Cu(I)/TEMPO體系催化空氣氧化芐醇
——一個(gè)有機(jī)化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

奉強(qiáng)，王思宇，李倩意，王曉月，何冰

成都師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，化學(xué)基礎(chǔ)與創(chuàng)新四川省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，成都 611130

苯甲醛是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的芳香醛，也是一種重要的有機(jī)化工原料，廣泛用作染料、香料及藥物的重要中間體。苯甲醛的合成方法有很多[1]，其中芐醇氧化法合成苯甲醛是最為便捷的制備路線，但目前大學(xué)有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂很少涉及這一重要工業(yè)產(chǎn)品的制備實(shí)驗(yàn)[2-4]。目前用于氧化芐醇得到芳香醛的氧化體系較多，不僅有次氯酸鈉-醋酸氧化體系[5]、活性二氧化錳試劑，還有多類重金屬氧化劑如重鉻酸吡啶鹽(PDC)、氯鉻酸吡啶鹽(PCC)、三氧化鉻硫酸溶液(Jones試劑)等。雖然這些試劑在傳統(tǒng)上常常用于有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)來(lái)完成醇的氧化制備醛、酮，盡管它們也很實(shí)用且應(yīng)用也較為廣泛，但它們有一些自身缺陷，如部分藥品保存過(guò)程中易失效將導(dǎo)致化學(xué)計(jì)量不準(zhǔn)確、實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性不佳，含鉻試劑不僅自身毒性較大，而且實(shí)驗(yàn)所排放廢水中鉻含量超標(biāo)造成水體污染。綜合上述原因，現(xiàn)有苯甲醇氧化制備苯甲醛合成方法使之難以編入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教材。

為了推動(dòng)苯甲醇氧化制備苯甲醛實(shí)驗(yàn)進(jìn)入有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課堂，需綜合考慮實(shí)驗(yàn)多方因素，擇優(yōu)選擇。① 安全環(huán)保，故需慎用重金屬氧化試劑；② 高效經(jīng)濟(jì)，這不僅體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)節(jié)約意識(shí)，同時(shí)也是綠色化學(xué)思想的具體體現(xiàn)；③ 實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，結(jié)果穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，課堂適應(yīng)度高；④ 通過(guò)開放式教學(xué)鍛煉學(xué)生在多任務(wù)操作時(shí)的統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)能力，全面提升學(xué)生的動(dòng)手能力[6]。

在文獻(xiàn)調(diào)研基礎(chǔ)上[7,8]，本實(shí)驗(yàn)采用廉價(jià)的空氣作為氧化劑，以丙酮做溶劑，催化體系由氯化亞銅(CuCl)、2,2’-聯(lián)吡啶(bpy)、N-甲基咪唑(NMI)和穩(wěn)定的有機(jī)自由基2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)組成，將芐醇類化合物催化氧化為相應(yīng)的苯甲醛類化合物，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。通過(guò)溶劑、金屬鹽、含氮配體、配體與鹽的比例、反應(yīng)體系與空氣接觸程度等條件系統(tǒng)探究，優(yōu)化出實(shí)驗(yàn)最優(yōu)條件。利用該條件，對(duì)芐醇底物進(jìn)行拓展，考察帶吸電子取代基和給電子取代基的苯甲醇類化合物反應(yīng)情況，證實(shí)該反應(yīng)體系對(duì)芐醇氧化的普適性。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 鞏固反應(yīng)進(jìn)程監(jiān)測(cè)手段，進(jìn)一步熟悉萃取、分液、蒸餾等基本操作技能；

(2) 了解金屬配合物催化反應(yīng)原理和方法；

(3) 掌握運(yùn)用有機(jī)波譜技術(shù)推斷和鑒定分子結(jié)構(gòu)的方法；

(4) 認(rèn)識(shí)到綠色化學(xué)和環(huán)境保護(hù)的重要性，提升社會(huì)責(zé)任感。

2 儀器與試劑

儀器：鐵架臺(tái)，85-II型磁力攪拌器，敞口錐形瓶(100 mL)，分液漏斗，普通漏斗，攪拌子，薄層色譜展開缸，點(diǎn)樣毛細(xì)管，SHB-III型循環(huán)水式多用真空泵，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。ESJ120-4型1/10000電子天平(上海菁海儀器有限公司)；ZF-6型三用紫外分析儀(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)，Agilent1200型高效液相色譜儀(美國(guó)Agilent公司)，Bruker AVANCEш 400核磁共振儀(瑞士Bruker公司)，CDCl3為溶劑、TMS為內(nèi)標(biāo)，質(zhì)譜儀(EI源，日本島津公司)，B603近紅外光譜儀(博爾儀器儀表(天津)有限公司)。

試劑：苯甲醇、4-甲氧基苯甲醇、4-甲基苯甲醇、4-溴苯甲醇、4-硝基苯甲醇、2,2’-聯(lián)吡啶、1-甲基-1H-咪唑、2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧化物、丙酮，所用試劑均為分析純。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

3.1.1 溶劑對(duì)反應(yīng)的影響

以CuBr、bpy、TEMPO和NMI為催化體系，空氣為氧化劑，芐醇為反應(yīng)底物，考察不同溶劑對(duì)反應(yīng)收率和反應(yīng)速度的影響，結(jié)果見表1。

表1 溶劑對(duì)反應(yīng)的影響

由表1可知，使用實(shí)驗(yàn)室常用溶劑乙酸乙酯、環(huán)己烷、正己烷、四氫呋喃、1,4-二氧六環(huán)或N,N-二甲基甲酰胺，反應(yīng)雖能進(jìn)行，但速度較慢，反應(yīng)進(jìn)行2 h，薄層色譜(TLC)監(jiān)測(cè)仍有較多原料芐醇未反應(yīng)(收率＜ 40%)。以乙腈作溶劑，反應(yīng)給出最高的反應(yīng)收率(92%)和最快的反應(yīng)速度(13 min)，即使換用乙腈和水的混合溶劑(體積比1 : 1)，反應(yīng)速率仍然較快(24 min)。換用丙酮或丙酮與水的混合溶劑(體積比1 : 1)作溶劑，雖然反應(yīng)都能轉(zhuǎn)化完全，但丙酮反應(yīng)收率(81%)遠(yuǎn)高于丙酮與水的混合溶劑所得收率(57%)?？紤]到乙腈的高毒性而難以在大學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂上廣泛使用，故選用毒性較小的丙酮作該反應(yīng)溶劑。

3.1.2 金屬鹽對(duì)反應(yīng)的影響

以丙酮作溶劑，在實(shí)驗(yàn)室常見金屬鹽范圍內(nèi)繼續(xù)考察不同金屬鹽對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2。

表2 金屬鹽對(duì)反應(yīng)的影響

由表2可知，所考察的七種金屬鹽都能催化芐醇氧化為芳醛，但整體反應(yīng)速度都較慢，2 h后TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)發(fā)現(xiàn)仍有大量原料未轉(zhuǎn)化，收率較低(＜ 30%)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鹵化亞銅作該催化體系的金屬鹽時(shí)，它們的催化活性都較高，都能在20 min左右時(shí)間內(nèi)催化反應(yīng)使之完全，尤其是氯化亞銅反應(yīng)速率最佳，能在極短的時(shí)間(10 min)內(nèi)使反應(yīng)完成。由于三種亞銅鹽催化反應(yīng)收率相差不大(80%-83%)，加之氯化亞銅更好的催化速率和更為便宜的價(jià)格，故選擇氯化亞銅作該催化反應(yīng)體系的金屬鹽試劑。

3.1.3 含氮配體對(duì)反應(yīng)的影響

以丙酮作溶劑、氯化亞銅作金屬鹽催化劑，在TEMPO協(xié)同催化下考察了不同含氮配體及其用量對(duì)該催化反應(yīng)的影響，結(jié)果見表3。

表3 配體對(duì)反應(yīng)的影響

由表3可知，實(shí)驗(yàn)室常用叔胺只能緩慢催化該氧化反應(yīng)，即使將三乙胺用量增加到底物的50 mol% (mol%為摩爾分?jǐn)?shù))，反應(yīng)2 h后也只有20%的產(chǎn)物生成?？紤]到時(shí)間因素，未再增大用量進(jìn)一步考察其對(duì)該反應(yīng)的影響。換用芳香含氮雜環(huán)化合物作為催化配體，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)催化效果都較好，尤其是NMI和bpy。特別值得注意的是bpy作配體時(shí)，催化劑用量即使低到底物的10 mol%時(shí)，反應(yīng)在12 min時(shí)間內(nèi)也可完成，收率達(dá)到79%，催化效果很好。

進(jìn)一步考察不同配體組合對(duì)催化反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然組合配體對(duì)反應(yīng)的速率與收率沒(méi)有很大提高，但卻給出一個(gè)奇特的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)選用bpy與NMI組合作配體時(shí)，反應(yīng)溶液呈紅棕色(圖2a)，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束瞬間，溶液突變?yōu)榍嗑G色(圖2b)。反應(yīng)完成瞬間溶液顏色變化見圖2。明顯的顏色突變使得反應(yīng)進(jìn)程易于觀察，簡(jiǎn)化了監(jiān)測(cè)過(guò)程。

圖2 反應(yīng)完成瞬間溶液變色現(xiàn)象

3.1.4 催化劑不同用量對(duì)反應(yīng)的影響

以丙酮作溶劑，碘化亞銅為金屬催化劑，考察改變催化劑含氮配體不同用量對(duì)反應(yīng)速度和收率的影響，結(jié)果見表4。

表4 配體用量對(duì)反應(yīng)的影響

由表4可知，催化劑的用量對(duì)反應(yīng)的速度有很大影響。當(dāng)催化劑用量達(dá)到芐醇的20 mol%時(shí)，反應(yīng)能在極短的時(shí)間(4 min)內(nèi)完成。催化劑用量減少到芐醇的5 mol%時(shí)，反應(yīng)時(shí)間也需要相應(yīng)延長(zhǎng)至48 min才能使反應(yīng)完成。保持其他催化劑用量10 mol%不變，單獨(dú)減少氯化亞銅用量至7.5 mol%，反應(yīng)時(shí)間也需要相應(yīng)延長(zhǎng)到32 min才能完成。保持氯化亞銅用量，減少其他催化劑用量至5 mol%，反應(yīng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)至33 min才能讓反應(yīng)完全。單獨(dú)減少NMI用量，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)不是太明顯。將催化劑用量都減少至芐醇底物的5 mol%、3 mol%和1 mol%，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，底物都能完全氧化，以約80%收率得到目標(biāo)產(chǎn)物苯甲醛。綜合考慮反應(yīng)的速率和收率，我們將NMI用量確定為底物用量的12.5 mol%。

3.1.5 空氣接觸對(duì)反應(yīng)的影響

考察反應(yīng)體系與空氣接觸情況對(duì)反應(yīng)速度與收率的影響。分別選用25 mL 19#磨口圓底燒瓶、50 mL 19#磨口圓底燒瓶、50 mL 19#錐形瓶、100 mL 19#錐形瓶、100 mL廣口錐形瓶以及100 mL燒杯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 空氣接觸程度對(duì)反應(yīng)的影響

由表5可知，反應(yīng)體系與空氣接觸程度直接影響著反應(yīng)速度。反應(yīng)體系與空氣接觸越不充分，反應(yīng)速率越慢。當(dāng)溶液與空氣接觸程度逐漸增大時(shí)，反應(yīng)速度急速加快。選用100 mL燒杯時(shí)甚至7 min就能使底物反應(yīng)完全?？紤]到燒杯做反應(yīng)容器時(shí)，溶劑揮發(fā)較大，不適宜在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課堂上使用，為此，我們選用100 mL廣口錐形瓶做該催化氧化反應(yīng)的容器。

3.1.6 拓展反應(yīng)底物，考察反應(yīng)適應(yīng)性

利用上述優(yōu)化條件，考察其對(duì)芐醇類化合物氧化反應(yīng)的普適性。選用不同電性底物包括對(duì)甲氧基芐醇、對(duì)硝基芐醇、對(duì)氯苯甲醇和對(duì)甲基苯甲醇，實(shí)驗(yàn)投料為取代芐醇2.5 mmol，CuCl 35 mg(0.35 mmol)、bpy 40 mg (0.25 mmol)、TEMPO 40 mg (0.25 mmol)、NMI 25.6 mg (0.3 mmol)和丙酮20 mL加入一個(gè)帶有攪拌子的敞口100 mL廣口錐形瓶中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 反應(yīng)底物擴(kuò)展

由表6可知，催化體系對(duì)缺電子芳基芐醇和富電子芳基芐醇都有較快的催化速率和較高的反應(yīng)收率。雖未進(jìn)行更多的底物拓展，一定程度上仍可看出該催化體系對(duì)芐醇氧化的適應(yīng)性。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)開設(shè)對(duì)象為化學(xué)專業(yè)學(xué)生(以班級(jí)人數(shù)50人為例)。將班級(jí)分為17個(gè)小組，每組3人。每個(gè)小組按下述實(shí)驗(yàn)參考用量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，獨(dú)立考察不同溶劑(丙酮、丙酮/水(1 : 1))、金屬鹽(氯化亞鐵、溴化亞銅、碘化亞銅)、含氮配體(2,2’-聯(lián)吡啶、2,2’-聯(lián)吡啶/1-甲基-1H-咪唑)、不同口徑反應(yīng)容器和反應(yīng)底物的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，再獨(dú)立完成下述實(shí)驗(yàn)。

以芐醇反應(yīng)為例：將芐醇270 mg (2.5 mmol)和15 mL丙酮加入帶有攪拌子的100 mL廣口錐形瓶中，向快速攪拌的芐醇溶液中按順序加入氯化亞銅35 mg (0.35 mmol)、2,2’-聯(lián)吡啶 40 mg (0.25 mmol)和2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物40 mg (0.25 mmol)、1-甲基-1H-咪唑102.5 mg (1.25 mmol)?？焖贁嚢杌旌衔?，約反應(yīng)20 min溶液顏色突變?yōu)榫G色，此時(shí)TLC監(jiān)測(cè)顯示反應(yīng)完成(展開劑V石油醚:V乙酸乙酯= 5 : 1)。將反應(yīng)混合物于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上室溫減壓除去大部分溶劑，剩余物轉(zhuǎn)移至250 mL燒杯中，加入水(50 mL)和石油醚(50 mL)，充分?jǐn)嚢韬筠D(zhuǎn)移到250 mL分液漏斗中靜置分液。水相再用石油醚萃取(50 mL × 2)，水相中再無(wú)產(chǎn)品。合并有機(jī)相，混合有機(jī)相經(jīng)水洗、飽和食鹽水洗、無(wú)水硫酸鈉干燥，過(guò)濾，濾液旋干即得產(chǎn)品220 mg，收率83%。

3.3 監(jiān)測(cè)、表征方法

(1) 反應(yīng)監(jiān)測(cè)：TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)程度；開始反應(yīng)時(shí)每間隔3 min用TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)，顏色突變后再間隔1 min監(jiān)測(cè)反應(yīng)體系兩次。

(2) 產(chǎn)物表征：反應(yīng)產(chǎn)物自制樣品，由紅外光譜儀測(cè)試其紅外譜圖(IR)，學(xué)生根據(jù)樣品官能團(tuán)吸收峰變化情況分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；學(xué)生自己制樣，由質(zhì)譜儀(MS)檢測(cè)原料和目標(biāo)產(chǎn)物分子量，確證產(chǎn)物正確與否；任選兩組樣品做核磁共振譜(NMR)檢測(cè)，包括1H NMR、13C NMR，次日數(shù)據(jù)返回，自行解析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)構(gòu)與討論

4.1 紅外譜圖確證

為了定性確定化合物的轉(zhuǎn)化，我們對(duì)所用原料和生成的化合物都經(jīng)紅外譜圖測(cè)試。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原料芐位羥基吸收尖銳，吸收強(qiáng)度大，產(chǎn)物醛基C＝O雙鍵也是吸收強(qiáng)烈。對(duì)硝基苯甲醇和對(duì)硝基苯甲醛的紅外譜圖見圖3。

圖3 4-硝基苯甲醇(上)與4-硝基苯甲醛(下)紅外光譜譜圖比較

由圖3可以看出，對(duì)硝基苯甲醇的醇羥基在3518.5 cm-1吸收強(qiáng)烈，而對(duì)硝基苯甲醛在1700.6 cm-1吸收強(qiáng)烈，由此可確認(rèn)反應(yīng)由芐醇順利氧化為芳醛。

4.2 核磁表征、質(zhì)譜檢測(cè)與HPLC譜圖

苯甲醛核磁表征(核磁譜圖見圖4)和質(zhì)譜檢測(cè)數(shù)據(jù)為：1H NMR (400 MHz, Chloroform-d)δ: 9.96(s, 1H), 7.87-7.76 (m, 2H), 7.59-7.52(m, 1H), 7.46 (dd,J= 8.5, 6.9 Hz, 2H)；13C NMR (100 MHz, DMSOd6)δ: 193.1, 136.7, 134.7, 129.8, 129.4；MS(EI)m/z: 107.05{[M+H]+}。

圖4 苯甲醛的1H NMR (上)和13C NMR (下)譜圖

對(duì)硝基苯甲醛核磁表征和質(zhì)譜檢測(cè)數(shù)據(jù)為：1H NMR (400 MHz, Chloroform-d)δ: 10.09 (s, 1H),8.44-8.19 (m, 2H), 8.11-7.86 (m, 2H)；13C NMR (100 MHz, Chloroform-d)δ: 190.29, 151.14, 140.05,130.49, 124.32；MS(EI)m/z: 152.03{[M+H]+}。

對(duì)甲氧基苯甲醛核磁表征和質(zhì)譜檢測(cè)數(shù)據(jù)為：1H NMR (400 MHz, Chloroform-d)δ: 9.86 (s, 1H),7.82 (d,J= 7.6 Hz, 2H), 6.98 (d,J= 7.7 Hz, 2H), 3.86 (s, 3H)；13C NMR (100 MHz, Chloroform-d)δ191.21, 164.85, 132.35, 130.19, 114.73, 54.42；MS(EI)m/z: 137.06{[M+H]+}。

通過(guò)高效液相色譜可以看出，通過(guò)該體系氧化所得的苯甲醛純度較高，見圖5。

圖5 苯甲醛HPLC譜圖數(shù)據(jù)

4.3 反應(yīng)機(jī)理討論

以苯甲醇為例，反應(yīng)催化循環(huán)如圖6所示[9]。

圖6 反應(yīng)催化循環(huán)圖

由圖6可知，反應(yīng)分為兩個(gè)階段：三配位Cu(I)配合物A被空氣氧化階段和四配位Cu(II)配合物B與TEMPO協(xié)同氧化芳醛階段。首先，CuCl與bpy和NMI結(jié)合，生成紅棕色Cu(I)配合物[Cu(bpy)(NMI)]+Cl-(A)，隨即開啟催化循環(huán)反應(yīng)。在循環(huán)的第一階段，A中Cu(I)被空氣中的氧氣氧化成Cu(II)，同時(shí)TEMPOH 被氧氣氧化生成TEMPO 自由基和氫氧根OH-，兩者結(jié)合生成綠色的四配位[Cu(bpy)(OH)(NMI)]+Cl-(B)。在第二階段，B和TEMPO協(xié)同將芐醇快速氧化得到芳醛，自己被還原得到紅棕色的A和TEMPOH，完成催化循環(huán)。A與TEMPOH在氧氣作用下繼續(xù)催化循環(huán)反應(yīng)，直至芐醇被消耗完全，反應(yīng)完成，A被完全轉(zhuǎn)化為四配位配合物B，溶液變?yōu)榫G色。

在第二階段中，芐醇底物PhCH2OH與四配位Cu(II)配合物B發(fā)生配體交換反應(yīng)，芐氧負(fù)離子取代氫氧根，生成中間體C，同時(shí)釋放出一分子水。該反應(yīng)涉及芐位醇與銅中心體的配體交換，TEMPO自由基氧原子進(jìn)攻中間體C中的芐位氫原子，生成TEMPOH和配合物C中芐位碳自由基，同時(shí)C中的Cu—OBn鍵發(fā)生均裂，得到催化物種A和氧自由基，此時(shí)原反應(yīng)底物芐醇中碳-氧上雙自由基兩成單電子形成π鍵，生成芳醛。A完成該催化循環(huán)后在氧氣氧化下進(jìn)行下一次催化過(guò)程，直至底物芳基芐醇被消耗完全，催化劑A完全被氧化停留到B狀態(tài)，反應(yīng)完成(如圖7所示)。

圖7 Cu(I)/TEMPO催化氧化苯甲醇機(jī)理

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合金屬有機(jī)催化化學(xué)新方法，創(chuàng)立了金屬催化空氣氧化芐醇合成芳醛的新綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化，找到了催化體系配體-金屬最優(yōu)比例以及催化劑用量。應(yīng)用催化反應(yīng)循化圖討論催化機(jī)理，理解實(shí)驗(yàn)可通過(guò)反應(yīng)體系顏色突變方便判斷反應(yīng)終點(diǎn)。本合成化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合運(yùn)用催化化學(xué)前沿理論，通過(guò)基礎(chǔ)合成實(shí)驗(yàn)相關(guān)操作完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)獨(dú)立完成，總時(shí)長(zhǎng)大約6 h。啟發(fā)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案考察不同反應(yīng)參數(shù)(如換用不同溶劑、改變金屬-配體比例、采用不同含氮配體等)的影響，結(jié)合紅外波譜譜圖收集與分析、核磁譜圖的解析，有效培養(yǎng)學(xué)生的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，激發(fā)學(xué)生的科研熱情。

(1) 以CuCl/TEMPO催化空氣氧化芐醇制備芳香甲醛，條件優(yōu)化為：芐醇270 mg (2.5 mmol)，丙酮20 mL，CuCl 35 mg (0.35 mmol)，bpy 40 mg (0.25 mmol)，NMI 25.6 mg (0.30 mmol)和TEMPO 40 mg (0.25 mmol)，反應(yīng)在100 mL廣口錐形瓶中進(jìn)行，室溫反應(yīng)約20 min即可完成。該優(yōu)化條件進(jìn)行8次平行試驗(yàn)，收率穩(wěn)定在79%-84%范圍。通過(guò)底物拓展，實(shí)驗(yàn)對(duì)缺電芳醛(對(duì)硝基苯甲醛)和富電芳醛(對(duì)甲氧基苯甲醛)都給出很好收率(77%-83%)。

(2) 該反應(yīng)避免了高污染重金屬催化體系和刺激性氧化試劑的使用，反應(yīng)綠色環(huán)保，同時(shí)使用空氣為氧化源，大大降低了實(shí)驗(yàn)成本。反應(yīng)條件溫和，沒(méi)有過(guò)度氧化至苯甲酸，選擇性高。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)成功率高。

(3) 實(shí)驗(yàn)加深了學(xué)生對(duì)催化氧化反應(yīng)的理解，同時(shí)通過(guò)TLC檢測(cè)、萃取、蒸餾等操作的有效訓(xùn)練，提升學(xué)生相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作技能和實(shí)驗(yàn)思維能力。

6 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性

6.1 安全環(huán)保、成本低廉

本實(shí)驗(yàn)以Cu(I)/TEMPO及含氮配體為催化劑，空氣作為氧化劑催化氧化芐醇為芳醛，避免使用刺激性氧化試劑和高污染重金屬氧化試劑，實(shí)驗(yàn)安全環(huán)保；通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件及試劑用量，能將實(shí)驗(yàn)試劑成本控制在少于1.0元/次，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行成本低廉。

6.2 選擇性好、收率理想

本催化反應(yīng)產(chǎn)物停留在苯甲醛的階段，沒(méi)有過(guò)度氧化產(chǎn)物苯甲酸生成，反應(yīng)選擇性好；實(shí)驗(yàn)通過(guò)三位同學(xué)8次平行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)率穩(wěn)定在78%-81%之間，實(shí)驗(yàn)收率理想。

6.3 現(xiàn)象明顯、操作簡(jiǎn)單

含氮配體bpy與NMI組合催化反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中體系顏色由紅棕色突變?yōu)榫G色，指示反應(yīng)終點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品純化簡(jiǎn)單，通過(guò)萃取、分液、洗滌、干燥和常溫減壓蒸除溶劑，即可得到高純度氧化產(chǎn)物，操作簡(jiǎn)單；進(jìn)一步減量反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)微型化。