基于有機(jī)電化學(xué)方法制備烯基砜的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王培龍，高 慧，劉 根，孟令國(guó)

(1.淮北師范大學(xué) 信息學(xué)院，安徽 淮北 235000；2.淮北師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000)

0 引言

電化學(xué)碳?xì)涔倌軋F(tuán)化反應(yīng)是一類新興的有機(jī)合成方法，正逐步得到越來(lái)越多化學(xué)家的青睞，勢(shì)必將成為未來(lái)幾年有機(jī)合成化學(xué)研究的新熱點(diǎn)[1]。電化學(xué)相比于過(guò)渡金屬催化及光催化反應(yīng)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。由于電化學(xué)應(yīng)用的是電能，是一種清潔能源，同時(shí)電化學(xué)反應(yīng)可以在無(wú)金屬催化劑，無(wú)光催化劑的情況下進(jìn)行，結(jié)合當(dāng)下全球?qū)Νh(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，應(yīng)用電能進(jìn)行有機(jī)合成反應(yīng)，環(huán)境友好，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)電化學(xué)反應(yīng)條件溫和，一般在室溫下或稍稍加熱下即可完成，不需要較高的溫度，反應(yīng)時(shí)間短。電化學(xué)除了可以無(wú)催化劑外，另一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)就是可以不加氧化劑。目前電化學(xué)碳?xì)涔倌軋F(tuán)化反應(yīng)主要是自由基反應(yīng)，以往的自由基反應(yīng)很多需要加入氧化劑來(lái)產(chǎn)生自由基，而電化學(xué)依靠陽(yáng)極氧化可以直接產(chǎn)生自由基，陽(yáng)極氧化直接代替氧化劑的使用?；瘜W(xué)反應(yīng)中大量有毒有害的氧化劑的使用不僅增加反應(yīng)成本，而且危害人體健康，對(duì)環(huán)境造成污染。電化學(xué)方法可以很好的解決這一問(wèn)題[2-6]。綠色的有機(jī)電化學(xué)合成優(yōu)勢(shì)顯著，但是由于設(shè)備、大綱教材更新和教師資源等問(wèn)題的限制，目前的有機(jī)化學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)依然是傳統(tǒng)的反應(yīng)方法，學(xué)生無(wú)法接觸到前沿的科研熱點(diǎn)。因此，利用科研一線有機(jī)化學(xué)教師已有科研平臺(tái)將此類前沿?zé)狳c(diǎn)性的課題研究設(shè)計(jì)成本科開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供更廣闊的學(xué)習(xí)動(dòng)手空間，可以開(kāi)拓學(xué)生的眼界，彌補(bǔ)傳統(tǒng)本科教學(xué)的空白，讓學(xué)生能夠緊跟科研的發(fā)展腳步。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟，引導(dǎo)學(xué)生探究最佳實(shí)驗(yàn)條件，識(shí)別產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，并對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行探究，有效的培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，使學(xué)生可以初步感知到科學(xué)研究的內(nèi)涵，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度[7-8]。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求

1.1初步掌握烯基砜的電化學(xué)合成方法

1.2熟悉恒電位儀的使用方法

1.3掌握利用ChemBioDraw Ultra軟件的基礎(chǔ)畫(huà)圖、計(jì)算分子量等功能

1.4能夠掌握鑒定產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的方法

2 實(shí)驗(yàn)原理

在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以鉑為陽(yáng)極，碳為陰極，50 mol% 碘化鉀(KI)為氧化還原介質(zhì)，四丁基四氟硼酸銨(n-Bu4NBF4)為電解質(zhì)，苯乙烯和4-甲基苯亞磺酸鈉為底物，以二甲基亞砜(DMSO) / 乙酸(AcOH)(v：v = 1：1)為溶劑，室溫下恒定12 mA的電流反應(yīng)10小時(shí)，電化學(xué)合成烯基砜。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 篩選反應(yīng)溶劑

對(duì)溶劑進(jìn)行篩選，包括單一溶劑和混合溶劑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管單一溶劑不能進(jìn)一步提高產(chǎn)率，但混合溶劑卻可以顯著提高產(chǎn)率。在混合溶劑中，首先使用N，N-二甲基甲酰胺(DMF) / AcOH(v：v = 1：1)，能夠?qū)崿F(xiàn)37%的產(chǎn)率。當(dāng)使用DMSO / AcOH時(shí)，獲得了更高的收率(71%)。接下來(lái)，分別使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)、乙腈(MeCN)、甲醇(MeOH)、1，4-二氧六環(huán)(1，4-dioxane)、吡啶和丙酮，它們?cè)陔娀瘜W(xué)合成中通常用作AcOH的助溶劑。結(jié)果表明它們并沒(méi)有帶來(lái)任何明顯的改善。篩選DMSO和AcOH的體積比后，可以發(fā)現(xiàn)最佳比例仍為1：1。其他比例(2：1、1：2、5：1、1：5)對(duì)產(chǎn)量有負(fù)面影響。

3.2 支持電解質(zhì)的影響

分別使用不同支持電解質(zhì)檢測(cè)對(duì)電合成的影響。當(dāng)使用四丁基乙酸銨(n-Bu4NOAc)的收率為66%，略低于使用n-Bu4NBF4的收率，當(dāng)使用四丁基六氟磷酸銨(n-Bu4NPF6)(61%)和四丁基高氯酸銨(n-Bu4NClO4)(59%)降低了收率。最終選取n-Bu4NBF4作為本反應(yīng)的電解質(zhì)。

3.3 溫度的影響

將反應(yīng)溫度從室溫逐漸提高到50℃，產(chǎn)率提高很緩慢，當(dāng)反應(yīng)溫度為50℃時(shí)，產(chǎn)率為73%，最終選取室溫作為最佳反應(yīng)溫度。

3.4 保護(hù)氣的影響

將氮?dú)馓娲諝庾鳛楸Ｗo(hù)氣，室溫條件下反應(yīng)，產(chǎn)率能夠從71%提高到78%，因此選取氮?dú)庾鳛楸痉磻?yīng)的保護(hù)氣。

3.5 最佳反應(yīng)條件下的實(shí)驗(yàn)步驟

首先向以Pt作陽(yáng)極(1 cm×1 cm×0.02 cm)和石墨棒作陰極的不分隔電解池中加入固體試劑4-甲基苯亞磺酸鈉(2 mmol)、KI(0.5 mmol)和n-Bu4BF4(1 mmol)。將容器抽真空充氮?dú)?3次)。然后，通過(guò)注射器依次添加液體試劑苯乙烯(1 mmol)，DMSO(3 mL)和AcOH(3 mL)。在室溫下以恒定電流(12 mA)進(jìn)行電解10小時(shí)。之后，將反應(yīng)混合物冷卻至室溫，用一小段硅膠柱過(guò)濾(用EtOAc洗脫)。濾液用水洗滌3次，并用EtOAc萃取。然后將有機(jī)層用飽和食鹽水洗滌并用無(wú)水Na2SO4干燥。使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸除溶劑，殘余物通過(guò)硅膠柱色譜純化，得到產(chǎn)物。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 ChemBioDraw Ultra的使用

ChemBioDraw Ultra軟件是有機(jī)化學(xué)科學(xué)研究領(lǐng)域中不可缺少的工具，而在常規(guī)的本科教學(xué)中一般不涉及該軟件的使用，在本開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中加入了該軟件的一些基礎(chǔ)功能教學(xué)，使學(xué)生初步入門(mén)。

(1)反應(yīng)過(guò)程示意圖的繪制

雙擊打開(kāi)軟件，單擊菜單欄中的“View”后調(diào)出“Main Toolbar”、“General Toolbar”和“Style Toolbar”工具欄。在“Main Toolbar”中含有畫(huà)圖所需的各種工具，例如圖1反應(yīng)式中所需要的苯環(huán)、單鍵和雙鍵。通過(guò)左單擊即可獲取，并呈現(xiàn)于右側(cè)的畫(huà)圖區(qū)域?！癎eneral Toolbar”可用于對(duì)文件執(zhí)行保存、復(fù)制、粘貼和撤銷(xiāo)等操作，所畫(huà)圖形一般保存為JPEG或TIF等格式?！癝tyle Toolbar”用于對(duì)字體字號(hào)、加粗、顏色、傾斜、對(duì)齊和上下標(biāo)等進(jìn)行處理，例如圖1反應(yīng)式中的反應(yīng)條件的書(shū)寫(xiě)即是利用該功能完成。利用上述三個(gè)工具欄即可方便地將圖1的反應(yīng)式畫(huà)出來(lái)，如下圖所示：

圖1 反應(yīng)式

(2)輔助進(jìn)行產(chǎn)率計(jì)算及結(jié)構(gòu)確認(rèn)

計(jì)算產(chǎn)物產(chǎn)率時(shí)需要用到產(chǎn)物的分子量，另外確認(rèn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要測(cè)核磁和高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，本軟件可通過(guò)繪制分子結(jié)構(gòu)來(lái)預(yù)測(cè)核磁譜圖，包括氫譜(1H NMR)和碳譜(13C NMR)，在解析實(shí)際核磁譜圖時(shí)能夠快速確認(rèn)分子結(jié)構(gòu)；在測(cè)高分辨質(zhì)譜前需要用本軟件計(jì)算exact mass值，用于在測(cè)試時(shí)與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)分子結(jié)構(gòu)。以本反應(yīng)的產(chǎn)物烯基砜為例，在軟件中畫(huà)出它的結(jié)構(gòu)式(圖1)后左單擊頁(yè)面左側(cè)“Main Toolbar”中的“Marquee”，用鼠標(biāo)左鍵圈中該結(jié)構(gòu)式，點(diǎn)擊菜單欄“Structure”里的“Predict 1H-NMR Shifts”預(yù)測(cè)H譜，再點(diǎn)擊“Predict13C-NMR Shifts”預(yù)測(cè)C譜。對(duì)于exact mass和分子量，還是先選中該結(jié)構(gòu)式，右單擊“Analysis”里面的“Exact Mass”和“Molecular Weight”即可。

4.2 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的識(shí)別

產(chǎn)物合成后需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，將產(chǎn)物裝入核磁管(溶劑為氘代氯仿)送至分析測(cè)試中心進(jìn)行核磁測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2(氫譜)和圖3(碳譜)所示。用核磁處理軟件“MestReNova”對(duì)譜圖進(jìn)行處理，打開(kāi)該軟件，首先定標(biāo)，在工具欄中選擇“reference”按鈕，將氘代氯仿(CDCl3)的殘留質(zhì)子信號(hào)峰定為7.260，然后再選擇“Peak Picking”中的“Peak by Peak”按鈕，逐個(gè)將所有峰的位移數(shù)值定出，再對(duì)每組峰進(jìn)行積分，選擇“Intergration”中的“Manual”按鈕，逐個(gè)對(duì)每組峰進(jìn)行積分。我們可根據(jù)所學(xué)的知識(shí)或根據(jù)ChemBioDraw Ultra軟件來(lái)進(jìn)行解析：位移為2.43的三個(gè)氫為甲基氫，6.85的一個(gè)氫為烯基氫，7.27左側(cè)的十個(gè)氫為苯環(huán)及烯基的氫。

圖2 產(chǎn)物1H NMR 圖3 產(chǎn)物13C NMR

氫譜解析完后再對(duì)碳譜進(jìn)行解析，仍然要首先定標(biāo)，位移在77附近的三個(gè)峰為內(nèi)標(biāo)物的峰，在工具欄中選擇“reference”按鈕，將三個(gè)峰中最中間的峰定為77.16，然后再選擇“Peak Picking”中的“Peak by Peak”按鈕，逐個(gè)將所有峰的位移數(shù)值定出來(lái)，內(nèi)標(biāo)峰左側(cè)為苯環(huán)及烯基上的碳，其中需要注意的是苯環(huán)上如有對(duì)稱的兩個(gè)碳，則兩個(gè)碳只出一個(gè)峰，所以左側(cè)應(yīng)有十個(gè)峰；內(nèi)標(biāo)峰右側(cè)為甲基的峰，只有一個(gè)。

最后我們用高分辨質(zhì)譜來(lái)測(cè)定分子的exact mass，所用光源為ESI光源，在此光源下測(cè)得的數(shù)值為分子加氫離子后的數(shù)值，通過(guò)ChemBioDraw Ultra計(jì)算我們預(yù)測(cè)出分子加氫離子后的exact mass值為259.0787，實(shí)際測(cè)得的值為259.0789，在正常的誤差范圍內(nèi)，證明了該化合物分子式準(zhǔn)確無(wú)誤。

通過(guò)以上解析，得出了產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)如圖4及各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

圖4 產(chǎn)物結(jié)構(gòu) 圖5 反應(yīng)機(jī)理

顏色狀態(tài)：白色固體，產(chǎn)量： 201.6 mg，產(chǎn)率：78%，1H NMR (600 MHz，CDCl3) δ 7.83 (d，J= 8.3 Hz，2H)，7.66 (d，J= 15.4 Hz，1H)，7.48-7.46 (m，2H)，7.42-7.33 (m，5H)，6.85 (d，J= 15.4 Hz，1H)，2.43 (s，3H).13C NMR(151 MHz，CDCl3) δ 144.5，142.0，137.7，132.5，131.2，130.1，129.2，128.6，127.8，127.6，21.7. HRMS (ESI) calcd.for C15H15O2S+([M+H]+)： 259.0787，found： 259.0789.

5 機(jī)理推測(cè)

根據(jù)先前的報(bào)道，提出了一種合理的電化學(xué)磺化反應(yīng)機(jī)理，如圖5所示。首先，通過(guò)陽(yáng)極氧化將碘化物轉(zhuǎn)化為分子碘，然后使其與芳基亞磺酸鈉反應(yīng)生成不穩(wěn)定的磺?；饣镏虚g體A，進(jìn)而形成磺?；偷庾杂苫?。接下來(lái)，磺?；偷庾杂苫来尾迦胂N中，得到中間體D。最后，D進(jìn)行HI消除得到所需的磺化產(chǎn)物E和碘負(fù)離子，后者被陽(yáng)極重新氧化以再生分子碘。

6 思考與討論

(1)烯基砜有哪些重要的應(yīng)用價(jià)值？

(2)目前文獻(xiàn)中報(bào)道的合成烯基砜的方法有哪些？

(3)本實(shí)驗(yàn)與其他合成烯基砜的方法相比有哪些優(yōu)勢(shì)？

(4)通過(guò)改善其他反應(yīng)條件能否進(jìn)一步提高反應(yīng)產(chǎn)率？

(5)底物中如果有供電子或吸電子取代基時(shí)反應(yīng)活性如何？

(6)除了烯基砜類還有什么具有研究?jī)r(jià)值的化合物可以通過(guò)電化學(xué)方法合成？

7 結(jié)束語(yǔ)

以教師科研課題和科研平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了合成烯基砜的有機(jī)電化學(xué)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，充分利用學(xué)生的課余時(shí)間，讓對(duì)有機(jī)化學(xué)感興趣的學(xué)生學(xué)習(xí)感受科技的最新發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、畫(huà)圖、識(shí)圖和推測(cè)機(jī)理等綜合能力，為日后攻讀碩博或進(jìn)行科研工作奠定一定基礎(chǔ)。