顧小敏,姜大煒,馮燕,鈕珊珊

(江蘇第二師范學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210013)

“手性(chirality)”是微觀小分子和宏觀物質(zhì)的一種基本屬性,就像人們的左右手,互為鏡像異構(gòu)體,但是左手與右手無法相互重疊。手性分子是四個不同的原子或者基團(tuán)通過四個共價鍵形成的。手性是自然界的基本特征,構(gòu)成生命體的有機(jī)分子絕大多數(shù)都是手性分子。隨著立體化學(xué)的高速發(fā)展,手性化合物已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、農(nóng)藥、功能材料等領(lǐng)域[1-3]。為了得到單一手性異構(gòu)體化合物,研究者們開發(fā)了不對稱合成法,其中不對稱催化合成法因具有高對映選擇性、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),成為獲得單一對映體化合物最理想的方法。傳統(tǒng)化學(xué)催化領(lǐng)域,不對稱催化合成主要采用(過渡)金屬催化劑,但是這些催化劑往往會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生有害影響[4]。

L-脯氨酸是一種綠色環(huán)保且廣泛存在于自然界中的化合物,它是一種天然的反應(yīng)“酶”,也是一種常見的脂肪族氨基酸,具有結(jié)構(gòu)簡單、價廉易得、無毒、室溫即可反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[5],其作為催化劑應(yīng)用于不對稱催化反應(yīng)研究起始于1996年。2000年,List等人[6]首次報道了利用L-脯氨酸進(jìn)行不對稱羥醛縮合(Aldol)反應(yīng),并得到了較好的收率和立體選擇性,為表征其在不對稱有機(jī)催化方面的發(fā)展,其本人被授予了2021年諾貝爾化學(xué)獎。此后,也有研究表明,L-脯氨酸及其衍生物在多種不對稱反應(yīng),如Mannich反應(yīng)[7]、Michael反應(yīng)[8]、魯賓遜成環(huán)反應(yīng)[9]、[2+4]環(huán)加成[10]等反應(yīng)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為化學(xué)教學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科,2018年1月化學(xué)教指委發(fā)行的《普通高等學(xué)校專業(yè)類教學(xué)國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對化學(xué)類專業(yè)課程體系中指出,應(yīng)構(gòu)建“基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)-綜合性實(shí)驗(yàn)-研究性實(shí)驗(yàn)”多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不少于432課時,其中綜合性和研究型實(shí)驗(yàn)學(xué)時不少于總實(shí)驗(yàn)學(xué)時的20%[11-12]。該國家標(biāo)準(zhǔn)也明確了何為綜合性實(shí)驗(yàn),即實(shí)驗(yàn)內(nèi)容至少跨兩個化學(xué)二級學(xué)科,能夠?qū)⒍鄠€化學(xué)原理,實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)操作等綜合在一個實(shí)驗(yàn)過程中,形成比較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作過程,從而提高學(xué)生綜合利用各類儀器,實(shí)驗(yàn)方法分析和解決問題的能力。在該標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下,我院也在積極探索,進(jìn)一步增加綜合性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)的比例,不僅在必修基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中融入綜合性實(shí)驗(yàn),更是開設(shè)了專門的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程,在化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系上,實(shí)施了1～3學(xué)年的從《基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》到《綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)》再到《探究型化學(xué)實(shí)驗(yàn)》的“分階段、遞進(jìn)式”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式。在2021—2022學(xué)年第二學(xué)期化學(xué)專業(yè)必修課程的目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算中,《綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程達(dá)成度最高,達(dá)到0.87。足可以見,我院在綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐探索的可行性。

本文以List的研究報道為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了L-脯氨酸催化的不對稱Aldol反應(yīng)的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)。不對稱Aldol反應(yīng)是形成C-C鍵的重要反應(yīng)之一,通過不對稱催化直接羥醛縮合反應(yīng)是構(gòu)建手性C-C的最簡單的方法之一,生成的β-羥基羰基化合物是合成復(fù)雜的有機(jī)分子廣泛使用的化學(xué)中間體[13]。該實(shí)驗(yàn)為兩人一組,團(tuán)隊(duì)合作。通過該實(shí)驗(yàn)的開設(shè),達(dá)到訓(xùn)練本科生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?樹立“綠色化學(xué)”與環(huán)保理念的目的。此實(shí)驗(yàn)的選題緊跟化學(xué)前沿,選用諾貝爾獎得主的不對稱催化反應(yīng),使學(xué)生了解當(dāng)前有機(jī)化學(xué)的最新研究進(jìn)展,達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)與前沿科學(xué)相結(jié)合的目的,促進(jìn)學(xué)生對學(xué)術(shù)研究的興趣,提高文獻(xiàn)的閱讀分析能力和科研能力,讓學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)研究的挑戰(zhàn)性和嚴(yán)謹(jǐn)性,進(jìn)而為后續(xù)畢業(yè)論文的開展打下基礎(chǔ),提高我校人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過手性小分子脯氨酸催化的羥醛縮合反應(yīng),達(dá)到如下的教學(xué)目的:

1)學(xué)會查找相關(guān)文獻(xiàn),通過查閱文獻(xiàn),了解手性催化的發(fā)展過程及其應(yīng)用;

2)熟練運(yùn)用薄層色譜法(TLC)對反應(yīng)進(jìn)度的監(jiān)測和判斷;

3)學(xué)會使用中壓Flash色譜對反應(yīng)產(chǎn)物的快速純化;掌握設(shè)定紫外檢測器波長的原理;

4)掌握旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的使用方法;

5)了解和掌握羥醛縮合反應(yīng)的機(jī)理。

2 儀器與材料

2.1 試劑

常用的玻璃儀器(圓底燒瓶、燒杯、分液漏斗等),L-脯氨酸、4-硝基苯甲醛,分析純,麥克林試劑;二甲亞砜(DMSO)、無水硫酸鈉、乙酸乙酯、石油醚(60～90 ℃沸程)、氯化銨、氯化鈉,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;丙酮、三氯甲烷,分析純,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司;薄層層析硅膠板(HSGF254),上海盛亞化工有限公司;柱層析硅膠[0.048～0.075 mm(200～300目)],青島海洋化工有限公司。

2.2 儀器

PX224ZH分析天平,奧豪斯儀器有限公司;DF-101S集熱式恒溫磁力攪拌器,邦西儀器科技有限公司;DHG-9140A恒溫干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;RV21M旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,上海貝茵生物科技有限公司;WFH-204B型手提式紫外分析儀,上海勤科分析儀器有限公司;P850全自動旋光儀,濟(jì)南海能儀器股份有限公司;中壓液相Flash色譜系統(tǒng)(Reveleris X2),瑞士Büchi公司;正相色譜柱(20 g),艾杰爾公司。

2.3 L-脯氨酸催化的羥醛縮合反應(yīng)

將L-脯氨酸(34 mg,0.3 mmol),2 mL丙酮(2)和8 mL DMSO加入到50 mL圓底燒瓶中,加入磁子,塞上磨口塞,室溫磁力攪拌器攪拌15 min;隨后加入4-硝基苯甲醛(1)(151 mg,1 mmol),繼續(xù)攪拌,每隔0.5 h取樣TLC跟蹤反應(yīng)(展開劑:V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)= 3∶1),三用紫外儀顯色,觀察反應(yīng)進(jìn)度。2 h左右反應(yīng)完全,停止反應(yīng)。向反應(yīng)瓶中加入10 mL飽和氯化銨溶液,用乙酸乙酯萃取(3 × 15 mL),合并有機(jī)層,有機(jī)相再用飽和氯化鈉溶液洗滌(2 × 10 mL),無水硫酸鎂干燥,過濾得到粗產(chǎn)品(3)的乙酸乙酯溶液。向干燥后的粗產(chǎn)品的乙酸乙酯溶液中,加入1 g層析硅膠,經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋干后,得到產(chǎn)物的硅膠拌樣物。將硅膠拌樣混合物粉末裝入中壓Flash色譜的固體上樣器中,壓實(shí),連接好艾杰爾(Agela)色譜柱,進(jìn)行梯度洗脫。

反應(yīng)過程如下式所示:

2.4 光學(xué)純度(op值)的測定

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

此實(shí)驗(yàn)的開設(shè)是基于學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過有機(jī)化學(xué)、儀器分析、文獻(xiàn)檢索等相關(guān)課程及訓(xùn)練的基礎(chǔ)之上,開設(shè)于大三下學(xué)期,因此要求學(xué)生自行查找文獻(xiàn),獲得該實(shí)驗(yàn)的相關(guān)背景知識、實(shí)驗(yàn)過程及其分離、檢測的原理和方法等。

反應(yīng)以對硝基苯甲醛為原料,采用GF254薄層硅膠板監(jiān)控反應(yīng),因?yàn)樵?54 nm三用紫外燈下,芳香醛原料和縮合產(chǎn)物在GF254薄層板上能夠發(fā)出明亮的熒光,可以非常清晰地顯示反應(yīng)進(jìn)行的程度。另外,由于手性催化劑L-脯氨酸在丙酮中的溶解度非常小,故實(shí)驗(yàn)使用DMSO為溶劑,解決了脯氨酸的溶解度問題。

與實(shí)驗(yàn)室中分離混合物常用的柱層析方法相比,中壓Flash色譜通常采用梯度洗脫法,在操作面板上設(shè)定好梯度比例后,儀器可以精確地自動改變混合溶劑的比例,實(shí)現(xiàn)快速分離,既節(jié)省了時間,同時又節(jié)約了溶劑。且分離過程中,可以在顯示屏上實(shí)時看到溶劑的洗脫梯度,可根據(jù)樣品的色譜圖進(jìn)行實(shí)時更改,最大程度地保證了樣品的分離純度和分離效率。本實(shí)驗(yàn)采用乙酸乙酯與石油醚混合溶劑的梯度洗脫,梯度設(shè)定條件如表1所示。分離過程為試管按照順序自動接收,且通過編輯色譜圖,可明確每試管的色譜峰位置,分離過程自動化且更加透明。

表1 中壓Flash色譜梯度洗脫溶劑比例

儀器配置的檢測器有兩種,一種是紫外檢測器(UV),另一種為蒸發(fā)光檢測器(ELSD)。紫外檢測器可以進(jìn)行三個不同波長的同時檢測,由于芳香苯環(huán)的存在,可以設(shè)定254,265和280 nm同時進(jìn)行檢測。紫外檢測波長的如何設(shè)定能夠加深學(xué)生對《有機(jī)化學(xué)》和《儀器分析》課程中譜學(xué)部分知識點(diǎn)的理解和運(yùn)用。而蒸發(fā)光檢測器(ELSD)能夠?qū)ψ贤馕杖趸驘o明顯紫外吸收的化合物進(jìn)行檢測,作為紫外檢測方法的補(bǔ)充,在本實(shí)驗(yàn)中也選擇了此檢測器。由此確定了快速純化的色譜條件。具體如下。

溶劑A:石油醚;溶劑B:乙酸乙酯;流速:30 mL/min;檢測方式:UV 254,265,280 nm和蒸發(fā)光ELSD;柱平衡時間:5 min。

分離過程采取檢測峰收集的方式,整個分離過程共消耗15個柱體積淋洗劑,從硅膠拌樣到分離結(jié)束運(yùn)行時間35 min左右,其中產(chǎn)物分離時間為12 min左右,顯著縮短了分離時間,實(shí)現(xiàn)了快速、高效的分離目的。產(chǎn)物峰與雜質(zhì)峰分離結(jié)果的色譜圖如圖1所示,可以看出產(chǎn)物和副產(chǎn)物得到了很好的分離效果,對收集的溶液進(jìn)行TLC檢測,根據(jù)點(diǎn)板結(jié)果,產(chǎn)物峰集中在試管6～9,合并6～9試管的流出液,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋干后得到純的目標(biāo)產(chǎn)物,平均產(chǎn)率為68%。

圖1 中壓Flash色譜分離色譜圖

此實(shí)驗(yàn)從試劑的稱量到產(chǎn)物光學(xué)純度的測量結(jié)束,所需時間為4～4.5 h。該實(shí)驗(yàn)綜合了手性有機(jī)分子催化,TLC監(jiān)控反應(yīng),中壓Flash色譜分離條件的選擇(包括梯度洗脫比例的確定、儀器檢測方法的選擇-紫外吸收波長的確定和利用色譜分離圖判斷溶劑梯度比例的適合程度)以及縮合產(chǎn)物的光學(xué)純度檢測等,訓(xùn)練了學(xué)生獨(dú)立操作并完成實(shí)驗(yàn)全過程的能力,適合開設(shè)為一個綜合實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以L-脯氨酸作為有機(jī)小分子催化劑催化不對稱Aldol反應(yīng),以TLC監(jiān)控反應(yīng),利用中壓Flash制備色譜對產(chǎn)物進(jìn)行分離,以自動旋光儀檢測產(chǎn)物的旋光純度。從產(chǎn)物的合成、分離再到檢測,讓學(xué)生明確有機(jī)化學(xué)合成的基本步驟,掌握正確使用有機(jī)實(shí)驗(yàn)室常用的各種儀器的使用方法。開設(shè)這樣的綜合實(shí)驗(yàn),可以達(dá)到以下目的:1)能夠有效促使學(xué)生查閱文獻(xiàn),進(jìn)一步了解Aldol反應(yīng)產(chǎn)物中手性構(gòu)型的反應(yīng)機(jī)理,完成從課本知識中被動接受椅式構(gòu)象的理論,到文獻(xiàn)中運(yùn)用椅式構(gòu)象過渡態(tài)完美解釋反應(yīng)產(chǎn)生的立體化學(xué)結(jié)果的重要轉(zhuǎn)變,加深了同學(xué)們對課本中理論的理解,同時加深對羥醛縮合反應(yīng)的理解,在應(yīng)用理論解釋反應(yīng)現(xiàn)象和規(guī)律的過程中,不斷培養(yǎng)學(xué)生的思維能力,提升其創(chuàng)新能力。2)培養(yǎng)和提高了學(xué)生的文獻(xiàn)閱讀能力和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?讓學(xué)生深刻認(rèn)識到手性合成在有機(jī)合成中的重要性,了解化學(xué)研究的基礎(chǔ)思路,方法和手段,激發(fā)學(xué)生的科研興趣和創(chuàng)新意識,培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力,同時也領(lǐng)略到有機(jī)化學(xué)的魅力與其發(fā)展前景。