大學綜合化學實驗的設計
——不對稱Aldol反應、分離及測定

顧小敏,姜大煒,馮燕,鈕珊珊

(江蘇第二師范學院 生命科學與化學化工學院,江蘇 南京 210013)

“手性(chirality)”是微觀小分子和宏觀物質的一種基本屬性,就像人們的左右手,互為鏡像異構體,但是左手與右手無法相互重疊。手性分子是四個不同的原子或者基團通過四個共價鍵形成的。手性是自然界的基本特征,構成生命體的有機分子絕大多數都是手性分子。隨著立體化學的高速發展,手性化合物已經被廣泛應用于生物醫藥、農藥、功能材料等領域[1-3]。為了得到單一手性異構體化合物,研究者們開發了不對稱合成法,其中不對稱催化合成法因具有高對映選擇性、經濟等特點,成為獲得單一對映體化合物最理想的方法。傳統化學催化領域,不對稱催化合成主要采用(過渡)金屬催化劑,但是這些催化劑往往會對生態系統產生有害影響[4]。

L-脯氨酸是一種綠色環保且廣泛存在于自然界中的化合物,它是一種天然的反應“酶”,也是一種常見的脂肪族氨基酸,具有結構簡單、價廉易得、無毒、室溫即可反應等優點[5],其作為催化劑應用于不對稱催化反應研究起始于1996年。2000年,List等人[6]首次報道了利用L-脯氨酸進行不對稱羥醛縮合(Aldol)反應,并得到了較好的收率和立體選擇性,為表征其在不對稱有機催化方面的發展,其本人被授予了2021年諾貝爾化學獎。此后,也有研究表明,L-脯氨酸及其衍生物在多種不對稱反應,如Mannich反應[7]、Michael反應[8]、魯賓遜成環反應[9]、[2+4]環加成[10]等反應中均表現出優異的催化活性。

實驗教學作為化學教學的基礎學科,2018年1月化學教指委發行的《普通高等學校專業類教學國家質量標準》中對化學類專業課程體系中指出,應構建“基礎性實驗-綜合性實驗-研究性實驗”多層次的實驗教學體系,化學實驗教學不少于432課時,其中綜合性和研究型實驗學時不少于總實驗學時的20%[11-12]。該國家標準也明確了何為綜合性實驗,即實驗內容至少跨兩個化學二級學科,能夠將多個化學原理,實驗方法和實驗操作等綜合在一個實驗過程中,形成比較系統的實驗操作過程,從而提高學生綜合利用各類儀器,實驗方法分析和解決問題的能力。在該標準的指導下,我院也在積極探索,進一步增加綜合性實驗和研究性實驗的比例,不僅在必修基礎性實驗中融入綜合性實驗,更是開設了專門的綜合化學實驗課程,在化學實驗課程體系上,實施了1～3學年的從《基礎化學實驗》到《綜合化學實驗》再到《探究型化學實驗》的“分階段、遞進式”實驗課程教學模式。在2021—2022學年第二學期化學專業必修課程的目標達成度計算中,《綜合化學實驗》課程達成度最高,達到0.87。足可以見,我院在綜合化學實驗實踐探索的可行性。

本文以List的研究報道為基礎,設計了L-脯氨酸催化的不對稱Aldol反應的綜合化學實驗。不對稱Aldol反應是形成C-C鍵的重要反應之一,通過不對稱催化直接羥醛縮合反應是構建手性C-C的最簡單的方法之一,生成的β-羥基羰基化合物是合成復雜的有機分子廣泛使用的化學中間體[13]。該實驗為兩人一組,團隊合作。通過該實驗的開設,達到訓練本科生的綜合實驗能力,樹立“綠色化學”與環保理念的目的。此實驗的選題緊跟化學前沿,選用諾貝爾獎得主的不對稱催化反應,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相結合的目的,促進學生對學術研究的興趣,提高文獻的閱讀分析能力和科研能力,讓學生認識到科學研究的挑戰性和嚴謹性,進而為后續畢業論文的開展打下基礎,提高我校人才培養質量。

1 實驗目的

通過手性小分子脯氨酸催化的羥醛縮合反應,達到如下的教學目的:

1)學會查找相關文獻,通過查閱文獻,了解手性催化的發展過程及其應用;

2)熟練運用薄層色譜法(TLC)對反應進度的監測和判斷;

3)學會使用中壓Flash色譜對反應產物的快速純化;掌握設定紫外檢測器波長的原理;

4)掌握旋轉蒸發儀的使用方法;

5)了解和掌握羥醛縮合反應的機理。

2 儀器與材料

2.1 試劑

常用的玻璃儀器(圓底燒瓶、燒杯、分液漏斗等),L-脯氨酸、4-硝基苯甲醛,分析純,麥克林試劑;二甲亞砜(DMSO)、無水硫酸鈉、乙酸乙酯、石油醚(60～90 ℃沸程)、氯化銨、氯化鈉,分析純,國藥集團化學試劑有限公司;丙酮、三氯甲烷,分析純,上海凌峰化學試劑有限公司;薄層層析硅膠板(HSGF254),上海盛亞化工有限公司;柱層析硅膠[0.048～0.075 mm(200～300目)],青島海洋化工有限公司。

2.2 儀器

PX224ZH分析天平,奧豪斯儀器有限公司;DF-101S集熱式恒溫磁力攪拌器,邦西儀器科技有限公司;DHG-9140A恒溫干燥箱,上海一恒科學儀器有限公司;RV21M旋轉蒸發儀,上海貝茵生物科技有限公司;WFH-204B型手提式紫外分析儀,上海勤科分析儀器有限公司;P850全自動旋光儀,濟南海能儀器股份有限公司;中壓液相Flash色譜系統(Reveleris X2),瑞士Büchi公司;正相色譜柱(20 g),艾杰爾公司。

2.3 L-脯氨酸催化的羥醛縮合反應

將L-脯氨酸(34 mg,0.3 mmol),2 mL丙酮(2)和8 mL DMSO加入到50 mL圓底燒瓶中,加入磁子,塞上磨口塞,室溫磁力攪拌器攪拌15 min;隨后加入4-硝基苯甲醛(1)(151 mg,1 mmol),繼續攪拌,每隔0.5 h取樣TLC跟蹤反應(展開劑:V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)= 3∶1),三用紫外儀顯色,觀察反應進度。2 h左右反應完全,停止反應。向反應瓶中加入10 mL飽和氯化銨溶液,用乙酸乙酯萃取(3 × 15 mL),合并有機層,有機相再用飽和氯化鈉溶液洗滌(2 × 10 mL),無水硫酸鎂干燥,過濾得到粗產品(3)的乙酸乙酯溶液。向干燥后的粗產品的乙酸乙酯溶液中,加入1 g層析硅膠,經旋轉蒸發儀旋干后,得到產物的硅膠拌樣物。將硅膠拌樣混合物粉末裝入中壓Flash色譜的固體上樣器中,壓實,連接好艾杰爾(Agela)色譜柱,進行梯度洗脫。

反應過程如下式所示:

2.4 光學純度(op值)的測定

3 實驗結果與討論

此實驗的開設是基于學生已經學習過有機化學、儀器分析、文獻檢索等相關課程及訓練的基礎之上,開設于大三下學期,因此要求學生自行查找文獻,獲得該實驗的相關背景知識、實驗過程及其分離、檢測的原理和方法等。

反應以對硝基苯甲醛為原料,采用GF254薄層硅膠板監控反應,因為在254 nm三用紫外燈下,芳香醛原料和縮合產物在GF254薄層板上能夠發出明亮的熒光,可以非常清晰地顯示反應進行的程度。另外,由于手性催化劑L-脯氨酸在丙酮中的溶解度非常小,故實驗使用DMSO為溶劑,解決了脯氨酸的溶解度問題。

與實驗室中分離混合物常用的柱層析方法相比,中壓Flash色譜通常采用梯度洗脫法,在操作面板上設定好梯度比例后,儀器可以精確地自動改變混合溶劑的比例,實現快速分離,既節省了時間,同時又節約了溶劑。且分離過程中,可以在顯示屏上實時看到溶劑的洗脫梯度,可根據樣品的色譜圖進行實時更改,最大程度地保證了樣品的分離純度和分離效率。本實驗采用乙酸乙酯與石油醚混合溶劑的梯度洗脫,梯度設定條件如表1所示。分離過程為試管按照順序自動接收,且通過編輯色譜圖,可明確每試管的色譜峰位置,分離過程自動化且更加透明。

表1 中壓Flash色譜梯度洗脫溶劑比例

儀器配置的檢測器有兩種,一種是紫外檢測器(UV),另一種為蒸發光檢測器(ELSD)。紫外檢測器可以進行三個不同波長的同時檢測,由于芳香苯環的存在,可以設定254,265和280 nm同時進行檢測。紫外檢測波長的如何設定能夠加深學生對《有機化學》和《儀器分析》課程中譜學部分知識點的理解和運用。而蒸發光檢測器(ELSD)能夠對紫外吸收弱或無明顯紫外吸收的化合物進行檢測,作為紫外檢測方法的補充,在本實驗中也選擇了此檢測器。由此確定了快速純化的色譜條件。具體如下。

溶劑A:石油醚;溶劑B:乙酸乙酯;流速:30 mL/min;檢測方式:UV 254,265,280 nm和蒸發光ELSD;柱平衡時間:5 min。

分離過程采取檢測峰收集的方式,整個分離過程共消耗15個柱體積淋洗劑,從硅膠拌樣到分離結束運行時間35 min左右,其中產物分離時間為12 min左右,顯著縮短了分離時間,實現了快速、高效的分離目的。產物峰與雜質峰分離結果的色譜圖如圖1所示,可以看出產物和副產物得到了很好的分離效果,對收集的溶液進行TLC檢測,根據點板結果,產物峰集中在試管6～9,合并6～9試管的流出液,旋轉蒸發儀旋干后得到純的目標產物,平均產率為68%。

圖1 中壓Flash色譜分離色譜圖

此實驗從試劑的稱量到產物光學純度的測量結束,所需時間為4～4.5 h。該實驗綜合了手性有機分子催化,TLC監控反應,中壓Flash色譜分離條件的選擇(包括梯度洗脫比例的確定、儀器檢測方法的選擇-紫外吸收波長的確定和利用色譜分離圖判斷溶劑梯度比例的適合程度)以及縮合產物的光學純度檢測等,訓練了學生獨立操作并完成實驗全過程的能力,適合開設為一個綜合實驗。

4 結論

本實驗以L-脯氨酸作為有機小分子催化劑催化不對稱Aldol反應,以TLC監控反應,利用中壓Flash制備色譜對產物進行分離,以自動旋光儀檢測產物的旋光純度。從產物的合成、分離再到檢測,讓學生明確有機化學合成的基本步驟,掌握正確使用有機實驗室常用的各種儀器的使用方法。開設這樣的綜合實驗,可以達到以下目的:1)能夠有效促使學生查閱文獻,進一步了解Aldol反應產物中手性構型的反應機理,完成從課本知識中被動接受椅式構象的理論,到文獻中運用椅式構象過渡態完美解釋反應產生的立體化學結果的重要轉變,加深了同學們對課本中理論的理解,同時加深對羥醛縮合反應的理解,在應用理論解釋反應現象和規律的過程中,不斷培養學生的思維能力,提升其創新能力。2)培養和提高了學生的文獻閱讀能力和綜合實驗能力,讓學生深刻認識到手性合成在有機合成中的重要性,了解化學研究的基礎思路,方法和手段,激發學生的科研興趣和創新意識,培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力,同時也領略到有機化學的魅力與其發展前景。