有機化學綜合實驗設(shè)計
——以《可見光誘導的β-羰基砜的合成》為例

朱海波，孟 佳，謝宗波

（東華理工大學 化學生物與材料科學學院，江西 南昌 330013）

在化學類專業(yè)實驗課程中，有機化學綜合實驗發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，通過課程的學習，學生的有機化學專業(yè)知識、有機實驗操作技能和創(chuàng)新實踐能力得到進一步提升。然而，當前的有機化學實驗教學比較單調(diào)、固定，學生處于被動狀態(tài)，缺乏自主性和靈活性，思維能力和動手能力不能得到鍛煉。另外，當前高校本科實驗教學中普遍存在實驗內(nèi)容陳舊、實驗設(shè)備老舊、實驗思維固化、缺乏創(chuàng)新性等問題，現(xiàn)有的實驗儀器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代合成的需求，且傳統(tǒng)的合成方法已經(jīng)跟不上現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展速度［1-2］。傳統(tǒng)的有機化學實驗教學與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求背道而馳，嚴重阻礙高等院校培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才。我國一直大力提倡創(chuàng)新型人才隊伍的建設(shè)，而高等院校作為高層次專業(yè)人才的培養(yǎng)基地，更應(yīng)該在傳授學生專業(yè)知識的同時培養(yǎng)其創(chuàng)新能力［3］。

傳統(tǒng)的有機化學實驗通常采用熱反應(yīng)合成方法，常用到有毒性和腐蝕性的化學試劑及溶劑，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物對環(huán)境污染嚴重；試劑消耗量大，不符合現(xiàn)代綠色化學的理念［4-5］。此外，本科生大多存在基礎(chǔ)實驗操作能力差，對學科前沿缺乏認識等問題，因此，亟須一種綠色低毒、安全、簡便的有機合成方法。可見，光作為一種可再生能源，近幾年在有機合成領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)展成為有機合成化學最重要的分支之一。相對于傳統(tǒng)熱反應(yīng)合成，可見光誘導的有機反應(yīng)無需高溫，一般在常溫條件下進行反應(yīng)，用到的溶劑符合綠色化學要求，而且投料及后處理簡單，對環(huán)境污染很小［6-7］，但目前國內(nèi)大多數(shù)高校未將可見光催化有機合成納入本科有機化學實驗教學中。

在“雙一流”建設(shè)背景下［8-9］，探索可見光催化與有機化學實驗結(jié)合教學，將微型有機化學、可見光催化融入教學實驗中，使學生了解當前有機化學的最新研究進展，達到實驗教學與前沿科學研究相結(jié)合的目的；幫助學生鞏固有機化學的基礎(chǔ)理論知識和基礎(chǔ)操作技能，培養(yǎng)學生的實驗操作能力和解決問題的能力，使學生在今后的科研工作中游刃有余，為學生今后的科技創(chuàng)新奠定良好的基礎(chǔ)。

一、實驗設(shè)計思路

實驗內(nèi)容共8課時，拋棄了傳統(tǒng)教學單一化的問題，利用光催化有機反應(yīng)前沿問題，根據(jù)學生的個體性差異，設(shè)計符合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需求的綜合創(chuàng)新實驗，搭建一種新型的光催化有機化學實驗教學，把課堂歸還給學生，讓學生當家做主，教師只進行正確引導。整個實驗過程對比傳統(tǒng)熱反應(yīng)合成，在反應(yīng)操作、后處理、實驗產(chǎn)率及反應(yīng)試劑消耗方面都存在明顯的優(yōu)勢。以水替代1,4-二氧六環(huán)，避免了毒性較大的有機溶劑的使用；試劑用量小，降低了有機實驗成本；不需要高溫回流，可常溫下進行，符合綠色環(huán)保理念。通過實驗的實施，能有效彌補傳統(tǒng)有機合成的缺陷，改變落后的教學思維和陳舊的教材內(nèi)容，幫助學生鞏固基礎(chǔ)理論知識和基礎(chǔ)操作技能的同時，開闊視野，推動學生全面發(fā)展；此外，能夠使學生了解如何從反應(yīng)源頭降低對環(huán)境的污染，減少有毒試劑的使用，減少能耗，激發(fā)學生的社會責任感。

二、實驗前注意事項

學生進入實驗室前，應(yīng)熟悉實驗室的規(guī)章制度及實驗安全知識，熟悉相關(guān)儀器和試劑的使用。

（一）反應(yīng)步驟

向裝有水的試管中，加入苯亞磺酸鈉和2-溴苯乙酮，將該反應(yīng)放置在100W的藍光LED燈下照射，室溫條件下并不斷攪拌約3～5小時。反應(yīng)期間可用薄層色譜（TLC）檢測，直至原料完全消失。攪拌不宜太劇烈，防止原料濺到試管內(nèi)壁析出，導致2-溴苯乙酮有剩余。當2-溴苯乙酮在溶液中消失，將混合液倒入茄形瓶，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮除去水。用乙酸乙酯（EA）作為萃取劑，分兩次萃取，兩次萃取產(chǎn)物合并，加入無水硫酸鈉（Na2SO4）干燥除去有機相中的水分。過濾除掉Na2SO4，得到粗產(chǎn)物β-羰基砜的濾液。濃縮濾液，加入粗硅膠粉拌勻，旋蒸除去溶劑后備用。采用柱層析分離，用一定體積比例的石油醚和乙酸乙酯作為洗脫劑，提純粗產(chǎn)物β-羰基砜。加洗脫劑時要沿層析柱內(nèi)壁傾倒，在樣品層上方加入少量中性氧化鋁，防止倒入洗脫劑時樣品層沖斜。洗脫時，要在紫外燈下觀察產(chǎn)物是否流出或者是否完全流出。最后，將含有產(chǎn)物的洗脫劑合并在一起，放入水浴鍋中旋蒸除掉溶劑得到白色固體β-羰基砜，再使用鼓風干燥箱中干燥、稱重、計算產(chǎn)率、測定產(chǎn)物的熔點、紅外光譜及核磁譜圖，分析化合物的結(jié)構(gòu)。

（二）注意事項

在可見光催化β-羰基砜的合成中，用水作為溶劑，防止固體原料粘在試管內(nèi)壁，應(yīng)先把固體原料用紙槽送到試管底部，然后再加入溶劑水。在對反應(yīng)試管進行光照時，為確保反應(yīng)溫度，LED燈不能靠近試管底物，防止長時間照射使反應(yīng)體系升溫。薄層色譜檢測反應(yīng)進程，用原料苯亞磺酸鈉和2-溴苯乙酮作為已知產(chǎn)物點A和B，用毛細管吸取試管中反應(yīng)液作為C，展開劑展開時，當C中沒有原料B，反應(yīng)可結(jié)束，并記錄原料及產(chǎn)物點的比移值。用層析柱裝硅膠時，為使硅膠均勻裝入層析柱，可以采用干法裝柱或濕法裝柱兩種方法，盡量排除硅膠中的氣泡，保證樣品可以均勻流出。旋蒸水浴溫度不宜過高，防止液體沖出，導致產(chǎn)物損失。產(chǎn)物干燥過程中，鼓風干燥箱溫度不宜過高，以50℃～70℃為宜，防止因溫度過高產(chǎn)物在空氣中變質(zhì)。

三、實驗操作

（一）可見光催化的苯亞磺酸鈉和2-溴苯乙酮的偶聯(lián)

將2-溴苯乙酮（40mg,0.2mmol）和苯亞磺酸鈉（49mg,0.3mmol）放入到一個10毫升的試管中，反應(yīng)裝置如圖1（a）所示，向試管中加入2毫升水，將反應(yīng)置于空氣中，用100瓦的藍光LED燈照射，在磁力攪拌下常溫反應(yīng)3～5小時。反應(yīng)過程中，不斷用薄層色譜板（TLC）檢測，并用原料2-溴苯乙酮作為對照點，檢測該反應(yīng)進度。反應(yīng)結(jié)束后，將試管中反應(yīng)液轉(zhuǎn)移到茄形瓶中，并用少量乙醇洗滌試管2次，洗滌液合并到茄形瓶中。在50℃的水浴下，旋蒸除去水和乙醇，乙酸乙酯作為萃取溶劑，分兩次萃取，每次5毫升。將萃取乙酸乙酯層合并，加入無水Na2SO4干燥劑除水，靜置幾分鐘，過濾得到乙酸乙酯溶液。向粗產(chǎn)物乙酸乙酯溶液中加入2倍量的100～200目硅膠，在40℃水浴中旋蒸除去溶劑，得到硅膠粉末待用。

（二）粗產(chǎn)物β-羰基砜的純化

在帶有砂芯的色譜柱中加入300～400目硅膠，用洗耳球輕輕敲擊柱身，使硅膠均勻填充。打開層析柱開關(guān)，從柱子上端沿管壁輕輕加入石油醚，使石油醚慢慢向下流動潤濕硅膠，如圖1（b）所示，需要注意不斷加入石油醚以防硅膠暴露在空氣中。待石油醚流出層析柱，關(guān)閉四氟開關(guān)，保持硅膠界面上有1厘米高度石油醚。將上述所得粗產(chǎn)物的硅膠粉末，用加料漏斗加入層析柱中，并用洗耳球輕敲除去氣泡，加入棉花防止界面沖斜。從色譜柱上方加入比例為1∶5的乙酸乙酯和石油醚的混合溶劑進行洗脫，每接10毫升的洗脫液，用TLC檢測，將含有β-羰基砜的溶液合并，在40℃水浴中旋蒸除去溶劑得到白色固體β-羰基砜，使用鼓風干燥箱干燥，計算反應(yīng)的產(chǎn)率，測定產(chǎn)物的熔點、紅外光譜及核磁譜圖，分析化合物的結(jié)構(gòu)。

圖1 可見光催化β-羰基砜合成的實驗裝置

四、實驗方案的實施

實驗人員來自應(yīng)用化學專業(yè)大四本科生，共分成兩組，每組15人。其中一組采用傳統(tǒng)熱反應(yīng)合成β-羰基砜，另外一組采用可見光催化微量合成β-羰基砜。

可見光催化合成β-羰基砜教學方案如下。（1）實驗課前學生通過查閱相關(guān)文獻資料，了解β-羰基砜的作用及在醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用，以及傳統(tǒng)合成β-羰基砜的方法及各自的優(yōu)缺點。此外，熟悉光催化與有機反應(yīng)結(jié)合的相關(guān)資料，了解光催化在有機合成中的應(yīng)用。在課前預習掌握實驗的設(shè)計思路、原理及實驗內(nèi)容。（2）結(jié)合本科課程“有機化學理論”中自由基反應(yīng)的內(nèi)容，簡單介紹光催化自由基反應(yīng)的原理，重點講述可見光催化苯亞磺酸鈉與2-溴苯乙酮的自由基偶聯(lián)反應(yīng)機理，以及苯亞磺酸鈉與2-溴苯乙酮的親核取代反應(yīng)的機理。（3）該光催化反應(yīng)投料步驟簡單，在水溶液中常溫下攪拌，并用100瓦藍光LED燈不斷照射。粗產(chǎn)物的后處理用到柱層析分離，鞏固色譜分離方法，包括薄層色譜（TLC）檢測和柱色譜分離等操作。（4）實驗共計8個學時，實驗過程中，教師現(xiàn)場解答問題并指導，對實驗中易發(fā)生的不規(guī)范操作或可能存在的安全隱患給予糾正或者消除，保證實驗的正常順利進行。實驗過程中，遇到意外情況（例如反應(yīng)不完全等），可調(diào)整實驗參數(shù)，并討論參數(shù)改變對結(jié)果的影響。（5）實驗過程中，準確記錄實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，包括反應(yīng)條件、反應(yīng)時間及產(chǎn)品性狀等；實驗結(jié)束后，收集數(shù)據(jù)并歸納，撰寫實驗報告。分別計算傳統(tǒng)熱反應(yīng)合成及可見光催化合成β-羰基砜的收率。（6）對比傳統(tǒng)熱反應(yīng)合成方法和可見光催化合成方法數(shù)據(jù)，討論兩種方法的優(yōu)點和缺點，包括反應(yīng)操作、后處理操作的簡易程度、實驗效率，試劑消耗量，反應(yīng)產(chǎn)生的廢液等，培養(yǎng)學生的綠色環(huán)保意識，激發(fā)學生的社會責任感。

通過實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，β-羰基砜的傳統(tǒng)熱反應(yīng)合成方法需要用到1,4-二氧六環(huán)溶劑，該溶劑有毒，反應(yīng)需要在溫度＞100℃的回流條件下完成，而且反應(yīng)裝置需要回流管加冷凝水，反應(yīng)時間長；后處理過程要用到分液漏斗萃取產(chǎn)物，除去高沸點的1,4-二氧六環(huán)，萃取過程中會導致產(chǎn)物損失，產(chǎn)率降低；此外，產(chǎn)物還需要重結(jié)晶提純，此過程會導致產(chǎn)物的大量損失。總體來說，傳統(tǒng)熱反應(yīng)合成方法需要在高溫條件下反應(yīng)，二氧六環(huán)溶劑有毒，污染環(huán)境，且試劑需求量大，容易造成資源浪費。而可見光催化合成在反應(yīng)操作、后處理、實驗產(chǎn)率及反應(yīng)試劑消耗上都優(yōu)于傳統(tǒng)熱反應(yīng)合成，以水作為反應(yīng)溶劑較為環(huán)保；反應(yīng)時間短；反應(yīng)所需玻璃儀器僅需一支10毫升試管；無須大量的化學試劑，可在毫克級的反應(yīng)條件下得到高產(chǎn)率的β-羰基砜；后處理產(chǎn)物損失量小。總體來說，可見光催化合成方法可在常溫下進行，耗能少，以水作為溶劑，試劑用量小，綠色環(huán)保。

通過對比發(fā)現(xiàn)，雖然傳統(tǒng)熱反應(yīng)合成與可見光催化合成的產(chǎn)物相同，但反應(yīng)機理存在根本性的不同。在傳統(tǒng)熱反應(yīng)中，苯亞磺酸鈉作為親核試劑，與親電試劑2-溴苯乙酮發(fā)生反應(yīng)得到β-羰基砜，整個反應(yīng)不產(chǎn)生自由基；而可見光催化的機理有苯乙酮自由基的產(chǎn)生，然后與苯亞磺酸鈉發(fā)生自由基反應(yīng)得到目標產(chǎn)物，2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TMPEO）可以抑制產(chǎn)物的生成。因此，學生在實驗前應(yīng)充分預習，查閱文獻資料，在實驗中仔細聽教師講解。此外，在兩組對比實驗中發(fā)現(xiàn)，可見光催化反應(yīng)組的學生積極性更高，實驗興趣濃厚；15組反應(yīng)中，產(chǎn)率普遍較統(tǒng)一，重復性及穩(wěn)定性好，操作要求不高；在后處理中可進一步鞏固色譜分析及分離技術(shù)。

實驗結(jié)束后，收集部分學生的實驗感想和反饋意見，大部分的感想如下：常規(guī)有機反應(yīng)副產(chǎn)物很多，而這個光催化反應(yīng)副產(chǎn)物很少，分離很容易；反應(yīng)操作起來較為容易，也不用加熱回流，在燈下面攪拌就好了，感覺很神奇；終于不用味道很大的有機溶劑了，反應(yīng)干凈又安全；但也有部分學生反映不理解可見光催化該反應(yīng)的機理，反應(yīng)體系中自由基的生成過程等。

結(jié)語

實驗將可見光催化融入有機反應(yīng)中，綜合了微量合成、綠色化學、光催化及有機物結(jié)構(gòu)分析等知識，將β-羰基砜的光催化合成、柱色譜提純及表征融為一體，學生不僅可以了解光催化有機合成領(lǐng)域的前沿技術(shù)，同時實踐能力得到了提高。除此以外，實驗改革能夠提高學生對基礎(chǔ)有機化學實驗的濃厚興趣和積極性，在反應(yīng)操作、后處理、實驗產(chǎn)率等方面存在顯著的優(yōu)勢，無需有毒的有機溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，綠色環(huán)保，可以在毫克級的反應(yīng)下得到高產(chǎn)率的產(chǎn)物，便于較大規(guī)模的展開與推廣。