图1
综上，我们设计了以4-甲氧基苯乙酮和喹喔啉酮为原料，通过Mannich反应[9]得到喹喔啉酮类JNK3抑制剂的综合实验。在该反应中，我们以可循环的酸性树脂Amberlyst 15为非均相催化剂，以绿色溶剂水为反应溶剂，可见光为反应光源。相较书本上常见的金属催化剂，有机溶剂以及高温状态，学生们将切身实际地感受到现代化学实验中的“绿色化学”。通过该综合实验，“绿色化学”概念更深入学生的心中，并且让他们接触到了不同于教材上的最前沿的实验设计方案，大大提高了他们的学习热情。此外，通过对喹喔啉酮类JNK3抑制剂的特征结构进行分析，学生将掌握NMR (核磁共振仪)、MS (质谱仪)和ESR (电子自旋共振波谱仪)等仪器的基本操作规程和相应的图谱分析。在这16个课时的设计中，通过大量相关文献的调研和拓展阅读，学生将不断认识到有机化学的魅力与发展。同时，结合课堂讲解，学生也将深入了解和掌握Mannich反应以及单电子反应机理。该综合实验将最基础的Mannich反应、目前科研热点以及我们课题组的科研成果紧密地结合在一起，实现了一个操作可行又绿色新颖的实验项目，不仅可以拓宽学生对不同研究领域的认知，更加明确其发展方向，也为绿色化学深入大学实验课堂提供新的能量，将新鲜血液灌注进当代大学化学实验中。
1 实验目的
(1)通过查阅文献，了解烯胺酮和喹喔啉酮的研究现状及其应用前景。
(2)掌握Mannich反应的实验原理和操作方法，巩固分离和提纯的实验技能。
(3)掌握NMR、MS和ESR等仪器的基本操作规程和相应的图谱分析。
(4)掌握非均相催化剂的回收、再生和循环。
(5)了解和掌握探究反应机理时的控制实验。
2 实验方案
以喹喔啉酮和4-甲氧基苯乙酮为反应原料，以酸性树脂Amberlyst 15为非均相催化剂，以水作为溶剂，在可见光环境中，常温常压反应6 h得到喹喔啉酮类JNK3抑制剂。
3 仪器和试剂
仪器：RE 52AA旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂)，SHB-IIIA循环水式真空泵(郑州长城科工贸有限公司)，JBZ-14B型磁力搅拌器(上海志威电器有限公司)，JJ 223BC型电子天平(常熟市双杰测试仪器厂)，ZF-7A型紫外灯(上海骥辉科学分析仪器有限公司)，HP1200高效液相(美国安捷伦公司)，ADVANCE Ⅲ 500 MHz核磁共振仪(德国Bruker公司)，Agilent 5975质谱仪(美国安捷伦公司)，JES X320电子自旋共振光谱(Jeol/日本电子株式会社)。
试剂：喹喔啉酮(上海毕得医药科技股份有限公司)，4-甲氧基苯乙酮(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，无水MgSO4(上海凌峰化学试剂有限公司)，二氯甲烷(国药集团化学试剂有限公司)，石油醚(国药集团化学试剂有限公司)，乙酸乙酯(国药集团化学试剂有限公司)，去离子水(上海麦克林生化科技有限公司)。所用试剂均为分析纯。
4 实验步骤
将喹喔啉酮(1.46 g，10 mmol)、4-甲氧基苯乙酮(4.5 g，30 mmol)、酸性树脂Amberlyst 15 (2 g)和去离子水(90 mL)加入到250 mL试管中，以常见的蓝色LEDs灯为光源，在常温常压下反应6 h (图 2，图 3)。反应结束后，首先通过过滤移除酸性树脂Amberlyst 15，然后用二氯甲烷(100 mL × 3)对水相进行萃取，收集有机层，无水MgSO4干燥、过滤并用旋转蒸发仪除去二氯甲烷。粗产物用硅胶色谱柱进行分离提纯，石油醚和乙酸乙酯3 : 1 (体积比)为洗脱剂。得到黄色液体(2.4 g，83%)。1H NMR (500 MHz, DMSO) δ 13.60 (s, 1H)，11.99 (s, 1H)，7.99 (d, J = 8.8 Hz, 2H)，7.52–7.45 (m, 1H)，7.14 (d, J = 4.4 Hz, 3H)，7.07 (d, J = 8.8 Hz, 2H)，6.79 (s, 1H)，3.86 (s, 3H)。13C NMR (126 MHz, CDCl3) δ 195.2，156.2，144.0，140.4，136.6，131.3，130.1，128.4，128.2，125.7，125.2，124.3，123.9，116.6，114.4，94.9，55.6。ESI-MS [M + Na]+：分子式C17H14N2O3Na，计算值为317.0902，实测值为317.0904，两者完全相符。
图2
图3
5 结果与讨论
5.1 酸性树脂Amberlyst 15循环实验
将喹喔啉酮(1.46 g，10 mmol)、4-甲氧基苯乙酮(4.5 g，30 mmol)、酸性树脂Amberlyst 15 (2 g)和去离子水(90 mL)加入到250 mL试管中，以常见的蓝色LEDs灯为光源，在常温常压下反应6 h。反应结束后，首先通过过滤移除酸性树脂Amberlyst 15，然后用二氯甲烷(100 mL × 3)对水相进行萃取，收集有机层，粗产物用硅胶色谱柱进行分离提纯。将得到的Amberlyst 15非均相催化剂重新用于催化转化。回收4次后，首先用乙醇、乙酸乙酯和1, 2-二氯甲烷对Amberlyst 15催化剂进行连续清洗，去除有机杂质。然后，用盐酸(2 mol·L−1)、蒸馏水和NaOH (2 mol·L−1)清洗催化剂三次，去除水溶性杂质。然后将催化剂浸泡在2 mol·L−1的HCl中12 h，用蒸馏水反复洗涤得到的催化剂，直到pH为7左右。最后在真空条件下干燥得到再生的Amberlyst 15非均相催化剂，再次应用于催化反应(图 4)。
图4
5.2 机理探究控制实验
将喹喔啉酮(1.46 g，10 mmol)、4-甲氧基苯乙酮(4.5 g，30 mmol)、酸性树脂Amberlyst 15 (2 g)和去离子水(90 mL)加入到250 mL试管中，以常见的蓝色LEDs灯为光源，在常温常压下反应2 h，经高效液相检测产率。随后，关灯在黑暗条件下反应2 h，经高效液相检测产率。随后循环至在开灯下共反应6 h，通过光开关实验验证连续的光照射在该反应中是必要的。随后，通过ESR检测，电子自旋共振光谱的解析(g = 2.0034，AN = 1.36 mT，AH = 1.28 mT)，也验证该反应在光照条件下会产生超氧根自由基来引发反应(图 5)。
图5
5.3 可能的反应机理
首先，4-甲氧基苯乙酮转化为烯醇式，酸性树脂Amberlyst 15产生质子用于质子化底物喹喔啉酮。被质子化的亚胺中间体B捕获转化为中间体C。同时，底物喹喔啉酮被光激发形成激发态通过能量转移将三线态氧转化为单线态氧。随后，单线态氧夺取中间体C的质子得到目标产物喹喔啉酮类JNK3抑制剂(图 6)。
图6
6 实验组织运行的建议
(1)本综合实验是典型的有机合成、仪器分析和应用波谱学等相关专业知识点结合的实验，在作为开放实验的同时也是本院综合化学实验的选做项目。因涉及的实验内容较多，建议放在短学期集中5–7天进行，学生可分为3–4人一组。开设本实验之前，要求学生通过查阅文献，获得以下知识：①了解绿色化学概念和绿色化学概念的发展史；②授课教师可结合自身工作经验，阐述光催化和非均相催化的优点，结合实例让学生了解自己专业的意义和目的；③查阅相关文献，让学生了解机理探究的方法和目的，培养学生科学探究精神。
(2)如完全实施本综合实验内容需16课时，其中有机合成12课时，波谱分析4课时，亦可分别纳入有机化学实验和应用波谱学或其他相关仪器分析实验课程。在开展有机合成实验课时，各兄弟院校可结合学生实际情况，开展组内对比实验或组间对比实验，分析产生实验偏差的原因，讨论反应各影响因素对实验结果的影响。但要求学生如实填写实验数据，为指导教师在以后实验教学的顺利开展累积更多的经验。
(3)在催化剂循环再生过程中，需要用到有较强腐蚀性的盐酸，整个实验过程指导教师需随时关注学生动态防止发生意外事件。
(4) 波谱分析是本综合实验的重要组成部分，建议操作之前先培训学生如何清洗核磁管，确保不因杂质影响实验结果；如何使用仪器软件，有哪些步骤及注意事项，先进行演示实验，建议测试过程中有仪器管理员或者助教在边上给予指导，避免损坏仪器。各兄弟院校可结合自身专业安排，还可和药物化学专业结合，开展相关药理研究实验，培养学生跨专业协同意识和团队精神。
7 结语
本实验通过经典的Mannich反应合成喹喔啉酮类JNK3抑制剂，实验过程中催化剂的回收、再生和循环，使得绿色化学的概念深入学生的心中，在这时候对学生进行严格的操作规范教学并灌输绿色化学思想将对学生起到重要的影响。而学生一旦吸取了绿色化学实验的理念，形成了绿色化学的意识，再受到严格的操作规范约束，非常有利于学生养成良好的实验习惯，并在之后较长的实验生涯中保持。进一步的机理探究控制实验中，让学生了解有机化学的魅力，培养学生的探索求知精神，鼓励学生对课题提出自己的想法，敢于实践，克服实验中遇到的困难，在困难中学会成长、树立自信心和创新意识。大学生创新性实验计划是教育部为推动创新型人才培养工作的一项重要改革举措，是针对在校本科生新教学模式的探讨，是高等学校本科教学质量工程的一个重要组成部分，目的是推动高等学校教育改革，探索创新人才培养模式，培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力；改善教学方法，探索和推广研究性学习和个性化培养的教学方式，从而在高校建立创新文化，进一步推动教学改革，提高教学质量[10]。
参考文献
DOI:10.1039/C5CC08049E [本文引用: 1]
DOI:10.1021/acs.orglett.8b02451 [本文引用: 1]
