有机化学综合实验设计——以《可见光诱导的β-羰基砜的合成》为例

朱海波，孟 佳，谢宗波

（东华理工大学 化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013）

在化学类专业实验课程中，有机化学综合实验发挥着至关重要的作用，通过课程的学习，学生的有机化学专业知识、有机实验操作技能和创新实践能力得到进一步提升。然而，当前的有机化学实验教学比较单调、固定，学生处于被动状态，缺乏自主性和灵活性，思维能力和动手能力不能得到锻炼。另外，当前高校本科实验教学中普遍存在实验内容陈旧、实验设备老旧、实验思维固化、缺乏创新性等问题，现有的实验仪器已经不能满足现代合成的需求，且传统的合成方法已经跟不上现代工业的发展速度［1-2］。传统的有机化学实验教学与现代工业生产的需求背道而驰，严重阻碍高等院校培养创新应用型人才。我国一直大力提倡创新型人才队伍的建设，而高等院校作为高层次专业人才的培养基地，更应该在传授学生专业知识的同时培养其创新能力［3］。

传统的有机化学实验通常采用热反应合成方法，常用到有毒性和腐蚀性的化学试剂及溶剂，反应过程中产生的副产物对环境污染严重；试剂消耗量大，不符合现代绿色化学的理念［4-5］。此外，本科生大多存在基础实验操作能力差，对学科前沿缺乏认识等问题，因此，亟须一种绿色低毒、安全、简便的有机合成方法。可见，光作为一种可再生能源，近几年在有机合成领域有广泛的应用，已经发展成为有机合成化学最重要的分支之一。相对于传统热反应合成，可见光诱导的有机反应无需高温，一般在常温条件下进行反应，用到的溶剂符合绿色化学要求，而且投料及后处理简单，对环境污染很小［6-7］，但目前国内大多数高校未将可见光催化有机合成纳入本科有机化学实验教学中。

在“双一流”建设背景下［8-9］，探索可见光催化与有机化学实验结合教学，将微型有机化学、可见光催化融入教学实验中，使学生了解当前有机化学的最新研究进展，达到实验教学与前沿科学研究相结合的目的；帮助学生巩固有机化学的基础理论知识和基础操作技能，培养学生的实验操作能力和解决问题的能力，使学生在今后的科研工作中游刃有余，为学生今后的科技创新奠定良好的基础。

一、实验设计思路

实验内容共8课时，抛弃了传统教学单一化的问题，利用光催化有机反应前沿问题，根据学生的个体性差异，设计符合现代工业生产需求的综合创新实验，搭建一种新型的光催化有机化学实验教学，把课堂归还给学生，让学生当家做主，教师只进行正确引导。整个实验过程对比传统热反应合成，在反应操作、后处理、实验产率及反应试剂消耗方面都存在明显的优势。以水替代1,4-二氧六环，避免了毒性较大的有机溶剂的使用；试剂用量小，降低了有机实验成本；不需要高温回流，可常温下进行，符合绿色环保理念。通过实验的实施，能有效弥补传统有机合成的缺陷，改变落后的教学思维和陈旧的教材内容，帮助学生巩固基础理论知识和基础操作技能的同时，开阔视野，推动学生全面发展；此外，能够使学生了解如何从反应源头降低对环境的污染，减少有毒试剂的使用，减少能耗，激发学生的社会责任感。

二、实验前注意事项

学生进入实验室前，应熟悉实验室的规章制度及实验安全知识，熟悉相关仪器和试剂的使用。

（一）反应步骤

向装有水的试管中，加入苯亚磺酸钠和2-溴苯乙酮，将该反应放置在100W的蓝光LED灯下照射，室温条件下并不断搅拌约3～5小时。反应期间可用薄层色谱（TLC）检测，直至原料完全消失。搅拌不宜太剧烈，防止原料溅到试管内壁析出，导致2-溴苯乙酮有剩余。当2-溴苯乙酮在溶液中消失，将混合液倒入茄形瓶，用旋转蒸发仪浓缩除去水。用乙酸乙酯（EA）作为萃取剂，分两次萃取，两次萃取产物合并，加入无水硫酸钠（Na2SO4）干燥除去有机相中的水分。过滤除掉Na2SO4，得到粗产物β-羰基砜的滤液。浓缩滤液，加入粗硅胶粉拌匀，旋蒸除去溶剂后备用。采用柱层析分离，用一定体积比例的石油醚和乙酸乙酯作为洗脱剂，提纯粗产物β-羰基砜。加洗脱剂时要沿层析柱内壁倾倒，在样品层上方加入少量中性氧化铝，防止倒入洗脱剂时样品层冲斜。洗脱时，要在紫外灯下观察产物是否流出或者是否完全流出。最后，将含有产物的洗脱剂合并在一起，放入水浴锅中旋蒸除掉溶剂得到白色固体β-羰基砜，再使用鼓风干燥箱中干燥、称重、计算产率、测定产物的熔点、红外光谱及核磁谱图，分析化合物的结构。

（二）注意事项

在可见光催化β-羰基砜的合成中，用水作为溶剂，防止固体原料粘在试管内壁，应先把固体原料用纸槽送到试管底部，然后再加入溶剂水。在对反应试管进行光照时，为确保反应温度，LED灯不能靠近试管底物，防止长时间照射使反应体系升温。薄层色谱检测反应进程，用原料苯亚磺酸钠和2-溴苯乙酮作为已知产物点A和B，用毛细管吸取试管中反应液作为C，展开剂展开时，当C中没有原料B，反应可结束，并记录原料及产物点的比移值。用层析柱装硅胶时，为使硅胶均匀装入层析柱，可以采用干法装柱或湿法装柱两种方法，尽量排除硅胶中的气泡，保证样品可以均匀流出。旋蒸水浴温度不宜过高，防止液体冲出，导致产物损失。产物干燥过程中，鼓风干燥箱温度不宜过高，以50℃～70℃为宜，防止因温度过高产物在空气中变质。

三、实验操作

（一）可见光催化的苯亚磺酸钠和2-溴苯乙酮的偶联

将2-溴苯乙酮（40mg,0.2mmol）和苯亚磺酸钠（49mg,0.3mmol）放入到一个10毫升的试管中，反应装置如图1（a）所示，向试管中加入2毫升水，将反应置于空气中，用100瓦的蓝光LED灯照射，在磁力搅拌下常温反应3～5小时。反应过程中，不断用薄层色谱板（TLC）检测，并用原料2-溴苯乙酮作为对照点，检测该反应进度。反应结束后，将试管中反应液转移到茄形瓶中，并用少量乙醇洗涤试管2次，洗涤液合并到茄形瓶中。在50℃的水浴下，旋蒸除去水和乙醇，乙酸乙酯作为萃取溶剂，分两次萃取，每次5毫升。将萃取乙酸乙酯层合并，加入无水Na2SO4干燥剂除水，静置几分钟，过滤得到乙酸乙酯溶液。向粗产物乙酸乙酯溶液中加入2倍量的100～200目硅胶，在40℃水浴中旋蒸除去溶剂，得到硅胶粉末待用。

（二）粗产物β-羰基砜的纯化

在带有砂芯的色谱柱中加入300～400目硅胶，用洗耳球轻轻敲击柱身，使硅胶均匀填充。打开层析柱开关，从柱子上端沿管壁轻轻加入石油醚，使石油醚慢慢向下流动润湿硅胶，如图1（b）所示，需要注意不断加入石油醚以防硅胶暴露在空气中。待石油醚流出层析柱，关闭四氟开关，保持硅胶界面上有1厘米高度石油醚。将上述所得粗产物的硅胶粉末，用加料漏斗加入层析柱中，并用洗耳球轻敲除去气泡，加入棉花防止界面冲斜。从色谱柱上方加入比例为1∶5的乙酸乙酯和石油醚的混合溶剂进行洗脱，每接10毫升的洗脱液，用TLC检测，将含有β-羰基砜的溶液合并，在40℃水浴中旋蒸除去溶剂得到白色固体β-羰基砜，使用鼓风干燥箱干燥，计算反应的产率，测定产物的熔点、红外光谱及核磁谱图，分析化合物的结构。

图1 可见光催化β-羰基砜合成的实验装置

四、实验方案的实施

实验人员来自应用化学专业大四本科生，共分成两组，每组15人。其中一组采用传统热反应合成β-羰基砜，另外一组采用可见光催化微量合成β-羰基砜。

可见光催化合成β-羰基砜教学方案如下。（1）实验课前学生通过查阅相关文献资料，了解β-羰基砜的作用及在医药等领域的应用，以及传统合成β-羰基砜的方法及各自的优缺点。此外，熟悉光催化与有机反应结合的相关资料，了解光催化在有机合成中的应用。在课前预习掌握实验的设计思路、原理及实验内容。（2）结合本科课程“有机化学理论”中自由基反应的内容，简单介绍光催化自由基反应的原理，重点讲述可见光催化苯亚磺酸钠与2-溴苯乙酮的自由基偶联反应机理，以及苯亚磺酸钠与2-溴苯乙酮的亲核取代反应的机理。（3）该光催化反应投料步骤简单，在水溶液中常温下搅拌，并用100瓦蓝光LED灯不断照射。粗产物的后处理用到柱层析分离，巩固色谱分离方法，包括薄层色谱（TLC）检测和柱色谱分离等操作。（4）实验共计8个学时，实验过程中，教师现场解答问题并指导，对实验中易发生的不规范操作或可能存在的安全隐患给予纠正或者消除，保证实验的正常顺利进行。实验过程中，遇到意外情况（例如反应不完全等），可调整实验参数，并讨论参数改变对结果的影响。（5）实验过程中，准确记录实验现象和数据，包括反应条件、反应时间及产品性状等；实验结束后，收集数据并归纳，撰写实验报告。分别计算传统热反应合成及可见光催化合成β-羰基砜的收率。（6）对比传统热反应合成方法和可见光催化合成方法数据，讨论两种方法的优点和缺点，包括反应操作、后处理操作的简易程度、实验效率，试剂消耗量，反应产生的废液等，培养学生的绿色环保意识，激发学生的社会责任感。

通过实验结果发现，β-羰基砜的传统热反应合成方法需要用到1,4-二氧六环溶剂，该溶剂有毒，反应需要在温度＞100℃的回流条件下完成，而且反应装置需要回流管加冷凝水，反应时间长；后处理过程要用到分液漏斗萃取产物，除去高沸点的1,4-二氧六环，萃取过程中会导致产物损失，产率降低；此外，产物还需要重结晶提纯，此过程会导致产物的大量损失。总体来说，传统热反应合成方法需要在高温条件下反应，二氧六环溶剂有毒，污染环境，且试剂需求量大，容易造成资源浪费。而可见光催化合成在反应操作、后处理、实验产率及反应试剂消耗上都优于传统热反应合成，以水作为反应溶剂较为环保；反应时间短；反应所需玻璃仪器仅需一支10毫升试管；无须大量的化学试剂，可在毫克级的反应条件下得到高产率的β-羰基砜；后处理产物损失量小。总体来说，可见光催化合成方法可在常温下进行，耗能少，以水作为溶剂，试剂用量小，绿色环保。

通过对比发现，虽然传统热反应合成与可见光催化合成的产物相同，但反应机理存在根本性的不同。在传统热反应中，苯亚磺酸钠作为亲核试剂，与亲电试剂2-溴苯乙酮发生反应得到β-羰基砜，整个反应不产生自由基；而可见光催化的机理有苯乙酮自由基的产生，然后与苯亚磺酸钠发生自由基反应得到目标产物，2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TMPEO）可以抑制产物的生成。因此，学生在实验前应充分预习，查阅文献资料，在实验中仔细听教师讲解。此外，在两组对比实验中发现，可见光催化反应组的学生积极性更高，实验兴趣浓厚；15组反应中，产率普遍较统一，重复性及稳定性好，操作要求不高；在后处理中可进一步巩固色谱分析及分离技术。

实验结束后，收集部分学生的实验感想和反馈意见，大部分的感想如下：常规有机反应副产物很多，而这个光催化反应副产物很少，分离很容易；反应操作起来较为容易，也不用加热回流，在灯下面搅拌就好了，感觉很神奇；终于不用味道很大的有机溶剂了，反应干净又安全；但也有部分学生反映不理解可见光催化该反应的机理，反应体系中自由基的生成过程等。

结语

实验将可见光催化融入有机反应中，综合了微量合成、绿色化学、光催化及有机物结构分析等知识，将β-羰基砜的光催化合成、柱色谱提纯及表征融为一体，学生不仅可以了解光催化有机合成领域的前沿技术，同时实践能力得到了提高。除此以外，实验改革能够提高学生对基础有机化学实验的浓厚兴趣和积极性，在反应操作、后处理、实验产率等方面存在显著的优势，无需有毒的有机溶剂作为反应介质，绿色环保，可以在毫克级的反应下得到高产率的产物，便于较大规模的展开与推广。