反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的D-A反應(yīng)

謝永生郝斌華馮 磊

（1.重慶三峽學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶萬州 404100）

（2.重慶市萬州區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，重慶萬州 404100）

（3.山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山東濟(jì)南 250010）

反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的D-A反應(yīng)

謝永生1郝斌華2馮 磊3

（1.重慶三峽學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶萬州 404100）

（2.重慶市萬州區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，重慶萬州 404100）

（3.山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山東濟(jì)南 250010）

文章針對(duì)傳統(tǒng)D-A反應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，提出反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的Diels-Alder反應(yīng)是適合大學(xué)有機(jī)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的最佳選擇，并對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綠色化和微型化改進(jìn)：僅需在試管中簡(jiǎn)單的混合4-己二烯-1-醇、馬來酸酐和少量乙酸乙酯即可在一臺(tái)水浴振蕩器上完成數(shù)十個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)后處理簡(jiǎn)潔快速，僅有少量回收溶劑產(chǎn)生；產(chǎn)品絕對(duì)結(jié)構(gòu)很容易地由氫核磁共振實(shí)驗(yàn)鑒定．

綠色；反式4-己二烯-1-醇；馬來酸酐；Diels-Alder

狄爾斯－阿爾德反應(yīng)（Diels-Alder反應(yīng)，簡(jiǎn)稱D-A反應(yīng)）是由雙烯體和親雙烯體在光照或加熱條件下合成六元環(huán)的反應(yīng)，是有機(jī)合成中常用的人名反應(yīng)之一，是一類非常重要的構(gòu)建碳碳鍵的手段之一．由于該反應(yīng)一步生成兩個(gè)碳碳鍵和最多四個(gè)相鄰的手性中心，同時(shí)具有良好的立體選擇性、立體專一性和區(qū)域選擇性，因此在合成路線設(shè)計(jì)中靈活運(yùn)用此反應(yīng)可以大大減少反應(yīng)步驟、提高合成效率，從而奠定了D-A反應(yīng)在天然產(chǎn)物全合成領(lǐng)域中不可替代的地位．

由于D-A反應(yīng)豐富的立體化學(xué)呈現(xiàn)，準(zhǔn)確地理解其立體選擇性和立體專一性就成為大學(xué)有機(jī)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)，同時(shí)開展相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)更有利于提高學(xué)生對(duì)D-A立體化學(xué)機(jī)理的理解．但是傳統(tǒng)的D-A反應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)——環(huán)戊二烯和馬來酸酐合成內(nèi)型降冰片烯-5,6順式-二羧酸酐-具有以下缺點(diǎn)：

1）原料環(huán)戊二烯是一類化學(xué)活性很高的易燃有毒有機(jī)物，在室溫下不穩(wěn)定，必須從二聚環(huán)戊二烯現(xiàn)場(chǎng)熱分解制備．環(huán)戊二烯較低的沸點(diǎn)（40℃）不利于在實(shí)驗(yàn)室被收集、保存和使用，在環(huán)境溫度較高的地區(qū)或季節(jié)使用會(huì)導(dǎo)致環(huán)戊二烯的快速揮發(fā)，增加了實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)的難度．

2）由于反應(yīng)產(chǎn)物降冰片烯-5,6順式-二羧酸酐結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性使得四個(gè)手性中心的氫核磁共振信號(hào)重疊為譜峰較寬的兩組，難于準(zhǔn)確地歸屬譜峰，無法通過核磁共振說明內(nèi)外型產(chǎn)物的比例．

3）降冰片烯-5,6順式-二羧酸酐遇水或吸收空氣中的水汽易水解成相應(yīng)的二元羧酸，不利于產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的鑒定．

克服上述實(shí)驗(yàn)缺點(diǎn)，必須發(fā)現(xiàn)適合開展大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新型D-A反應(yīng)．McDaniel等[1]報(bào)道了反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐以甲苯為媒介的Diels-Alder反應(yīng)：其原料4-己二烯-1-醇是一種低熔點(diǎn)的固體，產(chǎn)物是經(jīng)D-A反應(yīng)和分子內(nèi)酯化的雙環(huán)內(nèi)酯，具有清楚不重疊的核磁共振一級(jí)氫譜，因此該反應(yīng)非常適合作為有機(jī)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)．然而，甲苯是一類有毒易揮發(fā)溶劑，在該反應(yīng)回流條件下，非常容易逃逸到空氣中，因此實(shí)驗(yàn)必須在通風(fēng)櫥中操作，溶劑必須回收處理，以避免甲苯污染環(huán)境和損害師生健康．

以發(fā)展微型綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)為目的，本文針對(duì)大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要，引入綠色化學(xué)方法，對(duì)反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的Diels-Alder反應(yīng)進(jìn)行了“綠色化”和微型化改進(jìn)：采用少量乙酸乙酯作為溶劑，僅以試管和一臺(tái)水浴振蕩器即可同時(shí)滿足數(shù)十個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的需要；微型化后，每個(gè)實(shí)驗(yàn)僅需1毫摩爾投料量，反應(yīng)后處理簡(jiǎn)單，僅需回收少量溶劑．

1 實(shí) 驗(yàn)

在5 mL的試管中小心的依次加入98 mg 馬來酸酐、108 mg 反式4-己二烯-1-醇和數(shù)滴乙酸乙酯，將試管用小氣球套住封口，固定于水浴振蕩器中在70~75℃下緩慢震蕩20~30分鐘，直到試管中析出白色固體．取下試管，往其中加入0.5 mL正己烷，稍稍搖動(dòng)洗滌，只將溶劑傾出，再次用0.5 mL正己烷重復(fù)洗滌一次，所得白色固體即為目標(biāo)產(chǎn)物 3，熔點(diǎn)為159~161℃，收率為70%~87%．

2 機(jī) 理

反式4-己二烯-1-醇受熱異構(gòu)化為熱力學(xué)不穩(wěn)定的順式異構(gòu)體1，雙烯體 1 與親雙烯體馬來酸酐2在少量乙酸乙酯中受熱均勻溶解并發(fā)生D-A反應(yīng)，生成圖一所示中間體順式二酸酐，繼而發(fā)生分子內(nèi)酯化形成熱力學(xué)穩(wěn)定產(chǎn)物 3．分子間的D-A反應(yīng)遵循內(nèi)型（Endo）反應(yīng)規(guī)則，以內(nèi)型的順式雙環(huán)產(chǎn)物為主，可能含有少量外型（Exo）產(chǎn)物，并且兩者為非對(duì)應(yīng)異構(gòu)體．

圖一 4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的D-A反應(yīng)

3 結(jié)構(gòu)鑒定

依據(jù)分子間的D-A反應(yīng)機(jī)理，反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的Diels-Alder反應(yīng)僅可能產(chǎn)生內(nèi)型和外型兩種產(chǎn)物，并以內(nèi)型產(chǎn)物為主，此兩種產(chǎn)物為非對(duì)映異構(gòu)體，若氫核磁共振譜圖足夠精確，完全可以區(qū)分產(chǎn)品中非對(duì)映異構(gòu)體的比例．幸運(yùn)的是，通過我們的實(shí)驗(yàn)獲得了如McDaniel等報(bào)道的幾乎相同的氫核磁共振譜圖，各個(gè)譜峰可完全歸屬，僅有單一的內(nèi)型異構(gòu)體被純化獲得（圖二）．

圖二 純化后產(chǎn)品的H1NMR譜圖

4 “綠色化”和微型化改進(jìn)

綠色化學(xué)是從源頭上減少或消除在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用化學(xué)產(chǎn)品過程中產(chǎn)生或使用有害物質(zhì)的安全環(huán)保的化學(xué)方法，通過選擇安全的物質(zhì)去替代危險(xiǎn)的原料和避免危險(xiǎn)物排放的手段來消除化學(xué)研究和生產(chǎn)對(duì)環(huán)境和人類的危害．[2]最初，我們采用簡(jiǎn)單混合等摩爾反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的無溶劑法來完成上述D-A反應(yīng)，盡管反應(yīng)仍可進(jìn)行，并且因?yàn)椴皇褂梅磻?yīng)溶劑使得無溶劑法看上去更為“綠色”，但是在實(shí)際操作過程中我們發(fā)現(xiàn)，均勻混合兩種固體反應(yīng)物以使反應(yīng)順利進(jìn)行是十分困難的，尤其當(dāng)反應(yīng)被微型化之后，微量的兩種固體反應(yīng)物的相互均勻混合就變得極其困難，況且反應(yīng)后處理仍然需要加入額外的乙酸乙酯和正己烷以獲得分析純的結(jié)晶．考慮到乙酸乙酯是實(shí)驗(yàn)室中除水之外最為安全的溶劑，我們嘗試在反應(yīng)開始的混合物中加入數(shù)滴乙酸乙酯，這樣不僅可以有效溶解混合兩種原料，而且在反應(yīng)過程中可以清楚的觀察到從無色透明溶液中析出白色產(chǎn)品的過程，這種直觀的反應(yīng)現(xiàn)象，非常有利于提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的主動(dòng)性和積極性，這種由表及里的思維在大學(xué)化學(xué)教育中是非常重要的．

盡管我們的實(shí)驗(yàn)在經(jīng)過微型化和綠色化改進(jìn)之后，排除了有毒甲苯的影響，但是不可否認(rèn)引入了低毒類有機(jī)溶劑正己烷，但是考慮到正己烷只被使用在后處理過程中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的使用量極低并且整個(gè)使用過程也只需數(shù)分鐘，因此僅需加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)即可有效消除正己烷的危害．整個(gè)實(shí)驗(yàn)只需一到二個(gè)課時(shí)，產(chǎn)品絕對(duì)結(jié)構(gòu)可經(jīng)核磁清楚鑒定，微型化后的實(shí)驗(yàn)只需簡(jiǎn)單的試管和一臺(tái)水浴振蕩器即可滿足同時(shí)開展數(shù)十個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的條件，這樣的綠色微型教學(xué)實(shí)驗(yàn)完全滿足本科化學(xué)教育的要求．

5 結(jié) 論

改進(jìn)的“綠色的”反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的Diels-Alder反應(yīng)僅使用少量乙酸乙酯和正己烷溶劑，避免了原實(shí)驗(yàn)采用的有毒甲苯溶劑及高溫回流操作，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)微型化后的實(shí)驗(yàn)僅需常用試管和一臺(tái)水浴振蕩器，使得操作更為簡(jiǎn)潔，整個(gè)實(shí)驗(yàn)從理論講解、實(shí)驗(yàn)操作到產(chǎn)品純化鑒定僅需一到二個(gè)課時(shí)即可完成．

通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐檢驗(yàn)，綠色化改進(jìn)的反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的Diels-Alder反應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便易行，安全可靠，反應(yīng)完全，僅有少量回收溶劑產(chǎn)生，在達(dá)到教學(xué)要求的基礎(chǔ)上成功的實(shí)現(xiàn)了綠色化改革．

[1]McDanie K.F., Weekly R. M. The Diels–Alder Reaction of 2,4-Hexadien-1-ol with Maleic Anhydride: A Novel Preparation for the Undergraduate Organic Chemistry Laboratory Course[J].Journal of Chemical Education. Vol. 74 No. 12 December 1997.

[2]Anastas P.T., Warner J.C. Green Chemistry[M]. Oxford: Oxford University Press, 1998．

（責(zé)任編輯：鄭宗榮）

Abstract:To overcome the shortcomings of the traditional D-A reaction experimenting, this article argues that the best way to carry out the college organic chemistry experimenting course is the counter-reaction of Trans-4 Hexadiene-1-Alcohol maleic andydride diel-alder, and proposes some measures and environment-friendly and size-reducing improvement: in a tube a simple mixing of 4- Hexadiene-1-o1, maleic andydride and a small amount of ethyl acetate can witness the completion of more than ten experiments by students in a water bath oscillator. After the experimenting, only a small amount of solvent recovery is left and the product categorical structure can be easily assessed with 1NMR experiments.

Keywords:environment-friendly; counter-reaction of Trans-4 Hexadiene-1-Alcohol; maleic andydride; diel-alder

Trans-4 Hexadiene-1-Alcohol Maleic Andydride D-A Reaction

XIE Yong-sheng1HAO Bin-hua2FENG Lei3
(1.College of Chemistry and Environmental Engineering, Chongqing Three Georges University, Wanzhou, Chongqing, 404100; )
（2.Wanzhou Environmental monitoring Station, Wanzhou, Chongqing, 404100）
（ 3. Chemistry and Chemical Engineering, Shandong University, Jinan, Shandong, 250010 )

G642.423

A

1009-8135（2012）03-0119-03

2012-03-25

謝永生（1980-），男，山東安丘人，講師，博士研究生，主要研究有機(jī)化工和藥物合成.

本文系山東大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目“綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐”（sy2011213）研究成果之一