将绿色化学理念引入基础化学实验的设计与实践*

吴彦东，郑 晔，王崔颖，孟思璇，陈 琼，邱明强，余广鳌

(华中师范大学化学学院,湖北 武汉 430079)

随着人们物质生活的提高和社会工业水平的快速发展，人们的环保意识也在快速提高，人们普遍意识到“绿水青山就是金山银山”，科学研究实验(包括教学实验)中的环境保护问题也越来越受到大家的重视[1-2]。绿色化学强调以绿色意识为指导，研究并设计对环境负作用少，技术及经济上可行的化学化工生产过程，是从源头上制止污染的理念和策略。目前，有机化学实验教学过程中所使用的试剂和药品绝大多数具有强腐蚀性和高毒性，同时，目前所使用的基础化学实验教材内容较陈旧、重结果轻过程、缺乏科学性，这严重影响了学生对于化学学科的学习兴趣和后续的化学研究兴趣[3-4]。化学学科在发展，化学实验课程的内容和教学模式也应该顺应潮流，不断创新变革。将具有绿色化理念的前沿科研成果转化为本科生基础化学实验，能促进学生对绿色有机合成方法的理解，让学生系统性的接触科研前沿，提升研究兴趣，培养具有较好研究能力和创新能力的人才[5-8]。

金属催化的偶联反应是当今有机合成的重要研究方向并发挥着越来越重要的作用， 三位科学家由于在“钯催化的交叉偶联反应”做出开拓性贡献而荣膺2010年诺贝尔化学奖。其中，Pd催化的芳基卤代物和有机硼试剂的Suzuki偶联反应是构建C-C键最安全有效的方法之一，该反应具有较好的官能团耐受性等优点，受到大家的广泛关注，广泛应用于活性天然产物的全合成，医药中间体合成，农药中间体合成以及OLED材料等[9-13]。本试验依托于纵向科研项目及研究成果，借助于本科生基础试验平台，将“Suzuki 偶联反应制备 4,4’-二甲基联苯”引入到本科生基础试验课程中。该实验中所使用的溶剂为乙醇和水，相较于其他溶剂更为无毒化及绿色化，同时，该基础化学实验的实施，补充了学生化学实验内容的新内容和新过程，扩展学生对偶联反应的认知，促进学生对金属催化的偶联反应，绿色有机合成方法的理解和应用，使学生认识到有机合成化学对医药、农药以及材料科学的重要性，提高科技文献搜集、阅读和化合物结构表征和鉴定的综合能力。

1 实验目的

(1)掌握Suzuki偶联反应的基本原理；

(2)掌握化合物合成、监测、分离的方法和手段；

(3)掌握回流、过滤、重结晶等基本实验操作技术及红外、核磁、质谱等仪器分析方法；

(4)培养文献检索及谱图分析等方面的综合能力。

2 实验原理

联苯类化合物是一类重要的化工中间体, 广泛应用于医药、农药、半导体、有机导体和液晶材料等领域[14]。在联苯类化合物的合成方法中，Suzuki偶联反应具有安全稳定且廉价易得的多样性底物、温和的反应条件、简便易行的后处理方式等特点和优势，使其在该领域拥有举足轻重的地位[15]。该基础化学实验“Suzuki 偶联反应制备4,4’-二甲基联苯”是基于甲基苯硼酸和对甲基溴苯Suzuki偶联反应制备4,4’-二甲基联苯(见图1)，反应经历了氧化加成，转金属化，还原消除等基元过程。该实验反应及后处理过程中所使用的溶剂为乙醇和水，相较于其他溶剂更为无毒化及绿色化。该实验反应条件温和、产率高、副产物少，且该反应适用于具有空气和水的条件，有利于学生基于安全简单的操作接触并了解诺贝尔化学奖相关反应，使学生认识到有机合成化学对医药、农药以及材 料科学的重要性，开阔学生视野。

图1 Suzuki 偶联反应制备4,4’-二甲基联苯Fig.1 The preparation of 4,4’-dimethylbiphenyl via Suzuki cross-coupling reaction

3 实验试剂与仪器

试剂及溶剂：催化剂(由老师配制成500 mL乙醇溶液，用时充分摇动，每位同学量取8 mL，每位同学的催化剂由11.2 mg Pd(OAc)2, 35.1 mg 2-二环己基膦联苯和8 mL乙醇配制而成)，对甲基苯硼酸 0.70 g，对甲基溴苯 0.85 g，K3PO4·3H2O 2.8 g，乙醇20 mL，水20 mL，石油醚5 mL (用于TLC监测反应)，无水硫酸钠，硅胶(200～300 目)。

仪器：熔点以XT4B显微熔点仪测定；红外光谱以KBr压片用Perkin-Elmer PE红外光谱仪测定；1H NMR和13C NMR使用Varian Mercury Plus-400 MHz spectrometer系统测定；质谱用装有EI电离源的SHIMADZU GCMS QP-2020测定。其他常规仪器：恒温磁力搅拌器，磁力搅拌子，量筒，圆底烧瓶，冷凝管，薄层色谱，层析缸，烧杯和布氏漏斗。

4 教学设计

4.1 实验预习

(1)教师整理Suzuki偶联反应相关文献并提前发放给学生，引导学生了解Suzuki偶联反应的机理及相关应用。

(2)引导学生自主查阅2010年诺贝尔化学奖相关内容，理解Suzuki偶联反应的重要性，比较该实验方法相比于其他实验方法的优势。

(3)预习实验步骤，引导学生理解实验每一步操作的目的，撰写实验预习报告。

4.2 操作步骤

(1)于50 mL三口烧瓶中加入磁子，0.70 g对甲基苯硼酸，0.85 g对甲基溴苯，以及2.80 g K3PO4·3H2O。再加入催化剂的乙醇溶液8 mL。

(2)装好回流装置，回流20 min，冷却1 min，TLC板监测反应(反应物对甲基溴苯为对照物)，继续回流15 min，冷却1 min，TLC板监测反应，发现反应完全，冷却至室温，向三口烧瓶瓶中加入18 mL乙醇，搅拌3 min。

(3)于布氏漏斗中加入4 g硅胶(200～300 目)，铺平，加入2 mL乙醇，经抽滤压实，将反应混合物的乙醇溶液进行减压抽滤，用2 mL乙醇洗涤硅胶，滤液(大约28 mL)转移至烧杯中，加入24 mL水，析出白色固体状的4,4’-二甲基联苯。抽滤，用2 mL水洗涤固体，80 ℃烘箱中烘干，或晾干，称重，计算产率。

4.3 注意事项：

(1)在量取配置好的催化剂溶液时，要将其摇匀进行量取及转移；

(2)加入硅胶进行减压抽滤时，要将硅胶用乙醇润湿并压实。

5 产物数据表征

称取15 mg 4,4’-二甲基联苯固体溶于氘代氯仿中，用玻璃滴管转移至干净的核磁管内，用核磁共振波谱仪进行检测。

4,4’-二甲基联苯，白色固体，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。

图2 4,4’-二甲基联苯的1H NMR谱图Fig.2 1H NMR spectra of 4,4’-dimethylbiphenyl

如图2所示，该化合物的1H NMR图谱在7.362～7.640出现的2组双重峰为苯环上的8个氢，在2.529出现的一个单峰为苄位上的6个氢；如图3所示，13C NMR 图谱中，在138.2, 136.6,129.4,126.8处出现的 4 个单峰位苯环上的碳信号，在21.0出现的单峰为苄位碳信号。

图3 4,4’-二甲基联苯的13C NMR谱图Fig.3 13C NMR spectra of 4,4’-dimethylbiphenyl

取少量固体置于质谱直接进样槽中，直接进样方式进行质谱表征(见图4)， EI-MS: 182.20。

图4 4,4’-二甲基联苯的质谱图Fig.4 MS spectra of 4,4’-dimethylbiphenyl

6 结 语

该基础化学实验从绿色化学的角度出发，以自主学习和实践的模式完成Suzuki偶联反应制备4,4’-二甲基联苯的实验。实验中所使用的溶剂为乙醇和水，相较于其他溶剂更为无毒化及绿色化。在实验过程中，强化学生对绿色有机合成方法的的理解和应用，补充化学实验内容的新知识和新过程，拓展学生对诺贝尔化学奖反应机理及应用的认知，激发学生对合成化学的兴趣。其次，对所合成的化合物进行红外，核磁、质谱、熔点等表征分析，提升学生对于大型仪器的理解和使用。该基础实验包含了相关文献搜集、文献阅读理解、化合物合成及结构表征解析等过程，学生在基础实验的过程中得到了系统的训练，有助于提升学生的科学研究综合素质以及独立思考解决问题的能力，为后续深造或工作打好基础。