钯碳催化四苯硼钠与对溴苯甲酸的Suzuki偶联反应 - 介绍一个本科生绿色有机化学实验-

1、第41卷第5期2013年3月广州化工钯碳催化四苯硼钠与对溴苯甲酸的Suzuki 偶联反应*介绍一个本科生绿色有机化学实验赵圣印,程健,邵志宇,黄婧(东华大学化学化工与生物工程学院基础化学实验教学示范中心,上海201620摘要:介绍了一个在碱性条件下,以10%Pd /C 做催化剂,四苯硼钠与4溴苯甲酸在水相中进行Suzuki 偶联反应得到4苯基苯甲酸。可将此项目应用在本科生有机化学实验教学中,有助于提高学生参与科研的兴趣和水平。关键词:钯碳催化的Suzuki 偶联;四苯硼钠;对溴苯甲酸;创新实验中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:10019677(201305019103*基金项目:20

2、10年上海市教委重点建设课程有机化学及实验(沪教委高201067号;2009年东华大学研究生教改项目资助。通讯作者:赵圣印。Pd /C catalyzed Suzuki Coupling Reaction of Sodium Tetraphenylborateand p bromobenzoic Acid *Introduce a Green Organic Chemistry Experiment for Undergraduate StudentsZHAO Sheng yin ,CHENG Jian ,SHAO Zhi yu ,HUANG Jing(Fundamental Chemistr

3、y Experimental Teaching Center ,College of Chemistry ,Chemical Engineering Biotechnology ,Donghua University ,Shanghai 201620,China Abstract :An experiment design for Pd /C catalyzed Suzuki coupling reaction of 4bromobenzoic acid with sodium tetraphenylborate could be achieved in alkali aqueous solu

4、tion.This experiment could be carried out in an undergraduate course Organic Chemistry Experiments ,and improve the interest and level of students to participate in the scientific re-search.Key words :Pd /C catalyzed Suzuki coupling ;sodium tetraphenylborate ;p bromobenzoic acid innovation experi-me

5、nt有机化学是一门实验性学科,本科生创新能力的培养是当今高等教育所面临的一项重要任务14。为了在本科阶段加强对学生科研能力的培养,我们结合自身的科研工作和有机化学学科发展的动向,选取了水相中Pd /C 催化四苯硼钠与对溴苯甲酸的Suzuki 偶联反应为实例,以期让学生了解过度金属催化的新型有机合成反应。在进行实验之前,让学生完成对文献的查阅,从理论上对相关反应进行深入细致的研究。实验中采用TLC 法跟踪实验的反应进程,最终产物采用重结晶方法提纯,并通过实验探讨催化剂用量和反应温度等对反应的影响,能够有效的提高学生的有机化学实验动手能力;使学生更多地接触和了解有机合成的新方法,进一步激发学生对有

6、机化学知识的兴趣、探索精神和创新能力。1实验目的(1练习查阅和跟踪文献。(2了解水相中金属催化C C 键偶联反应机理及进展。(3学习用薄层层析法监控反应进程。(4学会利用IR 和1HNMR 分析进行产物结构表征。(5学会实验小论文的撰写。2实验原理Suzuki 偶联反应在现代有机化学中对于碳碳键的形成有着较为广泛的应用57,为此日本科学家Suzuki 与美国科学家Heck 和Negshi 分享了2010年诺贝尔化学奖。近年来,水相中的有机合成反应越来越成为绿色有机合成研究的热点8。有机化学实验也向着绿色化的方向逐渐转变。使用水作为有机合成反应介质,不仅增加了反应的安全可靠性,减少污染,还能使反

7、应的后处理变得简便快捷,Pd /C 是此类化学反应中最适合的催化剂。而在本实验中,使用Pd /C 作为催化剂,后处理方便且产率很高,由于其化学性质稳定,可重复使用等优点,在有机合成中得到了广泛的使用。四苯硼钠稳定易得的特点,使其成为Suzuki 偶联反应中重要的新型反应192广州化工2013年3月试剂68。本文介绍的实验是水相中Pd /C 催化四苯硼钠与对溴苯甲酸的Suzuki 偶联反应9,其反应式如图1所示。 图14苯基苯甲酸的合成路线Fig.1The synthetic route of 4phenylbenzoic acid该反应机理如图29:首先,4溴苯甲酸与Pd (0氧化加成后,将P

8、d 由0价氧化成+2价,形成具有很强的亲电性的有机金属中间体,而Ph 4BNa 具有非常强的电负性,通过协同作用,从而形成有机Pd 配合物,再经历还原消除生成目标化合物,得到约25%的产物(以4溴苯甲酸计。而后在碱性OH 条件下,伴随反应进行,不断产生Ph 3B 、Ph 2B (OH 或PhB (OH 2。 图2钯碳催化四苯硼钠与对溴苯甲酸的Suzuki 偶联反应机理Fig.2The mechanism of Pd /C catalyzed Suzuki coupling reaction of 4bromobenzoic acid with sodium tetraphenylborate综

9、上,0.25当量Ph 4BNa 和0.75当量OH 存在下,通过以上四步反应,能得到接近100%产物。但在实际反应中投料时,Ph 4BNa 量稍大于0.25当量9。3实验仪器和试剂3.1仪器磁力搅拌器,RY 1型熔点仪,旋转蒸发仪,电子天平,100mL 三颈瓶,100mL 圆底烧瓶,100mL 锥形瓶,125mL 分液漏斗,水蒸气蒸馏装置,瑞士布鲁克AV 400型核磁共振仪,Nicolet Nexus 670型红外光谱仪。3.2试剂4溴苯甲酸、四苯硼钠、10%Pd /C 、无水碳酸钠、乙酸乙酯、95%乙醇、盐酸、无水硫酸钠、石油醚等所用试剂均为市售分析纯或化学纯,GF254高效硅胶薄层层析板由

10、烟台市江友硅胶开发有限公司生产。4实验步骤室温下,在100mL 圆底烧瓶中依次加入水40mL ,4溴苯甲酸1.0g (5mmol ,四苯硼钠0.46g (1.37mmol ,10%Pd /C 10mg (0.2%mol ,碳酸钠1.06g (10mmol ,加热搅拌至回流,TLC 监控反应进程,反应2.5h 后原料点基本消失,反应基本结束,停止反应。将反应装置改为水蒸气蒸馏装置,蒸出副产物联苯。将反应液冷却至室温,滴加3M HCl 将反应液调至pH =3 4,析出大量白色固体,加入乙酸乙酯30mL 搅拌5 10min ,抽滤除去Pd /C ,滤液用125mL 分液漏斗分出乙酸乙酯,水层用乙酸乙

11、酯20mL 再提取一次,饱和食盐水20mL 洗涤1次。乙酸乙酯层用无水硫酸镁干燥。旋转蒸发仪蒸去乙酸乙酯,所得白色固体用50%乙醇30mL 重结晶,得到白色固体0.76g ,收率:76%,熔点:221 224。5产物结构表征反应产物为4苯基苯甲酸,熔点:221 224,光谱数据如下:IR (KB ,cm 1:3060 2550,1682,1609,1468,1300,814,735;1H NMR (400MHz ,DMSO d 6:7.36 7.40(m ,1H ,Ar H ,7.44(t ,2H ,Ar H ,7.68(t ,2H ,Ar H ,7.75(d ,2H ,Ar H ,7.98(

12、d ,2H ,Ar H ,12.90(brs ,1H ,COOH .6教学要点和注意事项(1本实验10%Pd /C 的称取是微量操作,故应准确称取试剂,为使反应时间缩短,我们使用了0.2%(mol 的Pd /C 。(2利用薄层色谱法跟踪反应进程时,注意反应结束时起始原料的斑点基本消失。薄层层析展开剂为石油醚乙酸乙酯=51。(3反应结束时反应液pH 在8 9之间,产物4苯基苯甲酸形成4苯基苯甲酸钠盐,由于苯基的疏水性4苯基苯甲酸钠不溶于碱性水溶液中。反应结束冷却后,析出4苯基苯甲酸钠,用3N 盐酸调节pH 至3 4,然后加乙酸乙酯,使产物溶于乙酸乙酯,抽滤去除活性碳,然后滤液用分液漏斗分出乙酸乙

13、酯层,水层用乙酸乙酯20mL 提取一次,蒸去乙酸乙酯,残留固体用50%乙醇重结晶。(4此反应的副产物是联苯,可采用水蒸气蒸馏的方法除去。(5本实验约需8h 。7思考题(1简述以10%Pd /C 做催化剂催化四苯硼钠与4溴苯甲酸在水相中进行Suzuki 偶联反应的反应机理?(2如何用薄层层析法监控反应的进程?(3产物结构中的羧基可用哪些光谱数据证实?8教学效果将有机化学的最新科研成果转化为教学实验,使教学与科研相辅相成、相互促进,有助于激发学生从事科学研究的兴趣。水相中的Suzuki 偶联反应,使用10%Pd /C 作为催化剂,(下转第227页第41卷第5期赵彦芝:探讨高分子化学实验课程的开设2

14、27关的资料,大家积极讨论,能从实验和分析中增加学生的学习积极感和责任感,对实验现象和分析也将更加透彻,同时也提高了实验的操作能力。通过综合设计性实验的开展,学生综合分析能力、解决问题能力、创新思维能力、科研能力都得到了提高,综合设计实验也有利于提高学生的协调能力和团队合作精神3。3提高积极性和乐趣性在提高学生的综合设计能力和科研能力的同时,也要增加学生的乐趣性和积极性4,让学生喜欢上高分子化学实验课,这样由被动学习变为主动学习。刘宁2等在做甲基丙烯酸甲酯的本体聚合实验时来让学生自己动手做喜欢的玻璃饰品,提前让学生找些自己喜欢的装饰物等,当学生本体聚合完成后将装饰物嵌入甲基丙烯酸甲酯的预聚物中

15、,然后浇铸在模具里,烘干制得嵌有各种装饰物的有机玻璃工艺品和纪念品。该实验的操作简单,在实验中穿插了一些小小的实验,这样能很好的提高了学生的积极性和乐趣性。高分子材料已经应用在我们生活的方方面面,在实验中制备一些学生可以应用到生活的物品,这样大大提高学生的积极性和乐趣性。例如高分子化学的四大聚合方法中的醋酸乙烯酯的乳液聚合俗称乳白胶的制备,事先让学生自己查找醋酸乙烯酯乳液的应用,并且准备好能展示醋酸乙烯酯应用的物品,在完成乳液聚合后,同学们把自己做的乳白胶粘纸张或者木材,有的同学黏贴自己做的明信片,笑称完完全全的手工品,连胶黏剂都是自己做的,有些同学把做好的乳白胶放入小塑料罐中,保存作为浆糊,

16、自己做的水性绿色的胶黏剂,每当用到这罐浆糊时都能想到是怎么做的。总之这些小小的实验插曲,不影响实验进度,大大提高了学生对高分子化学实验的积极性和乐趣性。4开设微型化实验微型化是20世纪80年代提出的思想,被誉为“化学实验的革命”5,微型化实验使用仪器小,使用化学剂量也比较少,节省时间,环境污染较小,安全性好,符合绿色化学和环境友好化学6,同时在教学过程中培养了学生的绿色环保和可持续发展意识。我们选择了不饱和聚酯树脂的合成来做微型化实验,常量实验用的单体总量为50g,而采用微型化实验总量才需要10g,设备不需要单独的搅拌设备,只要使用磁力搅拌,反应时间也缩短,能源消耗也较小。不过在开设微型实验要

17、注意称量样品一定要用精确到小数点后三位数,这样就大大减小了实验样品误差导致的实验失败,到实验的后期一定要控制好磁力搅拌器的速度。总之,在新开设高分子化学实验的前期投入了大量的时间和精力,参考其他学校高分子化学实验的课程选择以及教学人员的相关经验和教训,优化并整合其他学校的实验教学内容,结合自己学校的特色,开展了高分子化学的基础实验和综合设计性实验,而且在微型化实验方面做了探索。实验过程中不仅注重基础知识的综合运用和基本技能的培养,更加强了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力和创新能力的培养,同时提高了学生的积极性和乐趣性,在教学的过程中培养学生的环保意识,符合现代工业的发展。参考文献1左晓兵

18、,俞丽珍,朱亚辉高分子材料与工程专业高分子化学实验教学体系的构建与成效J中国电力教育,2010(10:1421432刘宁,李田,王小丹,等高分子化学实验课程的教学探讨J高分子通报,2011(7:1101123高喜平浅谈高分子化学实验的教学改革J化工时刊,2011,25(3:62634王希通化学实验与教学M北京:高等教育出版社,1990:22235康信煌,邓春梅浅议微型化学实验与教学改革J广西师范大学学报,2000(S1:37386李青山,王雅珍,刘喜军微型高分子化学实验研究进展J广西师范大学学报,2002(S1:檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵5354(上接第192页后处理简单,收率高,得到单一产物。该项目在使用水作为反应介质,增加实验安全性。该实验项目在东华大学应化专业本科生第二课堂课外实验活动以及有机化学专业硕士研究生教学中进行过2届,反应良好。同时可培养学生查阅文献,设计实验方案,促进学生实验动手能力的提高,有助于提高实验教学水平,适合在本课教学中进一步推广。参考文献1郑小琦,查正根,汪志勇研究型大学有机化学实验教学体系改革与创新J大学化学,2010,25(6:12