可見光誘導的2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯的合成
——推薦一個綠色有機化學實驗

李立奇，楊梟榮，張元

蘭州大學化學化工學院，蘭州 730000

伴隨著有機化學新反應和新合成方法的不斷涌現，有機化學實驗教學也須與時俱進：一方面必須繼續加強傳統的有機化學知識傳授與實驗技能培養，另一方面則需要不斷地將有機合成新反應及新方法納入有機化學實驗教學，這樣將有益于拓寬本科生的視野、提升他們的環保意識和可持續發展理念。近年來，可見光催化由于其清潔、高效、反應條件溫和等優點，逐漸引起研究者的廣泛關注，并在有機合成領域得到廣泛應用[1]。但是目前可見光催化的反應尚未在本科生實驗教學中得以推廣[2]。

3,3’-二吲哚基甲烷骨架廣泛存在于藥物分子結構中，此類分子通常具有諸如抗菌、抗真菌以及抗腫瘤等活性[3]；此外該骨架也可以作為生物堿類天然產物合成的重要中間體[4]。由于其優異的生物活性，眾多研究小組開展了針對3,3’-二吲哚基甲烷骨架的合成工作，但是目前已報道的合成工作普遍具有步驟繁瑣、反應條件苛刻及產率低等不足[4,5]。最近，我們發展了一種通過可見光誘導的甘氨酸衍生物與吲哚之間的需氧脫氫偶聯反應來合成3,3’-二吲哚基甲烷的方法[6]，該反應可以在室溫和空氣氛圍下進行，無需額外添加其他氧化性試劑，并且以廉價的有機光敏劑羅丹明6G (Rh-6G)作為光催化劑。該反應條件溫和、產率高、易于操作，并且可見光催化作為一種綠色環保的新型催化模式具有很大的趣味性，因此非常適用于實驗教學。利用上述研究結果，結合有機化學基本操作，我們設計了一個半微量可見光誘導的2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯的合成實驗，目的在于通過將前沿科研內容引入實驗教學，進一步促使大學生開拓知識視野、樹立“綠色化學”理念和環保意識。本實驗既涉及電磁攪拌、薄層色譜、柱色譜和旋轉蒸發儀的使用等基本操作，也包含可見光催化這一新的知識點，并且符合實驗教學綠色化[7,8]、微型化[9]的新理念，適合于化學和藥學專業本科三年級學生的有機化學實驗。

1 實驗目的

(1) 掌握可見光誘導的2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯的合成方法；

(2) 進一步熟練薄層色譜、柱色譜及熔點測定等基本操作；

(3) 掌握旋轉蒸發儀的操作；初步掌握化合物核磁譜圖的分析。

2 實驗原理

本實驗中，我們以甘氨酸衍生物和吲哚為原料，在可見光催化和酸催化共同作用下，以93%–96%的產率一步得到2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯3 (圖1)。該反應可能的機理為(圖2)[6]：首先，在可見光照射下，光催化劑羅丹明6G (Rh 6G)轉化為激發態(Rh 6G*)，Rh 6G*與甘氨酸酯1發生單電子轉移(SET)過程，產生陽離子自由基I與Rh 6G??。氧氣氧化使得光催化劑再生，同時新產生的O2??從陽離子自由基I獲取電子及質子，生成亞胺II。隨后，在檸檬酸作用下，亞胺II被吲哚2捕獲，形成中間體III。然后在可見光作用下III再發生第二次氧化，繼而與吲哚2反應以及消除4-甲氧基苯胺，從而得到所需的目標產物3。但是也不能排除其他可能的反應途徑。

圖1 2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯的合成路線

圖2 可能的反應機理

該反應在室溫和空氣氛圍下進行，所需原料及催化劑均廉價易得，未用到金屬試劑，無需額外添加其他氧化性試劑(以空氣中的氧氣為氧化劑)。與已報道方法相比，該反應具有步驟簡潔、反應條件溫和、產率高和易于操作(以 LED燈泡或節能燈泡為光源)等優點。本實驗所需的 N-(4-甲氧基苯基)甘氨酸乙酯 1可以由 4-甲氧基苯胺和溴乙酸乙酯在醋酸鈉作用下反應得到[10]，可以由準備實驗老師預先制備，如學時允許，也可由學生自己制備。

3 試劑與儀器

3.1 試劑

4-甲氧基苯胺(伊諾凱，98.0%)，溴乙酸乙酯(伊諾凱，98.0%)，醋酸鈉(伊諾凱，98.0%)，吲哚(阿拉丁，99.0%)，羅丹明6G(伊諾凱，99.0%)，檸檬酸(伊諾凱，99.0%)，乙醇(科密歐，分析純)，1,2-二氯乙烷(科密歐，分析純)，乙酸乙酯(科密歐，分析純)，石油醚(科密歐，分析純)，飽和食鹽水溶液，無水硫酸鈉(阿拉丁，99.0%)，200–300目硅膠(青島海洋化工廠)。

3.2 儀器

電子天平(梅特勒ME104E)，5 W LED燈泡(藍光，聲信)，23 W節能燈泡(飛利浦)，圓底燒瓶，電磁攪拌子，磁力攪拌器，色譜柱，循環水式真空泵(鄭州長城)，旋轉蒸發儀(海道夫)，油泵(上海愛思杰)。

4 實驗步驟

4.1 N-(4-甲氧基苯基)甘氨酸乙酯的合成步驟

將4-甲氧基苯胺(2.46 g，20 mmol)和乙酸鈉(2.72 g，20 mmol)溶于乙醇(40 mL)，然后逐滴滴加溴乙酸乙酯(3.34 g，20.0 mmol)，加完后于80 °C下回流6–10 h，薄層色譜(TLC)監測反應完畢后，用二氯甲烷(30 mL × 3)萃取。合并有機相，用飽和食鹽水洗滌、無水硫酸鈉干燥，減壓蒸除溶劑，柱層析(洗脫劑為石油醚:乙酸乙酯(體積比) = 8 : 1)分離得到N-(4-甲氧基苯基)甘氨酸乙酯(白色粉末狀固體，2.51–2.72 g，產率 60%–65%)。1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 6.80 (d, J = 8.9 Hz, 2H), 6.60 (d,J = 8.9 Hz, 2H), 4.24 (q, J = 7.2 Hz, 2H), 3.87 (s, 2H), 3.75 (s, 3H), 1.30 (t, J = 7.2 Hz, 3H).13C NMR (101 MHz, CDCl3): δ 171.4, 152.6, 141.3, 114.9, 114.4, 61.2, 55.7, 46.8, 14.2。

4.2 方法一：可見光誘導的2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯的合成(以5 W藍色LED燈為光源)

將N-(4-甲氧基苯基)甘氨酸乙酯1 (418 mg，2 mmol)、Rh-6G (9.6 mg，1% (摩爾百分比，后文同))、吲哚(490 mg，4.2 mmol)以及檸檬酸(630 mg，3 mmol)依次加入圓底燒瓶中，然后加入40 mL 1,2-二氯乙烷。將燒瓶置于5 W藍色LED燈的照射下(反應瓶距離燈5 cm)攪拌反應。用TLC (薄層色譜)監測反應進程，展開劑為石油醚:乙酸乙酯(體積比) = 4 : 1，14–16 h反應完全。有機相用旋轉蒸發儀濃縮得到淡紅色粉末狀固體，將此固體溶解于6 mL二氯甲烷中，加入1 g硅膠拌樣，用柱層析分離純化(10 g硅膠，內徑10 mm，高度10 cm，洗脫劑為石油醚:乙酸乙酯(體積比) = 4 : 1)，得到淡紅色粉末狀固體 590–610 mg，產率 93%–96%，Mp = 57–59 °C。1H NMR (400 MHz, CDCl3)：δ7.97(s, 2H, NH)，7.65 (d,J= 7.9 Hz, 2H, PhH)，7.27 (d,J= 8.1 Hz, 2H, PhH)，7.22–7.16 (m, 2H, PhH)，7.15–7.08 (m, 2H, PhH)，6.93 (d,J= 2.1 Hz, 2H, indol-2H)，5.51 (s, 1H, ―CH), 4.23 (q,J= 7.1 Hz, 2H, ―CH2)，1.27 (t,J= 7.1 Hz, 3H, ―CH3)。

4.3 方法二：可見光誘導的2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯的合成(以23 W節能燈為光源)

將N-(4-甲氧基苯基)甘氨酸乙酯1 (418 mg，2 mmol)、Rh-6G (9.6 mg，1%)、吲哚(490 mg，4.2 mmol)以及檸檬酸(630 mg，3 mmol)依次加入圓底燒瓶中，然后加入40 mL 1,2-二氯乙烷。將燒瓶置于23 W節能燈的照射下(反應瓶距離燈5 cm)攪拌反應。用TLC監測反應進程，展開劑為石油醚:乙酸乙酯(體積比) = 4 : 1，18–20 h反應完全。其余后處理方法與方法一相同。得到淡紅色粉末狀固體570–605 mg，產率 90%–95%。

5 結果與討論

5.1 2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯的結構表征

用柱色譜純化得到的2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯為淡紅色粉末狀固體，熔點為57–59 °C。2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯的1H NMR譜圖如圖3所示，其中δ7.97處的單峰為吲哚環中氮氫的特征峰，7.65–7.08處的峰為苯環上八個氫的特征峰，6.93處的峰為吲哚環上碳氫的特征峰，5.51處的單峰為次甲基氫的特征峰，4.23和1.27處的峰為乙基中5個氫的特征峰。譜圖中無其他雜質峰，這表明產品純度較高。

圖3 2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯的1H NMR譜圖

5.2 可見光催化的優點

現有合成2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯的方法普遍具有步驟繁瑣、反應條件苛刻、需要貴金屬催化劑及產率低等不足。與已有方法相比，本實驗具有以下優點：(1) 以甘氨酸衍生物和吲哚為原料，一步即可得到 2,2-二(1H-吲哚-3-基)乙酸乙酯；(2) 該反應在室溫下進行，反應條件溫和、易于操作；(3) 以空氣中的氧氣為氧化劑，避免了其他氧化劑的使用，綠色環保；(4) 所用原料及催化劑均價格低廉，反應成本低；(5) 產率可高達96%。

5.3 光源對反應速率的影響

本實驗設計了以5 W LED燈泡(藍光)和23 W節能燈泡作為光源的兩種反應條件。以5 W LED燈泡(藍光)為光源時14–16 h左右反應完全，以23 W節能燈泡為光源時反應稍慢，約需18–20 h，兩種條件下反應產率無明顯差別。如條件允許，可兩種反應條件同時進行，這樣可以使學生進一步理解光源對反應速率的影響。

5.4 對照實驗

為進一步增進學生對反應機理的理解，可將學生分為4組，分別開展如表1所示對照實驗(分別為無光敏劑羅丹明 6G、無檸檬酸、避光及氮氣或氬氣氛圍)。在以上對照實驗條件下，均僅可通過薄層色譜觀察到痕量產物，這表明在該反應中光敏劑、酸、可見光及空氣中的氧氣均起到關鍵作用。

表1 對照實驗

5.5 實驗注意事項

(1) 本實驗中光催化反應所需時間較長，可以在實驗前一日下午先搭建反應裝置、加料進行反應，第二天早晨直接處理反應。

(2) 反應瓶和光源間距為5 cm，反應過程中光束應直射反應液。

(3) 光反應過程中，為防止溶劑揮發，可在反應瓶上端塞橡膠塞，同時應在橡膠塞上插針頭以通大氣。

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) 查閱文獻了解可見光催化的相關知識，并分析可見光催化反應的可能優點；(2) 結合文獻，試推斷本反應中主要副產物是什么。

7 結語

本設計實驗具有反應條件溫和、綠色環保、易于操作、產率高等優點，其內容既包含了電磁攪拌、薄層色譜、柱色譜和旋轉蒸發儀的使用等基本操作，也增加了可見光催化這一新穎的內容，可進一步培養學生對有機化學實驗的興趣，并且充分體現了大學化學實驗綠色化[7,8]和微量化[9]教學的改革目標，因此非常適合于本科生的實驗教學。