L-叔亮氨醇的合成與表征
——介紹一個化學綜合實驗*

郝新奇　趙雪梅　楊貫羽　宋毛平（鄭州大學化學與分子工程學院，河南鄭州450001）

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L-叔亮氨醇的合成與表征
——介紹一個化學綜合實驗*

郝新奇趙雪梅楊貫羽宋毛平
（鄭州大學化學與分子工程學院，河南鄭州450001）

摘要：介紹一個有機化學綜合設(shè)計實驗。該實驗以廉價的L-叔亮氨酸為原料，通過碘催化、硼氫化鈉還原，得到L-叔亮氨醇，并通過紅外光譜、核磁共振氫譜對反應(yīng)產(chǎn)物進行初步的結(jié)構(gòu)鑒定，通過和反應(yīng)原料圖譜的對比，使學生通過實際例子，進一步鞏固有機基礎(chǔ)課所學的波譜理論知識。這種理論和實踐相結(jié)合的試驗，能激發(fā)學生學習的興趣，提高實驗操作技能，進一步提高實驗綜合能力和創(chuàng)新能力。要求學生根據(jù)實驗結(jié)果和文獻調(diào)研，提出該反應(yīng)合理的反應(yīng)機理。

關(guān)鍵詞：綜合性實驗；L-叔亮氨醇；手性化合物；催化；還原

Abstract:In this work, an experiment of synthesis and characterization of L-tert-Leucinol is introduced to the comprehensive chemistry laboratory. The synthesis of L-tert-Leucinol is easily done staring from commercially available L-2-Amino-3,3-dimethylbutanoic acid using sodium borohydride and iodine in THF. The product is characterized by 1H NMR and IR spectra, which not only enhance the students' enthusiasm, but also consolidate the basis of theoretical knowledge and improve their experimental skills.

Keywords:comprehensive chemistry laboratory; L-tert-Leucinol; Chiral Compounds; catalysis; reduction

綜合設(shè)計性試驗是本科教學的重要組成部分，是基礎(chǔ)化學實驗和研究生科學研究之間的橋梁，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的重要手段。學生經(jīng)過了基礎(chǔ)化學理論課的系統(tǒng)學習和實驗課的基本操作訓練，已經(jīng)初步掌握了理論課的基礎(chǔ)知識和實驗課的基本操作技能，但是還沒有將各種實驗技能、方法有機的和理論知識相結(jié)合的能力，創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力也不夠，通過綜合化學實驗，學生可以運用所學的理論知識，結(jié)合實際，從查閱文獻，設(shè)計實驗方案著手，進行系統(tǒng)、完整的實驗操作，再到書寫研究論文等方面可以得到全面的訓練，從而幫助學生鞏固已掌握的化學理論知識和實驗基本技能，使學生初步建立起科學研究的思維方式。所以綜合設(shè)計性試驗對培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新思維能力起著非常重要的作用。目前，有很多高校的化學專業(yè)在基礎(chǔ)化學實驗的教學基礎(chǔ)上，設(shè)計了一些自主創(chuàng)新型的綜合化學教學項目，為培養(yǎng)高層次的化學人才搭建了一個很好的平臺。

手性是自然界與生命休戚相關(guān)的基本屬性之一。近年來，人們對單一手性化合物及手性功能材料的需求推動了手性科學的蓬勃發(fā)展，手性物質(zhì)的合成與醫(yī)藥、農(nóng)藥、精細化工和材料科學的密切關(guān)系也顯示出重要的應(yīng)用前景。鑒于對光學純手性化合物的需求量正日益增加，我們結(jié)合自己的科研工作，選擇設(shè)計了一個有教學意義、涉及科學前沿的、難度適宜的課題——手型氨基醇的合成與表征，作為綜合設(shè)計型實驗之一，已對我校的有機化學專業(yè)的本科生開設(shè)一年。通過“設(shè)計——合成——表征”的實驗過程，讓學生了解科學研究工作的基本思路，通過設(shè)計實驗方案、解決實驗過程中遇到的實際問題，培養(yǎng)學生科學研究的自主性。該實驗既反映了科學研究的最新進展，而且涵蓋的知識點和技術(shù)點較多，涉及到有機化學的還原、催化、波譜學等課程知識，實驗的實用性和可操作性較強，學生的學習興趣濃，有利于培養(yǎng)學生的實驗創(chuàng)新能力。該實驗可安排學生在兩周內(nèi)完成。進行有機合成，結(jié)構(gòu)的表征以及有關(guān)反應(yīng)機理等綜合訓練。

一、儀器與實驗藥品

1.儀器：三口燒瓶（250mL），圓底燒瓶（100mL），冷凝管（球型，直型），量筒，蒸餾頭，尾接管，溫度計，溫度計套管，滴液漏斗，分液漏斗，玻璃漏斗，磁力攪拌器等；紅外圖譜儀（IR）；核磁共振波譜儀（NMR）。

2.藥品：L-叔亮氨酸，2.50g（19.1mmol），硼氫化鈉，1.74g （46.0mmol），碘，4.85g（19.1mmol），四氫呋喃，80mL，甲醇，20％氫氧化鈉水溶液，二氯甲烷，75mL，無水硫酸鎂。

二、實驗目的

1.按實驗要求合成L-叔亮氨醇。

2.利用紅外吸收光譜，核磁共振氫譜等手段對所合成的化合物進行結(jié)構(gòu)的初步判斷，并和反應(yīng)原料的圖譜對比，從而掌握紅外吸收光譜，核磁共振氫譜在有機合成中的應(yīng)用。

3.從實踐和理論上探討碘在該還原反應(yīng)中的催化機理。

三、提示

碘的加入需控制速度，防止沖料；二氯甲烷有毒，請注意安全，盡量避免與皮膚接觸。請以L-valinol的制備方法為模版，設(shè)計并制備標題化合物。

L-tert-leucinol（white solid，mp 30℃，bp 90/0.2 mm，117-120℃/57 mm）

四、實驗內(nèi)容

（一）實驗前準備

要求學生通過化學專業(yè)數(shù)據(jù)庫查閱相關(guān)文獻，并給出以下材料：1.合成L-叔丁基氨基醇的方法；2.設(shè)計實驗方案的初稿。

（二）L-tert-leucinol的制備

文獻報道L-valinol的制備方法（見輔助英文材料），標題化合物可以按照雷同方法制備。請同學們按以上所給原料及用量，結(jié)合輔助材料設(shè)計相應(yīng)實驗步驟，制備標題化合物。

（三）產(chǎn)物的紅外光譜解析

產(chǎn)物的紅外圖譜可進一步揭示分子的結(jié)構(gòu)特征。測試波數(shù)范圍4000～400cm-1，分別測定L-叔亮氨酸，L-叔亮氨醇的紅外吸收光譜。數(shù)據(jù)如下：

L-叔亮氨酸：IR（KBr）3041，3009，2966，2875，1624，1605，1531，1481，1404，1394，1371，1138，1122，1067，1029，939，681 cm-1;

L-叔亮氨醇：IR（KBr）3420，3009，2970，2880，1585，1480，1420，1400，1370，1350，1135，1105，1040，1020，985，940，920 cm-1.

（四）產(chǎn)物的核磁圖譜解析

分別以D2O，CDCl3為溶劑，對L-叔亮氨酸，L-叔亮氨醇的核磁共振氫譜分析，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)得到了進一步證實。數(shù)據(jù)如下：

L-叔亮氨酸：1H NMR（400 MHz，D2O）d 3.24（s，1H），0.93（s，9H）;L-叔丁基氨基醇：1H NMR（400 MHz，CDCl3）3.73（dd，1H，J 10.3，3.8 Hz），3.21（t，1H，J 10.3 Hz），2.51（dd ，1H，J 10.3，3.8 Hz），1.86（br s，3H），0.94（s，9H）。

五、實驗結(jié)果與討論

從L-叔亮氨酸和L-叔亮氨醇的紅外圖譜可以看出，羧基被還原成羥基后，其紅外吸收1624cm-1（羧基吸收峰）消失；而1H NMR圖譜中，羧基被還原成羥基，其圖譜發(fā)生了明顯的變化。

六、思考題

總結(jié)歸納硼氫化鈉的還原性，本實驗得以實現(xiàn)的原因何在？實驗中加入碘的作用是什么？

附：Preparation of L - valinol

A 250 mL three-neck round-bottom flask was fitted with a magnetic stirrer，a reflux condenser，and an addition funnel. The flask was charged with 1.74g（46.0 mmol）sodium borohydri de and 60 mL of THF. L-valine 2.24 g（19.1 mmol）was added in one portion. The flask was cooled to 0-4℃in an ice bath. A solution of 4.85g（19.1 mmol）of iodine dissolved in 20 mL of THF was poured into the addition funnel and added slowly and dropwise over 15 min resulting in vigorous evolution of hydrogen. After addition of the iodine was complete and gas evolution had ceased，the flask was heated to reflux for 1.5h and then cooled to room temperature，and methanol wasadded cautiously until the mixture became clear. After stirring 10 min，the solvent was removed by evaporation leaving a white paste which was dissolved by addition of 40mL of 20％ aqueous NaOH. The solution was stirred for 0.5h and extracted with 3×25mL of methylene chloride. The organic extracts were dried over sodium sulfate and concentrated in vacuo，affording a white semisolid（100％）which was bulb-to-bulb distilled to yi eld 1.85g（94％ as a colorless solid: mp 32℃，bp75℃/6mm，lit .8℃/8mm）.

參考文獻

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作者簡介：郝新奇（1978-），男，漢族，河南葉縣人，副教授，博士，研究方向：金屬有機材料化學。趙雪梅（1969-），女，漢族，河南商丘人，副教授，博士，研究方向：金屬有機化學。楊貫羽（1963-），男，漢族，河南汝州人，教授，博士，研究方向：教學管理。宋毛平（1957-），男，漢族，河南南樂人，教授，博士，研究方向：金屬有機化學與不對稱催化。

*基金項目：河南省高等學校教學團隊建設(shè)項目（教高〔2015〕929號），鄭州大學校級教學改革研究項目（校教務(wù)〔2014〕5號）

中圖分類號：O6-3

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）08-0074-02