有機化學綜合實驗設計
——以《可見光誘導的β-羰基砜的合成》為例

朱海波，孟 佳，謝宗波

（東華理工大學 化學生物與材料科學學院，江西 南昌 330013）

在化學類專業實驗課程中，有機化學綜合實驗發揮著至關重要的作用，通過課程的學習，學生的有機化學專業知識、有機實驗操作技能和創新實踐能力得到進一步提升。然而，當前的有機化學實驗教學比較單調、固定，學生處于被動狀態，缺乏自主性和靈活性，思維能力和動手能力不能得到鍛煉。另外，當前高校本科實驗教學中普遍存在實驗內容陳舊、實驗設備老舊、實驗思維固化、缺乏創新性等問題，現有的實驗儀器已經不能滿足現代合成的需求，且傳統的合成方法已經跟不上現代工業的發展速度［1-2］。傳統的有機化學實驗教學與現代工業生產的需求背道而馳，嚴重阻礙高等院校培養創新應用型人才。我國一直大力提倡創新型人才隊伍的建設，而高等院校作為高層次專業人才的培養基地，更應該在傳授學生專業知識的同時培養其創新能力［3］。

傳統的有機化學實驗通常采用熱反應合成方法，常用到有毒性和腐蝕性的化學試劑及溶劑，反應過程中產生的副產物對環境污染嚴重；試劑消耗量大，不符合現代綠色化學的理念［4-5］。此外，本科生大多存在基礎實驗操作能力差，對學科前沿缺乏認識等問題，因此，亟須一種綠色低毒、安全、簡便的有機合成方法。可見，光作為一種可再生能源，近幾年在有機合成領域有廣泛的應用，已經發展成為有機合成化學最重要的分支之一。相對于傳統熱反應合成，可見光誘導的有機反應無需高溫，一般在常溫條件下進行反應，用到的溶劑符合綠色化學要求，而且投料及后處理簡單，對環境污染很小［6-7］，但目前國內大多數高校未將可見光催化有機合成納入本科有機化學實驗教學中。

在“雙一流”建設背景下［8-9］，探索可見光催化與有機化學實驗結合教學，將微型有機化學、可見光催化融入教學實驗中，使學生了解當前有機化學的最新研究進展，達到實驗教學與前沿科學研究相結合的目的；幫助學生鞏固有機化學的基礎理論知識和基礎操作技能，培養學生的實驗操作能力和解決問題的能力，使學生在今后的科研工作中游刃有余，為學生今后的科技創新奠定良好的基礎。

一、實驗設計思路

實驗內容共8課時，拋棄了傳統教學單一化的問題，利用光催化有機反應前沿問題，根據學生的個體性差異，設計符合現代工業生產需求的綜合創新實驗，搭建一種新型的光催化有機化學實驗教學，把課堂歸還給學生，讓學生當家做主，教師只進行正確引導。整個實驗過程對比傳統熱反應合成，在反應操作、后處理、實驗產率及反應試劑消耗方面都存在明顯的優勢。以水替代1,4-二氧六環，避免了毒性較大的有機溶劑的使用；試劑用量小，降低了有機實驗成本；不需要高溫回流，可常溫下進行，符合綠色環保理念。通過實驗的實施，能有效彌補傳統有機合成的缺陷，改變落后的教學思維和陳舊的教材內容，幫助學生鞏固基礎理論知識和基礎操作技能的同時，開闊視野，推動學生全面發展；此外，能夠使學生了解如何從反應源頭降低對環境的污染，減少有毒試劑的使用，減少能耗，激發學生的社會責任感。

二、實驗前注意事項

學生進入實驗室前，應熟悉實驗室的規章制度及實驗安全知識，熟悉相關儀器和試劑的使用。

（一）反應步驟

向裝有水的試管中，加入苯亞磺酸鈉和2-溴苯乙酮，將該反應放置在100W的藍光LED燈下照射，室溫條件下并不斷攪拌約3～5小時。反應期間可用薄層色譜（TLC）檢測，直至原料完全消失。攪拌不宜太劇烈，防止原料濺到試管內壁析出，導致2-溴苯乙酮有剩余。當2-溴苯乙酮在溶液中消失，將混合液倒入茄形瓶，用旋轉蒸發儀濃縮除去水。用乙酸乙酯（EA）作為萃取劑，分兩次萃取，兩次萃取產物合并，加入無水硫酸鈉（Na2SO4）干燥除去有機相中的水分。過濾除掉Na2SO4，得到粗產物β-羰基砜的濾液。濃縮濾液，加入粗硅膠粉拌勻，旋蒸除去溶劑后備用。采用柱層析分離，用一定體積比例的石油醚和乙酸乙酯作為洗脫劑，提純粗產物β-羰基砜。加洗脫劑時要沿層析柱內壁傾倒，在樣品層上方加入少量中性氧化鋁，防止倒入洗脫劑時樣品層沖斜。洗脫時，要在紫外燈下觀察產物是否流出或者是否完全流出。最后，將含有產物的洗脫劑合并在一起，放入水浴鍋中旋蒸除掉溶劑得到白色固體β-羰基砜，再使用鼓風干燥箱中干燥、稱重、計算產率、測定產物的熔點、紅外光譜及核磁譜圖，分析化合物的結構。

（二）注意事項

在可見光催化β-羰基砜的合成中，用水作為溶劑，防止固體原料粘在試管內壁，應先把固體原料用紙槽送到試管底部，然后再加入溶劑水。在對反應試管進行光照時，為確保反應溫度，LED燈不能靠近試管底物，防止長時間照射使反應體系升溫。薄層色譜檢測反應進程，用原料苯亞磺酸鈉和2-溴苯乙酮作為已知產物點A和B，用毛細管吸取試管中反應液作為C，展開劑展開時，當C中沒有原料B，反應可結束，并記錄原料及產物點的比移值。用層析柱裝硅膠時，為使硅膠均勻裝入層析柱，可以采用干法裝柱或濕法裝柱兩種方法，盡量排除硅膠中的氣泡，保證樣品可以均勻流出。旋蒸水浴溫度不宜過高，防止液體沖出，導致產物損失。產物干燥過程中，鼓風干燥箱溫度不宜過高，以50℃～70℃為宜，防止因溫度過高產物在空氣中變質。

三、實驗操作

（一）可見光催化的苯亞磺酸鈉和2-溴苯乙酮的偶聯

將2-溴苯乙酮（40mg,0.2mmol）和苯亞磺酸鈉（49mg,0.3mmol）放入到一個10毫升的試管中，反應裝置如圖1（a）所示，向試管中加入2毫升水，將反應置于空氣中，用100瓦的藍光LED燈照射，在磁力攪拌下常溫反應3～5小時。反應過程中，不斷用薄層色譜板（TLC）檢測，并用原料2-溴苯乙酮作為對照點，檢測該反應進度。反應結束后，將試管中反應液轉移到茄形瓶中，并用少量乙醇洗滌試管2次，洗滌液合并到茄形瓶中。在50℃的水浴下，旋蒸除去水和乙醇，乙酸乙酯作為萃取溶劑，分兩次萃取，每次5毫升。將萃取乙酸乙酯層合并，加入無水Na2SO4干燥劑除水，靜置幾分鐘，過濾得到乙酸乙酯溶液。向粗產物乙酸乙酯溶液中加入2倍量的100～200目硅膠，在40℃水浴中旋蒸除去溶劑，得到硅膠粉末待用。

（二）粗產物β-羰基砜的純化

在帶有砂芯的色譜柱中加入300～400目硅膠，用洗耳球輕輕敲擊柱身，使硅膠均勻填充。打開層析柱開關，從柱子上端沿管壁輕輕加入石油醚，使石油醚慢慢向下流動潤濕硅膠，如圖1（b）所示，需要注意不斷加入石油醚以防硅膠暴露在空氣中。待石油醚流出層析柱，關閉四氟開關，保持硅膠界面上有1厘米高度石油醚。將上述所得粗產物的硅膠粉末，用加料漏斗加入層析柱中，并用洗耳球輕敲除去氣泡，加入棉花防止界面沖斜。從色譜柱上方加入比例為1∶5的乙酸乙酯和石油醚的混合溶劑進行洗脫，每接10毫升的洗脫液，用TLC檢測，將含有β-羰基砜的溶液合并，在40℃水浴中旋蒸除去溶劑得到白色固體β-羰基砜，使用鼓風干燥箱干燥，計算反應的產率，測定產物的熔點、紅外光譜及核磁譜圖，分析化合物的結構。

圖1 可見光催化β-羰基砜合成的實驗裝置

四、實驗方案的實施

實驗人員來自應用化學專業大四本科生，共分成兩組，每組15人。其中一組采用傳統熱反應合成β-羰基砜，另外一組采用可見光催化微量合成β-羰基砜。

可見光催化合成β-羰基砜教學方案如下。（1）實驗課前學生通過查閱相關文獻資料，了解β-羰基砜的作用及在醫藥等領域的應用，以及傳統合成β-羰基砜的方法及各自的優缺點。此外，熟悉光催化與有機反應結合的相關資料，了解光催化在有機合成中的應用。在課前預習掌握實驗的設計思路、原理及實驗內容。（2）結合本科課程“有機化學理論”中自由基反應的內容，簡單介紹光催化自由基反應的原理，重點講述可見光催化苯亞磺酸鈉與2-溴苯乙酮的自由基偶聯反應機理，以及苯亞磺酸鈉與2-溴苯乙酮的親核取代反應的機理。（3）該光催化反應投料步驟簡單，在水溶液中常溫下攪拌，并用100瓦藍光LED燈不斷照射。粗產物的后處理用到柱層析分離，鞏固色譜分離方法，包括薄層色譜（TLC）檢測和柱色譜分離等操作。（4）實驗共計8個學時，實驗過程中，教師現場解答問題并指導，對實驗中易發生的不規范操作或可能存在的安全隱患給予糾正或者消除，保證實驗的正常順利進行。實驗過程中，遇到意外情況（例如反應不完全等），可調整實驗參數，并討論參數改變對結果的影響。（5）實驗過程中，準確記錄實驗現象和數據，包括反應條件、反應時間及產品性狀等；實驗結束后，收集數據并歸納，撰寫實驗報告。分別計算傳統熱反應合成及可見光催化合成β-羰基砜的收率。（6）對比傳統熱反應合成方法和可見光催化合成方法數據，討論兩種方法的優點和缺點，包括反應操作、后處理操作的簡易程度、實驗效率，試劑消耗量，反應產生的廢液等，培養學生的綠色環保意識，激發學生的社會責任感。

通過實驗結果發現，β-羰基砜的傳統熱反應合成方法需要用到1,4-二氧六環溶劑，該溶劑有毒，反應需要在溫度＞100℃的回流條件下完成，而且反應裝置需要回流管加冷凝水，反應時間長；后處理過程要用到分液漏斗萃取產物，除去高沸點的1,4-二氧六環，萃取過程中會導致產物損失，產率降低；此外，產物還需要重結晶提純，此過程會導致產物的大量損失。總體來說，傳統熱反應合成方法需要在高溫條件下反應，二氧六環溶劑有毒，污染環境，且試劑需求量大，容易造成資源浪費。而可見光催化合成在反應操作、后處理、實驗產率及反應試劑消耗上都優于傳統熱反應合成，以水作為反應溶劑較為環保；反應時間短；反應所需玻璃儀器僅需一支10毫升試管；無須大量的化學試劑，可在毫克級的反應條件下得到高產率的β-羰基砜；后處理產物損失量小。總體來說，可見光催化合成方法可在常溫下進行，耗能少，以水作為溶劑，試劑用量小，綠色環保。

通過對比發現，雖然傳統熱反應合成與可見光催化合成的產物相同，但反應機理存在根本性的不同。在傳統熱反應中，苯亞磺酸鈉作為親核試劑，與親電試劑2-溴苯乙酮發生反應得到β-羰基砜，整個反應不產生自由基；而可見光催化的機理有苯乙酮自由基的產生，然后與苯亞磺酸鈉發生自由基反應得到目標產物，2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TMPEO）可以抑制產物的生成。因此，學生在實驗前應充分預習，查閱文獻資料，在實驗中仔細聽教師講解。此外，在兩組對比實驗中發現，可見光催化反應組的學生積極性更高，實驗興趣濃厚；15組反應中，產率普遍較統一，重復性及穩定性好，操作要求不高；在后處理中可進一步鞏固色譜分析及分離技術。

實驗結束后，收集部分學生的實驗感想和反饋意見，大部分的感想如下：常規有機反應副產物很多，而這個光催化反應副產物很少，分離很容易；反應操作起來較為容易，也不用加熱回流，在燈下面攪拌就好了，感覺很神奇；終于不用味道很大的有機溶劑了，反應干凈又安全；但也有部分學生反映不理解可見光催化該反應的機理，反應體系中自由基的生成過程等。

結語

實驗將可見光催化融入有機反應中，綜合了微量合成、綠色化學、光催化及有機物結構分析等知識，將β-羰基砜的光催化合成、柱色譜提純及表征融為一體，學生不僅可以了解光催化有機合成領域的前沿技術，同時實踐能力得到了提高。除此以外，實驗改革能夠提高學生對基礎有機化學實驗的濃厚興趣和積極性，在反應操作、后處理、實驗產率等方面存在顯著的優勢，無需有毒的有機溶劑作為反應介質，綠色環保，可以在毫克級的反應下得到高產率的產物，便于較大規模的展開與推廣。