王培龙,高 慧,刘 根,孟令国
(1.淮北师范大学 信息学院,安徽 淮北 235000;2.淮北师范大学 化学与材料科学学院,安徽 淮北 235000)
电化学碳氢官能团化反应是一类新兴的有机合成方法,正逐步得到越来越多化学家的青睐,势必将成为未来几年有机合成化学研究的新热点[1]。电化学相比于过渡金属催化及光催化反应具有无可比拟的优势。由于电化学应用的是电能,是一种清洁能源,同时电化学反应可以在无金属催化剂,无光催化剂的情况下进行,结合当下全球对环境问题的关注,应用电能进行有机合成反应,环境友好,具有很高的应用价值。同时电化学反应条件温和,一般在室温下或稍稍加热下即可完成,不需要较高的温度,反应时间短。电化学除了可以无催化剂外,另一个重要的优势就是可以不加氧化剂。目前电化学碳氢官能团化反应主要是自由基反应,以往的自由基反应很多需要加入氧化剂来产生自由基,而电化学依靠阳极氧化可以直接产生自由基,阳极氧化直接代替氧化剂的使用。化学反应中大量有毒有害的氧化剂的使用不仅增加反应成本,而且危害人体健康,对环境造成污染。电化学方法可以很好的解决这一问题[2-6]。绿色的有机电化学合成优势显著,但是由于设备、大纲教材更新和教师资源等问题的限制,目前的有机化学本科实验教学依然是传统的反应方法,学生无法接触到前沿的科研热点。因此,利用科研一线有机化学教师已有科研平台将此类前沿热点性的课题研究设计成本科开放性实验,为学生提供更广阔的学习动手空间,可以开拓学生的眼界,弥补传统本科教学的空白,让学生能够紧跟科研的发展脚步。本实验通过设置实验教学步骤,引导学生探究最佳实验条件,识别产物结构,并对反应机理进行探究,有效的培养学生的科研创新能力,使学生可以初步感知到科学研究的内涵,进一步提高实验动手能力,发挥学生自主学习能力,培养科学严谨的工作态度[7-8]。
1.1初步掌握烯基砜的电化学合成方法
1.2熟悉恒电位仪的使用方法
1.3掌握利用ChemBioDraw Ultra软件的基础画图、计算分子量等功能
1.4能够掌握鉴定产物结构的方法
在氮气保护下,以铂为阳极,碳为阴极,50 mol% 碘化钾(KI)为氧化还原介质,四丁基四氟硼酸铵(n-Bu4NBF4)为电解质,苯乙烯和4-甲基苯亚磺酸钠为底物,以二甲基亚砜(DMSO) / 乙酸(AcOH)(v:v = 1:1)为溶剂,室温下恒定12 mA的电流反应10小时,电化学合成烯基砜。
对溶剂进行筛选,包括单一溶剂和混合溶剂。结果发现尽管单一溶剂不能进一步提高产率,但混合溶剂却可以显著提高产率。在混合溶剂中,首先使用N,N-二甲基甲酰胺(DMF) / AcOH(v:v = 1:1),能够实现37%的产率。当使用DMSO / AcOH时,获得了更高的收率(71%)。接下来,分别使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)、乙腈(MeCN)、甲醇(MeOH)、1,4-二氧六环(1,4-dioxane)、吡啶和丙酮,它们在电化学合成中通常用作AcOH的助溶剂。结果表明它们并没有带来任何明显的改善。筛选DMSO和AcOH的体积比后,可以发现最佳比例仍为1:1。其他比例(2:1、1:2、5:1、1:5)对产量有负面影响。
分别使用不同支持电解质检测对电合成的影响。当使用四丁基乙酸铵(n-Bu4NOAc)的收率为66%,略低于使用n-Bu4NBF4的收率,当使用四丁基六氟磷酸铵(n-Bu4NPF6)(61%)和四丁基高氯酸铵(n-Bu4NClO4)(59%)降低了收率。最终选取n-Bu4NBF4作为本反应的电解质。
将反应温度从室温逐渐提高到50℃,产率提高很缓慢,当反应温度为50℃时,产率为73%,最终选取室温作为最佳反应温度。
将氮气替代空气作为保护气,室温条件下反应,产率能够从71%提高到78%,因此选取氮气作为本反应的保护气。
首先向以Pt作阳极(1 cm×1 cm×0.02 cm)和石墨棒作阴极的不分隔电解池中加入固体试剂4-甲基苯亚磺酸钠(2 mmol)、KI(0.5 mmol)和n-Bu4BF4(1 mmol)。将容器抽真空充氮气(3次)。然后,通过注射器依次添加液体试剂苯乙烯(1 mmol),DMSO(3 mL)和AcOH(3 mL)。在室温下以恒定电流(12 mA)进行电解10小时。之后,将反应混合物冷却至室温,用一小段硅胶柱过滤(用EtOAc洗脱)。滤液用水洗涤3次,并用EtOAc萃取。然后将有机层用饱和食盐水洗涤并用无水Na2SO4干燥。使用旋转蒸发仪蒸除溶剂,残余物通过硅胶柱色谱纯化,得到产物。
ChemBioDraw Ultra软件是有机化学科学研究领域中不可缺少的工具,而在常规的本科教学中一般不涉及该软件的使用,在本开放实验中加入了该软件的一些基础功能教学,使学生初步入门。
(1)反应过程示意图的绘制
双击打开软件,单击菜单栏中的“View”后调出“Main Toolbar”、“General Toolbar”和“Style Toolbar”工具栏。在“Main Toolbar”中含有画图所需的各种工具,例如图1反应式中所需要的苯环、单键和双键。通过左单击即可获取,并呈现于右侧的画图区域。“General Toolbar”可用于对文件执行保存、复制、粘贴和撤销等操作,所画图形一般保存为JPEG或TIF等格式。“Style Toolbar”用于对字体字号、加粗、颜色、倾斜、对齐和上下标等进行处理,例如图1反应式中的反应条件的书写即是利用该功能完成。利用上述三个工具栏即可方便地将图1的反应式画出来,如下图所示:
图1 反应式
(2)辅助进行产率计算及结构确认
计算产物产率时需要用到产物的分子量,另外确认产品结构需要测核磁和高分辨质谱数据并进行解析,本软件可通过绘制分子结构来预测核磁谱图,包括氢谱(1H NMR)和碳谱(13C NMR),在解析实际核磁谱图时能够快速确认分子结构;在测高分辨质谱前需要用本软件计算exact mass值,用于在测试时与实测值进行比对,确认分子结构。以本反应的产物烯基砜为例,在软件中画出它的结构式(图1)后左单击页面左侧“Main Toolbar”中的“Marquee”,用鼠标左键圈中该结构式,点击菜单栏“Structure”里的“Predict 1H-NMR Shifts”预测H谱,再点击“Predict13C-NMR Shifts”预测C谱。对于exact mass和分子量,还是先选中该结构式,右单击“Analysis”里面的“Exact Mass”和“Molecular Weight”即可。
产物合成后需要对结构进行表征,将产物装入核磁管(溶剂为氘代氯仿)送至分析测试中心进行核磁测试,测试结果如图2(氢谱)和图3(碳谱)所示。用核磁处理软件“MestReNova”对谱图进行处理,打开该软件,首先定标,在工具栏中选择“reference”按钮,将氘代氯仿(CDCl3)的残留质子信号峰定为7.260,然后再选择“Peak Picking”中的“Peak by Peak”按钮,逐个将所有峰的位移数值定出,再对每组峰进行积分,选择“Intergration”中的“Manual”按钮,逐个对每组峰进行积分。我们可根据所学的知识或根据ChemBioDraw Ultra软件来进行解析:位移为2.43的三个氢为甲基氢,6.85的一个氢为烯基氢,7.27左侧的十个氢为苯环及烯基的氢。
图2 产物1H NMR 图3 产物13C NMR
氢谱解析完后再对碳谱进行解析,仍然要首先定标,位移在77附近的三个峰为内标物的峰,在工具栏中选择“reference”按钮,将三个峰中最中间的峰定为77.16,然后再选择“Peak Picking”中的“Peak by Peak”按钮,逐个将所有峰的位移数值定出来,内标峰左侧为苯环及烯基上的碳,其中需要注意的是苯环上如有对称的两个碳,则两个碳只出一个峰,所以左侧应有十个峰;内标峰右侧为甲基的峰,只有一个。
最后我们用高分辨质谱来测定分子的exact mass,所用光源为ESI光源,在此光源下测得的数值为分子加氢离子后的数值,通过ChemBioDraw Ultra计算我们预测出分子加氢离子后的exact mass值为259.0787,实际测得的值为259.0789,在正常的误差范围内,证明了该化合物分子式准确无误。
通过以上解析,得出了产物的结构如图4及各项数据。
图4 产物结构 图5 反应机理
颜色状态:白色固体,产量: 201.6 mg,产率:78%,1H NMR (600 MHz,CDCl3) δ 7.83 (d,J= 8.3 Hz,2H),7.66 (d,J= 15.4 Hz,1H),7.48-7.46 (m,2H),7.42-7.33 (m,5H),6.85 (d,J= 15.4 Hz,1H),2.43 (s,3H).13C NMR(151 MHz,CDCl3) δ 144.5,142.0,137.7,132.5,131.2,130.1,129.2,128.6,127.8,127.6,21.7. HRMS (ESI) calcd.for C15H15O2S+([M+H]+): 259.0787,found: 259.0789.
根据先前的报道,提出了一种合理的电化学磺化反应机理,如图5所示。首先,通过阳极氧化将碘化物转化为分子碘,然后使其与芳基亚磺酸钠反应生成不稳定的磺酰基碘化物中间体A,进而形成磺酰基和碘自由基。接下来,磺酰基和碘自由基依次插入烯烃中,得到中间体D。最后,D进行HI消除得到所需的磺化产物E和碘负离子,后者被阳极重新氧化以再生分子碘。
(1)烯基砜有哪些重要的应用价值?
(2)目前文献中报道的合成烯基砜的方法有哪些?
(3)本实验与其他合成烯基砜的方法相比有哪些优势?
(4)通过改善其他反应条件能否进一步提高反应产率?
(5)底物中如果有供电子或吸电子取代基时反应活性如何?
(6)除了烯基砜类还有什么具有研究价值的化合物可以通过电化学方法合成?
以教师科研课题和科研平台为基础,设计了合成烯基砜的有机电化学开放实验,充分利用学生的课余时间,让对有机化学感兴趣的学生学习感受科技的最新发展,培养学生的创新思维能力,提高学生实验操作、画图、识图和推测机理等综合能力,为日后攻读硕博或进行科研工作奠定一定基础。