有機化學教學綜合實驗設計：制備藥物菲尼布特外消旋前體

陶海燕，董秀琴

（武漢大學 化學與分子科學學院，湖北武漢 430072）

有機化學是研究有機化合物的組成、結構、性質、制備方法與應用的一門科學，是一門以實驗為基礎的學科，有機實驗教學是有機化學教學重要的組成部分。利用有機化學實驗課程的教學優勢激發學生學習有機化學的興趣，全面培養學生有機化學綜合實驗能力、科學素養和創新思維，助力學生全面發展。武漢大學化學與分子科學學院一直十分重視實驗課程的教學，注重訓練學生實驗基本操作技能、科學精神和科學素養，以及提出問題、分析問題和解決問題的能力，注重培養學生的創新意識，通過實驗教學來加強學生對基礎知識的理解，激發學生理論學習和科學研究的興趣，關注研究熱點，通過經典反應和研究思想融入開放實驗、綜合設計實驗等實驗課程，也是目前高校實驗課程教學改革的重要方向和思路[1]。

本文設計的實驗屬于有機化學綜合實驗。該綜合設計實驗以Henry反應、β-消除反應、Michael加成反應為基礎，首先運用硝基甲烷對苯甲醛的Henry反應和β-消除反應得到硝基苯乙烯，堿性條件下，利用便宜易得的丙二酸二甲酯對其進行Michael加成反應得到菲尼布特外消旋前體2-（2-硝基-1-苯基乙基）丙二酸二甲酯。該設計實驗思路結合現代有機合成化學的研究進展，實現藥物菲尼布特外消旋前體的高效合成。該有機化學綜合設計實驗主要包括β-硝基苯乙烯、菲尼布特外消旋前體2-（2-硝基-1-苯基乙基）丙二酸二甲酯的合成研究，涉及萃取、過濾、蒸餾、重結晶和柱層析等有機化學實驗操作技能，能加深學生對這三類反應的理解，鍛煉學生的基本有機合成操作技能，有助于學生了解有機化學的前沿研究動態，培養學生的科研興趣和探索精神。

該有機化學綜合設計實驗涉及多個環節，包括：對研究文獻的檢索與調閱、實驗方案的選擇與規劃、實驗儀器和試劑的統計、使用薄層色譜（TLC）實時監測反應進程、對產物純化和表征、書寫實驗報告等，全面鍛煉學生的有機化學綜合實驗技能和培養科學素養，達到綜合設計實驗的效果和教學目標。

1 實驗目的

通過調閱文獻，掌握Henry反應、β-消除反應、Michael加成反應等反應的原理；根據有機化學綜合設計實驗的要求，選擇合適的實驗方案；掌握β-硝基苯乙烯和菲尼布特外消旋前體2-（2-硝基-1-苯基乙基）丙二酸二甲酯的制備方法；掌握使用TLC實時監測反應進程，以及運用過濾、重結晶、蒸餾、柱層析等分離、純化產物的實驗操作和方法，熟練選擇合適展開劑、淋洗劑；鞏固傅里葉變換紅外光譜儀、核磁共振儀的操作方法，以及紅外光譜和核磁共振譜圖的解析。

2 實驗原理

γ-氨基酸及衍生物是重要的神經類化合物，在神經遞質方面具有潛在的生物活性[2-3]，例如：Pregabalin[4]、Phenibut（ 菲 尼 布 特 ）[5]、Baclofen[6]（圖1）。藥物菲尼布特為γ-氨基丁酸衍生物，是一種神經系統調節劑，能緩解焦慮癥和抗抑郁，合成該化合物具有重要的意義。

圖1 含γ-氨基酸骨架的藥物分子

1895年，Henry等[7]在堿催化下硝基烷烴對醛（酮）的羰基進行1，2-親核加成反應，生成β-硝基醇化合物。經過β-消除反應得到硝基烯烴，是良好的Michael加成反應受體[8]。丙二酸二甲酯對硝基苯乙烯進行Michael加成反應得到2-（2-硝基-1-苯基乙基）丙二酸二甲酯（圖2），水解產生雙羧基，加熱脫羧后將硝基還原成氨基即可得到藥物菲尼布特外消旋體。

圖2 實驗原理

3 儀器和試劑

試劑：市售分析純化學試劑，無需純化。

儀器：ZF-D暗箱式紫外分析儀，IKA RV 10旋轉蒸發儀，傅里葉變換紅外光譜儀，Bruker核磁共振波譜儀（400 MHz）。

4 實驗步驟

4.1 β-硝基苯乙烯的制備[9]

反應方程式為：

如圖3所示，將苯甲醛（1.06g，10mmol）和硝基甲烷（0.67g，11 mmol）溶于5mL甲醇中，冷卻至-5℃，將NaOH溶液（10M aq，15mmol）在緩慢滴加到體系中，反應1~3h。TLC監測反應完后，反應體系與20mL水混合，倒入含有2mL濃鹽酸的碎冰，黃色沉淀物析出，過濾，在熱乙醇中結晶，以72%產率（1.07g）得硝基苯乙烯。1H NMR （400 MHz，CDCl3）δ8.02 （d，J=13.6Hz，1H），7.59 （d，J=13.6 Hz，1H），7.57~7.54 （m，2H），7.53~7.43 （m，3H）；13C NMR （100 MHz，CDCl3）δ139.1，137.1，132.2，130.1，129.4，129.1。

圖3 β-硝基苯乙烯的合成路線

4.2 菲尼布特外消旋前體2-（2-硝基-1-苯基乙基）丙二酸二甲酯的制備[10]

反應方程式為：

如圖4所示，將 LiClO4·3H2O（8.1mg，摩爾分數為5%）和Et3N（2μL，摩爾分數為1%）加入到硝基苯乙烯（149.2mg，1mmol）和丙二酸二甲酯（145.3mg，1.1mmol）的1mL二氯甲烷溶液中，室溫下攪拌1~2h，TLC監測反應完后，往反應中加水，二氯甲烷萃取三次，合并有機相，無水硫酸鈉干燥，旋轉蒸發儀濃縮得粗產品，柱層析分離純化，以91%產率（255.7mg）獲得目標產物，1H NMR（ 400 MHz，CDCl3）δ7.35~7.27（ m，3H），7.24~7.21（ m，2H），4.95~4.85（ m，2H），4.27-4.22（ m，1H），3.86（d，J=9.0 Hz，1H），3.76（ s，3H），3.56（ s，3H）；13C NMR（ 100 MHz，CDCl3）δ167.8，167.2，136.1，129.0，128.4，127.9，54.8，53.0，52.9，42.9。IR（ cm-1）1 736，1 556，1 456，1 436，1 381，1 293，1 264，1 198，1 157，739，702.

圖4 2-（2-硝基-1-苯基乙基）丙二酸二甲酯的合成路線

5 結果與討論

本綜合設計實驗中硝基苯乙烯的制備雖涉及Henry反應和β-消除反應兩步反應，但通過“一鍋法”完成，實驗操作簡單。需控制硝基甲烷的量，它是高活性Michael加成反應給體，過量會與硝基苯乙烯發生Michael加成反應，得到的產物也能發生Michael加成反應，最終造成體系混亂和產率低。用乙醇重結晶來提純硝基苯乙烯時，需注意乙醇的量和滴加速度，速度過快和量過多，硝基苯乙烯難以析出。如果重結晶實驗失敗，能通過柱層析方法來提純。學生的實驗結果表明：大部分學生能拿到純凈產品，小部分學生失敗，主要是：①硝基甲烷的量未控制好，加入過多，生成副產物，反應體系亂，這種需重新開反應；②重結晶時粗心，加入乙醇溶劑過快和過多，難以析出硝基苯乙烯，可以通過除去乙醇重新重結晶實驗或柱層析分離提純。

6 實驗組織運行的建議

1）本實驗屬于有機化學綜合設計實驗，學生需全程獨立完成。任課教師提前3周將實驗要求發給學生，例如要求學生了解原料苯甲醛、硝基甲烷、丙二酸二甲酯的理化性質等；設計合理反應路線，認真了解反應機理，4周內完成實驗；要求學生在進行實驗的前2周和任課老師討論、分析、確定實驗方案、所需藥品和儀器統計，確定每周詳細實驗方案和進度安排。

2）由于受實驗學時的限制，實施的過程中，學生難以對每步反應進行條件優化達到最優反應結果，但學生能通過查閱文獻進行比較、選擇合適反應條件和分離純化產物的方法，例如：萃取、過濾、蒸餾、重結晶、柱層析分離，獨立完成實驗，加強鍛煉學生獨立的實驗操作能力，加深對有機化學反應的理解，在實驗中體會課堂理論知識的作用，讓其享受科研創新的同時培養對課堂教學的興趣。

7 結語

本有機化學教學綜合設計實驗主要是通過查閱文獻合理設計硝基苯乙烯的制備以及其作為Michael加成反應受體與丙二酸二甲酯進行Michael加成反應，合成藥物菲尼布特外消旋前體，涉及多個環節，包括：查找與檢索研究文獻，選擇合理實驗方案、實驗儀器、使用TLC監測反應進程，對產物分離純化，通過傅里葉紅外光譜儀、核磁共振儀對產物進行表征，全面鍛煉學生的有機化學綜合實驗基本技能，培養科學研究的基本素養，激發學習興趣，達到了綜合設計實驗的效果和教學目標。