基于有機電化學方法制備烯基砜的開放實驗設計

王培龍，高 慧，劉 根，孟令國

(1.淮北師范大學 信息學院，安徽 淮北 235000；2.淮北師范大學 化學與材料科學學院，安徽 淮北 235000)

0 引言

電化學碳氫官能團化反應是一類新興的有機合成方法，正逐步得到越來越多化學家的青睞，勢必將成為未來幾年有機合成化學研究的新熱點[1]。電化學相比于過渡金屬催化及光催化反應具有無可比擬的優勢。由于電化學應用的是電能，是一種清潔能源，同時電化學反應可以在無金屬催化劑，無光催化劑的情況下進行，結合當下全球對環境問題的關注，應用電能進行有機合成反應，環境友好，具有很高的應用價值。同時電化學反應條件溫和，一般在室溫下或稍稍加熱下即可完成，不需要較高的溫度，反應時間短。電化學除了可以無催化劑外，另一個重要的優勢就是可以不加氧化劑。目前電化學碳氫官能團化反應主要是自由基反應，以往的自由基反應很多需要加入氧化劑來產生自由基，而電化學依靠陽極氧化可以直接產生自由基，陽極氧化直接代替氧化劑的使用。化學反應中大量有毒有害的氧化劑的使用不僅增加反應成本，而且危害人體健康，對環境造成污染。電化學方法可以很好的解決這一問題[2-6]。綠色的有機電化學合成優勢顯著，但是由于設備、大綱教材更新和教師資源等問題的限制，目前的有機化學本科實驗教學依然是傳統的反應方法，學生無法接觸到前沿的科研熱點。因此，利用科研一線有機化學教師已有科研平臺將此類前沿熱點性的課題研究設計成本科開放性實驗，為學生提供更廣闊的學習動手空間，可以開拓學生的眼界，彌補傳統本科教學的空白，讓學生能夠緊跟科研的發展腳步。本實驗通過設置實驗教學步驟，引導學生探究最佳實驗條件，識別產物結構，并對反應機理進行探究，有效的培養學生的科研創新能力，使學生可以初步感知到科學研究的內涵，進一步提高實驗動手能力，發揮學生自主學習能力，培養科學嚴謹的工作態度[7-8]。

1 實驗目的與要求

1.1初步掌握烯基砜的電化學合成方法

1.2熟悉恒電位儀的使用方法

1.3掌握利用ChemBioDraw Ultra軟件的基礎畫圖、計算分子量等功能

1.4能夠掌握鑒定產物結構的方法

2 實驗原理

在氮氣保護下，以鉑為陽極，碳為陰極，50 mol% 碘化鉀(KI)為氧化還原介質，四丁基四氟硼酸銨(n-Bu4NBF4)為電解質，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10小時，電化學合成烯基砜。

3 實驗內容

3.1 篩選反應溶劑

對溶劑進行篩選，包括單一溶劑和混合溶劑。結果發現盡管單一溶劑不能進一步提高產率，但混合溶劑卻可以顯著提高產率。在混合溶劑中，首先使用N，N-二甲基甲酰胺(DMF) / AcOH(v：v = 1：1)，能夠實現37%的產率。當使用DMSO / AcOH時，獲得了更高的收率(71%)。接下來，分別使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)、乙腈(MeCN)、甲醇(MeOH)、1，4-二氧六環(1，4-dioxane)、吡啶和丙酮，它們在電化學合成中通常用作AcOH的助溶劑。結果表明它們并沒有帶來任何明顯的改善。篩選DMSO和AcOH的體積比后，可以發現最佳比例仍為1：1。其他比例(2：1、1：2、5：1、1：5)對產量有負面影響。

3.2 支持電解質的影響

分別使用不同支持電解質檢測對電合成的影響。當使用四丁基乙酸銨(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作為本反應的電解質。

3.3 溫度的影響

將反應溫度從室溫逐漸提高到50℃，產率提高很緩慢，當反應溫度為50℃時，產率為73%，最終選取室溫作為最佳反應溫度。

3.4 保護氣的影響

將氮氣替代空氣作為保護氣，室溫條件下反應，產率能夠從71%提高到78%，因此選取氮氣作為本反應的保護氣。

3.5 最佳反應條件下的實驗步驟

首先向以Pt作陽極(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)。將容器抽真空充氮氣(3次)。然后，通過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)進行電解10小時。之后，將反應混合物冷卻至室溫，用一小段硅膠柱過濾(用EtOAc洗脫)。濾液用水洗滌3次，并用EtOAc萃取。然后將有機層用飽和食鹽水洗滌并用無水Na2SO4干燥。使用旋轉蒸發儀蒸除溶劑，殘余物通過硅膠柱色譜純化，得到產物。

4 數據處理

4.1 ChemBioDraw Ultra的使用

ChemBioDraw Ultra軟件是有機化學科學研究領域中不可缺少的工具，而在常規的本科教學中一般不涉及該軟件的使用，在本開放實驗中加入了該軟件的一些基礎功能教學，使學生初步入門。

(1)反應過程示意圖的繪制

雙擊打開軟件，單擊菜單欄中的“View”后調出“Main Toolbar”、“General Toolbar”和“Style Toolbar”工具欄。在“Main Toolbar”中含有畫圖所需的各種工具，例如圖1反應式中所需要的苯環、單鍵和雙鍵。通過左單擊即可獲取，并呈現于右側的畫圖區域。“General Toolbar”可用于對文件執行保存、復制、粘貼和撤銷等操作，所畫圖形一般保存為JPEG或TIF等格式。“Style Toolbar”用于對字體字號、加粗、顏色、傾斜、對齊和上下標等進行處理，例如圖1反應式中的反應條件的書寫即是利用該功能完成。利用上述三個工具欄即可方便地將圖1的反應式畫出來，如下圖所示：

圖1 反應式

(2)輔助進行產率計算及結構確認

計算產物產率時需要用到產物的分子量，另外確認產品結構需要測核磁和高分辨質譜數據并進行解析，本軟件可通過繪制分子結構來預測核磁譜圖，包括氫譜(1H NMR)和碳譜(13C NMR)，在解析實際核磁譜圖時能夠快速確認分子結構；在測高分辨質譜前需要用本軟件計算exact mass值，用于在測試時與實測值進行比對，確認分子結構。以本反應的產物烯基砜為例，在軟件中畫出它的結構式(圖1)后左單擊頁面左側“Main Toolbar”中的“Marquee”，用鼠標左鍵圈中該結構式，點擊菜單欄“Structure”里的“Predict 1H-NMR Shifts”預測H譜，再點擊“Predict13C-NMR Shifts”預測C譜。對于exact mass和分子量，還是先選中該結構式，右單擊“Analysis”里面的“Exact Mass”和“Molecular Weight”即可。

4.2 產物結構的識別

產物合成后需要對結構進行表征，將產物裝入核磁管(溶劑為氘代氯仿)送至分析測試中心進行核磁測試，測試結果如圖2(氫譜)和圖3(碳譜)所示。用核磁處理軟件“MestReNova”對譜圖進行處理，打開該軟件，首先定標，在工具欄中選擇“reference”按鈕，將氘代氯仿(CDCl3)的殘留質子信號峰定為7.260，然后再選擇“Peak Picking”中的“Peak by Peak”按鈕，逐個將所有峰的位移數值定出，再對每組峰進行積分，選擇“Intergration”中的“Manual”按鈕，逐個對每組峰進行積分。我們可根據所學的知識或根據ChemBioDraw Ultra軟件來進行解析：位移為2.43的三個氫為甲基氫，6.85的一個氫為烯基氫，7.27左側的十個氫為苯環及烯基的氫。

圖2 產物1H NMR 圖3 產物13C NMR

氫譜解析完后再對碳譜進行解析，仍然要首先定標，位移在77附近的三個峰為內標物的峰，在工具欄中選擇“reference”按鈕，將三個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，逐個將所有峰的位移數值定出來，內標峰左側為苯環及烯基上的碳，其中需要注意的是苯環上如有對稱的兩個碳，則兩個碳只出一個峰，所以左側應有十個峰；內標峰右側為甲基的峰，只有一個。

最后我們用高分辨質譜來測定分子的exact mass，所用光源為ESI光源，在此光源下測得的數值為分子加氫離子后的數值，通過ChemBioDraw Ultra計算我們預測出分子加氫離子后的exact mass值為259.0787，實際測得的值為259.0789，在正常的誤差范圍內，證明了該化合物分子式準確無誤。

通過以上解析，得出了產物的結構如圖4及各項數據。

圖4 產物結構 圖5 反應機理

顏色狀態：白色固體，產量： 201.6 mg，產率：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 機理推測

根據先前的報道，提出了一種合理的電化學磺化反應機理，如圖5所示。首先，通過陽極氧化將碘化物轉化為分子碘，然后使其與芳基亞磺酸鈉反應生成不穩定的磺酰基碘化物中間體A，進而形成磺酰基和碘自由基。接下來，磺酰基和碘自由基依次插入烯烴中，得到中間體D。最后，D進行HI消除得到所需的磺化產物E和碘負離子，后者被陽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用價值？

(2)目前文獻中報道的合成烯基砜的方法有哪些？

(3)本實驗與其他合成烯基砜的方法相比有哪些優勢？

(4)通過改善其他反應條件能否進一步提高反應產率？

(5)底物中如果有供電子或吸電子取代基時反應活性如何？

(6)除了烯基砜類還有什么具有研究價值的化合物可以通過電化學方法合成？

7 結束語

以教師科研課題和科研平臺為基礎，設計了合成烯基砜的有機電化學開放實驗，充分利用學生的課余時間，讓對有機化學感興趣的學生學習感受科技的最新發展，培養學生的創新思維能力，提高學生實驗操作、畫圖、識圖和推測機理等綜合能力，為日后攻讀碩博或進行科研工作奠定一定基礎。