石先瑩

(陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 陜西西安710119)

近年來，一些有機(jī)化學(xué)的新合成策略及方法相繼被報道;相應(yīng)地，一些傳統(tǒng)的反應(yīng)不再是合成目標(biāo)產(chǎn)物最行之有效的手段，基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教科書上的一些知識也不盡完善。此外，常用的有機(jī)化學(xué)教材注重基礎(chǔ)理論和基本反應(yīng)的介紹，鮮有將新的科研成果及應(yīng)用引入到教材的知識體系中，這會讓學(xué)生失去興趣，使學(xué)生在學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的過程中，掌握的僅僅是書本上的基礎(chǔ)知識，而與現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)的研究前沿及熱點(diǎn)領(lǐng)域脫節(jié)。

使學(xué)生接觸一些前沿的科技及結(jié)合生產(chǎn)實際的生動例子，可以加深學(xué)生對理論知識的進(jìn)一步理解，并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因此，將有機(jī)化學(xué)在近年來取得的重大研究進(jìn)展引入有機(jī)化學(xué)課堂，在本科教學(xué)過程中貫穿和體現(xiàn)“以科研促進(jìn)教學(xué)”的理念，對于提高本科有機(jī)化學(xué)教學(xué)效果具有舉足輕重的意義［1］。如何從科技成果中提煉優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，滲透到課堂教學(xué)，實現(xiàn)科研向教學(xué)的多方位轉(zhuǎn)化，提高教學(xué)質(zhì)量，是擺在高校教師面前的一個重要任務(wù)。本文結(jié)合多年來有機(jī)化學(xué)教學(xué)實踐及接觸的前沿、熱點(diǎn)領(lǐng)域，列出科研成果在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中滲透的幾個具體實例。

1 綠色化學(xué)理念的滲透

綠色化學(xué)又稱環(huán)境友好化學(xué)，1995年被美國正式采用后，現(xiàn)已被國際學(xué)術(shù)界所公認(rèn)。它起源于有機(jī)化學(xué)，其內(nèi)容與有機(jī)化學(xué)學(xué)科密切相關(guān)。綠色化學(xué)旨在從源頭消除污染，在無毒無害條件下生產(chǎn)對環(huán)境友好的化學(xué)品，充分利用每個原子，最終實現(xiàn)化學(xué)品生產(chǎn)中廢物的“零排放”。因此，綠色化學(xué)已成為各國政府、科技和企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)［2］。

在學(xué)習(xí)烯烴、醇的氧化反應(yīng)時，可以先向?qū)W生介紹常用的高錳酸鉀、鉻酸及其衍生物、硝酸、鹵素含氧酸鹽、有機(jī)過氧酸等氧化劑的缺點(diǎn)，如:原子利用度很低、三廢排放量大、對人體有害、污染環(huán)境等。同時強(qiáng)調(diào)，在如今普遍提倡綠色生產(chǎn)、講究原子經(jīng)濟(jì)性的年代，研究和開發(fā)新的綠色氧化方法和氧化體系，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)已成為化學(xué)和化工界的共識，并借機(jī)向?qū)W生介紹一些清潔、綠色的氧化劑，如空氣、臭氧、過氧化氫等。

過氧化氫為氧化劑，價廉、且唯一副產(chǎn)物是水。1998年，野依良治等在《Science》雜志上報道了以30% H2O2為氧化劑［3］，Na2WO4·2H2O和［CH3(n-C8H17)3N］HSO4為催化劑，在無有機(jī)溶劑、無鹵素條件下，實現(xiàn)環(huán)己烯直接氧化為結(jié)晶己二酸的反應(yīng)(圖1)，收率達(dá)93%。其中己二酸是合成尼龍66的重要原料，目前全球年產(chǎn)量估計達(dá)220萬噸。工業(yè)上己二酸主要是以環(huán)己酮、環(huán)己醇或二者的混合物為原料，通過硝酸氧化生產(chǎn)的。硝酸氧化的缺點(diǎn)是產(chǎn)生大量的溫室氣體N2O，且生產(chǎn)中排放的硝酸蒸氣與廢酸會嚴(yán)重污染環(huán)境、腐蝕設(shè)備。

圖1 己二酸的合成

通過在氧化反應(yīng)中引入綠色化學(xué)概念，不僅能擴(kuò)展學(xué)生的知識面，還能突破傳統(tǒng)的知識、教育層次，充分體現(xiàn)素質(zhì)教育的目標(biāo)，且有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識。

2 諾貝爾化學(xué)獎的引入

諾貝爾化學(xué)獎的成果在相當(dāng)大的程度上可反映出20世紀(jì)以來化學(xué)科學(xué)的主要成就和發(fā)展情況。將諾貝爾化學(xué)獎融入教學(xué)中，不僅能讓學(xué)生認(rèn)識到有機(jī)化學(xué)的重要性，也是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的有效方法;同時，還可作為基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)知識的一個非常必要的補(bǔ)充。

在對映異構(gòu)體的學(xué)習(xí)中，可以向?qū)W生介紹2001年諾貝爾化學(xué)獎金的一半授予給美國科學(xué)家威廉·諾爾斯與日本科學(xué)家野依良治，以表彰他們在手性催化氫化反應(yīng)領(lǐng)域所作出的貢獻(xiàn);獎金的另一半授予美國科學(xué)家巴里·夏普萊斯，以表彰他在手性催化氧化反應(yīng)領(lǐng)域所取得的成就。這3位化學(xué)家在催化手性不對稱合成領(lǐng)域所取得的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)和突破性成就，無論是對學(xué)術(shù)研究還是對新的醫(yī)藥、材料的合成與發(fā)展都是極其重要的［4］。他們的成就已成功地應(yīng)用于許多藥物，比如抗生素、心臟病藥以及治療帕金森綜合癥藥物的工業(yè)合成。此外，這些發(fā)現(xiàn)也被用于生產(chǎn)調(diào)味劑、甜味劑、殺蟲劑及其他生物活性物質(zhì)。

在教科書關(guān)于不同鹵代烴親核取代反應(yīng)的活性比較中，認(rèn)為乙烯式鹵代烴和芳基鹵代烴因為鹵素原子孤對電子和雙鍵的共軛作用，使C—鹵素鍵的極性降低，鍵長縮短，因而這類化合物進(jìn)行親核取代反應(yīng)的活性都很差。但是如果加入催化劑，改變反應(yīng)機(jī)理，鹵代烴和芳基鹵也可以很容易地發(fā)生反應(yīng)。在這里，可以向?qū)W生介紹2010年諾貝爾化學(xué)獎［5］授予了美國科學(xué)家Richard F.Heck，日本科學(xué)家Ei-ichiNegishi和Akira Suzuki。這3位科學(xué)家由于在鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)方面的卓越研究而獲獎(圖2)，他們?yōu)榛瘜W(xué)家提供了一款精致的工具來合成復(fù)雜的有機(jī)分子。這一成果已廣泛應(yīng)用于制藥、電子工業(yè)和先進(jìn)材料等領(lǐng)域。

圖2 交叉偶聯(lián)反應(yīng)

此外，在向?qū)W生引入交叉偶聯(lián)反應(yīng)的同時，也可順便講述反應(yīng)機(jī)理。使學(xué)生了解芳基鹵代烴之所以在金屬的催化下易于進(jìn)行交叉偶聯(lián)反應(yīng)，其原因在于交叉偶聯(lián)反應(yīng)與鹵代烴典型的親核取代反應(yīng)在機(jī)理上有本質(zhì)的不同。例如，Suzuki-Miyaura反應(yīng)一般認(rèn)為經(jīng)歷了氧化加成、金屬轉(zhuǎn)移、還原消除三步(圖3)，而不是簡單的親核試劑進(jìn)攻α-C原子，將鹵素取代。

圖3 Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理

通過諾貝爾化學(xué)獎的引入，可以促成學(xué)生“面向社會生活、面向?qū)嶋H問題”的學(xué)習(xí)觀，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識，從而培養(yǎng)出更能適應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的綜合型創(chuàng)新人才。

3 C—H官能化反應(yīng)及導(dǎo)向基輔助的C—H官能化反應(yīng)的介紹

在取代單環(huán)芳烴進(jìn)行親電取代反應(yīng)時，新引入基團(tuán)是否容易以及新引入基團(tuán)進(jìn)入哪個位置，主要由芳環(huán)原有取代基的性質(zhì)所決定，即定位規(guī)律。根據(jù)教科書上的定位規(guī)律，往間位定位基的鄰位不能引入基團(tuán);而有鄰對位定位基的取代芳烴進(jìn)行反應(yīng)時，產(chǎn)物有兩種，這就導(dǎo)致了反應(yīng)的區(qū)域選擇性較低。此外，當(dāng)苯環(huán)上有強(qiáng)吸電子基(如—NO2、—SO3H、—COR)時，不能發(fā)生傅-克反應(yīng)。但根據(jù)最近的研究結(jié)果，通過過渡金屬催化的導(dǎo)向基輔助C—H官能化反應(yīng)，不但可以提高反應(yīng)的區(qū)域選擇性，而且可以直接往間位定位基的鄰位引入基團(tuán)。因此，在本章節(jié)的學(xué)習(xí)中，可以向?qū)W生介紹近年來有機(jī)化學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域:過渡金屬催化的C—H官能化反應(yīng)及導(dǎo)向基輔助C—H官能化反應(yīng)。

3.1 C—H官能化反應(yīng)

過渡金屬催化C—H官能化作為一種重要的合成手段已得到了迅速的發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、天然產(chǎn)物、藥物的合成中。同時，自然界豐富、廉價的C—H化合物使C—H官能化反應(yīng)為傳統(tǒng)C—雜原子(以下簡稱“C—雜”)、C—C鍵的形成提供了又一極具吸引力的選擇(傳統(tǒng)C—雜、C—C鍵的形成常需要有機(jī)鹵化物和有機(jī)金屬試劑，參與反應(yīng)的底物均需預(yù)先官能化，而制備這些底物往往要經(jīng)過多步反應(yīng)，并且伴隨產(chǎn)生很多有機(jī)廢物(圖4)。利用C—H官能化反應(yīng)，可以從簡單易得的C—H化合物出發(fā)直接得到目標(biāo)產(chǎn)物。因此，利用過渡金屬催化C—H鍵構(gòu)筑C—雜、C—C鍵，除了具有原子經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)外，還大幅降低了一些無機(jī)鹽以及鹵化物等廢棄物的排放，這在能源和資源日益緊張、環(huán)境保護(hù)問題日益嚴(yán)峻的情況下，具有重要意義［6-7］。

圖4 C—C、C—雜鍵的形成

3.2 導(dǎo)向基輔助的C—H官能化

與芳烴親電取代反應(yīng)的加成、消去機(jī)理不同，芳環(huán)上導(dǎo)向基輔助的C—H官能化，可以通過導(dǎo)向基中具有配位能力的基團(tuán)與金屬的螯合作用，顯著促進(jìn)最接近金屬中心的C—H鍵斷裂，從而在預(yù)期位置形成五元或六元金屬環(huán)中間體，進(jìn)而發(fā)生交叉偶聯(lián)反應(yīng)，這樣就可以大大提高反應(yīng)的選擇性(圖5)。在過去的幾年中，導(dǎo)向基輔助的C—H官能化反應(yīng)成為有關(guān)研究領(lǐng)域中最為活躍的課題之一［8］。

圖5 導(dǎo)向基輔助的C—H官能化反應(yīng)

通過導(dǎo)向基的輔助，不但可以使具有鄰、對位定位基的取代芳烴的親電取代選擇性地發(fā)生在原取代基的鄰位，而且可以往間位定位基的鄰位直接引入官能團(tuán)。例如:在導(dǎo)向基的輔助下，釕催化劑催化乙酰苯胺和α，β-不飽和酯反應(yīng)時，烯基在酰胺基的鄰位所形成的產(chǎn)物為主產(chǎn)物，反應(yīng)過程中沒有對位產(chǎn)物的形成(圖6)［9］;而在銠催化劑存在下，可以直接往吸電子、鈍化的羰基鄰位導(dǎo)入烯基(圖7)［10］。

圖6 在鄰、對位定位基的鄰位引入烯基

在親電取代反應(yīng)中，引入相關(guān)的C—H官能化反應(yīng)及導(dǎo)向基輔助的C—H官能化反應(yīng)，可以幫助學(xué)生了解科學(xué)研究的前沿，使他們意識到科研離自己并不遠(yuǎn)，并對科學(xué)研究究竟做什么會有更深的體會。同時，通過對科研方法及成果的了解，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力。

圖7 在間位定位基的鄰位引入烯基

4 羧基為無痕導(dǎo)向基的反應(yīng)

在帶有給電子的活化芳烴進(jìn)行親電取代反應(yīng)中，根據(jù)教科書知識，只能給出鄰、對位產(chǎn)物。對于是否能直接往鄰、對位定位的間位引入基團(tuán)，現(xiàn)有的有機(jī)化學(xué)教科書上沒有答案。而根據(jù)最新的研究結(jié)果，通過羧基為無痕導(dǎo)向基的脫羧偶聯(lián)合成策略，以鄰、對位取代羧酸為原料，可為傳統(tǒng)傅-克反應(yīng)難以合成的間位取代芳香化合物提供一條有效的途徑。

例如:基于此策略，以鄰取代羧酸和碘苯為原料，在鈀催化下，通過選擇性間位芳基化反應(yīng)，可合成一系列間位取代的聯(lián)苯類化合物(圖8)［11］;銠為催化劑，芳香羧酸與異氰酸酯發(fā)生基于C—H官能化/脫羧偶聯(lián)反應(yīng)，可一步合成間位取代的N-芳基苯甲酰胺(圖9)［12］。

圖8 間位取代聯(lián)苯類化合物的合成

圖9 間位取代N-芳基苯甲酰胺的合成

值得指出的是，在給學(xué)生引入這類新反應(yīng)的同時，需要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)新反應(yīng)的機(jī)理不同于經(jīng)典鄰、對位基定位的親電取代反應(yīng)。在這些反應(yīng)中，羧基充當(dāng)了“無痕導(dǎo)向基(traceless-directing group)”，兼?zhèn)淞藢?dǎo)向基和可移除導(dǎo)向基的優(yōu)點(diǎn):先借助于羧基輔助的C—H官能團(tuán)化，在羧基的鄰位引入官能團(tuán)，從而提高反應(yīng)的區(qū)域選擇性;在反應(yīng)結(jié)束后，羧基將直接從產(chǎn)物中移除(圖10)。如果以鄰、對位取代羧酸為原料，就可以達(dá)到往鄰、對位定位基的間位引入基團(tuán)的目的。這樣可使學(xué)生清楚在經(jīng)典書籍中被“禁阻”的反應(yīng)并不是改變反應(yīng)條件就可以發(fā)生了，而是在反應(yīng)機(jī)理上有本質(zhì)區(qū)別。

圖10 羧基為無痕導(dǎo)向基的反應(yīng)途徑

通過羧基為無痕導(dǎo)向基，在鄰、對位定位基的間位引入基團(tuán)的展示，不但可以充實教學(xué)內(nèi)容，也可使學(xué)生的眼界得以開闊。此外，將最新的研究成果引入到教學(xué)過程，融科研于教學(xué)中，把學(xué)生引入到有機(jī)化學(xué)前沿領(lǐng)域，可以使學(xué)生感悟科學(xué)的產(chǎn)生過程與科研精神，在潛移默化中提高他們的創(chuàng)新能力。

總之，現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，課程教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)與時俱進(jìn)，尤其是專業(yè)課教師更要注重將新知識、新技術(shù)和新理論充實到教學(xué)內(nèi)容中，讓學(xué)生在學(xué)好有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識的前提下，接觸有機(jī)化學(xué)的研究前沿、熱點(diǎn)領(lǐng)域及應(yīng)用。這樣不僅能使教學(xué)內(nèi)容更加豐富、生動、深入，還可以拓寬學(xué)生的知識面，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性。此外，對于學(xué)生制定職業(yè)規(guī)劃也具有重要的意義。即通過對有機(jī)化學(xué)前沿領(lǐng)域的接觸，使學(xué)生對科學(xué)研究究竟做什么有更深的認(rèn)識，并可以分析自己對科研是否感興趣，是否適合繼續(xù)深造，從事科學(xué)研究。

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