星狀多席夫堿的設計及多途徑合成及表征
——介紹一個化學科學訓練綜合實驗

李一鳴，王本花，魏保生，宋相志，羅一鳴，喻桂朋

中南大學化學化工學院，長沙 410083

1 背景

席夫堿是含有亞胺或甲亞胺特性基團(―C＝N)的一類有機化合物，通常由伯胺和有活性羰基的化合物縮合而成。大多數席夫堿具有抗菌、抗癌、抗炎和抗毒的生物性能，其表現出的獨特性質使它們在催化、藥物和診療等領域具有廣闊的應用前景[1]。席夫堿的亞胺基氮原子具有孤對電子，對各種金屬中心具有較高的熱力學穩定性。席夫堿的亞胺基所具有的生物活性使其在生物工業上的應用被廣泛研究[2,3]，因此研究席夫堿結構及性質具有重要的意義。

螯合席夫堿(Salen)可與過渡金屬M形成N,N,O,O-四齒配合物(M-Salen)，此類小分子是一種高活性催化劑，已被成功用于催化如酚類物質氧化、二氧化碳加成、曼尼希氧化、嵌段聚合物合成等多種有機催化反應，是近年的熱門研究領域。螯合席夫堿如Co-Salen已在國內外大型化工廠、制藥企業取得應用。1889年，Alphonse Combes通過水楊醛和乙二胺的縮合反應首次合成了原型物Salen，即N,N’-雙(水楊醛)乙二胺，形成了穩定的Cu配合物。通常，M-salen催化劑的性能與其結構密切相關。側基數量、位置、金屬中心的種類及其配體環境等會對其性能起到決定性作用。但M-Salen均相催化劑的使用，存在難從產物中分離、無法回收再生以及金屬團聚等問題。通過載體實現M-Salen催化劑的異相化顯著彌補了這些不足[4–6]。

本文針對化學理科拔尖創新人才的學習，以培養學生綜合素質和創新意識為主要目標[7–9]，設計了本綜合教學實驗，也是國內第一個將貴金屬催化偶聯有機反應引入本科生課堂的嘗試。

2 實驗目的

(1)加深鞏固定位規律、占位反應在有機合成中的應用；(2)掌握定位重氮化反應的安全操作和機理；(3)明晰酸催化下席夫堿縮合反應的機理；(4)熟悉Suzuki偶聯等基本操作；(5)學習無水、無氧等特殊條件下的操作；(6)學會利用核磁共振和紅外等手段對有機化合物進行定性定量測試，能夠根據圖譜數據獨立分析化合物的結構與純度；(7)比較分析多反應途徑下制備M-Salen催化劑配體的策略；(8)培養安全環保的科學素養；(9)培育實事求是的科學態度。

3 合成路線

星狀多席夫堿的合成路線如圖1所示，先由2,4,6-三溴苯胺的重氮化反應制備1,3,5-三溴苯，再經Suzuki偶聯和席夫堿縮合獲得星狀多席夫堿(C4)。

圖1 星狀多席夫堿的合成路線

4 實驗試劑及儀器

試劑：4-甲酰基苯硼酸(97%)、2,4,6-三溴苯胺(99%)、苯胺(99%)、四氫呋喃(分析純)、二氯甲烷(分析純)、石油醚(分析純)、乙酸乙酯(分析純)、二氧六環(分析純)、無水乙醇(分析純)、醋酸(分析純)、亞硝酸鈉(分析純)、碳酸鉀(分析純)、98%濃硫酸(分析純)、氮氣(高純)、雙(三苯基膦)二氯化鈀(鈀含量15.2%)、硅膠粉。

儀器：單口圓底燒瓶、雙口圓底燒瓶、球形冷凝管、抽濾瓶、布氏漏斗、磁力攪拌子、三通接頭、氣球、色譜柱、硅膠板、帶蓋玻璃瓶、電子天平、循環式真空泵、紫外燈、旋轉蒸發儀、磁力攪拌加熱器(MRHEL-TEC，德國Hedolph)、超聲波儀、微波反應器(MAS-II Plus，上海新儀)、核磁共振儀(AVANCE III 500 MHz、德國Bruker)、紅外光譜儀(AVATAR360、美國Nicolet)。

5 實驗內容

5.1 1,3,5-三溴苯的合成

將20 mL乙醇溶液與0.17 mL 98%濃硫酸先后加入到50 mL雙口圓底燒瓶內，加入0.99 g(3 mmol)化合物C1(2,4,6-三溴苯胺)，并開啟磁力攪拌使其均勻分散，在冰浴條件下，同時持續攪拌將0.21 g(3 mmol)的亞硝酸鈉(NaNO2)分4次加入。逐漸升至室溫，攪拌約1 h后升溫至80 °C，回流反應4–5 h。通過薄層色譜對反應進行監測，待反應結束后冷卻至室溫，減壓抽濾得到粗產物，隨后用乙醇重結晶得到黃色針狀晶體0.79 g，為目標產物C2(1,3,5-三溴苯)，產率84%。

5.2 1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯的合成

稱取0.5 g(1.6 mmol)化合物C2(1,3,5-三溴苯)，0.75g(5 mmol)4-甲酰基苯硼酸于25 mL雙口燒瓶中，隨后加入10 mL四氫呋喃，5 mL的2 mol?L-1K2CO3(10 mmol)溶液和磁力攪拌子，在回流冷凝管上端接上帶有氮氣球的三通閥。檢查裝置氣密性后，旋轉三通閥，接通反應瓶與真空泵，抽去反應瓶內空氣。再旋轉三通閥，接通反應瓶與氮氣球，向瓶內充入氮氣。反復操作3次之后，將反應瓶與氮氣球接通，保證體系內氮氣氛圍。將反應瓶移至70 °C油浴中攪拌3–5 min，隨后在氮氣氛圍中加入0.15 g雙(三苯基膦)二氯化鈀催化劑，繼續在70 °C反應6 h，待反應冷卻至室溫后，減壓旋蒸除去溶劑(35–45 °C)，用柱色譜分離，硅膠作為固定相，洗脫劑為乙酸乙酯與石油醚的混合溶液(V:V=1:5–1:2)，提純后得到0.38 g目標產物C3(1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯)，為黃色固體，產率61%。

5.3 星狀多席夫堿的多途徑合成

A.加熱法：稱取39 mg(0.1 mmol)C3于25 mL雙口圓底燒瓶中，用移液槍加入46 μL(0.5 mmol)苯胺，量取5 mL二氧六環作為溶劑，再加入約0.2 mL的6 mol?L-1醋酸水溶液與磁力攪拌子，在氮氣保護下加熱至110 °C回流。通過薄層色譜對反應進行監測，反應結束后通過降溫(或采用冰箱冷凍)使產品析出，抽濾得淡黃色固體57.8 mg，為產物星狀多席夫堿C4，產率94%，熔點142 °C。

B.超聲法：稱取39 mg(0.1 mmol)C3于10 mL玻璃瓶中，用移液槍加入46 μL(0.5 mmol)苯胺，量取2 mL二氧六環和約0.1 mL的6 mol?L-1醋酸水溶液，用蓋子將玻璃瓶封口，開啟超聲儀進行反應。通過薄層色譜進行監測，反應結束后將體系降至室溫(或冰箱冷凍)，析出淡黃色固體，通過抽濾得到產物星狀多席夫堿C4 56.7 mg，產率92%。

C.微波法：稱取39 mg(0.1 mmol)C3于50 mL聚四氟乙烯反應器中，用移液槍加入46 μL(0.5 mmol)苯胺，量取2 mL二氧六環和約0.1 mL的6 mol?L-1醋酸水溶液加入反應體系，放置于微波反應器中，設置反應功率為100 W，溫度80 °C下反應10 min。通過薄層色譜對反應進行監測，反應結束后，將體系降至室溫(或冰箱冷凍)，析出淡黃色固體，通過抽濾得到產物星狀多席夫堿C4 58.4 mg，產率95%。

6 結果表征與分析

6.1 1,3,5-三溴苯的核磁表征

取5 mg合成的1,3,5-三溴苯溶于500 μL的CDCl3中，充分搖勻溶解后進行核磁測試。1,3,5-三溴苯的核磁共振氫譜如圖2A所示，1H NMR(500 MHz,CDCl3):δ7.61(s,3H)。13C NMR(101 MHz,CDCl3)δ133.03,123.41。

圖2 (A)1,3,5-三溴苯的核磁氫譜；(B)1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯的核磁氫譜

6.2 1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯的核磁表征

取5 mg合成的1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯溶于500 μL的CDCl3中，充分搖勻溶解后測試。1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯的核磁共振氫譜如圖2B所示：1H NMR(500 MHz,CDCl3):δ10.11(s,3H),8.04(d,J=10 Hz,6H),7.92(s,3H),7.89(d,J=10 Hz,6H)。13C NMR(101 MHz,CDCl3)δ191.77,146.29,141.59,135.76,130.44,127.98,126.48。

6.3 星狀多席夫堿的核磁與紅外表征

在核磁管中，分別加入5 mg合成的星狀多席夫堿C4和0.5 mL CDCl3，充分搖動，使樣品溶解后，在核磁共振以上測試。星狀多席夫堿C4的核磁共振氫譜如圖3C所示，并對照化學結構(圖3A)對其進行歸屬：1H NMR(500 MHz,CDCl3):δ8.55(s,3H,Hd),8.06(d,J=10 Hz,6H,He),7.92(s,3H,Hg),7.86(d,J=10 Hz,6H,Hf),7.45(m,6H,Hb),7.28(m,9H,Ha,Hc)。C4的核磁共振碳譜如圖3D所示：13C NMR(101 MHz,CDCl3)δ159.79,152.04,143.61,141.83,135.70,129.46,129.23,127.73,126.11,125.71,120.96。利用FT-IR對星狀多席夫堿的結構進行表征，結果如圖3B所示，從圖中可以看出在3200–3500 cm-1區域內沒有吸收峰存在，表明苯胺中的伯氨已經與羰基縮合，形成席夫堿結構，沒有觀測到vN-H伸縮振動峰。此外，從圖譜上1700 cm-1附近沒有觀測到醛基(C＝O)的特征峰，而在1600 cm-1附近觀測到很強的C＝N伸縮振動峰，充分證明了星狀多席夫堿的成功合成。

圖3 (A)星狀多席夫堿的化學結構；(B)星狀多席夫堿的紅外圖譜；(C)星狀多席夫堿的核磁氫譜；(D)星狀多席夫堿的核磁碳譜

7 實驗思考題

(1)重氮反應去除―NH2的過程中，可能會有哪些副反應發生？

(2)第二步鈴木偶聯反應的機理是什么？水與氧氣的存在對反應可能有何影響？

(3)為什么能采用加熱、超聲等多種方式來制備席夫堿化合物？是否還可以采用其他手段？

8 實驗注意事項

(1)過程中使用的所有儀器必須保持干燥、清潔；

(2)配制濃硫酸-乙醇溶液的時候，應當在攪拌操作下將濃硫酸緩慢加入大量乙醇溶液中，充分混合均勻；

(3)因為反應會劇烈放熱，加入亞硝酸鈉的過程應在冰浴條件下進行，嚴格控制反應液溫度(亞硝酸鈉須分批加入)；

(4)鈀催化劑現取現用，因為其在空氣中極易失活；

(5)拌樣過程中應當將棉花塞于防濺球口部，防止粉末飛入旋蒸儀；

(6)制備標準樣時，最好將反應原液進行稀釋。直接使用原液進行點板可能導致濃度太高，爬板易拖尾。

9 教學方法與組織形式

(1)階段教學。建議本綜合實驗分為四個階段進行教學(約16小時)：第一階段，指導教師講解實驗原理、內容與步驟，強調注意事項，需要1小時；第二階段，合成1,3,5-三溴苯，需要6–8小時；第三階段，合成1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯，需要8–10小時；第四階段，星狀多席夫堿的多途徑合成，需要3–4小時。由于第二、三階段反應時間較長，可采用互相穿插策略進行實驗教學，即在第二階段反應時間內穿插進行第三與第四階段反應，可用提前購買的1,3,5-三溴苯與1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯作為反應原料，以大幅節省教學時間。

(2)實驗安排。該實驗在內容和安排上具有一定的靈活性，整體性教學模式已在校內探索，每學年選一個30人班級進行實驗，反饋良好。在實驗課前預習階段，學生5–6人組成一個小組，要求學生查閱文獻，查找席夫堿類化合物主要應用領域的相關文獻，充分了解席夫堿的合成原理以及無水無氧反應操作，自主設計制備星狀多席夫堿的合成路線以及實驗方案，培養學生查閱、篩選文獻的科研技能。在實驗課講解階段，教師對各小組匯報的合成路線進行評閱，討論目標產物星狀多席夫堿的合成方法，優化最佳合成路線。在實驗階段，學生每2人一組進行實驗內容，選用不同的途徑進行目標席夫堿產物的合成，并對不同的途徑進行比較分析。得到合成產物之后，每組學生均需測試核磁共振譜與紅外光譜數據。在實驗結束后，每位同學單獨撰寫實驗報告，總結和分析相關實驗結果，并對譜圖數據進行分析整理，進行特征峰歸屬并分析產物純度，要求學生掌握基本的科研分析能力，并鼓勵學生在討論中發散創新思維，積極探索前沿科學問題。

(3)課程思政與綜合素質培養。綜合實驗教學過程中全程踐行課程思政，培養學生的綜合素質。通過教師介紹席夫堿在催化、醫藥等眾多學科領域的重要應用，闡述研究席夫堿結構及性質具有重要的意義，引導學生利用自身所學科學理論知識探索解決我國醫藥化工生產中的實際問題，激發學生愛國意識與社會責任感。通過分組進行合成路線設計與分組實驗，培養學生的團隊協作意識，激發學習積極性。通過課前引導學生進行文獻調研，了解席夫堿領域前沿研究熱點，探索不同的合成策略和方案，培養學生創新思維能力。通過將專業的有機化學知識以及合成路線設計方案運用至星狀多席夫堿的合成，培養學生理論聯系實際的意識與能力。在制備席夫堿的過程中，通過合理正確的使用揮發性有機溶劑、濃硫酸等試劑，以及廢酸、廢液處置等，培養學生安全環保與社會責任意識。通過多途徑反應進行星狀多席夫堿的合成，引導學生的發散思維，培養學生開放性思維意識。通過引導學生對所得結果進行比較與分析，總結在實驗中出現的失敗原因，引導學生進行多次實驗，準確記錄每一步反應的產率、產物性狀等，樹立嚴謹、實事求是的科學態度。

10 結語

根據應用化學理科拔尖人才培養的課程要求，結合應用化學專業課程要求以及學生化學基礎知識水平以及綜合實驗所需條件，設計了一個新的、面向大三學生的有機化學綜合性實驗。本實驗通過重氮化反應、鈴木偶聯反應、席夫堿反應制備星狀多席夫堿，利用薄層色譜監測反應以及柱色譜分離產物，通過核磁共振、紅外光譜對產物進行結構鑒定分析。實驗新穎實用，涵蓋了大部分基礎有機實驗的基本操作，以及無水無氧反應的復雜操作。通過本實驗，學生掌握了席夫堿類分子的合成方法，進一步深入地練習了無水無氧反應的操作，學習了有機化合物的表征和鑒定方法；學生通過對產物的核磁數據歸屬分析，鍛煉處理數據和科學作圖的能力，為今后走上科研道路打下堅實的基礎。而且，該綜合實驗踐行課程思政，在充分訓練學生科研動手能力的同時，提高學生環保意識與社會責任意識，培養學生嚴謹認真、實事求是的科學態度。