基于氫鍵誘導理論的有機化學探索實驗：(+/?)-2-亞甲基香茅醛的合成與快速鑒定

金劍，楊雪蘋，程景，任鵬

1哈爾濱工業大學(深圳)實驗與創新實踐教育中心，廣東 深圳 518055

2哈爾濱工業大學(深圳)理學院，廣東 深圳 518055

2021年諾貝爾化學獎授予了Benjamin List和David MacMillan，以表彰兩位化學家在不對稱有機催化領域的卓越貢獻[1]。以脯氨酸、氨基酸硫脲、咪唑啉酮為代表的有機小分子化合物(如圖1所示)廣泛應用于不對稱Aldol反應、不對稱Mannich反應、不對稱Michael加成反應、不對稱Diels-Alder反應、醛/酮類化合物α-不對稱氨基化/氧化/苯磺酰化等，以高效構建復雜手性化合物[2]。與經典金屬有機催化劑相比，有機小分子催化有以下特點：1) 催化劑及其合成砌塊在自然界廣泛存在，易于制備、價格低廉；2) 催化劑對氧氣、水不敏感，因此反應不需要復雜的無水無氧操作；3) 有機催化劑在反應后處理中容易除去，不存在金屬有機催化導致的過渡金屬殘留問題；4) 有機催化劑在自然界中極易降解無害化，對環境友好。目前，脯氨酸催化的不對稱Aldol反應已經在中科大、復旦大學、南方科技大學等高校化學相關專業面向本科生開設[3–5]。

圖1 小分子催化劑與氫鍵誘導活化

對于脯氨酸、咪唑啉酮等仲胺類有機催化反應，催化劑首先通過氫鍵誘導活化羰基(如圖1所示)，之后胺基對羰基加成脫水共價結合形成烯胺或者亞胺，其中烯胺作為親電試劑對醛酮類化合物加成，亞胺作為缺電子中心與親核試劑加成。對于硫脲類催化劑，硫脲結構單元與羰基形成雙氫鍵(如圖1所示)，增強羰基碳原子親電性。對于脯氨酸催化的Aldol反應，烯胺活性中間體對羰基碳的加成還需要氫鍵的二次活化[6]。本實驗中，我們使用吡咯烷和4-二甲基氨基苯甲酸作為有機小分子催化劑，催化天然香料(+/?)-香茅醛與甲醛的Aldol縮合反應并脫水生成(+/?)-2-亞甲基香茅醛[7]。在反應物料、催化劑當量、反應加熱溫度不變的條件下，選用二氯甲烷、乙醇、四氫呋喃三種溶劑開設平行反應，利用薄層色譜法監控平行反應進程，以篩選最佳的反應溶劑。反應液通過簡單萃取分液干燥濃縮等后處理就可以得到高純度的產物，可直接用于波譜分析和色譜分析。

1 實驗目的

(1) 了解小分子催化Aldol反應制備α,β-不飽和醛的反應機理；

(2) 初步掌握基于反應機理的有機合成反應條件優化思路；

(3) 掌握薄層色譜技術監控反應進程的方法；

(4) 了解用核磁共振波譜法快速鑒別反應原料與產物的一般方法；

(5) 初步利用共振理論預測并解釋結構細微差異對反相色譜保留時間的影響。

2 實驗原理

有機胺小分子催化的Aldol反應要經歷亞胺與烯胺的互變異構，如圖2所示，吡咯烷-對二甲基氨基苯甲酸鹽酸堿解離平衡產生游離吡咯烷是啟動催化循環的關鍵，吡咯烷對香茅醛的醛羰基親核加成脫水異構化形成烯胺a，烯胺中間體對甲醛親核加成生成亞胺中間體b，異構化得到烯胺中間體c，之后消除羥基生成亞胺中間體d，最終水解生成產物(+/?)-2-亞甲基香茅醛，吡咯-對二甲基氨基苯甲酸進入下一個催化循環。

圖2 反應機理

3 實驗儀器與試劑

儀器：加熱磁力攪拌器(EYELA，RCH-1000)、移液槍、循環水真空泵(鄭州長城，SHB-III)、旋轉蒸發儀(IKA，RV8)、90 MHz無液氦核磁共振波譜儀(Anasazy，EFT-90，美國)、超高效液相色譜儀(安捷倫1260 Infinity II，安捷倫SB-C18色譜柱，1.8 μm，2.1 × 50 mm；德國)。

試劑：香茅醛(阿拉丁試劑，96%)、甲醛水溶液(西隴科學，37%)、對二甲氨基苯甲酸(阿拉丁試劑，99%)、吡咯烷(阿拉丁試劑，99%)、二氯甲烷(Admas，99.5%)、無水乙醇(Admas，99.7%)、四氫呋喃(Admas，99.5%)、10%磷鉬酸乙醇溶液、石油醚(Admas，沸程60–90 °C)、乙酸乙酯(Admas，99.5%)、無水硫酸鈉(Admas，99%)、氘代氯仿(TMS內標，Admas，99.8%)、乙腈(Admas，HPLC級)。

4 實驗步驟

4.1 (+/?)-2-亞甲基香茅醛合成與反應監控

稱取(+/?)-2-亞甲基香茅醛(1.23 g，8 mmol)加入到圓底燒瓶，加入溶劑(8 mL，三個平行反應溶劑分別是二氯甲烷(反應1)、四氫呋喃(反應2)、無水乙醇(反應3))攪拌均勻，先后加入甲醛水溶液(0.65 g，8 mmol)、對二甲氨基苯甲酸(0.13 g，0.8 mmol)、吡咯烷(67 μL，0.8 mmol)。玻璃塞密封反應瓶，40 °C水浴攪拌反應(反應1要加裝冷凝管，無需連接冷卻水循環，直接空氣冷卻)。

取(+/?)-2-亞甲基香茅醛10 μL加0.5 mL乙酸乙酯稀釋配制反應監控對照樣品。自投料完畢每間隔20 min取樣點板監控，監控方法如下：用移液槍吸取10 μL反應液，加0.5 mL乙酸乙酯稀釋配制對照品，用于確定在薄層色譜分析中原料斑點與產物斑點的相對位置；用移液槍吸取50 μL反應液，加0.5 mL乙酸乙酯稀釋配制反應稀釋液；薄層板點四個點，從左到右依次是原料、反應1稀釋液、反應2稀釋液和反應3稀釋液；使用石油醚爬板；之后用磷鉬酸乙醇溶液浸潤薄層板，熱風槍烤板顯色。反應3在1 h可以反應完全。

4.2 反應后處理與儀器分析

關閉加熱，撤掉水浴鍋，加入30 mL水淬滅反應，加入石油醚萃取(10 mL × 2)，合并有機相。先后用0.1 mol?L?1稀鹽酸、飽和碳酸氫鈉、飽和食鹽水各20 mL洗有機相。加入無水硫酸鈉干燥有機相，過濾，旋轉蒸發濃縮(真空度5 kPa，25 °C水浴溫度)去除石油醚得到無色液體。反應3反應完全，可計算產率，按照以上后處理得到無色液體1.25 g，產率94%。

取后處理所得樣品10 μL加0.5 mL氘代氯仿稀釋采集核磁氫譜數據。HPLC分析方法：乙腈-水(6 : 4，體積比)，1 mL?min?1，35 °C，6 min，210 nm；分別進空白、原料、產物、產物與原料混合四個樣品。

5 實驗結果討論

5.1 反應薄層色譜分析

由于甲醛水溶液不溶于二氯甲烷，因此反應1是兩相反應，反應2和反應3為均相反應。如果反應不是氫鍵驅動的，是否形成均相溶液將明顯影響反應轉化速率，在這種假設下，反應2的轉化速度應該比反應1快，但是連續點板監控顯示反應2的轉化速度比反應1慢(圖3所示)。對比反應1和3，我們發現乙醇反應液轉化速度明顯比二氯甲烷反應液快。反應1中，二氯甲烷是極性溶劑，但是不能與催化劑和反應底物形成氫鍵；對二甲氨基苯甲酸內鹽與醛羰基形成氫鍵活化羰基，同時游離吡咯烷對醛羰基親核加成啟動催化循環。反應2中，四氫呋喃氧孤對電子作為氫鍵受體參與形成氫鍵，競爭性抑制催化劑對醛羰基的氫鍵誘導活化，游離的吡咯烷對未活化的醛基加成啟動催化循環，反應速度較慢。對于反應3，乙醇羥基既是氫鍵給體也是氫鍵受體，醇羥基氧原子與吡咯鹽形成氫鍵轉移質子，提高吡咯烷濃度，同時羥基氫原子與醛羰基形成氫鍵提高其親電性，所以反應速度最快。

圖3 平行反應薄層色譜監控

圖3揭示產物的Rf值比原料稍小。硅膠薄層板固定相主要成分是二氧化硅，其中極少數會水解產生硅酸，二氧化硅/硅酸與化合物極性官能團之間的氫鍵以及類氫鍵相互作用強弱是不同化合物Rf值產生差異的主要原因。本實驗中，2-亞甲基香茅醛的共軛結構造成醛基氧原子孤對電子參與1,4-不飽和體系的共振，這使得氧原子與硅酸氫原子之間的氫鍵作用變弱，表現出來就是2-亞甲基香茅醛的Rf值比香茅醛大。

5.2 反應的核磁共振波譜分析

反應3原料近乎完全轉化，可直接采集核磁數據。核磁氫譜(90 MHz, CDCl3)如下：δ 9.52 (s, 1H，C1H)，6.21 (s, 1H, C9H)，5.97 (s, 1H, C9H)，5.19–4.97 (m, 1H, C6H)，2.84–2.57 (m, 1H, C3H), 2.09–1.77(m, 2H, C5H2)，1.66 (d, J = 1.3 Hz, 3H, C11H3)，1.61–1.26 (m, 5H, C4H2, C8H3)，1.06 (d, J = 6.9 Hz, 3H,C10H3)。在典型的多步有機合成反應中，一般一步反應只涉及1個官能團的轉化。本反應只在醛基α位引入一個碳碳雙鍵，因此可以通過核磁圖譜特征官能團信號快速鑒別產物。如圖4所示，香茅醛典型特征官能團信號是δ 9.75左右的C1醛基氫和δ 5.10左右C6碳碳雙鍵氫；對比原料和產物的氫譜可以發現產物在δ 6.1左右出現兩個碳碳雙鍵的氫信號，結合醛基氫信號以及δ 5.10左右碳碳雙鍵氫可以確定產物是2-亞甲基香茅醛。另外，對比原料和產物醛基氫的化學位移，我們能看出產物的醛基氫信號向高場方向偏移0.2左右，這一現象可以用共振理論解釋：相比香茅醛，2-亞甲基香茅醛的α,β-不飽和共軛結構中碳碳雙鍵π電子與羰基π電子共振離域提高醛羰基的電子云密度，導致醛羰基對醛基氫原子的去屏蔽效應減弱，醛基氫的化學位移向高場移動。

在圖4中，我們發現原料香茅醛C1醛基氫是三重峰，這一有趣現象其實與核磁共振波譜分析中磁等價概念緊密相關。香茅醛結構中C3是手性原子，這導致C2H2兩個氫原子是磁不等價的，因此醛基氫理論上應該是dd峰，并且兩個d峰耦合常數不同。但實際上，由于香茅醛的鏈狀結構，C2C3sigma鍵快速自由旋轉，手性中心導致的C2H2兩個氫原子磁不等價性差異極小，對C1醛基氫的耦合常數幾乎相等，最終的結果是dd峰簡并成三重峰，這一現象在鏈式醛類化合物中比較常見[8]。

圖4 原料與產物核磁共振氫譜

5.3 反應的高效液相色譜分析

在產物與原料的高效液相色譜結果中(圖5所示)，我們可以看到原料在色譜柱上保留時間比產物短了約0.7 min，這也可以用氫鍵理論進行解釋：在C18反相色譜分析中存在兩種相互作用，一種是待分析化合物結構中的的碳氫鍵與固定相烷基碳鏈的疏水相互作用，一種是待分析化合物結構中的雜原子與流動相中水分子的氫鍵作用，疏水效應與氫鍵作用的競爭是保留時間差異的根本原因；與香茅醛比較，2-亞甲基香茅醛的共軛結構減弱了醛基與流動相中水分子的氫鍵作用，因此保留時間相對延長。

圖5 反應TLC監控與產物HPLC定性分析

6 實驗注意事項

1) 甲醛水溶液具有刺激性，并且能引起蛋白質變性，稱量要在有排風的環境進行，一定要佩帶活性炭口罩和丁腈手套；條件允許可以先確定溶液密度，移液槍量取。

2) 吡咯烷容易揮發，味道刺鼻，衣物沾染需要很長時間散盡味道，可以在課前預先配制成相應的溶液，在通風櫥內用移液槍量取。

3) 對二甲氨基苯甲酸為密度較小的粉末狀固體，稱量過程要防止飛絮產生，建議用配置防風罩的天平稱量；并且稱量與轉移全程都有佩戴口罩，防止吸入。

4) 反應原料和產物Rf差異極小，用于監控的薄層色譜板要適當干燥，濕度過高可能導致原料產物無法分離；點板過程中毛細管前端與薄層板接觸時間過長會引起斑點擴散、上樣過多，導致原料和產物交叉，因此點板要迅速。

7 實驗組織運行建議

1) 建議教師課前為學生提供比較經典的綜述性論文，讓學生提前理解反應機理。

2) 本實驗包括有機合成、反應監控、核磁共振波譜分析和高效液相色譜分析，建議設置8個學時；液相色譜分析條件涉及恒溫等度洗脫，建議教師提前開機運行1 h以上。

3) 本實驗建議三人一組，一人選用一種溶劑投料；每人獨立制備各自反應體系三個時間點的薄層色譜監控用反應稀釋液，并與其他組員分享。每個人要獨立完成如圖3所示的薄層色譜監控。

4) 可根據學時、實驗條件等實際情況靈活調整實驗內容，可以只選用無水乙醇反應體系，60 min左右能反應完畢，波譜和色譜儀器分析可任選其一；也可以摒棄儀器分析，單獨加強薄層色譜技術在反應監控中的應用。

8 結語

本文介紹了一個小分子催化的全新有機合成實驗，實驗內容涵蓋了薄層色譜監控反應進程、核磁共振波譜法快速鑒定化合物、高效液相色譜法分析產物的一般方法。選用不同的溶劑來驗證已知的反應機理，這一過程可以初步引導學生了解基于機理的有機化學反應條件優化。本實驗以共振離域的氫鍵理論和疏水效應來解釋香茅醛和2-亞甲基香茅醛的化學位移、薄層色譜Rf值、液相色譜保留時間的差異，以此為契機可以引導學生將價鍵理論與有機合成實踐結合起來，用理論解釋實驗現象，用實驗現象印證理論。用天然香料作為反應底物，改變了傳統有機化學教學實驗項目試劑刺激性強、實驗室氣味不友好的問題，有利于提升學生的實驗興趣，改善有機化學實驗教學氛圍。

本實驗在我校已經歷了2輪的教學實踐檢驗，理論與實踐緊密結合得到了學生的廣泛好評。通過有機合成與儀器分析的緊密結合，讓學生充分認識到儀器分析在有機合成中重要的工具性作用，為學生后續的科學研究打下堅實基礎。