光鎳協同催化合成對甲氧基苯丙酮

郭鎮宇，李雨杭，陳帥，朱成建，謝勁

南京大學化學化工學院，南京 210023

光是自然界中儲量極為豐富的能源之一。研究如何將光能應用于生產中，將低價值產物或工業廢料轉化為高附加值產物，實現“變廢為寶”，是踐行可持續發展戰略、推進生態文明建設的一項重要內容。在基礎有機化學實驗教學中，很少涉及到光化學反應。將光化學反應引入教學，具有實驗原理和實驗操作上的創新性。同時，考慮到光化學反應具備條件溫和、過程平緩、用料經濟等友好特性，將其作為基礎有機化學實驗，不僅安全隱患低、難度適中，還能培養學生的環保觀念，具有一定的思政教育意義。

2008年MacMillan課題組提出光與有機催化劑協同催化的策略，可以在普通熒光燈照射下實現醛的直接不對稱烷基化[1]。這種方法解決了高能紫外光直接照射下產生大量副反應的問題，開辟了條件溫和、副反應少、產物純度高的光反應模式。2014年，Molander、Doyle、Macmillan等研究團隊首次報道了光-鎳協同催化體系。他們通過芳基鹵代物與鎳催化劑形成的二價鎳中間體捕獲烷基自由基，從而生成三價鎳中間體。借助該體系，成功地在溫和反應條件下實現了構建C(sp3)―C(sp2)鍵的方法[2,3]。光-鎳協同催化的催化循環與光合作用相似，都是光催化循環與另一化學催化循環組成的雙循環過程：在光照條件與光催化劑的作用下，反應物生成自由基，進而被鎳催化劑捕獲，通過鎳催化循環生成產物。2019年，謝勁課題組首次將?；杂苫牍?鎳協同催化中，實現了羧酸脫氧官能團化反應[4]。

芳香羧酸類化合物是化工領域中廉價易得的產物，甚至有些可以直接從工業廢料中獲得，例如對甲基苯甲酸存在于生產重要聚合單體對苯二甲酸所產生的工業廢水中[5,6]。2021年，謝勁等人發展了一例在光鎳協同催化條件下的芳香羧酸脫氧烷基化反應[7]。該反應的另一原料乙烯是石油化工產業的核心，作為大宗化學品，2019年我國乙烯的年產量已超過了2500萬噸[8]。該反應的產物為芳香丙酮類化合物，可用作香精以及部分藥物合成的中間體，具有較高的經濟附加價值。傳統的合成芳香酮類化合物的Friedel-Crafts?；磻枰褂脧娝?，并且釋放出對環境有害的氯化氫氣體。而光催化的芳香羧酸脫氧烯基化反應通過室內“光合作用”實現了變廢為寶，且無毒害物質排出，是一個既經濟又綠色的反應。然而，由于反應使用的鎳催化劑在空氣中不穩定，該實驗在空氣中難以進行操作。

2020年Engle等人報道了一種可以在空氣中穩定存在的鎳催化劑(1,5-環辛二烯) (杜醌)鎳(0)，即Ni(COD)(DQ)。該催化劑適用于各類金屬鎳催化反應中，可作新型鎳催化劑前體[9]?；谝陨涎芯?，我們將該催化劑用于對甲氧基苯甲酸與乙烯的反應，僅需溫和條件和短暫光照，即在6 h內合成出4′-甲氧基苯丙酮。該反應適合用于基礎有機化學實驗教學。

1 實驗目的

1) 掌握光與化學協同催化的基本原理，理解不同試劑在催化循環中的作用。

2) 練習氣相反應操作，掌握常溫常壓下的光反應技術，培養實驗室操作技能。

3) 學習快速柱層析方法，強調柱層析和薄層色譜在純化過程中的重要性，提高實驗室純化技能。

4) 增強學生對綠色化學概念的理解，通過本實驗的研究和實踐，踐行可持續發展理念，培養環保意識和可持續發展的思維方式。

2 實驗原理

4′-甲氧基苯丙酮可作為有機合成中間體和醫藥中間體用于研發和生產過程中。本實驗以廉價的對甲氧基苯甲酸和乙烯為原料，在光催化劑[Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)]PF6和鎳催化劑Ni(COD)(DQ)的催化下，光照生成經濟價值高的4′-甲氧基苯丙酮。本實驗反應條件溫和，反應時間較短，反應中無有毒害物質生成，轉化效率高，反應后處理方便。

本實驗芳香羧酸與乙烯的光-鎳催化協同反應式如圖1所示。

圖1 合成芳基乙基酮以及催化劑結構

具體反應機理如圖2所示，經過光循環體系中?；杂苫纳?，鎳催化循環體系中鎳對?；杂苫牟东@，通過乙烯插入形成五元環中間體，進而消除得到芳香酮產物。

圖2 可能的反應機理

3 實驗部分

3.1 試劑

實驗所需試劑及規格如表1所示，其中所購買的溶劑均為市售無水溶劑，未經過額外預處理。

表1 實驗試劑及規格

3.2 儀器

反應使用的光反應器為購買于Kessil公司的45 W藍色LED燈(λmax= 455 nm)。表征所用的儀器及其信息如表2所示。

表2 儀器信息

3.3 實驗步驟

3.3.1 主反應

首先在加入磁子的10 mL Schlenk管中依次加入對甲氧基苯甲酸(30.4 mg，0.2 mmol)，三苯基膦(63 mg，0.24 mmol)，光催化劑[Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)]PF6(4.7 mg，0.004 mmol，2 mol%，摩爾百分比)，Ni(COD)(DQ) (2.0 mg，0.006 mmol，3 mol%)，和5,6-二甲基-1,10-菲咯啉(5,6-dimethyl-1,10-phenanthroline) (2.4 mg，0.012 mmol，6 mol%)。然后蓋上橡膠塞，側口抽真空5 min，接著關閉真空，插上乙烯氣球，體系充入乙烯(注意：乙烯氣體易燃，因此充放氣過程應在通風櫥中進行，并遠離火源)。隨后，在1 mL離心管中加入二異丙基胺(57 μL，0.4 mmol)，用注射器吸取2 mL乙腈，將部分乙腈注入離心管溶解二異丙基胺，然后將離心管中溶液與剩余乙腈一同注入Schlenk管中。最后將體系置于藍色LED燈下，反應2 h。反應裝置如圖3所示。

圖3 反應裝置示意圖

3.3.2 后處理

用毛細管取少量反應液進行薄層色譜(TLC)分析，展開劑為石油醚(60–90 °C)-乙酸乙酯溶液(V石油醚:V乙酸乙酯= 20 : 1)，計算得到Rf值約為0.36。將反應液轉移至25 mL圓底燒瓶中，使用旋轉蒸發儀濃縮。濃縮物采用快速柱層析進行分離純化?？焖僦鶎游龇椒ǎ悍Q取7 g 200–300目柱層析硅膠，用70 mL石油醚(60–90 °C)溶脹后濕法裝柱(?= 1 cm)。將濃縮后的粗產品用1 mL左右的二氯甲烷溶解，緩慢加入裝好的層析柱中。用200 mL石油醚(60–90 °C)-乙酸乙酯溶液(V石油醚:V乙酸乙酯= 50 : 1)淋洗，通過加壓球來調整洗脫液面下降的速度為3–4滴/秒。用10 mL試管收集，并依次編號和分組，TLC分析(展開劑同前)。直至產品完全洗脫出(用毛細管蘸取色譜柱下端滴出液體，點樣于用過的薄層板空白處。若紅色斑點消失，說明產物已被完全洗出)。將所有含有產品的溶液合并至250 mL圓底燒瓶中，旋轉蒸發蒸除溶劑。用20 mL二氯甲烷將產品轉移至25 mL已稱量的圓底燒瓶中，再次旋干。最后用水泵抽去殘余溶劑，稱量產物與燒瓶的總質量，減去燒瓶質量，計算產率。

4 結果與討論

4.1 反應過程

4.1.1 反應現象

反應液由無色變為墨綠色(在光照過程中，若將反應管取出可觀察到)，最后變為棕黃色。最終的得到的產物為黃色油狀液體。

4.1.2 反應液的薄層色譜

通過圖4可以計算得出，產物的Rf值為0.36，主要雜質三苯基氧膦的Rf值為0.75。

圖4 反應液的TLC分析

4.2 產率統計

我們在實驗條件下進行多次反應，結果具有良好的重現性，均可得到70%左右的產率，產率的具體數據如表3所示。

表3 反應產率統計

4.3 產物的表征

4.3.1 產物氣相色譜與質譜

對產物進行氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)分析，其氣相色譜流出曲線如圖5所示，在該測試條件下，4′-甲氧基苯丙酮的保留時間為7.983 min，可以看出產物的純度很高，基本不含雜質。

圖5 產物的氣相色譜流出曲線

產物的質譜如圖6示，可以看出其相對分子質量為164.1，與理論值相符。

圖6 產物的質譜

4.3.2 產物的核磁共振分析

產物的核磁共振氫譜如圖7所示，碳譜如圖8所示，均與文獻數據一致[7]，證明所得產物確實是4′-甲氧基苯丙酮。

圖7 產物的1H NMR譜圖

圖8 產物的13C NMR譜圖

4.4 光照時間對產率的影響

我們測定了不同光照時間下4′-甲氧基苯丙酮的氣相產率，結果如表4所示。對表中數據作產率-光照時間圖，得到圖9。

表4 光照時間對產率的影響

圖9 產率與光照時間的關系

從圖9中可以看出，在前半小時內，產率上升速度較快，之后上升速度放緩，2 h后產率增加有限?？紤]到基礎教學實驗的時間限制，采用光照2 h作為反應條件較為合理。

4.5 反應原料的篩選

我們在該反應條件下嘗試了多種芳香羧酸作為反應物，得到的產率如表5所示。最終，我們選擇了產率最高的對甲氧基苯甲酸作為反應物。

表5 分離條件探究

5 實驗教學安排

本實驗共分為四個階段，總共需要6學時。第一階段為教師講解實驗原理，搭建反應裝置及實驗注意事項，需1.5學時；第二階段為學生搭建反應裝置并進行光反應，需1學時；第三階段為在等待光反應過程中，教師講解后處理步驟，包括快速柱層析操作方法、旋轉蒸發儀使用方法等，需1學時；第四階段為學生進行后處理步驟，包括柱層析、溶劑蒸發和產物收集等，需2.5學時。通過以上四個階段的實驗操作，學生將進一步掌握基礎化學知識及實驗操作技能，培養實驗操作的規范性和綜合分析問題的能力。

6 思考題

要求每位同學在完成上述實驗后提交實驗報告，并在報告的討論部分回答以下問題：

(1) 能否在投料的同時加入二異丙基胺和乙腈？

(2) 結合反應機理，討論苯環上的取代基對反應難易程度(或產率)的影響。

(3) 光-鎳協同催化相比于傳統偶聯反應具有哪些優勢？試結合本實驗加以說明。

7 創新性與特點

1) 利用常見能量來源(光)將低成本的芳香羧酸和乙烯合成高附加值的芳基酮類化合物，實現了廉價廢料的轉化和高附加值產品的合成。

2) 反應條件溫和，催化劑對空氣不敏感，光照時間短，操作簡單，無需使用手套箱。這使得實驗操作更加安全可靠，并且可以在教學實驗中進行。

3) 該反應首次利用光催化技術在空氣氛圍下催化芳香羧酸與乙烯反應，這是前沿研究領域的一項創新。將這一創新應用于教學實踐中，可以為學生帶來新的科學理念和思路，激發學生突破傳統的研究熱情，并提高學生對光化學反應的認識和掌握程度。

8 結語

該光鎳協同催化的實驗不僅具有重要的應用價值，在教學和實驗方面還有很多優點。一方面，該實驗反應條件溫和，實驗現象明顯，反應產率高，操作簡單易于學生掌握，同時又能夠展示出光化學反應的基本原理和實際應用。另一方面，該實驗使用的是常見的工業廢料和廉價工業原料，非常符合可持續發展理念。這不僅能夠培養學生的環保意識，還可以幫助學生了解如何將廢物轉化為有價值的化學物質。

綜上，該實驗可重復性良好，單次實驗可控制在6 h以內，適合在有機化學實驗課程中進行教學。該實驗能夠彌補基礎有機化學實驗教學中光化學反應相關內容的空缺。通過該實驗，學生可以更加深入地了解光催化反應的機理和應用，提高他們的實驗技能和科學素養。