三組分反應合成5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑的綜合實驗設計

彭榮斌，周尚，汪子陽，林東恩，竺傳樂

華南理工大學化學與化工學院，廣州 510640

近年來，有機含氟化合物的合成與應用受到了越來越多的關注[1]，但現(xiàn)有的有機合成實驗課程里極少有與有機氟化學相關的實驗內容。

從廉價易得的含氟砌塊出發(fā)，實現(xiàn)功能含氟分子的綠色精準合成，有利于在實驗教學中不斷增強學生在綠色化學方面的認知和意識，有利于學生樹立從事科研和生產活動的應用導向意識。多組分反應能從簡單易得的原料出發(fā)，高效構建多種結構復雜、功能多樣的分子[2]。此類反應具有較高的步驟經濟性，符合綠色化學的發(fā)展需求。近年來，我們致力于高?？蒲蟹床附虒W的探索與實踐工作[3]，本實驗中，我們選擇具有代表性的3-三氟甲基-1H-吡唑骨架結構進行合成。它是合成COX-2抑制劑Colecoxib (西樂葆，世界暢銷藥)[4]和Mavacoxib[5]，肺癌抑制劑SC-560[6]和麻疹病毒抑制劑AS-136A[7]的關鍵中間體，也是動脈血栓性疾病治療藥物DPC-602[8]、抗凝血藥Razaxaban[9]、殺蟲劑DP-23[10]等分子的骨架結構(圖1)。

圖1 代表性3-三氟甲基-1H-吡唑衍生物

基于我們前期的科研基礎[3]，通過實驗設計與優(yōu)化，本實驗中我們將“多組分反應”和“含氟有機化合物”兩個新概念融入到本科實驗教學中。從廉價易得的對甲基苯甲醛、對甲苯磺酰肼和2-溴代-3,3,3-三氟丙烯(環(huán)境友好的Halon滅火劑替代物，它的大氣溫室效應值和臭氧耗損值全部為零)出發(fā)，利用綠色的乙醇為溶劑，合成了高附加值的5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑。它是制備世界暢銷藥西樂葆的關鍵中間體[11]。本實驗既包含了萃取、旋轉蒸發(fā)、薄層色譜、重結晶及柱層析、熔點測定等操作，也完成了核磁共振波譜圖的測試與解析。這不但能夠幫助學生理解步驟經濟性合成的新概念，建立綠色化學的理念；還有利于學生學習先進的知識和技術，切身感受到合成化學的用途與魅力。同時，培養(yǎng)學生學習化學的熱情、激發(fā)學生的探索精神，鼓勵更多學生參與到科研創(chuàng)新工作中，為夯實“拔尖計劃2.0”和“強基計劃”添磚加瓦。

1 實驗部分

1.1 實驗目的

(1) 通過5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑的制備掌握脫水縮合和[3+2]環(huán)化反應的原理。

(2) 通過5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑的制備進一步認識多組分反應和含氟化合物在有機合成和藥物化學研究中的重要性。

(3) 熟悉并掌握有機合成實驗中回流、監(jiān)測、分離、提純、表征、數據分析等操作的綜合運用。

1.2 實驗原理

本實驗通過對甲基苯甲醛、對甲苯磺酰肼和2-溴代-3,3,3-三氟丙烯的三組分反應制備5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑。反應方程式如下(圖2)。

圖2 制備5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑的反應方程式

其機理推測如圖3所示：對甲基苯甲醛與對甲基苯磺酰肼脫水縮合產生腙A，腙A在堿的作用下分解產生重氮化物中間體B，該中間體B與2-溴代-3,3,3-三氟丙烯發(fā)生區(qū)域選擇性[3+2]環(huán)化反應生成中間體C，C在堿的作用下脫去溴化氫產生中間體D，中間體D隨后發(fā)生兩次1,3-氫遷移生成目標產物。

圖3 推測的反應機理

1.3 實驗試劑、儀器與裝置

實驗所需藥品與試劑如表1所示。

表1 實驗藥品與試劑

實驗主要儀器設備如表2和圖4所示。

表2 實驗儀器和型號

圖4 實驗裝置圖

1.4 實驗步驟

1.4.1 三組分反應

1.4.1.1 反應條件優(yōu)化

在25 mL刻度管中依次加入對甲基苯甲醛(60.0 mg，59 μL，0.5 mmol)、對甲苯磺酰肼(97.8 mg，0.525 mmol)、無水乙醇(1.5 mL)。在室溫攪拌下，向圓底燒瓶中依次加入2-溴代-3,3,3-三氟丙烯(175 mg，104 μL，1 mmol)、1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯(228.4 mg，224 μL，1.5 mmol)。將上述混合體系置于加熱攪拌條件下反應一段時間，隨后冷卻至室溫，加水淬滅反應，萃取，濃縮。利用核磁氟譜確定產物核磁收率，用以優(yōu)化反應條件。

1.4.1.2 放大實驗

在100 mL圓底燒瓶中依次加入對甲基苯甲醛(1.20 g，1.2 mL，10 mmol)、對甲苯磺酰肼(1.96 g，10.5 mmol)、無水乙醇(20 mL)。在室溫攪拌下，向圓底燒瓶中依次加入2-溴代-3,3,3-三氟丙烯(3.5 g，2.1 mL，20 mmol)、1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯(4.56 g，4.5 mL，30 mmol)。體系呈淡黃色透明溶液，無明顯放熱現(xiàn)象發(fā)生。將上述混合物在80 °C下攪拌反應2 h，薄層色譜(TLC)監(jiān)測反應(展開劑為石油醚/乙酸乙酯，V/V= 4 : 1)，展開后的薄層板在紫外燈照射下顯示無對甲基苯甲醛剩余。體系冷卻至室溫。

1.4.2 薄層色譜定性分析

在距離硅膠薄層板一端1 cm處，用鉛筆畫好起始線，用毛細管分別點上反應圓底燒瓶中的體系和對甲基苯甲醛(對甲苯磺酰肼、1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯、2-溴代-3,3,3-三氟丙烯在紫外燈下均不顯色)。量取6 mL展開劑(石油醚/乙酸乙酯，V/V= 4 : 1)倒入展缸中，將點樣板放入其中，當展開劑接近板的上端下1 cm處時，將其取出，觀察分離情況，并用鉛筆畫出展開劑前沿。將薄層板放在紫外燈下觀察，用鉛筆繞亮點作出記號，計算出每個樣點的比移值Rf。

1.4.3 萃取、洗滌、濃縮

取出圓底燒瓶中的攪拌子，用旋轉蒸發(fā)儀濃縮，移去反應溶劑乙醇。向反應瓶中加入水(10 mL)、乙酸乙酯(30 mL)，萃取分液，移去水相；加入飽和食鹽水(20 mL)，萃取分液；將有機相用無水硫酸鎂干燥，過濾后用旋轉蒸發(fā)儀濃縮得到黃色固體狀粗產物，質量為2.70 g。

1.4.4 提純方法

1.4.4.1 柱層析提純

1) 層析柱的制備：取砂芯層析柱(直徑約4 cm)，用硅膠(200-300目)作為吸附劑，石油醚為溶劑，干法裝柱，硅膠柱高度約為20 cm。

2) 干法上樣：將所得粗產物(1.00 g)用乙酸乙酯和石油醚(V/V= 1 : 1，6 mL)溶解后，加入硅膠(200-300目，1.00 g)拌樣，用旋轉蒸發(fā)儀將溶劑旋干后，將吸附有粗產物的硅膠全部轉移至層析柱上層；加入石英砂，鋪平后石英砂厚度為約為0.5 cm。

3.加強員工法治理念教育，促進全員法律風險意識的提升。員工是企業(yè)構成的基本單元。員工法律風險意識水平的高低決定了企業(yè)法律意識水平的高低。在目前員工構成復雜、多種用工形式并存、風險意識參差不齊的情況下，應當結合崗位責任制培訓加強員工的法治理念教育，逐步樹立法律風險防范意識，促進全員法律風險防控意識的提升。

3) 洗脫分離：先用純石油醚(約50 mL)進行洗脫；此時轉移樣品所用乙酸乙酯會被稀釋，體系中殘留的2-溴代-3,3,3-三氟丙烯會先被洗出；再用V/V= 10 : 1的石油醚-乙酸乙酯(50 mL)作為洗脫劑洗脫層析柱，最后用V/V= 4 : 1的石油醚-乙酸乙酯作為洗脫劑洗脫層析柱，薄層色譜法對洗脫液進行跟蹤，直到洗脫出全部產物，將收集到的產物洗脫液濃縮得產品。

1.4.4.2 重結晶提純

取粗產品(1.00 g)于25 mL圓底燒瓶中，加入無水乙醇(1.5 mL)，在80 °C下攪拌15 min，至固體完全溶解；隨后向圓底燒瓶中分批加入水(5-6 mL)，在加熱條件下，繼續(xù)攪拌15 min，至有固體析出且不再溶解。移除加熱裝置，待反應體系冷卻至室溫，抽濾得產品。

1.4.5 熔點測定

取少量產物于研缽中，研細至粉末狀。取兩根干凈的毛細管，裝填毛細管使產物緊密集結在毛細管的熔封端，高度為3 mm。將一根毛細管放入熔點儀相應位置，按照粗測的預置程序升溫，得到大致的熔點范圍后，取出毛細管。待溫度下降至起始溫度后，放入另一根毛細管，按照精測的預置程序升溫，得到準確的熔點范圍。

1.4.6 核磁分析

稱取產物(50 mg)放入核磁管中，加入氘代DMSO (0.55 mL)，蓋好核磁管帽，搖晃使樣品充分溶解并混合均勻。將核磁管按規(guī)定放入相應轉子，擦拭干凈核磁管壁后放入核磁共振波譜儀，在電腦軟件中設置好樣品核磁分析所需參數，進行掃描采樣，得相應的核磁共振氫譜、碳譜和氟譜。

2 結果與討論

2.1 三組分反應

我們前期的研究表明：對甲基苯甲醛、對甲苯磺酰肼和2-溴代-3,3,3-三氟丙烯的三組分反應需要在以甲苯為溶劑的反應體系中進行，才能高效合成5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑[3]。但甲苯不是一種綠色溶劑。為了使同學們建立綠色化學的概念，我們選用了綠色的乙醇為溶劑，并對反應條件進行了優(yōu)化。重點篩查了堿的種類及用量、反應溫度、反應時間、反應濃度等參數對產物收率的影響。具體篩選條件及所得結果如表3所示。

表3 反應條件優(yōu)化

綜上，我們確定了最佳反應條件為對甲基苯甲醛(60.0 mg，59 μL，0.5 mmol)、對甲苯磺酰肼(97.8 mg，0.525 mmol)、2-溴代-3,3,3-三氟丙烯(175.0 mg，104 μL，1 mmol)、DBU (228.4 mg，224 μL，1.5 mmol)、無水乙醇(1 mL)、反應溫度為80 °C、反應時長為2 h。該反應能以85%的核磁收率得到目標產物，如表3中編號20所示。

2.1.2 放大實驗

放大實驗在空氣氛圍下進行，這表明該反應對水和空氣不敏感。反應由8組同學進行，前1-4組采用重結晶的方法提純產物，后5-8組采用柱層析的方法提純產物，所得產物分離產率數據較為穩(wěn)定(圖5)。多次重復試驗的成功，也說明本實驗的可靠性高，重現(xiàn)性好，安全性高。

圖5 放大實驗產率分布柱形圖

2.2 薄層色譜定性分析

選用石油醚/乙酸乙酯V/V= 4/1的混合溶劑為展開劑，用薄層色譜法監(jiān)測和分析反應體系。所得結果如圖6所示。經計算，目標產物的比移值Rf= 0.61；對甲基苯甲醛的比移值Rf= 0.78。

圖6 反應體系薄層色譜分析圖

2.3 萃取、洗滌、濃縮

由于乙醇可以與水、有機相任意比例互溶，用旋轉蒸發(fā)儀濃縮反應液時，應完全移去反應溶劑乙醇。在后續(xù)用乙酸乙酯萃取產物時，避免因乙醇而產生乳化現(xiàn)象，造成有機相和水相分層不明顯，而導致產品損失。

2.4 提純方法

柱層析提純產物耗時較長，約3 h；提純粗產品(1.00 g)，得淡黃色固體產物0.79 g，產率79%(圖7a)；重結晶提純產物耗時較短，約1 h；提純粗產品(1.00 g)，得深棕色固體產物0.81 g，產率81%(圖7b)。利用核磁氫譜和氟譜分別表征了兩種產物，雖兩種產物的顏色差別較大，但兩種產物的核磁氫譜和氟譜純度一致。對于不同提純方法所得產物顏色的不同，我們認為可能的原因有以下兩種：1) 不同提純方法造成所得固體產物的晶型不同，而導致顏色不同；2) 由于反應需要加熱，促使反應體系中生成了核磁、熔點等響應信號弱的少量未知色素分子，由于重結晶方法不能有效除去這些色素分子，而導致產品顏色較深。

圖7 不同提純方法所得產物性狀

2.5 熔點測定

兩種提純方法得到的產物均易溶于乙酸乙酯，微溶于二氯甲烷，難溶于水。將不同提純方法所得產物進行熔點測定，粗測定時升溫速率為5 °C·min-1；精測定時升溫速率為1 °C·min-1。熔點測定數據如表4所示。

表4 產品熔點數據

熔點測試數據顯示，兩種提純方法所得產物的熔程均較小；熔點數據雖較為接近，但也略有差別。這可能是由于不同提純方法造成所得固體產物的晶型不同，或者重結晶策略不能有效除去少量未知色素分子雜質，進而導致熔點數據有所差別。

2.6 核磁分析

將產物進行核磁鑒定，圖8-圖10分別為5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑的1H NMR、13C NMR、19F NMR譜圖。1H NMR (400 MHz,d6-DMSO)δ14.06 (brs, 1H)，7.75 (d,J= 7.6 Hz, 2H)，7.29 (d,J= 8.0 Hz, 2H)，7.09 (s, 1H)，2.35 (s, 3H)；13C NMR (100 MHz,d6-DMSO)δ144.6，142.6 (q,2JF-C= 36.6 Hz)，138.9，130.0，125.9，122.2 (q,1JF-C= 266.2 Hz)，100.8，21.0；19F NMR (376 MHz,d6-DMSO)δ-60.7 (s, 3F)。

圖8 5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑的1H NMR譜圖

圖9 5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑的13C NMR譜圖

圖10 5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑的19F NMR譜圖

在1H NMR譜圖中，化學位移δ14.06處為吡唑環(huán)中與氮相連的氫的寬峰，δ2.35處的單峰為與苯環(huán)相連的甲基氫；在13C NMR譜圖中，化學位移δ142.6處的四重峰為吡唑環(huán)中與三氟甲基相連的碳的信號峰，δ122.2處的四重峰為三氟甲基的碳的信號峰；在19F NMR譜圖中，化學位移δ-60.7處的峰為三氟甲基的信號峰；與分子結構相符。

可以看出，產品核磁圖與文獻數據一致，表明產品具有較好的純度。

2.7 實驗成本討論

本實驗所用試劑廉價易得，不含違禁品和危險品，均可在化學試劑售貨商網店購買；所用儀器均為一般本科教學實驗室配備的儀器。本實驗綜合成本合理，性價比高。

2.8 實驗組織

本綜合實驗適合在本科基礎教學實驗室中操作完成，總時間約7-8小時?？砂才乓惶鞎r間完成本綜合實驗，也可將其拆解為兩個獨立的實驗，每個實驗4小時。如將本綜合實驗拆解為兩個獨立的實驗，建議第一次實驗為合成制備，處理實驗得粗產品后，停止本次實驗，并將粗產品存于圓底燒瓶中(可敞口保存)；第二次實驗為產物提純及鑒定。同時，不同高?？梢罁陨韺嶒灠才?，合理選擇不同的產物提純及鑒定方式。目前，本實驗已組織我校本科生在基礎教學實驗室中進行了多次重復，數據重復性好，安全性高，適合在本科基礎有機教學實驗室中進行推廣。

2.9 實驗注意事項

(1) 由于2-溴代-3,3,3-三氟丙烯易揮發(fā)，取用前用冰浴將裝有其的試劑瓶降溫，防止稱量時揮發(fā)過快。也可以由實驗員提前預配制足量的2-溴代-3,3,3-三氟丙烯-乙醇溶液(1 mmol·mL-1)，學生在實驗時按1.4.1.2小節(jié)中提及的順序進行實驗，相應部分改為：在100 mL圓底燒瓶中依次加入對甲基苯甲醛(1.20 g，1.2 mL，10 mmol)、對甲苯磺酰肼(1.96 g，10.5 mmol)、該預制的2-溴代-3,3,3-三氟丙烯-乙醇溶液(20 mL，1 mmol·mL-1)。在室溫攪拌下，向圓底燒瓶中加入1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯(4.56 g，4.5 mL，30 mmol)。2-溴代-3,3,3-三氟丙烯在乙醇溶液中較為穩(wěn)定(1 mmol·mL-1)，低溫(4 °C)保存一周，無變化。

(2) 反應雖在敞口反應裝置、空氣氛圍下進行，實驗安全性高，但涉及腙的可控分解與轉化，在加熱反應過程中，應控制反應溫度并拉下?lián)躏L板，避免腙分解釋放氮氣而發(fā)生危險。

(3) 實驗中用到的對甲基苯甲醛(有杏仁香氣味)、DBU (強堿)和2-溴代-3,3,3-三氟丙烯(易揮發(fā))，應在通風櫥內操作。

(4) 本文中所指的溫度均為電加熱套所設置的溫度，通過電加熱套配置的控溫探頭進行控溫。

2.10 思考題

要求每位同學在完成綜合試驗后提交實驗報告，記錄所得產物收率，并在實驗報告的討論部分回答以下問題：

(1) 該反應為什么具有很好的區(qū)域選擇性？

(2) 重結晶提出產物時，先加入乙醇后加入水的原因是什么？兩種溶劑的作用分別是什么？

(3) 柱層析提純時，采用梯度淋洗策略的優(yōu)勢是什么？

(4) 結合文獻，反應溫度過高時，反應可能會發(fā)生什么副反應？

3 結語

該實驗基于脫水縮合和[3+2]環(huán)化的串聯(lián)反應機理，運用三組分反應策略進行合成，薄層色譜法進行反應監(jiān)測，萃取洗滌進行反應后處理，柱層析進行產物分離提純，熔點及核磁共振氫、碳、氟譜進行產物結構鑒定。從廉價易得的原料出發(fā)，利用綠色的乙醇為反應溶劑，合成了高附加值的5-(4-甲基苯基)-3-三氟甲基-1H-吡唑化合物。本實驗條件溫和，操作簡單，分離產率高，重現(xiàn)性好，安全性高。該綜合實驗踐行科教融合、理論結合實際，實現(xiàn)了從科研到教學再到應用的完整體系。通過科研反哺教學，將“多組分反應”和“含氟有機化合物”兩個概念融合到本科實驗教學中，同時鞏固萃取、旋轉蒸發(fā)、薄層色譜、重結晶及柱層析、熔點測定等操作，熟悉核磁共振波譜鑒定結構的方法并簡單分析處理數據，這能夠幫助學生理解步驟經濟性合成的新概念，建立綠色化學的理念，讓學生能夠通過實驗了解化學在生產和生活中的用途，激發(fā)學生學習化學、熱愛化學、將來從事化學研究工作的源動力。實驗的可推廣性強，可根據高校實驗條件進行實驗課時及內容調整，是適合引入當前有機實驗教學課程的案例。