基于可见光催化硫醚氧化的有机化学综合实验设计

朱海波

（东华理工大学化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013）

亚砜类化合物作为一种重要的中间体，在精细化工、医药、农药、合成纤维、塑料、印染、稀有金属提取剂、有机合成等行业得到了广泛的应用。因此，发展高效、无毒害、无废物的选择性合成亚砜的方法无论从经济利益和环境影响两个方面都具有重要意义，硫化物的氧化通常被认为是最直接和最有效的合成策略之一。尽管该类反应在大学有机化学理论教学中被作为讲授内容，但是国内很少有高等院校将硫醚选择性氧化作为本科有机化学实验教学。

硫醚的选择性氧化不能作为大学基础有机化学实验，其主要原因是该反应使用强毒性、强氧化性及腐蚀性的氧化剂，价格昂贵，稳定性差；且氧化副产物对环境污染严重；很难避免氧化生成亚砜的同时，存在过度氧化成砜的问题，选择性差；这些缺陷都导致这类合成方法难以满足现代绿色有机合成的需求。此外，由于本科教学实验时间有限，对有机反应的反应时间、后处理过程要求很严格，且大一学生基础实验操作能力较弱，开展硫醚选择性氧化实验难度较大。因此，开发一种绿色低毒、安全、简便的催化氧化方法，以高产率和高选择性合成亚砜，且能够在基础有机化学实验教学中开展，会让学生对绿色化学的理念有更深入的理解。

2021年，我们课题组报道了一种简便有效的可见光介导方法，可在清洁条件下不使用任何光催化剂，直接将硫化物转化为亚砜，实验操作简单，因此可以被应用于大学基础有机化学的教学实验中。同时，我们也希望该反应能被国内高等院校基础有机化学实验教学采用，帮助化学相关专业的学生深入了解绿化化学的意识。

1 本实验设计的基本思路

该实验内容为8课时，实验课以学生为主体，自己动手，独立思考。课前学生需要知道有机化学实验室的安全知识，常用有机试剂和溶剂的理化性质，熟悉有机实验玻璃仪器的使用，做好实验预习，严格操作规程，实验过程中遵循小量、回收及重复使用等原则。此外，与传统有机实验相比，本实验内容侧重于微量化，倡导绿色化学。在保证教学效果的前提下，用毫克级别的原料进行实验，降低了实验成本；无须任何催化剂的添加，降低了实验对环境的污染。通过本实验教学，可增强学生的微量实验操作技能，培养良好的科研态度；积极鼓励学生查阅文献，了解绿色有机化学实验的意义，培养大学生的环保意识。

2 实验前的准备

学生进入实验室后，整理相关仪器和试剂，检查反应装置的气密性。熟悉实验室氧气瓶的使用方法，氧气为助燃气体，必须远离明火。打开气瓶阀时要缓慢进行，压力指示在正常值（13.3-15 MPa）之间，此时调节阀为关闭状态。接好氧气球，打开调节阀，调节流量在正常值（1.5升-2升/分钟）直至氧气球在正常压力范围内。反应步骤：向装有甲醇和水的混合溶液的圆底烧瓶中，加入4-甲氧基苯甲硫醚，反应然后将氧气球套入到滴液漏洞上方，使整个反应体系充满氧气。将该反应放置在100W的蓝光LED灯下照射，室温条件下并不断搅拌约4-6小时。反应期间可用薄层色谱（TLC）检测，直至原料完全消失。反应过程中，如果氧气球变小，可以重新充气。此外，在用薄层色谱检测的时候，也可重新换氧气直至反应结束。搅拌不宜太剧烈，防止原料溅到圆底烧瓶内壁，致使反应不完全。反应结束后，撤去氧气球，反应体系倒出，用旋转蒸发仪浓缩除去反应溶剂。然后用二氯甲烷萃取三次，有机层合并并用无水硫酸钠干燥。过滤得二氯甲烷溶液，浓缩得到亚砜粗产物。采用柱色谱提纯粗产物亚砜，用石油醚和乙酸乙酯作为洗脱剂，每接收一定量的流出液，采用薄层色谱检测，直至紫外灯下可以观察到亚砜的产物点时开始收集流出液，等到紫外灯下没有亚砜产物时停止收集。然后合并流出液，用旋转蒸发仪蒸干除去溶剂，得到淡黄色固体，可以通过测定熔点和核磁共振氢谱对产物进行表征。

充氧气球的时候，扭动氧气瓶的调节阀，一定要缓慢，使气流稳定并充满氧气球达到正常压力。在4-甲氧基苯甲硫醚的选择性氧化反应中，用的是混合溶剂甲醇和水，因此在加原料的时候，应先把4-甲氧基苯甲硫醚加到甲醇溶液中溶解后，在加入水搅拌，使反应体系溶清。反应开始之前，可稍微用氧气置换体系中空气1-2次；在对该反应体系进行光照时，为了确保反应在室温条件下，100W的LED灯不能靠圆底烧瓶太近，防止长时间照射使反应体系升温。反应过程中，用薄层色谱TLC检测反应体系，可以用原料4-甲氧基苯甲硫醚作为已知点，等原料点消失后，方可停反应。且每次用TLC检测完，氧气球可以重新充气以保证体系中的氧气压力。反应结束后，用柱色谱分离粗产物之前，必须用TLC算好原料和产物的Rf值，并以此数值作为参考进行柱色谱分离。分离结束后，用旋转蒸发仪除去溶剂时，温度不能过高，防止产物暴沸随溶剂冲出，导致产率损失。

3 实验操作

3.1 可见光催化的硫醚的选择性氧化

将4-甲氧基苯甲硫醚（31 mg，0.2 mmol）放入到一个50 mL的圆底烧瓶中，实验装置如图1(a)，加入甲醇（6 mL），震荡使原料溶解。向该溶液中加入水（3mL）。用氧气球置换反应体系中的空气1-2次，将反应置于氧气条件下，在100 W的蓝光LED灯照射下，搅拌条件下反应4-6小时。反应4小时后，用毛细管取样，薄层色谱板（TLC）检测，并用原料4-甲氧基苯甲硫醚作为对照点，检测反应进程，每次检测完，氧气球可以重新充气到正常压力范围。反应结束后，将圆底烧瓶中反应液倒入50 mL茄形瓶中，用旋转蒸发仪除去溶剂，剩余物用二氯甲烷萃取3次，每次10 mL。有机相分液合并，用无水硫酸钠干燥，过滤得粗产物亚砜的二氯甲烷溶液。

图1 可见光催化硫醚氧化的实验装置图

3.2 粗产物硫醚的纯化

柱色谱分离法提纯亚砜。将柱层析硅胶（300-400目）加到石油醚中，不断搅拌除去硅胶中的气泡。缓慢倒入带有砂芯的层析柱中，并不断用洗耳球轻敲柱子，使硅胶均匀填充。向上述的粗产物二氯甲烷溶液中，加入2倍量的硅胶（100-200目），用旋转蒸发仪蒸干得硅胶粉末，加入层析柱中。并用乙酸乙酯/石油醚（V:V=1:5）的展开剂进行洗脱，每接收10 mL的流出液，采用TLC检测，将含有产物亚砜的流出液合并，用旋转蒸发仪蒸干得到淡黄色固体。称重并计算产率，通过测定熔点、核磁共振氢谱、碳谱对产物进行表征。

4 结论

本实验将硫醚的选择性氧化和光催化相结合，综合了微量有机化学、可见光催化有机反应和仪器分析等知识，将有机物的合成、提纯及表征融为一体，不但使学生了解有机合成领域的前沿问题，增强了学生的微量实验操作技能，同时提高了学生的专业技能和绿色化学实践能力，培养了学生的绿色化学意识。