香芹酮的选择性环氧化

李玲，张学艳，汪小满，凌剑，史勇

云南大学化学科学与工程学院，昆明 650091

1 引言

有机化学反应常存在三类选择性：化学选择性、区域选择性和立体选择性[1]。化学选择性指反应条件在各官能团之间的选择性，区域选择性指对某一体系或官能团不同位置的选择性，立体选择性则指反应优先生成某一立体异构体的选择性；化学选择性、区域选择性和立体选择性分别对应一个反应的Which (哪个官能团参与反应)、Where (在官能团/体系的哪个位置反应)和How (如何进行反应，产物的立体化学)三个侧面[2]。有机合成中所有重要策略设计都要求分子能按照所要求的方式结合，即需要对选择性进行控制，故选择性及其控制是有机化学研究最重要的课题之一。

当前本科有机教学实验涉及有机物的性质和合成实验、天然产物提取等内容，注重对单个反应原理的介绍以及对一些基本操作的培养，虽然不断有新反应、新技术、新方法和新仪器等体现学科发展的内容被收入实验教材，但围绕某一核心概念选取多个反应组合成一个实验的做法还比较少[3–5]。我们认为，让学生通过对比实验切身体会一些已在理论课上学过的概念会是一种极有意义的教学尝试，因此设计了组合左旋香芹酮的两个环氧化反应以体现化学选择性与立体选择性的创新实验。

如图1所示，本实验以两种氧化体系实现对香芹酮双键的选择性环氧化[6–9]。以间氯过氧苯甲酸(mCPBA)对香芹酮富电子的碳碳双键进行环氧化，反应无立体选择性，所得产物为一对异构体混合物；再以双氧水/氢氧化钠对香芹酮缺电子的碳碳双键进行环氧化，反应具有高立体选择性，产物为单一的立体异构体。

图1 香芹酮的两种环氧化反应

2 实验部分

2.1 实验原理

香芹酮有两个烯烃单元，一个是侧链异丙烯基的双键，一个是α,β-不饱和酮的双键。前者为电子云密度较高的1,1-二烷基取代双键，后者与羰基共轭，为缺电子双键，故前者与亲电试剂反应活性较高，后者易与亲核试剂反应。利用两个烯烃单元化学性质的差异，即可对其进行选择性环氧化：使用亲电型氧化剂(间氯过氧苯甲酸)可选择性氧化富电子碳碳双键，给出环氧化合物2；使用亲核型环氧化条件(双氧水/氢氧化钠)则选择性氧化缺电子碳碳双键，给出环氧化合物3。反应机理见图2。

图2 两种环氧化反应的机理

此外，香芹酮中与环系相连的异丙烯单元由于连接的碳碳单键可自由旋转，双键的两面缺乏区分性因素，发生环氧化机会均等，反应没有立体选择性，产物为一对不可分的立体异构体混合物。而处于环中的缺电子双键因上下两面位阻相差较大，环氧化优先从位阻较小的一面发生，展示出很好的立体选择性，产物为单一的立体异构体。

2.2 实验试剂和仪器

试剂：左旋香芹酮(分析纯)、间氯过氧苯甲酸(85%)、30%双氧水、氢氧化钠(分析纯)、碳酸氢钠(分析纯)、硫代硫酸钠(分析纯)、无水硫酸钠(分析纯)、二氯甲烷(分析纯)、甲醇(分析纯)、乙酸乙酯(分析纯)、石油醚(分析纯)。

仪器：磁力搅拌器、分析天平、旋转蒸发仪、水循环真空泵、玻璃仪器。

2.3 实验步骤

2.3.1 间氯过氧苯甲酸氧化香芹酮制备环氧化合物(2)

1) 称取左旋香芹酮(300 mg，2.0 mmol，1.0 equiv)于50 mL茄形瓶中，加入10 mL二氯甲烷，磁力搅拌下加入间氯过氧苯甲酸(85%，4.781 g，23.5 mmol，1.2 equiv)固体，室温下搅拌反应。

2) TLC监测反应进度(展开剂：V(石油醚)/V(乙酸乙酯) = 5/1；显色剂：紫外、磷钼酸或高锰酸钾溶液)，约1.0–1.5 h原料转化完全。

3) 向反应瓶中加入饱和硫代硫酸钠水溶液5 mL淬灭反应，加入20 mL二氯甲烷稀释，5 min后将反应液转移至50 mL分液漏斗内，静置分层，分液后下层有机相先后用饱和碳酸氢钠水溶液10 mL和饱和食盐水10 mL洗涤，而后转移至100 mL锥形瓶中，加入无水硫酸钠干燥0.5–1 h。

4) 将干燥后的有机相过滤入100 mL茄形瓶中，于旋转蒸发仪上浓缩除去二氯甲烷，得无色液体281 mg，收率86%。粗产品纯度较好，8课时的教学实验可安排柱层析纯化，硅胶柱快速柱层析，V(石油醚)/V(乙酸乙酯) = 5/1淋洗，收率约80%。

2.3.2 双氧水氧化香芹酮制备环氧化合物(3)

1) 称取左旋香芹酮(300 mg，2.0 mmol，1.0 equiv)于50 mL茄形瓶中，加入5 mL甲醇，将反应瓶置于冰水浴中，磁力搅拌下依次加入30%双氧水(0.50 mL)和氢氧化钠(80 mg，2.0 mmol，1.0 equiv)，在冰水浴下搅拌反应。

2) TLC监测反应进度(展开剂：V(石油醚)/V(乙酸乙酯) = 5/1；显色剂：紫外、磷钼酸或高锰酸钾溶液)，约1.0–1.5 h原料转化完全。

3) 向反应瓶中缓慢加入饱和硫代硫酸钠水溶液5 mL淬灭反应，5 min后加入乙酸乙酯40 mL稀释并将反应混合液转移至100 mL分液漏斗中，静置分层，分液后上层有机相用饱和食盐水10 mL洗涤，转移至100 mL锥形瓶中，加入无水硫酸钠干燥0.5–1.0 h。

4) 将干燥后的有机相过滤入100 mL茄形瓶中，于旋转蒸发仪上浓缩除去乙酸乙酯，得无色液体296 mg，收率90%。粗产品纯度较好，8课时的教学实验可安排柱层析纯化，硅胶柱快速柱层析，V(石油醚)/V(乙酸乙酯) = 5/1淋洗，收率在80%以上。

2.3.3 注意事项

1) 实验过程须佩戴手套，避免直接接触试剂，有条件可在通风橱中进行实验。

2) 反应规模较大时，氧化剂的加入和淬灭须小心进行，避免反应过于剧烈。

3 结果与讨论

3.1 实施建议

经反复验证，本实验涉及的两个反应可在0.1–10 g规模稳定进行，综合考量实验操作便利性和成本，教学实验建议规模为300 mg (2.0 mmol)。可根据实际情况安排单人实验或双人分组实验，并根据课时确定是否安排柱层析纯化，经实践，8个学时的时间可安排进行一次柱层析纯化。

3.2 反应选择性的判断

本实验重点在于让学生看到反应结果如何体现出选择性这一问题，不同反应位点/产物是选择性最直观的体现，可通过薄层色谱法或核磁共振氢谱两种方式来进行分析。

薄层色谱法是有机化学实验常用的反应监测手段，反应液中原料点消失可判断反应完全，两种氧化条件下产物比移值不同，可知反应产物不同。本实验使用紫外和磷钼酸(或高锰酸钾)两种显色方式，可在监测反应进程的同时对环氧化反应位点进行简单判断。如图3所示，香芹酮及两种环氧化产物都含有碳碳双键，可被磷钼酸或高锰酸钾氧化而显色。mCPBA环氧化产物2能在紫外光照射下显色，表明产物仍然存在不饱和酮的共轭体系，反应发生在侧链的碳碳双键上；双氧水环氧化产物3不能在紫外光照射下显色，表明共轭体系已被破坏，反应发生在缺电子碳碳双键上。

图3 产物薄层色谱显色示意图

核磁共振氢谱可更明确地对反应位点及立体选择性进行判断。香芹酮与本实验相关的信号主要是两个碳碳双键的烯氢及相应的烯丙位甲基：异丙烯基双键的两个烯氢化学位移分别为4.80和4.75，α,β-不饱和酮双键烯氢化学位移为6.74，两个烯丙位甲基的化学位移分别为1.78和1.74。对照原料和产物的核磁信号差别即可判断出反应位点并鉴定出产物结构。如图4所示，对比香芹酮与环氧产物2的核磁氢谱可看出，异丙烯基的碳碳双键烯氢信号消失，在2.60附近出现环氧信号，原烯丙位甲基的信号也向高场位移至1.30处，该甲基信号本应为单峰，而谱图上出现比例相近的两个单峰，其他信号也出现一定程度的复杂化，表明是一对异构体混合物，mCPBA可选择性环氧化富电子的碳碳双键且氧化反应无立体选择性。同样，香芹酮经过氧化氢/氢氧化钠氧化后，α,β-不饱和酮的碳碳双键烯氢消失，在3.44处出现环氧信号，对应的烯丙位甲基信号也向高场移动到1.41且为明确的单峰，说明该体系可选择性环氧化缺电子碳碳双键且氧化反应有较好的立体选择性。

图4 香芹酮和环氧化产物核磁共振氢谱对照图

3.3 关于选择性的进一步思考

一般情况下，三种选择性所指比较明确，但偶尔会出现模棱两可的现象，同一个反应既能被表述为化学选择性，又能被表述为区域选择性，灵活性较高，交流时需留意，以免造成误解。

化学选择性出现模糊性源于对定义的不同理解，即化学选择性是试剂对两种还是两个官能团的区别性反应。按前一种理解，同一种官能团的区分性反应就不能称为化学选择性，例如本实验底物香芹酮的两个碳碳双键。按后一种理解，性质不同的同种官能团间的区分性反应也可称为化学选择性转化，香芹酮的两个碳碳双键性质有异，环氧化属于化学选择性转化。

区域选择性出现模糊性主要源于对体系的选取，观察者可根据不同的语境或视角选取体系，同一转化放在不同体系里可能就是不同的选择性。例如，讲解不饱和醛酮的1,2-加成和1,4-加成时，通常将羰基和烯烃视作一个(官能团)体系，对其中之一进行加成称之为区域选择性加成，但如果把醛酮和烯烃看作独立的官能团，就该描述为化学选择性加成。因此，在本实验中，如果将不饱和酮看作一个整体，双氧水/氢氧化钠对双键的环氧化就是一个区域选择性氧化(酮羰基在类似氧化条件下可发生Baeyer-Villiger氧化)，二者分开看待则称为化学选择性氧化。同理，如果将分子当做一个整体，那么对其中任意一个双键进行环氧化也可视作区域选择性环氧化。

总之，描述选择性具有一定的灵活性，有时并没有唯一正确答案。就实验教学而言，让学生切实看到选择性的存在，乃至引发一定程度的深入思考就已经达到目的。就此目的而言，还可以用香芹酮的选择性还原(图5)来达到相同的教学效果。

图5 香芹酮选择性还原反应

4 结语

本实验使用便宜易得的原料和试剂，通过两种不同氧化剂对香芹酮进行选择性环氧化，实验操作简单方便，体系干净、检测方便、时间合理(总耗时6–8课时)，转化效率高且易于处理，适合本科生有机化学实验教学。

本实验具有两个层面的教学意义。在操作技能层面，它包含了常规有机化学实验的基本流程，即投料、薄层色谱监测反应进程、淬灭、后处理和简单纯化等，且在一次实验中须重复该流程两次，有利于加深学生对流程和各单元操作的熟悉程度，并锻炼其通过显色方式和比移值来区分不同化合物以及通过简单核磁共振谱来判断反应位点的能力。多个反应并行是有机化学研究的特点之一，要在给定实验课时内完成两个反应，学生需要合理分配时间同时进行两个反应。更重要的是，两个反应的结果有对比性，在思维层面抛砖引玉，让学生开始看到选择性在实际反应中的表现形式，经思考和练习后，能够在今后的学习中时时注意到选择性的存在，逐渐掌握并可灵活应用这一概念，学会以有机化学家的思维模式处理一些有机化学问题。