基于可見(jiàn)光催化硫醚氧化的有機(jī)化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

朱海波

（東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013）

亞砜類(lèi)化合物作為一種重要的中間體，在精細(xì)化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥、合成纖維、塑料、印染、稀有金屬提取劑、有機(jī)合成等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。因此，發(fā)展高效、無(wú)毒害、無(wú)廢物的選擇性合成亞砜的方法無(wú)論從經(jīng)濟(jì)利益和環(huán)境影響兩個(gè)方面都具有重要意義，硫化物的氧化通常被認(rèn)為是最直接和最有效的合成策略之一。盡管該類(lèi)反應(yīng)在大學(xué)有機(jī)化學(xué)理論教學(xué)中被作為講授內(nèi)容，但是國(guó)內(nèi)很少有高等院校將硫醚選擇性氧化作為本科有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

硫醚的選擇性氧化不能作為大學(xué)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，其主要原因是該反應(yīng)使用強(qiáng)毒性、強(qiáng)氧化性及腐蝕性的氧化劑，價(jià)格昂貴，穩(wěn)定性差；且氧化副產(chǎn)物對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；很難避免氧化生成亞砜的同時(shí)，存在過(guò)度氧化成砜的問(wèn)題，選擇性差；這些缺陷都導(dǎo)致這類(lèi)合成方法難以滿足現(xiàn)代綠色有機(jī)合成的需求。此外，由于本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，對(duì)有機(jī)反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間、后處理過(guò)程要求很?chē)?yán)格，且大一學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作能力較弱，開(kāi)展硫醚選擇性氧化實(shí)驗(yàn)難度較大。因此，開(kāi)發(fā)一種綠色低毒、安全、簡(jiǎn)便的催化氧化方法，以高產(chǎn)率和高選擇性合成亞砜，且能夠在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展，會(huì)讓學(xué)生對(duì)綠色化學(xué)的理念有更深入的理解。

2021年，我們課題組報(bào)道了一種簡(jiǎn)便有效的可見(jiàn)光介導(dǎo)方法，可在清潔條件下不使用任何光催化劑，直接將硫化物轉(zhuǎn)化為亞砜，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，因此可以被應(yīng)用于大學(xué)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。同時(shí)，我們也希望該反應(yīng)能被國(guó)內(nèi)高等院?；A(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用，幫助化學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生深入了解綠化化學(xué)的意識(shí)。

1 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思路

該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為8課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課以學(xué)生為主體，自己動(dòng)手，獨(dú)立思考。課前學(xué)生需要知道有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的安全知識(shí)，常用有機(jī)試劑和溶劑的理化性質(zhì)，熟悉有機(jī)實(shí)驗(yàn)玻璃儀器的使用，做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，嚴(yán)格操作規(guī)程，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遵循小量、回收及重復(fù)使用等原則。此外，與傳統(tǒng)有機(jī)實(shí)驗(yàn)相比，本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重于微量化，倡導(dǎo)綠色化學(xué)。在保證教學(xué)效果的前提下，用毫克級(jí)別的原料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，降低了實(shí)驗(yàn)成本；無(wú)須任何催化劑的添加，降低了實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的污染。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可增強(qiáng)學(xué)生的微量實(shí)驗(yàn)操作技能，培養(yǎng)良好的科研態(tài)度；積極鼓勵(lì)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，了解綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的意義，培養(yǎng)大學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

2 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，整理相關(guān)儀器和試劑，檢查反應(yīng)裝置的氣密性。熟悉實(shí)驗(yàn)室氧氣瓶的使用方法，氧氣為助燃?xì)怏w，必須遠(yuǎn)離明火。打開(kāi)氣瓶閥時(shí)要緩慢進(jìn)行，壓力指示在正常值（13.3-15 MPa）之間，此時(shí)調(diào)節(jié)閥為關(guān)閉狀態(tài)。接好氧氣球，打開(kāi)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)流量在正常值（1.5升-2升/分鐘）直至氧氣球在正常壓力范圍內(nèi)。反應(yīng)步驟：向裝有甲醇和水的混合溶液的圓底燒瓶中，加入4-甲氧基苯甲硫醚，反應(yīng)然后將氧氣球套入到滴液漏洞上方，使整個(gè)反應(yīng)體系充滿氧氣。將該反應(yīng)放置在100W的藍(lán)光LED燈下照射，室溫條件下并不斷攪拌約4-6小時(shí)。反應(yīng)期間可用薄層色譜（TLC）檢測(cè)，直至原料完全消失。反應(yīng)過(guò)程中，如果氧氣球變小，可以重新充氣。此外，在用薄層色譜檢測(cè)的時(shí)候，也可重新?lián)Q氧氣直至反應(yīng)結(jié)束。攪拌不宜太劇烈，防止原料濺到圓底燒瓶?jī)?nèi)壁，致使反應(yīng)不完全。反應(yīng)結(jié)束后，撤去氧氣球，反應(yīng)體系倒出，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮除去反應(yīng)溶劑。然后用二氯甲烷萃取三次，有機(jī)層合并并用無(wú)水硫酸鈉干燥。過(guò)濾得二氯甲烷溶液，濃縮得到亞砜粗產(chǎn)物。采用柱色譜提純粗產(chǎn)物亞砜，用石油醚和乙酸乙酯作為洗脫劑，每接收一定量的流出液，采用薄層色譜檢測(cè)，直至紫外燈下可以觀察到亞砜的產(chǎn)物點(diǎn)時(shí)開(kāi)始收集流出液，等到紫外燈下沒(méi)有亞砜產(chǎn)物時(shí)停止收集。然后合并流出液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干除去溶劑，得到淡黃色固體，可以通過(guò)測(cè)定熔點(diǎn)和核磁共振氫譜對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征。

充氧氣球的時(shí)候，扭動(dòng)氧氣瓶的調(diào)節(jié)閥，一定要緩慢，使氣流穩(wěn)定并充滿氧氣球達(dá)到正常壓力。在4-甲氧基苯甲硫醚的選擇性氧化反應(yīng)中，用的是混合溶劑甲醇和水，因此在加原料的時(shí)候，應(yīng)先把4-甲氧基苯甲硫醚加到甲醇溶液中溶解后，在加入水?dāng)嚢?，使反?yīng)體系溶清。反應(yīng)開(kāi)始之前，可稍微用氧氣置換體系中空氣1-2次；在對(duì)該反應(yīng)體系進(jìn)行光照時(shí)，為了確保反應(yīng)在室溫條件下，100W的LED燈不能靠圓底燒瓶太近，防止長(zhǎng)時(shí)間照射使反應(yīng)體系升溫。反應(yīng)過(guò)程中，用薄層色譜TLC檢測(cè)反應(yīng)體系，可以用原料4-甲氧基苯甲硫醚作為已知點(diǎn)，等原料點(diǎn)消失后，方可停反應(yīng)。且每次用TLC檢測(cè)完，氧氣球可以重新充氣以保證體系中的氧氣壓力。反應(yīng)結(jié)束后，用柱色譜分離粗產(chǎn)物之前，必須用TLC算好原料和產(chǎn)物的Rf值，并以此數(shù)值作為參考進(jìn)行柱色譜分離。分離結(jié)束后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑時(shí)，溫度不能過(guò)高，防止產(chǎn)物暴沸隨溶劑沖出，導(dǎo)致產(chǎn)率損失。

3 實(shí)驗(yàn)操作

3.1 可見(jiàn)光催化的硫醚的選擇性氧化

將4-甲氧基苯甲硫醚（31 mg，0.2 mmol）放入到一個(gè)50 mL的圓底燒瓶中，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(a)，加入甲醇（6 mL），震蕩使原料溶解。向該溶液中加入水（3mL）。用氧氣球置換反應(yīng)體系中的空氣1-2次，將反應(yīng)置于氧氣條件下，在100 W的藍(lán)光LED燈照射下，攪拌條件下反應(yīng)4-6小時(shí)。反應(yīng)4小時(shí)后，用毛細(xì)管取樣，薄層色譜板（TLC）檢測(cè)，并用原料4-甲氧基苯甲硫醚作為對(duì)照點(diǎn)，檢測(cè)反應(yīng)進(jìn)程，每次檢測(cè)完，氧氣球可以重新充氣到正常壓力范圍。反應(yīng)結(jié)束后，將圓底燒瓶中反應(yīng)液倒入50 mL茄形瓶中，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑，剩余物用二氯甲烷萃取3次，每次10 mL。有機(jī)相分液合并，用無(wú)水硫酸鈉干燥，過(guò)濾得粗產(chǎn)物亞砜的二氯甲烷溶液。

圖1 可見(jiàn)光催化硫醚氧化的實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 粗產(chǎn)物硫醚的純化

柱色譜分離法提純亞砜。將柱層析硅膠（300-400目）加到石油醚中，不斷攪拌除去硅膠中的氣泡。緩慢倒入帶有砂芯的層析柱中，并不斷用洗耳球輕敲柱子，使硅膠均勻填充。向上述的粗產(chǎn)物二氯甲烷溶液中，加入2倍量的硅膠（100-200目），用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干得硅膠粉末，加入層析柱中。并用乙酸乙酯/石油醚（V:V=1:5）的展開(kāi)劑進(jìn)行洗脫，每接收10 mL的流出液，采用TLC檢測(cè)，將含有產(chǎn)物亞砜的流出液合并，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干得到淡黃色固體。稱(chēng)重并計(jì)算產(chǎn)率，通過(guò)測(cè)定熔點(diǎn)、核磁共振氫譜、碳譜對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)將硫醚的選擇性氧化和光催化相結(jié)合，綜合了微量有機(jī)化學(xué)、可見(jiàn)光催化有機(jī)反應(yīng)和儀器分析等知識(shí)，將有機(jī)物的合成、提純及表征融為一體，不但使學(xué)生了解有機(jī)合成領(lǐng)域的前沿問(wèn)題，增強(qiáng)了學(xué)生的微量實(shí)驗(yàn)操作技能，同時(shí)提高了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能和綠色化學(xué)實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的綠色化學(xué)意識(shí)。