绿色化学理念下奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍生物的微波无溶剂合成的有机化学自主设计性教学实验

王海波，邓晓军

作者单位：中国人民解放军空军军医大学药学院，陕西 西安710032

新时期，我国对创新型、综合素质人才的培养已成为提升教育质量的“内核”，以学生为根本，突出个性化教学，激发学生的创新意识，是目前高等教育院校实验课教学改革的重要思路。有机化学实验是医学专业本科生的重要公共基础课，对于培养学生的实践能力和创新意识具有重要作用［1］。目前传统的有机化学实验虽然能够满足学生的基本实践技能的培养，但是还存在如下问题：从实验方法、内容、操作步骤到思考题，基本上是老师事先设定好，学生按图索骥，导致学生在实验教学中的主体性体现不够深入。另外，实验内容的更新不及时，仍然是以验证性实验和综合性实验为主要内容，而能够促进学生创造性思维发展的自主设计性实验不足［2-3］。针对上述矛盾，我们开展了课内课外密切结合的医用有机化学实验课教学模式，在课内，主要通过验证性和综合性实验打牢学生化学实验操作的基本技能；在课外，依托教学开放实验室的实验条件，以教师科研项目分解单元作为自主设计性教学实验，学有余力、兴趣浓厚的学生自愿主动参加，要求学生已经掌握了基本的有机化学实验操作，结合理论课所学的相关知识点，将基础性实验延伸至具有一定创新性的设计性实验，实现课内、课外的有效贯通［4-5］。

金鸡纳生物碱（Cinchona alkaloid）是一种古老而又充满活力的生物碱类化合物，因在金鸡纳树皮中含量较多而得名。早在1737年，人们就发现金鸡纳生物碱可有效治疗疟疾，奎宁（Quinine）是金鸡纳生物碱中最主要的一类，其他还包括奎尼定、辛可宁、辛可尼丁等，其化学结构见图1。

图1 常见金鸡纳生物碱的化学结构

1940年，德国化学家Rabe确证了奎宁的立体结构，发现奎宁含有一个手性1-二环［2.2.2］含氮辛烷结构单元，含有羟基的9位碳呈R构型，分子具有较好的刚性和立体选择性。因此，奎宁类金鸡纳生物碱特殊的化学结构使其适宜于作为手性有机催化剂或手性配体而被广泛地用于许多类型的不对称催化反应中，如Michael/Mannich反应、Aldol反应、环加成反应、Aza-Henry反应、不对称烯烃异构化反应等［6-7］。为了寻求催化效果更加优异的手性催化剂，化学家们以奎宁为前体化合物，对其结构不断进行修饰，其中C-9位上的羟基是活化改造的主要位点［8］。目前，化学家已经制备出了多种催化效果优秀的新型金鸡纳生物碱衍生物。但是，其合成方法多采用的是传统有机合成法，需要使用大量有机溶剂，且反应耗时较长，反应的经济性和环保性均有待改进。由此，发展一种低污染、产率高、重现性好的绿色合成法具有重要的理论意义和应用价值。

微波辐射无溶剂合成法，是一种无需使用有机溶剂而借助于微波辐射促进反应进行的新型有机合成手段［9-10］。可有效避免反应中使用大量溶剂造成的污染问题，而且反应效率高，反应时间大大缩短，具有操作简便、安全有效、节约成本、对环境友好等诸多优点，是发展绿色有机合成技术的新领域，应用愈加广泛［11-12］。

本实验创新性地依据绿色化学理念，开展了采用微波无溶剂法合成奎宁苯甲酰酯类金鸡纳生物碱衍生物的自主设计性学生实验，内容新颖，实验涵盖了酯类化合物的常规合成方法、微波无溶剂合成的操作、柱层析纯化等操作步骤，同时，实验对产物的化学结构进行了波谱学鉴定和表征，学生对核磁共振谱和质谱的原理知识能够付诸实践应用，与医用有机化学理论知识高度契合，切实提升了学生的创新思维和动手操作能力［13］。

1 实验目的

通过奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍生物的合成，学习微波无溶剂合成法的原理和基本操作，掌握微波合成法的主要影响因素；掌握用薄层层析法监测反应近程的操作；熟悉粗产物后处理的方法如产物洗涤、萃取、干燥等操作；熟悉产物的柱层析纯化方式；熟悉对有机化合物化学结构的表征方法，了解核磁共振波谱仪、质谱仪等仪器的原理。

2 实验原理

近几年来，微波合成法以其反应迅速、后处理简单、对环境友好等优点引起人们广泛重视。目前有观点认为微波辐射促进有机反应是由于其能够选择性地加热极性有机物。微波作为一种电磁波，其振动频率与物质分子偶极震动的频率相似，能够使有机分子吸收微波后达到每秒数亿次的高速振动进而产生热能，形成所谓的 “致热效应”，也称为微波的“内加热”。而传统加热法则是通过物质间的热对流、热传导等过程来实现的［14］。因此，微波辐射具有快速加热的明显优势，可比传统加热法提高10～100倍的效率完成加热过程，热效率高，受热体系温度均匀，反应迅速，无惰性［15］。

本实验采用微波辐射无溶剂法合成奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍生物（合成路线见图2），研究微波辐射的功率大小、反应时间、反应所需缚酸剂的类型等因素对合成产率的影响，优化各因素条件，并与常规溶剂合成法进行了对比，建立了一种反应迅速、低污染、后处理简便的合成奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍生物的方法。

3 试剂与仪器

试剂：奎宁，德国进口分装；苯甲酰氯、饱和食盐水、无水碳酸钾（K2CO3）、无水碳酸氢钾（KHCO3）、无水碳酸纳（Na2CO3）、无水碳酸氢钠（NaHCO3）、四丁基溴化铵、无水硫酸镁（MgSO4）、三乙胺、二氯甲烷、石油醚、乙酸乙酯、300～400目柱层析硅胶，薄层层析板，试剂均为国产分析纯。

仪器：微波反应器 （XH-100B，北京翔鹄）；显微熔点仪（XRC-1）；核磁共振波谱仪（Bruker，德国）；自动旋光仪（Perkin-Elmr，美国）；高分辨质谱仪（BrukermaXis Spectrometer，德国）。

4 操作步骤

4.1 微波无溶剂法合成奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍生物

4.1.1 合成步骤 称取1.32 g（4.0 mmol）奎宁、1.66 g（12.0 mmol）无水碳酸钾、四丁基溴化铵（0.02 eq），置于研钵中，充分研磨后置于圆底烧瓶中，加入磁子，再加入0.50 g（4.0 mmol）苯甲酰氯，充分搅拌，确保反应物混合均匀。将已搅拌均匀的反应混合物置于微波反应器中，设置一定的微波辐射功率、反应时间和温度等参数值，以薄层层析监测反应进程，薄层层析展开剂比例为石油醚∶乙酸乙酯∶三乙胺=5∶10∶1.5（薄层层析图见图3）。

图3 奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍生物的薄层层析图谱

4.1.2 产物后处理与纯化 待反应完毕后，在反应瓶中加入10 mL乙酸乙酯，充分搅拌5 min后，抽滤，滤液置于圆底烧瓶，重复上述操作两次，合并滤液，于旋转蒸发仪上减压蒸馏除去乙酸乙酯，得到淡黄色的奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍生物粗品。装填硅胶层析柱，对获得的粗产物进行柱层析纯化，流动相组成及比例为石油醚∶乙酸乙酯∶三乙胺=5∶10∶1.5，得到白色固体产物1.36 g，产率为80%。

4.2 常规溶剂法合成奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍生物

4.2.1 合成步骤 称取奎宁1.32 g（4.0 mmol）置于圆底烧瓶中，向其中加入4 mL三乙胺和30 mL二氯甲烷，冰水浴冷却，0 ℃下磁力搅拌，缓慢滴加含有1.0 g（8 mmol）苯甲酰氯的二氯甲烷溶液10 mL（约15 min内滴完），升高反应温度至室温，再继续搅拌反应约30 min，以薄层色谱监测反应进程，展开剂比例为石油醚∶乙酸乙酯∶三乙胺=5∶10∶1.5。

4.2.2 产物后处理与纯化 待反应结束后，反应液置于分液漏斗中，分别用蒸馏水和饱和食盐水洗涤，收集有机相。有机相用无水硫酸镁干燥4 h，过滤，滤液在旋转蒸发仪上减压蒸馏除去溶剂，得到淡黄色固体粗产物，将其用少量乙酸乙酯溶解，利用硅胶柱层析纯化，流动相组成及比例为石油醚∶乙酸乙酯∶三乙胺=5∶10∶1.5，得到白色固体产物1.48 g，产率为87%。

5 结果

5.1 微波辐射功率、反应时间及温度的影响 本实验中，考察了微波辐射功率、反应时间、温度对反应产率的影响（表1）。结果显示，奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱的产率随微波辐射功率的增加逐渐升高，当微波辐射功率为600 W时，设定反应温度为110 ℃，反应时间为8 min，可达到相对较高的产率。而如果继续提升辐射功率或延长反应时间，不仅未能提高产率，反而使产率有所降低，这主要是受控于微波辐射原理中的“致热效应”，当辐射功率过低时，无法达到反应物分子的震动频率，分子吸收的电磁波能量不足以提升反应温度到所需温度，反应难以进行或者反应不完全，产率较低；而辐射功率过高，则使得反应温度过高，副反应较多，有时甚至引起物质的碳化。另外，反应物受到微波辐射的时间长短，对产率也将产生较大影响，辐射时间长，副反应增加，辐射时间短，反应不彻底，使产率降低。

5.2 缚酸剂种类对反应产率的影响 实验中考察了四种常用缚酸剂对合成奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱的影响，实验结果见表2。

表2 缚酸剂的种类对产率的影响

实验结果表明，当以碳酸氢钾或碳酸氢钠为缚酸剂时，奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱的合成产率低于以碳酸钠或碳酸钾为缚酸剂时所得产率，与缚酸剂碱性强弱有一定关系。同时，对缚酸剂与反应原料的加入比例进行了筛选，发现，用原料摩尔用量为2～3倍的碳酸钾为缚酸剂时，奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱的产率较高。

5.3 微波法合成金鸡纳生物碱衍生物反应中催化剂的作用 本实验中考察了加入催化剂四丁基溴化铵和不加催化剂对反应产率的影响。实验结果表明，当反应体系中无四丁基溴化铵时，仅通过调节辐射功率、反应时间等参数无法促使反应发生，而加入四丁基溴化铵后可顺利获得产物。这主要是由于，固相有机反应较液相反应来说，反应物分子间作用力更强，能发生化学反应的有效碰撞频率较低，仅提高辐射功率或延长反应时间，并不能大幅度增加分子发生反应的概率，而如果升高温度，则可能导致反应物的分解碳化。四丁基溴化铵属于季铵盐类相转移催化剂，能有效增加固相有机反应中反应物分子间的接触，使反应在较低的辐射功率下即可发生。

5.4 微波无溶剂法和常规溶剂法合成金鸡纳生物碱衍生物的对比 表3中数据显示，虽然微波法合成的产率与常规法相比略低，但该合成方法中使用的有机溶剂量少，对环境造成的污染小，反应用时短、效率高，仅8 min即可得到较高产率的目标产物，后处理简便、快速、易操作。

表3 微波无溶剂法及常规溶剂合成法比较

5.5 产物结构表征

5.5.11H NMR图谱结果 实验所得产物奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱的化学结构以1H NMR图谱进行了表征（图4），结果表明，微波辐射法和传统溶剂法获得的产物其1H NMR图谱中的峰位置、峰裂分和相对峰积分面积均与文献相符［16］。δ 1.50～1.56(m,1H)，1.74～1.83(m,2H)，1.71～1.88(m,3H)，2.25～2.33(m,1H)，2.53～2.64(m,2H)，3.06(dd,J=14.0,10.0 Hz,1H)，3.46(d，J=6.5 Hz，1H)，3.98(s，3H),4.94～5.01(m,2H)，5.85(ddd,J=17.5,10.0,7.5 Hz,1H)，6.88(d,J=6.5 Hz,1H)，7.35～7.48(m,5H)，7.52(d,J=2.5 Hz,1H),8.00～8.13(m,3H),8.71(d,J=7.5 Hz,1H)。

图4 奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍生物的1H NMR图谱

5.5.2 质谱结果 奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍生物的化学组成式为C27H28N2O3，其高分辨质谱图显示（图5），形成的[M+H]+峰值为429.216 6，且该峰强度在谱图中最强，与理论值429.217 3非常接近，表明产物结构与预期完全相符。

图5 奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍生物的质谱图

6 讨论

本研究开展了微波辐射法合成奎宁苯甲酰酯金鸡纳生物碱衍的自主设计性有机化学实验，将绿色化学的理念融入到实验中，讨论了在微波辐射条件下以无溶剂方式促进有机化学反应发生的实施过程，研究了微波辐射功率、反应时间和温度等因素对产物产率的影响。本实验对培养学生形成合理设计实验方案的思路有较好的提升作用，并对绿色化学合成法的应用有了更加深入地认识。同时，本实验中还涉及到酰氯类化合物的加料方式、萃取、抽滤、减压蒸馏等基本操作，使学生对基础实验操作方法更加熟练，学生能够学会使用薄层层析法监测反应进程，熟练掌握柱层析分离产物等基本操作。另外，实验中还设计了以核磁共振氢谱、质谱等手段鉴定产物结构的环节，学生了解了核磁共振氢谱的操作流程，能够将理论课中学习的解谱知识原理运用于实践，对学生熟悉有机化合物结构鉴定的方式起到较好地巩固作用。本实验中学生真正成为了教学的主体，其主动探索精神和综合实践能力都得到了明显提高［17］。