吳彥東，鄭 曄，王崔穎，孟思璇，陳 瓊，邱明強(qiáng)，余廣鰲

(華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430079)

隨著人們物質(zhì)生活的提高和社會(huì)工業(yè)水平的快速發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)也在快速提高，人們普遍意識(shí)到“綠水青山就是金山銀山”，科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)(包括教學(xué)實(shí)驗(yàn))中的環(huán)境保護(hù)問題也越來越受到大家的重視[1-2]。綠色化學(xué)強(qiáng)調(diào)以綠色意識(shí)為指導(dǎo)，研究并設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境負(fù)作用少，技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上可行的化學(xué)化工生產(chǎn)過程，是從源頭上制止污染的理念和策略。目前，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中所使用的試劑和藥品絕大多數(shù)具有強(qiáng)腐蝕性和高毒性，同時(shí)，目前所使用的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容較陳舊、重結(jié)果輕過程、缺乏科學(xué)性，這嚴(yán)重影響了學(xué)生對(duì)于化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣和后續(xù)的化學(xué)研究興趣[3-4]。化學(xué)學(xué)科在發(fā)展，化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容和教學(xué)模式也應(yīng)該順應(yīng)潮流，不斷創(chuàng)新變革。將具有綠色化理念的前沿科研成果轉(zhuǎn)化為本科生基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，能促進(jìn)學(xué)生對(duì)綠色有機(jī)合成方法的理解，讓學(xué)生系統(tǒng)性的接觸科研前沿，提升研究興趣，培養(yǎng)具有較好研究能力和創(chuàng)新能力的人才[5-8]。

金屬催化的偶聯(lián)反應(yīng)是當(dāng)今有機(jī)合成的重要研究方向并發(fā)揮著越來越重要的作用， 三位科學(xué)家由于在“鈀催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)”做出開拓性貢獻(xiàn)而榮膺2010年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。其中，Pd催化的芳基鹵代物和有機(jī)硼試劑的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)是構(gòu)建C-C鍵最安全有效的方法之一，該反應(yīng)具有較好的官能團(tuán)耐受性等優(yōu)點(diǎn)，受到大家的廣泛關(guān)注，廣泛應(yīng)用于活性天然產(chǎn)物的全合成，醫(yī)藥中間體合成，農(nóng)藥中間體合成以及OLED材料等[9-13]。本試驗(yàn)依托于縱向科研項(xiàng)目及研究成果，借助于本科生基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺(tái)，將“Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)制備 4,4’-二甲基聯(lián)苯”引入到本科生基礎(chǔ)試驗(yàn)課程中。該實(shí)驗(yàn)中所使用的溶劑為乙醇和水，相較于其他溶劑更為無毒化及綠色化，同時(shí)，該基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，補(bǔ)充了學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的新內(nèi)容和新過程，擴(kuò)展學(xué)生對(duì)偶聯(lián)反應(yīng)的認(rèn)知，促進(jìn)學(xué)生對(duì)金屬催化的偶聯(lián)反應(yīng)，綠色有機(jī)合成方法的理解和應(yīng)用，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到有機(jī)合成化學(xué)對(duì)醫(yī)藥、農(nóng)藥以及材料科學(xué)的重要性，提高科技文獻(xiàn)搜集、閱讀和化合物結(jié)構(gòu)表征和鑒定的綜合能力。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)掌握Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的基本原理；

(2)掌握化合物合成、監(jiān)測(cè)、分離的方法和手段；

(3)掌握回流、過濾、重結(jié)晶等基本實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)及紅外、核磁、質(zhì)譜等儀器分析方法；

(4)培養(yǎng)文獻(xiàn)檢索及譜圖分析等方面的綜合能力。

2 實(shí)驗(yàn)原理

聯(lián)苯類化合物是一類重要的化工中間體, 廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、半導(dǎo)體、有機(jī)導(dǎo)體和液晶材料等領(lǐng)域[14]。在聯(lián)苯類化合物的合成方法中，Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)具有安全穩(wěn)定且廉價(jià)易得的多樣性底物、溫和的反應(yīng)條件、簡(jiǎn)便易行的后處理方式等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，使其在該領(lǐng)域擁有舉足輕重的地位[15]。該基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)“Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)制備4,4’-二甲基聯(lián)苯”是基于甲基苯硼酸和對(duì)甲基溴苯Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)制備4,4’-二甲基聯(lián)苯(見圖1)，反應(yīng)經(jīng)歷了氧化加成，轉(zhuǎn)金屬化，還原消除等基元過程。該實(shí)驗(yàn)反應(yīng)及后處理過程中所使用的溶劑為乙醇和水，相較于其他溶劑更為無毒化及綠色化。該實(shí)驗(yàn)反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率高、副產(chǎn)物少，且該反應(yīng)適用于具有空氣和水的條件，有利于學(xué)生基于安全簡(jiǎn)單的操作接觸并了解諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)相關(guān)反應(yīng)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到有機(jī)合成化學(xué)對(duì)醫(yī)藥、農(nóng)藥以及材 料科學(xué)的重要性，開闊學(xué)生視野。

圖1 Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)制備4,4’-二甲基聯(lián)苯Fig.1 The preparation of 4,4’-dimethylbiphenyl via Suzuki cross-coupling reaction

3 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

試劑及溶劑：催化劑(由老師配制成500 mL乙醇溶液，用時(shí)充分搖動(dòng)，每位同學(xué)量取8 mL，每位同學(xué)的催化劑由11.2 mg Pd(OAc)2, 35.1 mg 2-二環(huán)己基膦聯(lián)苯和8 mL乙醇配制而成)，對(duì)甲基苯硼酸 0.70 g，對(duì)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監(jiān)測(cè)反應(yīng))，無水硫酸鈉，硅膠(200～300 目)。

儀器：熔點(diǎn)以XT4B顯微熔點(diǎn)儀測(cè)定；紅外光譜以KBr壓片用Perkin-Elmer PE紅外光譜儀測(cè)定；1H NMR和13C NMR使用Varian Mercury Plus-400 MHz spectrometer系統(tǒng)測(cè)定；質(zhì)譜用裝有EI電離源的SHIMADZU GCMS QP-2020測(cè)定。其他常規(guī)儀器：恒溫磁力攪拌器，磁力攪拌子，量筒，圓底燒瓶，冷凝管，薄層色譜，層析缸，燒杯和布氏漏斗。

4 教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

(1)教師整理Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)相關(guān)文獻(xiàn)并提前發(fā)放給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生了解Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的機(jī)理及相關(guān)應(yīng)用。

(2)引導(dǎo)學(xué)生自主查閱2010年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)相關(guān)內(nèi)容，理解Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的重要性，比較該實(shí)驗(yàn)方法相比于其他實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)。

(3)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)步驟，引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)每一步操作的目的，撰寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。

4.2 操作步驟

(1)于50 mL三口燒瓶中加入磁子，0.70 g對(duì)甲基苯硼酸，0.85 g對(duì)甲基溴苯，以及2.80 g K3PO4·3H2O。再加入催化劑的乙醇溶液8 mL。

(2)裝好回流裝置，回流20 min，冷卻1 min，TLC板監(jiān)測(cè)反應(yīng)(反應(yīng)物對(duì)甲基溴苯為對(duì)照物)，繼續(xù)回流15 min，冷卻1 min，TLC板監(jiān)測(cè)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)完全，冷卻至室溫，向三口燒瓶瓶中加入18 mL乙醇，攪拌3 min。

(3)于布氏漏斗中加入4 g硅膠(200～300 目)，鋪平，加入2 mL乙醇，經(jīng)抽濾壓實(shí)，將反應(yīng)混合物的乙醇溶液進(jìn)行減壓抽濾，用2 mL乙醇洗滌硅膠，濾液(大約28 mL)轉(zhuǎn)移至燒杯中，加入24 mL水，析出白色固體狀的4,4’-二甲基聯(lián)苯。抽濾，用2 mL水洗滌固體，80 ℃烘箱中烘干，或晾干，稱重，計(jì)算產(chǎn)率。

4.3 注意事項(xiàng)：

(1)在量取配置好的催化劑溶液時(shí)，要將其搖勻進(jìn)行量取及轉(zhuǎn)移；

(2)加入硅膠進(jìn)行減壓抽濾時(shí)，要將硅膠用乙醇潤濕并壓實(shí)。

5 產(chǎn)物數(shù)據(jù)表征

稱取15 mg 4,4’-二甲基聯(lián)苯固體溶于氘代氯仿中，用玻璃滴管轉(zhuǎn)移至干凈的核磁管內(nèi)，用核磁共振波譜儀進(jìn)行檢測(cè)。

4,4’-二甲基聯(lián)苯，白色固體，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。

圖2 4,4’-二甲基聯(lián)苯的1H NMR譜圖Fig.2 1H NMR spectra of 4,4’-dimethylbiphenyl

如圖2所示，該化合物的1H NMR圖譜在7.362～7.640出現(xiàn)的2組雙重峰為苯環(huán)上的8個(gè)氫，在2.529出現(xiàn)的一個(gè)單峰為芐位上的6個(gè)氫；如圖3所示，13C NMR 圖譜中，在138.2, 136.6,129.4,126.8處出現(xiàn)的 4 個(gè)單峰位苯環(huán)上的碳信號(hào)，在21.0出現(xiàn)的單峰為芐位碳信號(hào)。

圖3 4,4’-二甲基聯(lián)苯的13C NMR譜圖Fig.3 13C NMR spectra of 4,4’-dimethylbiphenyl

取少量固體置于質(zhì)譜直接進(jìn)樣槽中，直接進(jìn)樣方式進(jìn)行質(zhì)譜表征(見圖4)， EI-MS: 182.20。

圖4 4,4’-二甲基聯(lián)苯的質(zhì)譜圖Fig.4 MS spectra of 4,4’-dimethylbiphenyl

6 結(jié) 語

該基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)從綠色化學(xué)的角度出發(fā)，以自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐的模式完成Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)制備4,4’-二甲基聯(lián)苯的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中所使用的溶劑為乙醇和水，相較于其他溶劑更為無毒化及綠色化。在實(shí)驗(yàn)過程中，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)綠色有機(jī)合成方法的的理解和應(yīng)用，補(bǔ)充化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的新知識(shí)和新過程，拓展學(xué)生對(duì)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)反應(yīng)機(jī)理及應(yīng)用的認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生對(duì)合成化學(xué)的興趣。其次，對(duì)所合成的化合物進(jìn)行紅外，核磁、質(zhì)譜、熔點(diǎn)等表征分析，提升學(xué)生對(duì)于大型儀器的理解和使用。該基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包含了相關(guān)文獻(xiàn)搜集、文獻(xiàn)閱讀理解、化合物合成及結(jié)構(gòu)表征解析等過程，學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的過程中得到了系統(tǒng)的訓(xùn)練，有助于提升學(xué)生的科學(xué)研究綜合素質(zhì)以及獨(dú)立思考解決問題的能力，為后續(xù)深造或工作打好基礎(chǔ)。