綠色催化氧化合成鄰硝基苯甲醛
——一個氧化合成教學實驗

李勝，楊爽，劉永浩，趙子卓，張琦，黃治炎

陜西師范大學化學化工學院，西安 710119

2021年5月28日，習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上強調：“必須深入實施科教興國戰略，實現高水平科技自立自強?！眲撔氯瞬排囵B已形成社會共識，是實現高水平科技自立自強的主要抓手之一[1–3]。有機化學學科最大特點就是創造新物質、實現新功能、滿足新需求，學生著迷于有機合成是因為在實驗過程中能合成新物質，能體會到“創造”的快樂。有機化學實驗是落實化學創新人才培養的重要基礎課程之一[4]。張樹永等[5]在解讀《化學類專業本科教學質量國家標準》[6,7]中建議：“在實驗內容的設計上要體現新穎性。要將一些化學實驗的新方法、新原理、新物質、新功能引入到實驗教學中來，使實驗教學內容更多地貼近實際、貼近前沿，使實驗內容與教師的科研、高校的地方和行業的特色對接，與學生未來就業與發展需要對接，提高實驗的新穎性、實用性和趣味性。”

近年來，有機合成化學領域取得了長足的發展，形成很多綠色合成技術用于制備重要的精細化學品。實驗教材唯有與時俱進，將最新的綠色合成方法應用于實驗教學，才能激發學生對有機化學、合成化學等的興趣。在新形勢下，設計環境友好型新創實驗已然成為有機化學實驗教學改革的重要抓手之一。在實驗教學中，采用以“科學問題為目標導向”的實驗教學指導原則，將相關科學問題的解決過程融入有機化學實驗教學，有助于培養化學類專業本科生發現問題、分析問題和解決問題的內生動力和綜合能力，激發創新意識和潛能，提高人才培養質量[8–10]。

本文選擇重要醫藥中間體鄰硝基苯甲醛的合成工藝為研究案例，以相應關鍵科學問題的解決過程為主線，將最新發展的綠色催化氧化合成工藝開發為有機化學基礎實驗，引導學生理解綠色化學和催化氧化反應的重要意義。具體教學和實驗實施過程如圖1所示，通過引出科學問題、引導分析問題、解決問題，設計實驗方案、反思與評價等環節將有機化學理論知識、有機化學實驗基礎操作和科學探究方法等串聯起來，夯實化學類人才培養實驗教學基礎。實驗過程包含實驗預習、實驗設計、實驗探究、結果解析、討論與展望等五個環節，植入從事有機化學方法學和合成工藝研究的基本思路，培養學生解決較為復雜有機合成問題的綜合能力。

圖1 以“科學問題為目標導向”的探究型實驗教學模式

1 實驗部分

1.1 背景介紹

鄰硝基苯甲醛是一種非常重要的精細化學品，在醫藥、染料和農藥等領域有著廣泛的應用，如常用于合成治療心血管疾病藥物硝苯地平、尼索地平、恩卡尼、鹽酸氨溴索等(圖2)，全球年需求量超過1000噸，工業上主要以鄰硝基芐醇為原料，通過控制氧化反應(微課介紹氧化反應的發展歷程)條件制備得到。

圖2 鄰硝基苯甲醛及相關藥物分子結構

截至目前，以鄰硝基芐醇為原料，文獻或專利報道制備鄰硝基苯甲醛的化學合成方法主要分為三類：1) 基于有機小分子2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(英文名稱：2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxyl，簡稱TEMPO)與金屬銅或鐵的協同催化體系[11]；2) 次氯酸鈉氧化體系[12]；3) 稀硝酸或氫溴酸/雙氧水氧化體系。前兩種方法采用空氣、氧氣或廉價易得的試劑為氧化劑，副產物為水，具有綠色化學特征。然而，TEMPO易殘留在產品中帶來基因毒性，沸石負載的金屬催化劑易流失和污染產品[11]。次氯酸鈉氧化選擇性差，副產物鄰硝基苯甲酸比例高[12]。硝酸對設備腐蝕性強，所得副產物對空氣和水均形成污染[13]，這都是產業界亟待解決的問題。

產物過度氧化為羧酸是次氯酸鈉氧化體系產率低的主要原因。如圖3所示，受鄰位硝基吸電子誘導和共軛效應的影響，鄰硝基苯甲醛可通過形成水合物，繼而被進一步氧化為副產物鄰硝基苯甲酸。

圖3 鄰硝基苯甲醛和鄰硝基苯甲酸的形成過程

基于上述文獻案例分析，我們不難發現產業界需求和所面臨問題是重要的創新研究項目。對于鄰硝基苯甲醛的制備，其中的科學問題亦逐漸明晰：1) 如何解決TEMPO殘留的問題，是發展新的分離方法，亦或是設計更易與產物分離的TEMPO衍生物為催化劑？2) 如何更好固載金屬催化劑防止流失，或者從源頭上避免使用金屬催化劑？3) 如何避免鄰硝基苯甲酸的形成？

1.2 實驗目的

1) 了解有機小分子催化反應；

2) 掌握兩相反應設計的原理；

3) 掌握催化氧化合成鄰硝基苯甲醛的反應機理；

4) 掌握鄰硝基苯甲醛的制備、反應進度監測以及分離與精制方法；

5) 掌握核磁共振波譜儀、高效液相色譜等產物結構表征和純度分析實驗技術。

1.3 實驗原理

根據相似相溶原理，TEMPO-COOH含有水溶性基團，應具有較好的水溶性，尤其在堿性條件下，其鈉鹽TEMPO-COONa水溶性更好。基于此，利用兩相反應體系可實現鄰硝基苯甲醛的選擇性氧化合成。如圖4所示，原料具有水溶性，TEMPO-COOH和次氯酸鈉均在水相，氧化反應在水相中進行；所得產物水溶性差，進入有機相，有效避免了被氧化為酸，從而提高了鄰硝基苯甲醛的收率。

圖4 TEMPO-COOH催化氧化合成鄰硝基苯甲醛(左)及其性狀(右)

“照方抓藥”式完成實驗往往讓學生失去了體會有機化學“創造”和“控制”的過程與樂趣。本實驗教學中，學生可自主設計和引入變量，比如催化劑結構及用量，反應溫度、溶劑、pH等。通過分組進行，比較各變量所導致的差異，并從原理上加以解釋，共同體會有機合成方法學和工藝研究的巨大樂趣。

1.4 試劑和儀器設備

綜合上述合成方案，實驗所需要的主要試劑和儀器如表1和表2所示，其余物品包含：磁子、鐵架臺、漏斗、玻璃棒、100 mL圓底燒瓶、100 mL錐形瓶、25 mL量筒、100 mL分液漏斗、25 mL恒壓滴液漏斗及1 mL注射器等。

表1 所需主要實驗試劑

表2 所用主要實驗儀器

1.5 合成實驗步驟

本實驗涉及目標產物鄰硝基苯甲醛的合成、反應進度監測、分離與精制以及產物結構表征和純度分析四個部分。

1.5.1 鄰硝基苯甲醛的合成

1) 鄰硝基苯甲醛的制備。

依次向100 mL圓底燒瓶中加入鄰硝基芐醇(1.53 g，10 mmol)，二氯甲烷(10.0 mL)和攪拌子(注：選取磁力足夠大的攪拌子)，攪拌使固體全部溶解。再依次加入TEMPO-COOH水溶液(1.0 mL，0.01 mmol，0.01 mol·L-1水溶液)和飽和碳酸氫鈉溶液(13.0 mL，17 mmol)。將反應瓶放入15 °C水浴中，劇烈攪拌下用恒壓滴液漏斗滴加NaClO水溶液(13.0 mL，20 mmol，10%水溶液)，約10 min滴加完畢。滴加完畢后，繼續在15 °C下反應40 min。

2) 反應進程監測。

停止攪拌，靜置分層后取少量下層溶液，稀釋后通過薄層色譜(TLC)監測反應進展。以原料和標準產品二氯甲烷溶液作為對照品，用石油醚和乙酸乙酯(V石油醚:V乙酸乙酯= 3 : 1)作為展開劑。展開后在254 nm的紫外燈下觀察原料消耗情況和產物是否形成。

3) 產物分離。

反應完全后，將反應液倒入分液漏斗，分出有機層后，水相再用二氯甲烷(10.0 mL × 1)萃取。合并有機相，經無水硫酸鈉干燥，過濾入已稱重的圓底燒瓶中。濾液在旋轉蒸發儀上濃縮得粗品。待恒重后，稱重，收率為93%。

4) 產物精制。

粗品溶解在20.0 mL二氯甲烷中，加入10.0 mL飽和亞硫酸氫鈉，常溫下攪拌30 min，靜置后分層(此處可用TLC監測)。分離得到水層，水層在冰浴中用5%氫氧化鈉溶液調節pH到10，淺黃色固體析出完全。抽濾、干燥至恒重。

1.5.2 TEMPO及其衍生物催化活性和萃取回收率比較

參照上述標準實驗步驟，可分組進行研究型實驗，考察其他變量，如催化劑結構或用量，反應溫度、溶劑等對該催化氧化反應的影響。

此處以比較TEMPO及其衍生物催化活性為例(結果見2.2小節)。為了進一步證明TEMPO-COOH的水溶性優勢，我們設計了萃取回收率實驗。分別取TEMPO、4-oxo-TEMPO、TEMPOL以及TEMPOCOOH各200.0 mg，溶解于50 mL飽和碳酸氫鈉溶液中，并用二氯甲烷萃取(50 mL × 3)。合并有機相，無水硫酸鈉干燥，過濾濃縮后稱重，計算回收率。

1.5.3 結構表征與純度分析

1) 結構表征。

取5.0 mg左右粗品或精制產物溶解在氘代氯仿中，測定產品核磁共振氫譜(1H NMR)，解析數據，并與標準產品比對，確認產物結構。

2) 純度分析。

取約1.0 mg粗品或精制產物溶解在色譜級正己烷/異丙醇(V正己烷:V異丙醇= 10 : 1)的混合溶劑中，用高效液相色譜儀(HPLC)分析產物純度，并與標準產品保留時間比對。

2 結果與討論

2.1 薄層色譜分析和精制后產品性狀

如圖5所示，在標準催化反應條件下，氧化反應完全，在紫外燈下未見明顯副產物。計算得鄰硝基苯甲醇Rf= 0.26，鄰硝基苯甲醛Rf= 0.39。精制后所得產物為淡黃色粉末。

圖5 TLC結果分析(左)和精制后產品性狀(右)

2.2 TEMPO及其衍生物催化效果和萃取回收率比較

TEMPO和4-oxo-TEMPO結構類似，無額外親水性基團，水溶性差，催化活性均較差；TEMPOL與TEMPO-COOH結構類似，含有親水性基團，其催化氧化產率均在90%以上(圖6)。萃取實驗結果表明TEMPO-COOH相比TEMPOL更易溶于水，前者同時滿足水相中氧化和易于分離的實驗設計需求，從而可避免因催化劑殘留在產品中所帶來的基因毒性問題(圖7)。

圖6 TEMPO及其衍生物催化能力對比

圖7 TEMPO及其衍生物萃取回收率比較

2.3 鄰硝基苯甲醛結構表征及純度分析

1) 鄰硝基苯甲醛的結構表征。

對鄰硝基苯甲醛分別進行核磁共振氫譜(1H NMR)表征，如圖8所示，數據如下。

圖8 鄰硝基苯甲醛的1H NMR圖譜

1H NMR (400 MHz, CDCl3)：δ10.43 (s, 1H)，8.12 (dd,J= 8.0, 1.6 Hz, 1H)，7.96 (d,J= 7.8, 1.8 Hz,1H)，7.82–7.74 (m, 2H)。

2) 鄰硝基苯甲醛的純度分析。

HPLC分析確認粗品純度大于99%。分析條件：色譜柱為Luna 5μm Silica (2) 100 ? (1? = 0.1 nm)，柱溫40 °C，流速為1.0 mL·min-1，洗脫液為V正己烷:V異丙醇= 10 : 1，檢測波長為254 nm (圖9)。

圖9 鄰硝基苯甲醛粗品(左)和精制產品(右)HPLC對比圖

3 結語

本文緊扣鄰硝基苯甲醛的合成工藝發展過程，將綠色催化氧化合成該醛的方法開發為有機化學基礎實驗，豐富了綠色氧化反應在實驗教學中的應用。通過實驗實踐、實驗拓展和結果分析，使學生深入理解催化氧化合成鄰硝基苯甲醛的意義，熟練掌握其制備方法和實驗過程。更為重要的是，該實驗教學融入了以“科學問題為目標導向”的探究型實驗模式、綠色化學理念和有機合成方法學研究的一般過程，在此教學基礎上，學生對科學問題的解決與工藝技術的形成過程有了總體的了解。該新創實驗所用試劑環境友好，安全性高，時長約3-4學時，非常適合用于有機化學基礎實驗教學，采用微課和實驗教學相結合的教學方法，可促進學生理論知識學習與有機合成實踐之間的有效互動，提高化學類專業人才培養質量。

4 創新性聲明

1) 形成以“科學問題為目標導向”的探究型實驗教學模式；

2) 采用微課和實驗教學相結合的教學方法，并融入有機合成方法學研究的一般過程；

3) 采用物質的量分數0.1% TEMPO-COOH為催化劑，提高了氧化合成鄰硝基苯甲醛的選擇性。