1_4_二苯基_1_3_丁二炔的温和条件合成及分离.docx

丁二炔的温和条件合成及分离*1，4 1，3 二苯基石炜，李宜航，徐作满，郭双双，师 瑶，李雪刚( 华中农业大学理学院化学系，湖北 武汉430070)摘 要:目前，传统本科生的培养课程和科研对学生的实际要求存在较大的差距。本文从消除这一差距的角度出发，以镍 铜共催化的苯乙炔自身氧化偶联制备共轭二炔为目的，设计了一个科研中常见的项目，涵盖了选题; 查阅资料; 设计、优化方案; 搭建、监测反应及体系后处理; 分离纯化及分析等阶段，完整地实践了科研实际中的典型环节。关键词: 本科生科研; 综合化学实习; 苯乙炔自身偶联; 共轭二炔中图分类号: o6 31文献标识码: a文章编号: 1001 9677( 2013) 08 0212 03synthesis of 1，4 diphenyl 1，3 diyne under mild conditions*shi wei，li yi hang，xu zuo man，guo shuang shuang，shi yao，li xue gang( college of science，huazhong agricultural university，hubei wuhan 430070，china)abstract: currently，there was a gap between the traditional undergraduate courses and the requirement of the “re-al”scientific research. to eliminate this gap，this program based on the ni cu co catalyzed homo coupling of phenyla- cetylene was designed，which covered from the selection of a subject，reference inquiry，scheme design and optimization to the execution and monitoring of experiments，and the post treatment of the system，isolation，purification and analysis of the final product，and would help the students to practice the typical steps in research.key words: scientific research of undergraduates; comprehensive chemistry experiment design; homo coupling;phenylacetylene; diyneletters) 8。鉴于其新颖的方法、较高的产率、廉价的催化体系和温和的反应条件，我们在此基础上，将该项目针对应用化学 本科实验教学的实际，进行了相应的适度修改，使得本项目不 仅可以较完整地实践科研中的实际情况和要求，而且难度适 宜、现象明显，可操作性强，动手动脑能力并重，并在实际教 学中进行了初步实践，收到了良好的效果。随着我国高校科研水平的日益提高，高等院校已经成为我国科学研究的绝对主力。在这其中，研究型大学则担负着核心 重任。在高等学校中，研究生是科研的生力军。因此，及时地 从本科生中培养合格、良好的潜在科研工作者，增加本科生参与科研的热情和兴趣，对高校整体科研水平的提升有很大的积 极意义1。目前，越来越多的有条件的高校都大力鼓励本科生积极参与相关的科学研究中去，并建立了相应的制度和项目激 励机制。这些制度、项目等的实施也取得了良好的效果2。但是，本科生的教学和培养目标毕竟和正式的科研要求存 在差距。对于大部分学生而言，其实验、实践课程中所要求的动手动脑能力，对于真正的实验室科研，依然难以满足其要 求。为了填补这一阶段的空白，我们认为有必要在研究型大学 的本科培养阶段开展相关的集中训练和实践机会，提高本科生的科研素养，使其能够尽快地了解科研氛围，融入到相关科研 团队和项目中去。本文中设计的实践项目 “苯乙炔自身氧化偶联制备共轭二炔”，本身就是目前有机化学研究中的一个热点所在，已经有 多篇国际国内学术论文讨论了末端炔烃自身氧化偶联制备二炔 的方法和机理等，涉及到金属有机催化、氧化偶联、绿色化学、机理研究、配位化学等多个领域3 5，是一个典型的研究课题6 7。而所采取的 “镍 铜共催化氧化偶联” 的方法，则实验设计背景及方案介绍偶联反应 ( coupling reaction) 是有机化学中的一类重要反 应，是指两个有机单元之间通过某种化学反应，形成新的化学 键，从而得到一个新的有机分子的过程。传统意义上的偶联反 应一般涉及到金属有机化合物 ( organometalic compounds) 参 与的碳 碳键的形成; 但是现代意义上的偶联，其范围相应地 由碳原子扩展到各类杂原子 ( heteroatoms) ; 并且其过程既可 能是金属有机化合物催化或参与的，也有可能是其它的有机物 催化或参与的。偶联反应可以看做是有机合成中的 “浆糊”， 能够把各种有机部分结合起来，因此在有机合成中占据着非常 重要的地位。20 世纪 60 年代起，有机化学家发现钯、铑、镍 等过渡金属的配合物可以催化许多偶联反应的进行，并且将亲 核试剂和亲电试剂的种类进行了扩展，得到系列人名反应，如 negishi 反应、 heck 反 应、 suzuki 反 应、 stille 反 应 等。 其 中， heck、negishi 和 suzuki 还因此而荣获 2010 年诺贝尔化学奖9。1最早可见报道于美国化学会权威期刊 有机快报( organic* 基金项目: 华中农业大学自主创新基金 ( no: 2011bq013) 。作者简介: 石炜 ( 1985 ) ，男，博士，讲师，主要从事炔烃及有关合成。第 41 卷第 8 期石炜等: 1，4 二苯基 1，3 丁二炔的温和条件合成及分离213按照发生反应的两个有机单元的种类，可以把偶联反应分为自身偶联 ( homo coupling) 和交叉偶联 ( cross coupling) 反应两大类: 当两个有机单元各不相同时被称为为交叉偶联， 而当两个有机单元相同时被称为自身偶联。本项目的合成部分 是从末端炔烃出发，在 ni、cu 催化剂作用下，以空气为氧化 剂发生自身偶联反应，得到 1，3 二炔。1，3 二炔是一类结构 特殊的化合物。从空间结构上来看，它包含四个 sp 杂化的碳原 子，四个碳原子呈线性排列，且整体结构呈现一定的刚性; 两 个叁键之间可以形成共轭结构，因此也被称为共轭二炔 ( con- jugated diyne) ，如 scheme 1 所示。果。向反应体系中加入 10 ml 稀盐酸、25 ml 水和 10 ml 乙酸乙酯，搅拌 10 min 后静置分层。分液，收集上层有机相。剩余 水溶液以乙酸乙酯萃取，合并有机相。将有机相用碳酸氢钠水 溶液和清水各洗涤一次后，加入精确称量的二苯甲酮 ( 内标 物) 约 0. 4 g。以无水硫酸钠干燥至少 8 h，除去固体物质，保留液相，并以石油醚为展开剂，进行薄层层析，记录层析结 果。同时取少量进行 gc 分析。另取精确称量的约 20 mg 二苯甲酮和约 150 mg 精确称量的1，4 二苯基丁二炔标准物质，溶于 200 ml 乙酸乙酯中，制成 标准溶液，也进行 gc 分析。2. 4柱层析本实验采用干法填柱、干法上样。向有机相中加入约 3 4 g 硅胶，震荡均匀后，除去溶剂，scheme 1共轭二炔本身存在于许多天然化合物中，还可以作为某些染料的前体; 其刚性、共轭的结构也得到了材料化学家的注 意，许多新型有机功能材料中就包含了这一结构。最近还有报 道发现这类二炔还表现出光活杀虫的特性，是一类潜在的高效 低毒的生态光活农药的关键结构10 11。本项目以相对廉价和 容易操作的苯乙炔为起始原料，以六水合氯化镍、碘化亚铜、 四甲基乙二胺为催化剂，以空气为氧化剂，制备 1，4 二苯基 丁二炔，如 scheme 2 所示。至硅胶变成松散的干燥粉末。另取一根层析柱 ( 内径约 30 40 mm) ，采用干法填柱，以石油醚为淋洗剂，反复加压使硅胶 内基本无气泡和断层。通过长颈漏斗小心将吸附有样品的硅胶 加入 柱 中，并尽量使样品层均匀沉积 ( 硅 胶 层 高 度 约 8 10 cm) 。加入石英砂，厚度保持在 1 cm。以石油醚为淋洗剂淋洗，使用小锥瓶接收淋洗剂并给锥瓶编号，用紫外灯随时监测 淋洗剂至无紫外吸收。再以体积比为 20 1 的石油醚和乙酸乙 酯混合溶剂淋洗层析柱，以另外的锥瓶收集。tlc 检测各锥瓶中物料成分，并与 1，4 二苯基丁二炔的标准溶液进行对照。收集只含有二炔组分的溶液，合并。将产品溶液合并后浓缩， 冷却称重，计算产率。scheme 2重结晶，表征产物搭建磁力搅拌回流装置，磁力搅拌下，将上述产品溶解于 尽量少的热甲醇中，再加入 1 ml 甲醇，充分冷却。待晶体充 分析出后，抽滤，将产品尽量抽干，得到白色粉末状或针状晶 体。产品置于表面皿中红外干燥。小心收集产品并称重，记录 重结晶后产品的质量及性状，计算精制产率。将重结晶后的精 制产品分别测熔点、紫外可见吸收光谱和红外吸收光谱，并和 标准产物对照。2. 5反应过程中用薄层层析色谱来进行监测; 反应结束后，可以用气相色谱法分析产物，并使用内标法计算产率; 产品用柱 层析方法进行分离并重结晶再纯化后，分别测定其熔点、红外吸收光谱和紫外 可见吸收光谱。实验材料及步骤试剂苯 乙 炔 ( 98% ) 、 六 水 合 氯 化 镍 ( a. r. ) 、 碘 化 亚 铜22. 1结果与讨论气相色谱内标定量法计算产率气相色谱内标定量法是指向反应体系中加入定量的某种内3( a. r. ) 、四甲基乙二胺( a. r. ) 、四氢呋喃( a. r. ) 、二苯甲酮( a. r. ) 、石油醚( 30 60 ) 、乙酸乙酯( a. r. ) 、稀盐酸 ( 2 mol / l) 、甲醇、碳酸氢钠、二氯甲烷、柱层析硅胶( 200 300 目) 、薄层层析硅胶( gf254) 、无水硫酸钠、石英砂、脱脂 棉。3. 1标物 ( internal standard) ，然后对体系取样，用气相色谱进行分析，通过对比产物和内标的峰面积，从而得到产物的含量的一 种分析方法。由于其简便易行，准确度、可靠性较高，因此广 泛应用于各类探索性有机反应的产率的迅速测定。2. 2仪器烧瓶、烧杯、锥形瓶、层析缸、载玻片、分析天平、层析柱、试管、试管架、熔点管、蒸馏装置、移液管、容量瓶、量筒、毛细管 ( 内径 0. 5 mm) 、50 ml 分液漏斗、抽气头、双联 球、长颈漏斗、洗耳球、干燥器; 气相色谱仪、熔点测定仪、254 nm 紫外灯、磁力搅拌器、红外光谱仪、紫外可见光谱仪。假设某反应体系中待测组分的质量为 m ，加入的内标质x1则存在等式:量为 m ，相应的 gc 峰面积为 ax1 和a ;s1s1ma s1 s1 ( 1)= k amx1x1合成 1，4 二苯基丁二炔用分析天平称取 0. 36 g 六水合氯化镍、0. 28 g 碘化亚铜于50 ml 圆底烧瓶中，加入磁子。量取 25 ml 四氢呋喃并加入到 圆底烧瓶中，加入 0. 45 ml ( 0. 34 g，3 mmol) n，n，n，n 四甲基乙二胺。搅拌 5 min 后，取 3. 06 g ( 30 mmol，3. 4 ml) 苯乙炔加入到体系中。在瓶口塞上一团棉花，并室温搅拌。搅拌 1 h 后、5 h 后、24 h 后，分别用毛细管点样，薄层层 析 ( tlc) ，监测反应进行情况。 待 苯 乙炔基本反应完全后 ( 最长不超过 30 h) ，停止反应。记录并描绘此时薄层层析的结2. 3其中，k 为系数。在相同的仪器、相同的条件下，k 值是一个常数。另取定量 ( mx2 ) 的待测组分和定量的内标 ( ms2 ) 配 成溶液并在相同条件下进行 gc 分析，其峰面积为 ax2 和 as2 ; 则同样存在一个等式:ms2 as2 ( 2)= kmx2ax2从式 ( 2) 可以算出 k 的值，将其代入式 ( 1 ) ，就可以算出待测组分的质量 mx1 ，进而推测出反应的产率。一般，内标化合物的选择遵循几个基本原则: 首先，不和广 州化 工2013 年 4 月214反应体系发生反应，且自身有一定的稳定性; 其次，一般和待测化合物的结构类似; 并且，内标化合物在 gc 上应该有明显 的峰，且可以和待测化合物明显分开; 最后，对于需要最终将 产品分离出的体系而言，内标化合物应该可以用较简便的方式 和待测化合物分离。3. 2 关于柱层析及产品性状柱层析是有机合成中常见的纯化方式之一。本项目采取的 是干法填柱，干法装样，其优点在于容易掌控层析硅胶填装 量、柱层析过程受样品残留溶剂影响小、分离效果好等，但是 其步骤相对较繁琐，填柱过程中要对层析柱适当加压，以除去 层析柱中的气泡，防止断层。另外，一般科研实验室在进行柱层析时使用合适规格的试 管作为接收淋洗剂的容器; 考虑到本项目中待分离体系较简 单，且本科实验室人员较密集，须避免敞口试管的溶剂挥发， 因此采用了磨口锥瓶作为接收容器。3. 3 关于产品检测和原料的选用在使用 tlc 对柱层析中流出的淋洗剂进行监测时，可以采 取简单的点样法，即只在层析板上点样，不进行展开，直接于 紫外灯下监测。这是快速判断柱层析中淋洗剂是否含有目标物 料的方法。反应体系选择以苯乙炔为原料，是因为苯乙炔是一 种相对廉价易得的末端炔烃，且容易操作，其产物在 254 nm 的紫外线下呈强吸收，便于检测。另外，其产物的极性较低， 可以方便地由石油醚淋洗完全。值得注意的是，苯乙炔的沸点 约为 142 ，且具有一定的挥发性，因此用 tlc 检测其是否完 全反应时，须注意层析板要及时进行检测。于研究性实验项目的了解，培养他们独立设计并完成小型有机合成项目的能力。本项目所涉及的试剂相对而言毒害性较小，易于操作，价 格相对低廉; 反应现象明显，反应条件温和安全，产物也适合 分离，因此成功率高。根据目前近百人次实验效果来分析，最 终拿到产品的比例是 100% ，但是，由于涉及多步操作，多数 学生产率在 50% 左右，只有少数学生的产率可高达 80% 以上， 可以说是入门容易做精难，这对激励学生动手能力的提高也是 非常有利的。该实验在具体实施过程中也可以对某些操作环节进行删 减。在实验室处于开放状态下，学生可以利用课余时间进行该 项目，包含资料查阅环节约需 1 2 周左右时间。参考文献高凤山，李清，李文哲，等 本科生科研导师制实践与建议j 中 国高校科技，2011( 12) : 52 53邓玲玲，文桂林，方燕红，等 研究型大学本科生科研能力的培养方 法j 广州化工，2012，40( 21) : 167 169alonso，f ，yus，m heterogeneous catalytic homocoupling ofterminal alkynesj acs catal ，2012，2( 7) : 1441 1451 jia，x ，yin，k ，li，c ，et al copper catalyzed oxidative alkyne homocoupling without palladium，ligands and basesj green chem ，2011，13( 8) : 2175 2178xu，s h au catalyzed homocoupling of terminal alkynesj appl mech mater ，2012，184 185( pt 2，frontiers of mechanical engineering and materials engineering: 900 903) shun，a ，tykwinski，r r synthesis of naturally occurring polyynesj angewandte chemie international edition，2006，45 ( 7) : 1034 1057siemsen，p ，livington，r c ，diederich，f acetylenic cou- pling: a powerful tool in molecular construction j angewandte chemie，international edition，2000，39( 15) : 2632 2657yin，w ，he，c ，chen，m ，et al nickel catalyzed oxidative coupling reactions of two different terminal alkynes using o2 as the oxidant at room temperature: facile syntheses of unsymmetric 1，3 diynesj org lett ，2009，11( 3) : 709 712陈垚，赖文勇，解令海，等 有机合成中钯催化交叉偶联反应: 2010年诺贝尔化学奖成果简介j 科学通报，2