洞上方，使整個反應體系充滿氧氣。將該反應放置在100W的藍光LED燈下照射，室溫條件下并不斷攪拌約4-6小時。反應期間可用薄層色譜（TLC）檢測，直至原料完全消失。反應過程中，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，也可重新換氧氣直至反應結束。攪拌不宜太劇烈，防止原料濺到圓底燒瓶內壁，致使反應不完全。反應結束后，撤去氧氣球，反應體系倒出，用旋轉蒸發儀濃縮除去反應溶劑。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，濃縮得到亞砜粗產物。采用柱色譜提純粗產物亞砜，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物點時開始收集流出液，等到紫外燈下沒有亞砜產物時停止收集。然后合并流出液，用旋轉蒸發儀蒸干除去溶劑，得到淡黃色固體，可以通過測定熔點和核磁共振氫譜對產物進行表征。

充氧氣球的時候，扭動氧氣瓶的調節閥，一定要緩慢，使氣流穩定并充滿氧氣球達到正常壓力。在4-甲氧基苯甲硫醚的選擇性氧化反應中，用的是混合溶劑甲醇和水，因此在加原料的時候，應先把4-甲氧基苯甲硫醚加到甲醇溶液中溶解后，在加入水攪拌，使反應體系溶清。反應開始之前，可稍微用氧氣置換體系中空氣1-2次；在對該反應體系進行光照時，為了確保反應在室溫條件下，100W的LED燈不能靠圓底燒瓶太近，防止長時間照射使反應體系升溫。反應過程中，用薄層色譜TLC檢測反應體系，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。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。反應結束后，用柱色譜分離粗產物之前，必須用TLC算好原料和產物的Rf值，并以此數值作為參考進行柱色譜分離。分離結束后，用旋轉蒸發儀除去溶劑時，溫度不能過高，防止產物暴沸隨溶劑沖出，導致產率損失。

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）。用氧氣球置換反應體系中的空氣1-2次，將反應置于氧氣條件下，在100 W的藍光LED燈照射下，攪拌條件下反應4-6小時。反應4小時后，用毛細管取樣，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。反應結束后，將圓底燒瓶中反應液倒入50 mL茄形瓶中，用旋轉蒸發儀除去溶劑，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。向上述的粗產物二氯甲烷溶液中，加入2倍量的硅膠（100-200目），用旋轉蒸發儀蒸干得硅膠粉末，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，將含有產物亞砜的流出液合并，用旋轉蒸發儀蒸干得到淡黃色固體。稱重并計算產率，通過測定熔點、核磁共振氫譜、碳譜對產物進行表征。

4 結論

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