實(shí)驗(yàn)教學(xué)與綠色化學(xué)的融合
——一個(gè)綠色Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

王艷艷，高玲香，張偉強(qiáng)，顧泉，簡(jiǎn)亞軍，高子偉

陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，西安 710119

自第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)中提出“碳達(dá)峰”“碳中和”以后，國(guó)家主席習(xí)近平于2021年4月22日發(fā)表題為《共同構(gòu)建人與自然生命共同體》的重要講話，強(qiáng)調(diào)要堅(jiān)持綠色發(fā)展，共同構(gòu)建人與自然生命共同體。隨著人們對(duì)環(huán)境及安全生產(chǎn)認(rèn)識(shí)的日益提高，綠色、可持續(xù)合成化學(xué)亟需發(fā)展。韓布興院士曾在中國(guó)化學(xué)會(huì)第32屆學(xué)術(shù)年會(huì)的學(xué)術(shù)報(bào)告中指出，綠色化學(xué)是21世紀(jì)的主題之一，已成為化學(xué)、化工及相關(guān)學(xué)科交叉滲透的研究領(lǐng)域，在解決經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境三者矛盾的過程中將發(fā)揮重要作用。在本科生實(shí)驗(yàn)課程中融入綠色化學(xué)理念，將有助于深化學(xué)生的綠色化學(xué)認(rèn)知，增強(qiáng)其綠色化學(xué)研發(fā)意識(shí)[1]。

鈀催化的Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)(Suzuki-Miyaura cross-coupling，SMC)是現(xiàn)代有機(jī)合成中的一個(gè)重要反應(yīng)，廣泛應(yīng)用于藥物、天然產(chǎn)物、染料等化合物的合成，Akira Suzuki更因在該反應(yīng)研究中的貢獻(xiàn)而獲得2010年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[2]。為將SMC反應(yīng)引入大學(xué)課堂，關(guān)于SMC反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究受到了人們的關(guān)注[3]。例如，熊就凱等人借助吡咯并吡咯二酮類熒光染料的合成實(shí)驗(yàn)介紹了SMC反應(yīng)[4]，段新紅等人利用制備的Pd/β-環(huán)糊精催化劑設(shè)計(jì)了水中催化SMC反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)[5]，J. W. J.Ang利用制備的含氟鈀催化劑設(shè)計(jì)了在水相中可循環(huán)催化SMC反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)[6]，M. F. Koudehi等人通過設(shè)計(jì)一鍋SMC反應(yīng)與分步反應(yīng)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展示了省去催化劑預(yù)制備步驟的優(yōu)勢(shì)[7]。近年來，SMC反應(yīng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)開始出現(xiàn)在《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》的教材中[8-10]，但將其引入本科實(shí)驗(yàn)課堂尚存在很大困難。這主要是因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)成本高、附加污染大[11]，具體表現(xiàn)在：貴金屬鈀的用量大且難以回收，有機(jī)溶劑和昂貴有機(jī)配體的使用增加成本且加劇了環(huán)境壓力，產(chǎn)物分離困難，實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)。

最近，我們發(fā)展了一種綠色純水相含鈀體系，其催化劑無需特制且用量低，不僅能夠高效催化SMC反應(yīng)，而且其反應(yīng)和產(chǎn)物分離的操作簡(jiǎn)便——利用大學(xué)無機(jī)化學(xué)中的常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作即可[12]。更重要的是，該純水相含鈀體系能夠多次循環(huán)應(yīng)用于SMC反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)成本低。該體系中催化的C-C交叉偶聯(lián)能夠于空氣氣氛中、45 °C下，反應(yīng)1 h即可完成，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)試劑、反應(yīng)裝置、實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)等方面考慮，符合本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。從危險(xiǎn)性方面考慮，利用該體系進(jìn)行的SMC反應(yīng)是一個(gè)理想的綠色化學(xué)實(shí)施案例，適合作為本科生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。基于此，本文旨在介紹一項(xiàng)可作為綜合實(shí)驗(yàn)引入高年級(jí)本科課程的“綠色Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)”教學(xué)研究，以期向本科生介紹Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)，并在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生的綠色化學(xué)理念。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 掌握Suzuki交叉偶聯(lián)反應(yīng)的綠色有機(jī)合成新方法；

(2) 進(jìn)一步學(xué)習(xí)有機(jī)化合物的薄層色譜分析和核磁譜圖的分析；

(3) 通過對(duì)反應(yīng)路線和催化劑活性進(jìn)行評(píng)價(jià)，強(qiáng)化對(duì)綠色化學(xué)的理解；

(4) 增強(qiáng)對(duì)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力、增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

傳統(tǒng)Suzuki反應(yīng)原理如圖1a所示，L是有機(jī)配體，用來穩(wěn)定活潑的零價(jià)或二價(jià)鈀，并調(diào)節(jié)其催化活性。溶解在試劑中的鈀的金屬有機(jī)配合物是催化劑前體，該前體經(jīng)活化后變成活性物種LnPd0。首先，鹵代芳烴與活性物種(LnPd0)絡(luò)合，發(fā)生氧化加成，進(jìn)而與芳基硼酸反應(yīng)，經(jīng)轉(zhuǎn)金屬過程生成鈀偶聯(lián)芳基配合物，最后經(jīng)還原消除生成偶聯(lián)產(chǎn)物，而鈀催化劑重新轉(zhuǎn)化成LnPd0，并再次催化反應(yīng)進(jìn)行。這里，催化物種LnPd0雖然活性高，但不穩(wěn)定：該物種容易脫除L配體形成更活潑的零價(jià)鈀原子，導(dǎo)致鈀的團(tuán)聚并形成催化活性很低的鈀納米顆粒，造成催化物種的失活。因此，如何在保證催化劑高活性的同時(shí)增強(qiáng)其穩(wěn)定性一直是貴金屬催化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題。本文介紹的實(shí)驗(yàn)中并未用到有機(jī)配體，其催化劑前體是Pd(NH3)4Cl2，初步研究認(rèn)為其活性催化物種是亞納米的零價(jià)鈀，如圖1b所示。正如傳統(tǒng)的鈀催化一樣，催化劑活性、穩(wěn)定性難以兼顧是一個(gè)問題。這里，我們的初步研究認(rèn)為，體系中的季銨堿起到了穩(wěn)定游離的二價(jià)鈀物種的作用，并抑制了二價(jià)鈀向零價(jià)鈀的轉(zhuǎn)化，使體系中的二價(jià)鈀和零價(jià)鈀達(dá)到某種平衡，實(shí)現(xiàn)了鈀的高穩(wěn)定性和活性。首先，二價(jià)鈀在底物作用下被還原，形成亞納米的活性鈀簇，并參與催化循環(huán)；其次，亞納米鈀在堿的作用下，回到穩(wěn)定且高分散的二價(jià)鈀狀態(tài)，避免了鈀的團(tuán)聚失活。然而，如何平衡二價(jià)鈀和零價(jià)鈀在體系中的比例，真實(shí)的活性鈀物種究竟是什么狀態(tài)，這些問題尚模糊不清，其機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究。

圖1 鈀催化Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理和其催化物種變化的可能機(jī)制

本實(shí)驗(yàn)以溴苯和4-甲氧基苯硼酸為原料，于含少量乳化劑的堿性水溶液體系中，在鈀催化作用下進(jìn)行Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，并以96%-99%的收率得到4-甲氧基聯(lián)苯。反應(yīng)I如圖2a所示，其中：[Pd]充當(dāng)催化劑的作用，催化劑前體為商業(yè)上可買到的四氨合氯化鈀一水合物；四丙基氫氧化銨(TPAOH)充當(dāng)堿的作用，用于提供堿性環(huán)境；H2O用作溶劑；Triton X-100作為乳化劑，用于促進(jìn)有機(jī)反應(yīng)物在水中的分散；反應(yīng)溫度為45 °C，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為1 h。為了驗(yàn)證催化劑及體系的可再利用，將反應(yīng)I中的催化劑進(jìn)行回收后，重新用于催化4-溴苯甲醚和苯硼酸間的Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)，同樣得到4-甲氧基聯(lián)苯(圖2b，反應(yīng)II)。

圖2 鈀催化SMC反應(yīng)路線

該反應(yīng)在空氣氛圍下進(jìn)行，反應(yīng)條件溫和(45 °C)，所需鈀催化劑用量極少且易得、穩(wěn)定、可循環(huán)。與現(xiàn)有方法相比，該反應(yīng)具有體系綠色、反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率高和易于操作等優(yōu)點(diǎn)。由于反應(yīng)中鈀的用量很少，本實(shí)驗(yàn)所需的鈀催化劑可由實(shí)驗(yàn)教師預(yù)先將其溶于水配制成一定濃度的含鈀水溶液。

3 試劑與儀器

3.1 試劑

溴苯(阿拉丁，99%)，4-甲氧基苯硼酸(阿拉丁，97%)，4-溴苯甲醚(阿拉丁，99%)，苯硼酸(阿拉丁，97%)，曲拉通(Triton X-100，阿拉丁，生化試劑級(jí))，四丙基氫氧化銨25% (w)水溶液(25% (w)TPAOH，伊諾凱)，蒸餾水，四氨合氯化鈀水溶液(由教師提前將四氨合氯化鈀一水合物(Pd(NH3)4Cl2·H2O，阿拉丁)溶于水配制成Pd含量為6 × 10-4mol·L-1的水溶液)。

3.2 儀器

顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀、薄層色譜板、電子天平、恒溫加熱磁力攪拌器、減壓水泵、燒杯、40 mL反應(yīng)小瓶、全玻璃微孔濾膜過濾器、移液槍。日本電子株式會(huì)社(JNM-ECZ400S/L1) 400 MHz核磁共振波譜儀，CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)過程

4.1 溴苯和4-甲氧基苯硼酸的交叉偶聯(lián)反應(yīng)(反應(yīng)I)

向40 mL反應(yīng)瓶?jī)?nèi)加入0.172 g 4-甲氧基苯硼酸、0.106 mL溴苯、1.63 mL四丙基氫氧化銨25% (w)水溶液、0.1 mL曲拉通、7 mL水、2 mL二氯化四氨合鈀水溶液配制成反應(yīng)液；將反應(yīng)瓶置于45 °C水浴中攪拌1 h (TLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程)，完成反應(yīng)。最后，將反應(yīng)瓶置于冰浴中充分結(jié)晶約30 min，析出白色4-甲氧基聯(lián)苯固體(圖3a)。

用全玻璃微孔濾膜過濾器過濾反應(yīng)液。將濾液和濾餅分別做如下處理：(1) 收集濾液(包含H2O、TPAOH、Pd催化劑、Triton X-100)到干凈的40 mL反應(yīng)小瓶中(圖3c)，以備循環(huán)使用；在激光照射下觀察到丁達(dá)爾現(xiàn)象，說明濾液中含有納米微?；蛭⑷?。(2) 將濾餅用蒸餾水淋洗多次后，轉(zhuǎn)移到稱量紙上，于室溫下自然干燥8 h，獲得純的白色4-甲氧基聯(lián)苯固體(圖3b)，稱量，計(jì)算產(chǎn)率。

圖3 產(chǎn)物的分離、提純和催化循環(huán)流程圖

4.2 回收體系用于催化4-溴苯甲醚和苯硼酸的交叉偶聯(lián)反應(yīng)(反應(yīng)II)

首先，將步驟4.1中收集的濾液置于40 mL反應(yīng)瓶中，加入0.138 g苯硼酸和0.126 mL 4-溴苯甲醚(1.0 mmol)，并補(bǔ)加0.815 mL四丙基氫氧化銨25% (w)水溶液。之后，與步驟4.1類似，將該反應(yīng)瓶置于45 °C水浴中攪拌，反應(yīng)1 h (TLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程)，完成反應(yīng)。最后，將反應(yīng)瓶置于冰浴中充分結(jié)晶約30 min，析出白色4-甲氧基聯(lián)苯固體。

按照步驟4.1對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行過濾分離：將分離出的濾液集中回收；將濾餅用蒸餾水淋洗多次后，置于室溫下干燥8 h，獲得純的白色4-甲氧基聯(lián)苯固體，稱量，計(jì)算產(chǎn)率。

4.3 產(chǎn)品的檢驗(yàn)和結(jié)構(gòu)分析

取少量產(chǎn)物溶于石油醚后，以V石油醚: V二氯甲烷= 1 : 1為展開劑進(jìn)行TLC分析，對(duì)照反應(yīng)I和反應(yīng)II產(chǎn)物的比移值(Rf)，并初步檢驗(yàn)產(chǎn)物的純度。

催化過程中，對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行TLC分析。如圖4所示，其中A為對(duì)反應(yīng)前的反應(yīng)液的分析結(jié)果，B為對(duì)反應(yīng)后的反應(yīng)液的分析結(jié)果，P為對(duì)產(chǎn)物的分析結(jié)果。Rf值：溴苯為0.82；4-溴苯甲醚為0.60；苯硼酸和4-甲氧基苯硼酸為0；4-甲氧基聯(lián)苯為0.47。如圖4a所示，反應(yīng)I進(jìn)行1 h后，溴苯完全轉(zhuǎn)化；如圖4b所示，反應(yīng)II進(jìn)行1 h后，4-溴苯甲醚完全轉(zhuǎn)化。反應(yīng)I和反應(yīng)II均生成4-甲氧基聯(lián)苯。結(jié)果表明，不管是新鮮催化劑作用于溴苯和4-甲氧基苯硼酸的反應(yīng)，還是回收體系作用于催化4-溴苯甲醚和苯硼酸的反應(yīng)，均實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)的高效催化轉(zhuǎn)化，均獲得了4-甲氧基聯(lián)苯，且沒有硼酸自偶聯(lián)產(chǎn)物生成。

圖4 反應(yīng)進(jìn)行1 h后，反應(yīng)I (a)和反應(yīng)II (b)分別與其產(chǎn)物的薄層色譜對(duì)照

利用核磁共振氫譜(1H NMR)對(duì)經(jīng)簡(jiǎn)單水洗和過濾后獲得的產(chǎn)物——4-甲氧基聯(lián)苯進(jìn)行分析表征(圖5)。具體結(jié)果如下：

白色固體，產(chǎn)量184 mg (產(chǎn)率＞ 99%)。1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.60-7.54 (m, 4H), 7.44 (t,J = 7.8 Hz, 2H), 7.33 (t, J = 7.3 Hz, 1H), 7.01 (d, J = 8.5 Hz, 2H), 3.87 (s, 3H)。

由1H NMR數(shù)據(jù)，可以確定其結(jié)構(gòu)為4-甲氧基聯(lián)苯。圖5中δ 1.56附近的峰對(duì)應(yīng)水的峰，可能是樣品在空氣中吸水所致。此外，整個(gè)1H核磁上沒有其他雜峰，說明該產(chǎn)物是純品。

圖5 產(chǎn)物4-甲氧基聯(lián)苯的1H NMR圖

5 結(jié)果與討論

關(guān)于催化反應(yīng)的一堂實(shí)驗(yàn)課需要四個(gè)課時(shí)，參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)為5-6人，學(xué)生單人進(jìn)行或兩人一組分組進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課上開設(shè)了兩年。每次實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生完成反應(yīng)I和反應(yīng)II，并獲得產(chǎn)物；待下次實(shí)驗(yàn)課上稱量產(chǎn)物，計(jì)算產(chǎn)率。

5.1 貴金屬催化劑的利用率

如表1 (序號(hào)1-3)所示，三組學(xué)生使用新鮮的含鈀催化水體系催化溴苯和4-甲氧基苯硼酸的SMC反應(yīng)，均得到了目標(biāo)產(chǎn)物，產(chǎn)物的分離產(chǎn)率為96%-99%。說明該催化實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性高。

表1 第一次催化及循環(huán)催化結(jié)果對(duì)照

由加入的催化劑量和產(chǎn)率，通過指導(dǎo)學(xué)生計(jì)算催化劑的轉(zhuǎn)化數(shù)和轉(zhuǎn)化頻率評(píng)估催化劑的活性。從反應(yīng)物及催化劑組成方面分析：對(duì)于1 mmol的反應(yīng)物，[Pd]的用量為1.2 × 10-3mmol。這說明很少量的鈀即可催化該反應(yīng)。

根據(jù)轉(zhuǎn)化數(shù)(TON)的定義得：TON = 生成的產(chǎn)物的物質(zhì)的量/催化劑的物質(zhì)的量。這里，反應(yīng)物為1 mmol，產(chǎn)物為0.98 mmol (以產(chǎn)率為98%為例做計(jì)算)，[Pd]催化劑用量為1.2 × 10-3mmol，則：

TON = (0.98 mmol)/(1.2 × 10-3mmol) = 816

因此，分離產(chǎn)率為98%時(shí)，該體系中催化劑的TON值為816。

根據(jù)轉(zhuǎn)化頻率(TOF)的定義得：TOF = (生成的產(chǎn)物的物質(zhì)的量/催化劑的物質(zhì)的量)/反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)；這里，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為1 h，則：

TOF = [(0.98 mmol)/(1.2 × 10-3mmol)]/1 h = 816 h-1

因此，分離產(chǎn)率為98%時(shí)，該體系中催化劑的TOF為816 h-1。

通過對(duì)多個(gè)學(xué)生的多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，其第一次催化獲得的產(chǎn)率范圍為85%-100%，對(duì)應(yīng)的TON值范圍為708-833，TOF值范圍為708-833 h-1。

高的TON值和TOF值，說明該體系具有很高的催化效率。

5.2 催化循環(huán)情況考察

如表1 (序號(hào)4-6)所示，學(xué)生將相應(yīng)的4-溴苯甲醚、苯硼酸和TPAOH投入回收的濾液中，同樣獲得了產(chǎn)率為90%-97%的4-甲氧基聯(lián)苯。該結(jié)果表明，回收的催化劑也能夠高效催化SMC反應(yīng)。而且4-溴苯甲醚和苯硼酸的交叉偶聯(lián)產(chǎn)物與溴苯和4-甲氧基苯硼酸的交叉偶聯(lián)產(chǎn)物一致。通過對(duì)多個(gè)學(xué)生的多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，我們發(fā)現(xiàn)循環(huán)催化實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)率范圍為80%-97%，對(duì)應(yīng)的TON值范圍為666-808，TOF值范圍為666-808 h-1。

為了考察催化劑的循環(huán)次數(shù)對(duì)產(chǎn)率的影響，我們針對(duì)鈀催化4-甲氧基苯硼酸和溴苯的交叉偶聯(lián)反應(yīng)做了多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其產(chǎn)率如圖6所示。研究顯示，前兩次循環(huán)中產(chǎn)率均為95%以上，而第三次的產(chǎn)率明顯下降到約40%，且反應(yīng)液出現(xiàn)較明顯的油水分離現(xiàn)象；到第四次循環(huán)時(shí)，我們向其中額外補(bǔ)加了少量乳化劑(Triton X-100, 0.03 mL)，產(chǎn)率重新回歸到90%以上；之后每次都額外補(bǔ)加0.03 mL的Triton X-100，其產(chǎn)率隨著循環(huán)次數(shù)增加緩慢下降；到第八次循環(huán)時(shí)，我們將額外補(bǔ)加Triton X-100的量增加到0.06 mL，其產(chǎn)率略有上升。因此，我們推斷是因?yàn)槲覀円婚_始加入的乳化劑的量非常少(相對(duì)于約10 mL的水相反應(yīng)液，其加入的乳化劑量?jī)H為0.1 mL)，而每次反應(yīng)完成后，產(chǎn)品的過濾分離過程造成了部分乳化劑的損失，導(dǎo)致后面循環(huán)過程中的乳化劑的量不夠，以致油水分離并破壞了催化體系，使產(chǎn)率下降。因此，為了使該體系能夠多次循環(huán)應(yīng)用，建議在每次循環(huán)時(shí)額外補(bǔ)加適量Triton X-100。

圖6 鈀催化4-甲氧基苯硼酸和溴苯的交叉偶聯(lián)反應(yīng)的多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.3 環(huán)境因子(E因子)和環(huán)境商值(environmental quotient，EQ)的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)完成后，指導(dǎo)學(xué)生通過計(jì)算反應(yīng)中的E因子和EQ因子[13]，衡量產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境造成的影響。

E因子是每生產(chǎn)1 kg目標(biāo)產(chǎn)物的同時(shí)所產(chǎn)生的廢物的質(zhì)量，主要考察產(chǎn)品生產(chǎn)全過程中產(chǎn)生的廢物量，其計(jì)算公式如下：

E= 廢物質(zhì)量/產(chǎn)品質(zhì)量

即：

E= [m(Pd(NH3)4Cl2·H2O) +m(Triton X-100) +m(TPAOH) +m(TPAB副產(chǎn)物)]/m(4-甲氧基聯(lián)苯)

考慮到Pd物種、堿、Triton X-100、TPAOH及其副產(chǎn)物TBAB均可以在循環(huán)過程中重復(fù)使用，該反應(yīng)幾乎沒有產(chǎn)生廢物。隨著循環(huán)催化次數(shù)的增加，其E值逐漸減小。假設(shè)這些物種無限循環(huán)應(yīng)用，則E值將趨近于零，從而實(shí)現(xiàn)零排放的理想狀態(tài)。

環(huán)境商值EQ =E×Q。Q值的大小通常以“致命劑量50”(LD50)為參考，表示廢棄物對(duì)環(huán)境的不友好程度。EQ值的大小則綜合考慮了廢物的排放量和廢物的環(huán)境行為本質(zhì)兩種因素，能夠綜合衡量一個(gè)產(chǎn)品工藝的好壞。對(duì)于該催化反應(yīng)，由于E值趨近于零，則EQ也趨近于零。因此，該催化體系具有突出的環(huán)境友好性，表現(xiàn)出明顯的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

5.4 合成化學(xué)綠色化思考

對(duì)于化學(xué)反應(yīng)，綠色化學(xué)的原則主要表現(xiàn)為：防止或減少?gòu)U物的產(chǎn)生、使用溫和的溶劑和試劑、增加反應(yīng)的催化活性、簡(jiǎn)化反應(yīng)的流程以及避免產(chǎn)品分離中所衍生的附加污染[14]。

該實(shí)驗(yàn)便于從幾個(gè)方面引導(dǎo)學(xué)生對(duì)綠色化學(xué)的設(shè)計(jì)展開思考：(1) 使用水溶劑代替有機(jī)溶劑，增加反應(yīng)的安全性和綠色環(huán)保性；(2) 使催化劑及添加物變得可回收，實(shí)現(xiàn)催化劑的充分利用和反應(yīng)的零排放；(3) 改進(jìn)分離、純化方法，避免常規(guī)柱層析法中有機(jī)洗脫劑和硅膠的使用，減少附加污染；(4) 使反應(yīng)條件溫和高效(45 °C，1 h)，降低反應(yīng)成本和能耗。

6 思考題

(1) Suzuki-Miyaura反應(yīng)是哪兩類有機(jī)底物之間的交叉偶聯(lián)反應(yīng)？舉例說明。

(2) 綠色溶劑的標(biāo)準(zhǔn)是什么？

(3) TON值反映的是催化劑的什么特性？為什么TON值越高越好？

(4) TOF值反映的是催化劑的什么特性？為什么TOF值越高越好？

(5) TON和TOF的聯(lián)系與區(qū)別是什么？

7 結(jié)語

本文介紹了一個(gè)利用可循環(huán)的水相含鈀體系催化Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)有助于加深學(xué)生對(duì)課堂所講授的綠色化學(xué)概念的理解，促進(jìn)其綠色化學(xué)理念的建立。綠色Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)應(yīng)用到本科教學(xué)中，不僅使學(xué)生能夠理解金屬有機(jī)化學(xué)的知識(shí)，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的綠色環(huán)保意識(shí)、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種有益的探索。