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绿色创新型化学实验设计：可见光催化的对甲苯磺酰基苯乙酮的合成韩金娥张艳李会（江南大学生命科学与健康工程学院江苏无锡 ）摘要聚焦学科前沿，结合教师的科研成果，对现有实验进行绿色化改进，设计了一项绿色创新型实验：对甲苯磺酰基苯乙酮的合成。该实验基于绿色化学理念，引入光催化合成技术，采用无毒可循环的催化剂，绿色环保的原料，在清洁可再生的太阳光照射下合成了产物。此外，实验还考察了光源、催化剂用量、反应溶剂、反应时间等对反应收率的影响。该实验具有绿色节能环保、反应条件温和、催化剂可回收利用、前沿新颖等优点，不仅提升了学生的实验技能、综合能力和环境保护的意识，还激发了学生的科学研究兴趣和创新思维。关键词绿色创新型实验对甲苯磺酰基苯乙酮光催化合成可循环催化剂科研兴趣 ：随着“十四五”发展规划强调要加快实施绿色可持续发展战略，提升行业绿色发展水平，大力推行绿色设计，推动生产过程清洁化，完善绿色制造体系，国内许多高校积极开展化学实验的绿色化改进，以及培养学生树立绿色化学理念。本院药学专业为三年级本科生开设了专业必修实验课“中级有机化学实验”，作为衔接有机化学实验和药物化学实验的桥梁，涉及医药中间体的创新合成、药物的多步合成与表征。然而，其中大部分实验采用的合成方法较为陈旧，实验过程中会用到毒性大、强烈刺激性试剂等，不符合新时代下绿色化学的要求，迫切需要对该内容进行更新与改进。依托团队教师的研究专长及科研成果，同时为了将前沿的新技术、新方法引入到本科实验教学中，促进科教融合，笔者选择了对“对甲苯磺酰基苯乙酮的合成”这一实验进行改进。对甲苯磺酰基苯乙酮是医药、农药等行业的重要原料、有机中间体，具有多种生物活性，例如可作为羟基类固醇脱氢酶抑制剂、抗菌剂、拮抗剂等。现有的合成方法 存在使用过量氧化剂、反应条件苛刻、催化剂不可回收利用等缺点，且大部分采用磺酰氯作为磺化试剂，具有强烈刺激性臭味，不仅影响师生身心健康还降低学生实验的积极性和热情。近年来，三乙烯二胺（）与分子二氧化硫形成的复合物 （）作为一类绿色无污染的二氧化硫试剂，成功应用于不饱和键的磺酰化反应，可以在绿色温和的条件下有效构建磺酰基化合物 。此外，可见光催化反应具有合成效率高、绿色友好、反应条件温和、选择性好等优点，在有机合成领域展现了其巨大应用价值。鉴于此，笔者紧扣绿色化学这一背景主题，结合团队的科研成果，设计了以可回收的氮化碳材料为光催化剂，以 （）为硫源的对甲苯磺酰基苯乙酮的光催化合成。该实验的反应条件温和、操作简便，在太阳光照射下即可反应，富有新颖性，且原料绿色环保，催化剂可循环利用，非常适合本科生实验教学，不仅能够培养学生绿色合成理念，还将前沿的光催化技术、研究成果引入其中，丰富了学生的知识体系，拓宽了眼界与视野，容易激发学生科学研究的兴趣和创新思维。实验目的（）通过查阅文献，了解光催化二氧化硫参与的不饱和键磺酰化的研究现状和应用前景；（）理解光催化不饱和键磺酰化反应的机理，了解其在不同底物中的应用；（）掌握催化剂的制备方法，巩固萃取、柱层析、旋蒸等基本实验操作；（）掌握大型仪器质谱仪、核磁仪的基本原理与使用操作，熟练掌握化合物的谱图解析。年第 卷第 期化学教育（中英文）（：）国家级一流本科专业建设项目；江苏省品牌专业建设工程二期项目；江南大学本科教育教学改革研究项目（）；江南大学实验室管理专项（）通信联系人，：实验原理以环境友好、可回收利用的非均相多孔石墨氮化碳（）为光催化剂，在可见光照射下促进对甲基苯四氟硼酸重氮盐、（）和苯乙炔反应生成对甲苯磺酰基苯乙酮，反应方程式如图所示。可能的反应机理为：对甲基苯四氟硼酸重氮盐与 （）作用产生芳基自由基，再与 生成磺酰基自由基，与苯乙炔反应生成中间体，在光催化剂作用下，经单电子转移氧化、水合最后生成目标化合物，反应机理如图所示。图反应方程式 图可能的反应机理主要试剂与仪器试剂：三聚氰胺，浓盐酸，（），苯乙炔，对甲基苯四氟硼酸重氮盐，乙腈，二氯甲烷，无水硫酸钠，正己烷，乙酸乙酯等为化学纯试剂。仪器：液相色谱质谱联用仪（日本岛津公司），核磁共振仪（瑞士布鲁克公司），数字熔点仪，马弗炉（宜兴精益电炉有限公司），紫外分析仪（上海宝山顾村电光仪器厂），旋转蒸发仪（郑州生化仪器有限公司），电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司），电子分析天平（梅特勒托利多仪器有限公司），超声波清洗机，磁力搅拌器，循环水真空泵等。实验内容 多孔石墨相氮化碳（）催化剂的制备量取 的 蒸馏水，加至 反应瓶中，再向反应瓶中加入三聚氰胺，搅拌子，置于磁力搅拌器上搅拌，至三聚氰胺全部溶解，待冷却后缓慢加入 浓盐酸，搅拌 后，将反应液 转 移 至 烧 杯 中，放 于 烘 箱 中，在 下彻底蒸发水分，得到三聚氰胺盐酸盐。再将三聚氰胺盐酸盐放置在坩埚内，在马弗炉中以 的升温速率升温至 ，保温，再加热至 ，保温，冷却后取出坩埚，研磨坩埚内的固体，得到 多孔石墨相氮化碳（）催化剂。对甲苯磺酰基苯乙酮的合成与纯化向 反应瓶中加入 （）对甲苯 基 重 氮 盐，（）（），多 孔 石 墨 相氮 化碳 催化 剂（）和搅拌子，通过真空泵抽出瓶内空气，再注入氧气，如此反复操作次。依次量取 （）苯乙炔、乙腈和 去离子水化学教育（中英文）（：）年第 卷第 期用注射器分别注入反应瓶内，插入绑有气球的注射器，在太阳光照射下室温搅拌反应。将反应液转移至分液漏斗中，加入 去离子水，用 的二氯甲烷萃取次，得到下层有机相，加入适量的无水硫酸钠干燥，抽滤，滤液用旋转蒸发仪除去溶剂，采用柱层析（正己烷乙酸乙酯）快速分离纯化，得到白色固体产物对甲苯磺酰基苯乙酮。最后，学生对产物进行结构表征，使用数字熔点仪测定熔点；液相色谱质谱联用仪测定分子量；核磁共振仪测定产物的氢谱和碳谱，并进行谱图解析。图产品的核磁共振氢谱图 图产品的核磁共振碳谱图结果与讨论 对甲苯磺酰基苯乙酮的结构表征得到的对甲苯磺酰基苯乙酮产品为白色固体，学生对其进行熔点测定、质谱和核磁共振图谱（和 ）表征。学生将样品烘干，装于 毛 细 管，置 于 数 字 熔 点 仪 中 测 定 其 熔 点 为 ，与文献值相符。质谱和核磁共振谱由学生配制样品，经分析测试中心教师指导使用仪器，所得图谱由学生自主解析，验证产物结构。从质谱图中得知：，与化合物的分子量相符合。通过核磁共振氢谱和碳谱对目标化合物中的氢和碳进行归属，核磁共振氢谱如图所示，化学位移 的多个峰为个苯环上的个氢的吸收峰，的单峰为亚甲基的个氢的吸收峰，的单峰为甲基的个氢的吸收峰。核磁共振碳谱如图所示，化学位移 年第 卷第 期化学教育（中英文）（：）为羰基碳的吸收峰，为个苯环上的 个碳的吸收峰，为亚甲基碳的吸收峰，为甲基碳的吸收峰。实验条件优化 光源对产物收率的影响本实验研究了不同光源对产物收率的影响，以为催化剂，乙腈水为反应溶剂，对甲基苯四氟硼酸重氮盐、（）和苯乙炔为反应原料，分别用不同光源（蓝色 灯，紫色 灯，白色 灯，氙灯，太阳光）对反应体系光照，结果如表所示。当选择蓝色 灯，紫色 灯，白色 灯照射时，产物产率极低，可能由于这些光源波长与催化剂的吸收波长不匹配，不足以激发催化剂催化反应。因此，本实验选用太阳光或氙灯作为光源。表光源对收率的影响 光源收率 蓝色 灯 紫色 灯 白色 灯 氙灯 太阳光 催化剂用量对产物收率的影响以为催化剂，乙腈水为反应溶剂，对甲基苯四氟硼酸重氮盐、（）和苯乙炔为反应原料，采用太阳光照射反应体系，考察催化剂用量对反应催化性能的影响，结果如图所示。由图可知，未添加催化剂时无产物生成，说明本反应体系添加催化剂是必需的。随着催化剂用量的增加，产物收率显著增高，当催化剂用量达到 时，继续增加催化剂用量，收率增加不明显，故催化剂用量为 为宜。反应溶剂对产物收率的影响以为催化剂，对甲基苯四氟硼酸重氮盐、（）和苯乙炔为反应原料，采用太阳光照射反应体系，考察不同反应溶剂对合成反应的影响，结果如表所示。由表可知，不同溶 剂 对 反 应 影 响 较 大，较 好 的 溶 剂 体 系 为 、，当溶剂体系无水或只加入水时，都无产物生成，可能与本实验反应机理相关，实验中溶剂体系选用 时收率最高。图催化剂用量对收率的影响表不同反应溶剂对收率的影响 反应溶剂收率 无水 反应时间对产物收率的影响以为催化剂，乙腈水为反应溶剂，对甲基苯四氟硼酸重氮盐、（）和苯乙炔为反应原料，采用太阳光照射反应体系，考察不同反应时间对收率的影响，结果如图所示。随着光照反应时间的延长，产物收率显著增加，当光照时间达到时收率最高，随后产物收率有所下降，可能转化成其他副产物所致。因此，最佳光照反应时间为。图不同反应时间对收率的影响 不同催化剂种类对反应的影响以乙腈水为反应溶剂，对甲基苯四氟硼酸重化学教育（中英文）（：）年第 卷第 期氮盐、（）和苯乙炔为反应原料，在太阳光照射下，本实验还考察了不同催化剂（），（），）对反应的影响，当使用钌、铱金属光催化剂，以及罗丹明、有机染料类光催化剂时，产物生成很少，可能与光源波长的选择密切相关。故在该反应条件下，采用时催化反应效率最高。催化剂循环使用情况因实验课时较长，可将催化剂回收利用后的催化性能考察实验设计为后续拓展实验，作为选修内容。实验完成后，由感兴趣的学生利用课余时间，在开放实验室对多孔石墨氮化碳催化剂进行回收、重复利用，在相同反应条件下重复实验数次，根据产物的收率来考察的催化性能，初步实验结果表明，催化剂循环利用次后其催化活性没有显著降低，因时间关系没有进一步拓展，结果见图。图催化剂循环利用情况 改进后绿色方法与改进前合成方法的比较将该绿色合成新方法与改进前的合成路线 进行比较，结果见表。由表可知，改进后的新方法采用的磺化试剂和催化剂无毒无刺激性气味、可循环利用，更加绿色环保，光催化反应条件更加清洁、温和、节能，且产率更高，是典型的绿色有机合成实验。表绿色方法与改进前反应的比较 改进前合成方法改进后绿色方法优缺点比较磺化试剂对甲苯磺酰氯 （）改进前的磺化试剂具有强烈刺激性臭味，毒性大；改进后的绿色无污染催化剂对甲苯磺酸改进前的催化剂为有机强酸；改进后的催化剂无毒可回收利用，对环境友好反应方式加热、室温、太阳光照射改进后的方法更加节能、环保反应时间 改进后反应时间明显缩短收率 改进后收率提高 讨论通过对光催化剂的制备及循环利用，学生对这一催化剂的结构以及如何发挥催化作用充满了好奇，激发他们查阅文献来探索了解，知晓催化剂受到光照激发产生电子空穴对，进而引发自由基连锁反应，将光能转化为化学能，再结合教师的讲解，学生对整个反应机理有了进一步的理解，也提升了有机合成反应知识面的广度和深度。实验设计与安排本综合实验面向高年级学生，可作为药学专业中级有机化学实验中的项目，也可作为制药工程专业的创新实验项目在短学期开设。太阳光照射反应可以安排在实验室阳台的实验桌上，也可以在实验室靠近窗边采光较好的实验台上，如实验室条件不满足，还可以在通风橱里用氙灯照射来代替太阳光照射。在学时安排上，建议分为催化剂的制备、产物的合成、产物的纯化与分离、产物的分析检测、反应条件的优化以及催化剂的循环利用等个部分，可根据具体情况，灵活安排课时，可以作为一个综合实验整体开展，也可选取几个部分教学，还可以拆分为独立的实验项目。学生在实验前需做好预习工作，包括查阅检索 ，中国知网等中外文数据库，了解光催化技术，砜类化合物的合成方法及反应机理。然后，再向学生提供相关参考文献及实验讲义作为补充，熟悉整个实验操作步骤及流程。实验安排个学生一组，当开展反应条件优化实验时，可分为个学生一小组，个小组设计不同的反应条件进行实验，最后汇总全班的实验数据，进行组内及组间数据比较、分析，得出实验结论，完成实验报告的撰写。实验过程中，以学生为主体，教师引导学生自主完成实验，年第 卷第 期化学教育（中英文）（：）培养学生团结协作，敢于探索，分析问题和解决问题的能力。实验教学效果（）融入绿色化学理念，以“防止污染”为先，增强学生的环保意识。绿色化学的理念是从源头阻止环境污染，该实验从采用绿色的光催化合成技术，到绿色原料、催化剂的选择，再进行绿色