大学综合化学实验的设计
——不对称Aldol反应、分离及测定

顾小敏,姜大炜,冯燕,钮珊珊

(江苏第二师范学院 生命科学与化学化工学院,江苏 南京 210013)

“手性(chirality)”是微观小分子和宏观物质的一种基本属性,就像人们的左右手,互为镜像异构体,但是左手与右手无法相互重叠。手性分子是四个不同的原子或者基团通过四个共价键形成的。手性是自然界的基本特征,构成生命体的有机分子绝大多数都是手性分子。随着立体化学的高速发展,手性化合物已经被广泛应用于生物医药、农药、功能材料等领域[1-3]。为了得到单一手性异构体化合物,研究者们开发了不对称合成法,其中不对称催化合成法因具有高对映选择性、经济等特点,成为获得单一对映体化合物最理想的方法。传统化学催化领域,不对称催化合成主要采用(过渡)金属催化剂,但是这些催化剂往往会对生态系统产生有害影响[4]。

L-脯氨酸是一种绿色环保且广泛存在于自然界中的化合物,它是一种天然的反应“酶”,也是一种常见的脂肪族氨基酸,具有结构简单、价廉易得、无毒、室温即可反应等优点[5],其作为催化剂应用于不对称催化反应研究起始于1996年。2000年,List等人[6]首次报道了利用L-脯氨酸进行不对称羟醛缩合(Aldol)反应,并得到了较好的收率和立体选择性,为表征其在不对称有机催化方面的发展,其本人被授予了2021年诺贝尔化学奖。此后,也有研究表明,L-脯氨酸及其衍生物在多种不对称反应,如Mannich反应[7]、Michael反应[8]、鲁宾逊成环反应[9]、[2+4]环加成[10]等反应中均表现出优异的催化活性。

实验教学作为化学教学的基础学科,2018年1月化学教指委发行的《普通高等学校专业类教学国家质量标准》中对化学类专业课程体系中指出,应构建“基础性实验-综合性实验-研究性实验”多层次的实验教学体系,化学实验教学不少于432课时,其中综合性和研究型实验学时不少于总实验学时的20%[11-12]。该国家标准也明确了何为综合性实验,即实验内容至少跨两个化学二级学科,能够将多个化学原理,实验方法和实验操作等综合在一个实验过程中,形成比较系统的实验操作过程,从而提高学生综合利用各类仪器,实验方法分析和解决问题的能力。在该标准的指导下,我院也在积极探索,进一步增加综合性实验和研究性实验的比例,不仅在必修基础性实验中融入综合性实验,更是开设了专门的综合化学实验课程,在化学实验课程体系上,实施了1～3学年的从《基础化学实验》到《综合化学实验》再到《探究型化学实验》的“分阶段、递进式”实验课程教学模式。在2021—2022学年第二学期化学专业必修课程的目标达成度计算中,《综合化学实验》课程达成度最高,达到0.87。足可以见,我院在综合化学实验实践探索的可行性。

本文以List的研究报道为基础,设计了L-脯氨酸催化的不对称Aldol反应的综合化学实验。不对称Aldol反应是形成C-C键的重要反应之一,通过不对称催化直接羟醛缩合反应是构建手性C-C的最简单的方法之一,生成的β-羟基羰基化合物是合成复杂的有机分子广泛使用的化学中间体[13]。该实验为两人一组,团队合作。通过该实验的开设,达到训练本科生的综合实验能力,树立“绿色化学”与环保理念的目的。此实验的选题紧跟化学前沿,选用诺贝尔奖得主的不对称催化反应,使学生了解当前有机化学的最新研究进展,达到实验教学与前沿科学相结合的目的,促进学生对学术研究的兴趣,提高文献的阅读分析能力和科研能力,让学生认识到科学研究的挑战性和严谨性,进而为后续毕业论文的开展打下基础,提高我校人才培养质量。

1 实验目的

通过手性小分子脯氨酸催化的羟醛缩合反应,达到如下的教学目的:

1)学会查找相关文献,通过查阅文献,了解手性催化的发展过程及其应用;

2)熟练运用薄层色谱法(TLC)对反应进度的监测和判断;

3)学会使用中压Flash色谱对反应产物的快速纯化;掌握设定紫外检测器波长的原理;

4)掌握旋转蒸发仪的使用方法;

5)了解和掌握羟醛缩合反应的机理。

2 仪器与材料

2.1 试剂

常用的玻璃仪器(圆底烧瓶、烧杯、分液漏斗等),L-脯氨酸、4-硝基苯甲醛,分析纯,麦克林试剂;二甲亚砜(DMSO)、无水硫酸钠、乙酸乙酯、石油醚(60～90 ℃沸程)、氯化铵、氯化钠,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;丙酮、三氯甲烷,分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司;薄层层析硅胶板(HSGF254),上海盛亚化工有限公司;柱层析硅胶[0.048～0.075 mm(200～300目)],青岛海洋化工有限公司。

2.2 仪器

PX224ZH分析天平,奥豪斯仪器有限公司;DF-101S集热式恒温磁力搅拌器,邦西仪器科技有限公司;DHG-9140A恒温干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;RV21M旋转蒸发仪,上海贝茵生物科技有限公司;WFH-204B型手提式紫外分析仪,上海勤科分析仪器有限公司;P850全自动旋光仪,济南海能仪器股份有限公司;中压液相Flash色谱系统(Reveleris X2),瑞士Büchi公司;正相色谱柱(20 g),艾杰尔公司。

2.3 L-脯氨酸催化的羟醛缩合反应

将L-脯氨酸(34 mg,0.3 mmol),2 mL丙酮(2)和8 mL DMSO加入到50 mL圆底烧瓶中,加入磁子,塞上磨口塞,室温磁力搅拌器搅拌15 min;随后加入4-硝基苯甲醛(1)(151 mg,1 mmol),继续搅拌,每隔0.5 h取样TLC跟踪反应(展开剂:V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)= 3∶1),三用紫外仪显色,观察反应进度。2 h左右反应完全,停止反应。向反应瓶中加入10 mL饱和氯化铵溶液,用乙酸乙酯萃取(3 × 15 mL),合并有机层,有机相再用饱和氯化钠溶液洗涤(2 × 10 mL),无水硫酸镁干燥,过滤得到粗产品(3)的乙酸乙酯溶液。向干燥后的粗产品的乙酸乙酯溶液中,加入1 g层析硅胶,经旋转蒸发仪旋干后,得到产物的硅胶拌样物。将硅胶拌样混合物粉末装入中压Flash色谱的固体上样器中,压实,连接好艾杰尔(Agela)色谱柱,进行梯度洗脱。

反应过程如下式所示:

2.4 光学纯度(op值)的测定

3 实验结果与讨论

此实验的开设是基于学生已经学习过有机化学、仪器分析、文献检索等相关课程及训练的基础之上,开设于大三下学期,因此要求学生自行查找文献,获得该实验的相关背景知识、实验过程及其分离、检测的原理和方法等。

反应以对硝基苯甲醛为原料,采用GF254薄层硅胶板监控反应,因为在254 nm三用紫外灯下,芳香醛原料和缩合产物在GF254薄层板上能够发出明亮的荧光,可以非常清晰地显示反应进行的程度。另外,由于手性催化剂L-脯氨酸在丙酮中的溶解度非常小,故实验使用DMSO为溶剂,解决了脯氨酸的溶解度问题。

与实验室中分离混合物常用的柱层析方法相比,中压Flash色谱通常采用梯度洗脱法,在操作面板上设定好梯度比例后,仪器可以精确地自动改变混合溶剂的比例,实现快速分离,既节省了时间,同时又节约了溶剂。且分离过程中,可以在显示屏上实时看到溶剂的洗脱梯度,可根据样品的色谱图进行实时更改,最大程度地保证了样品的分离纯度和分离效率。本实验采用乙酸乙酯与石油醚混合溶剂的梯度洗脱,梯度设定条件如表1所示。分离过程为试管按照顺序自动接收,且通过编辑色谱图,可明确每试管的色谱峰位置,分离过程自动化且更加透明。

表1 中压Flash色谱梯度洗脱溶剂比例

仪器配置的检测器有两种,一种是紫外检测器(UV),另一种为蒸发光检测器(ELSD)。紫外检测器可以进行三个不同波长的同时检测,由于芳香苯环的存在,可以设定254,265和280 nm同时进行检测。紫外检测波长的如何设定能够加深学生对《有机化学》和《仪器分析》课程中谱学部分知识点的理解和运用。而蒸发光检测器(ELSD)能够对紫外吸收弱或无明显紫外吸收的化合物进行检测,作为紫外检测方法的补充,在本实验中也选择了此检测器。由此确定了快速纯化的色谱条件。具体如下。

溶剂A:石油醚;溶剂B:乙酸乙酯;流速:30 mL/min;检测方式:UV 254,265,280 nm和蒸发光ELSD;柱平衡时间:5 min。

分离过程采取检测峰收集的方式,整个分离过程共消耗15个柱体积淋洗剂,从硅胶拌样到分离结束运行时间35 min左右,其中产物分离时间为12 min左右,显著缩短了分离时间,实现了快速、高效的分离目的。产物峰与杂质峰分离结果的色谱图如图1所示,可以看出产物和副产物得到了很好的分离效果,对收集的溶液进行TLC检测,根据点板结果,产物峰集中在试管6～9,合并6～9试管的流出液,旋转蒸发仪旋干后得到纯的目标产物,平均产率为68%。

图1 中压Flash色谱分离色谱图

此实验从试剂的称量到产物光学纯度的测量结束,所需时间为4～4.5 h。该实验综合了手性有机分子催化,TLC监控反应,中压Flash色谱分离条件的选择(包括梯度洗脱比例的确定、仪器检测方法的选择-紫外吸收波长的确定和利用色谱分离图判断溶剂梯度比例的适合程度)以及缩合产物的光学纯度检测等,训练了学生独立操作并完成实验全过程的能力,适合开设为一个综合实验。

4 结论

本实验以L-脯氨酸作为有机小分子催化剂催化不对称Aldol反应,以TLC监控反应,利用中压Flash制备色谱对产物进行分离,以自动旋光仪检测产物的旋光纯度。从产物的合成、分离再到检测,让学生明确有机化学合成的基本步骤,掌握正确使用有机实验室常用的各种仪器的使用方法。开设这样的综合实验,可以达到以下目的:1)能够有效促使学生查阅文献,进一步了解Aldol反应产物中手性构型的反应机理,完成从课本知识中被动接受椅式构象的理论,到文献中运用椅式构象过渡态完美解释反应产生的立体化学结果的重要转变,加深了同学们对课本中理论的理解,同时加深对羟醛缩合反应的理解,在应用理论解释反应现象和规律的过程中,不断培养学生的思维能力,提升其创新能力。2)培养和提高了学生的文献阅读能力和综合实验能力,让学生深刻认识到手性合成在有机合成中的重要性,了解化学研究的基础思路,方法和手段,激发学生的科研兴趣和创新意识,培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力,同时也领略到有机化学的魅力与其发展前景。