計(jì)算化學(xué)在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)Diels-Alder反應(yīng)中的應(yīng)用研究*

賀煜涵，白咫杜，李羚華，李 慧

(北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

計(jì)算化學(xué)作為理論化學(xué)的一個(gè)分支，國內(nèi)外諸多高校[1-3]在本科階段化學(xué)相關(guān)專業(yè)中均獨(dú)立開設(shè)計(jì)算化學(xué)課程。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，計(jì)算化學(xué)已經(jīng)逐步被實(shí)驗(yàn)研究工作者作為研究方法開展理論研究[4-7]。實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是研究，方法本身又是理論[8]，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為一個(gè)本科階段的綜合實(shí)驗(yàn)將有機(jī)化學(xué)，物理化學(xué)，理論計(jì)算化學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，遵循理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)原則。Diels-Alder反應(yīng)[9]由共軛雙烯與烯烴或炔烴反應(yīng)生成六元環(huán)，該反應(yīng)具有豐富的立體化學(xué)特性，兼有立體選擇性、立體專一性和區(qū)域選擇性[10]。本項(xiàng)目選擇Diels-Alder反應(yīng)作為研究對象，采用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的教學(xué)方式[11]，在實(shí)踐的過程中進(jìn)行理論計(jì)算，在充分利用時(shí)間的同時(shí)直觀形象的了解有機(jī)化學(xué)中對稱性匹配、p-π共軛，物理化學(xué)中熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相關(guān)概念，達(dá)到理論與實(shí)踐結(jié)合的目的。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 Diels-Alder反應(yīng)機(jī)理

Diels-Alder反應(yīng)是由共軛雙烯體與親雙烯體構(gòu)建環(huán)己烯骨架的經(jīng)典反應(yīng)。反應(yīng)具有豐富的立體化學(xué)呈現(xiàn)，兼有立體選擇性、立體專一性和區(qū)域選擇性等。該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，正向成環(huán)的溫度很低，逆向開環(huán)反應(yīng)需要較高的溫度。該反應(yīng)合成六元環(huán)的能量較低，是制備不飽和六元環(huán)的重要環(huán)化手段之一，對推動(dòng)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)理論的發(fā)展起到了重要作用，該反應(yīng)也在1950年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。本實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)底物為反應(yīng)物1,3-環(huán)己二烯與馬來酸酐，雙烯體1,3-環(huán)己二烯HOMO軌道上的電子向親雙烯體馬來酸酐的LUMO軌道流動(dòng)，經(jīng)歷六元環(huán)過渡態(tài)形成最終產(chǎn)物，具體的反應(yīng)方程式和反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。

圖1 1,3-環(huán)己二烯與馬來酸酐的雙烯合成反應(yīng)

圖2 1,3-環(huán)己二烯與馬來酸酐的雙烯合成

1.2 理論計(jì)算基礎(chǔ)

Gaussian程序[12]是目前最為普及的量子化學(xué)計(jì)算程序，可以計(jì)算得到分子和化學(xué)反應(yīng)的許多性質(zhì)，如分子的結(jié)構(gòu)和能量、電荷密度分布、熱力學(xué)性質(zhì)、光譜性質(zhì)、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)等等。本實(shí)驗(yàn)采用與Gaussian 配套使用的建模軟件GaussView程序構(gòu)建模型，利用Gaussian程序?qū)Ψ肿拥臉?gòu)型和性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，此外采用Multiwfn[13]和VMD[14]軟件進(jìn)行文件轉(zhuǎn)換和軌道分析。理論計(jì)算部分采用密度泛函理論對反應(yīng)物、生成物及過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、振動(dòng)分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行熱力學(xué)能的統(tǒng)計(jì)與自由能面圖繪制。

1.3 紅外光譜的特征振動(dòng)峰

本實(shí)驗(yàn)涉及的化學(xué)鍵和官能團(tuán)在紅外譜圖中特征振動(dòng)峰波數(shù)如表1所示。

表1 特征官能團(tuán)在紅外光譜中的分布

1.4 核磁共振譜圖

核磁譜圖中exo形產(chǎn)物和endo形產(chǎn)物由于其立體構(gòu)型具有明顯區(qū)別，因而其核磁譜圖具有明顯差異。

2 試劑或材料

1,3-環(huán)己二烯，馬來酸酐，甲苯，二氯甲烷，高錳酸鉀,阿拉丁；乙酸乙酯，Greagent；乙醚，國藥；甲基硅油、石油醚，Greagent。

3 儀器和表征方法

3.1 儀 器

CPLL4電子分析天平、圓底燒瓶(50 mL)、橡皮塞、磁力攪拌器(heidolph)、BOSCH熱烘槍、硅膠色譜板、毛細(xì)管、展缸、注射器(50 mL、1 mL)、ZF-1型四用紫外分析儀、防濺球、薄膜真空泵、(BUCHI)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、DLSB-5/20低溫冷卻液循環(huán)泵、真空泵、毛細(xì)吸管、氣球、量筒(10 mL)、砂芯漏斗、刮刀。

3.2 表征設(shè)備

FTIR650 傅里葉變換紅外光譜儀；Bruker 400M核磁共振儀。

3.3 計(jì)算設(shè)備及軟件

聯(lián)想 P328；Gaussian09 D.01；GaussView 6.0；Multiwfn；ChemOffice2020；VMD1.9.3。

4 實(shí)驗(yàn)方法

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

通過電子分析天平稱取約0.3000 g(約3 mmol)馬來酸酐，用1.00 mL注射器吸取0.30 mL(約3 mmol)1,3-環(huán)己二烯，加入到干燥50 mL圓底燒瓶中，加入10 mL甲苯溶劑，攪拌溶解。溶解后將圓底燒瓶放入預(yù)加熱的磁力攪拌器油浴加熱，設(shè)置反應(yīng)溫度為80 ℃。反應(yīng)3 h，反應(yīng)過程中通過取樣進(jìn)行TLC監(jiān)控，或通過紅外光譜儀進(jìn)行監(jiān)控反應(yīng)。

TLC監(jiān)控操作：取少量馬來酸酐固體，用二氯甲烷溶解于樣品瓶中備用。用毛細(xì)吸管取反應(yīng)體系液體，均勻、細(xì)致的在硅膠色譜板上進(jìn)行點(diǎn)樣，另取一只毛細(xì)吸管吸取馬來酸酐點(diǎn)樣液，均勻、細(xì)致的在同一硅膠色譜板上點(diǎn)樣，取30%乙酸乙酯作展開劑于展缸中，待展開劑展開至距離色譜板上端5 mm處，取出硅膠色譜板。在ZF-1型四用紫外分析儀下(λ=366 nm)觀察TLC板上反應(yīng)物、反應(yīng)物和生成物混合物的展開情況，并用鉛筆輕輕描出其區(qū)域，隨后用顯色液高錳酸鉀溶液浸沒TLC板，進(jìn)行顯色處理。每隔0.5 h重復(fù)一次，與前一次硅膠色譜板進(jìn)行對比，查看體系中原料馬來酸酐的反應(yīng)情況，此操作共進(jìn)行至反應(yīng)物馬來酸酐的樣品點(diǎn)幾乎完全消失。

在終身教育理念的影響下，體育教師的教育培訓(xùn)應(yīng)該是一個(gè)終身性的活動(dòng)。體育教師在其一生的職業(yè)生涯中，始終存在著接受培訓(xùn)的潛在需求。應(yīng)該基于專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建科學(xué)完善的課程體系，對體育教師職前與職后進(jìn)行規(guī)范化的教育與培訓(xùn)。此外，在教育與培訓(xùn)的過程中對其進(jìn)行規(guī)范化的資格認(rèn)證也是必不可少的一環(huán)。

反應(yīng)結(jié)束停止加熱，取出圓底燒瓶進(jìn)行冷卻，冷卻后取下圓底燒瓶加上防濺球，打開真空泵，設(shè)置旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀參數(shù)，旋去反應(yīng)體系中的甲苯溶劑。在旋干后得到白色粉末狀固體粗產(chǎn)物，分批加入共5 mL二氯甲烷進(jìn)行溶解，并將液體轉(zhuǎn)移至 50 mL燒杯中，配成飽和液體。分批加入約20 mL石油醚，不斷觀察溶液體系變化，當(dāng)溶液從澄清透明出現(xiàn)部分渾濁時(shí)停止加入石油醚，靜置20 min觀察晶體析出過程，隨后放入冰水中進(jìn)一步結(jié)晶。待溶液澄清后，用砂芯漏斗進(jìn)行減壓抽濾，將原液倒出洗滌晶體；量取25 mL的二氯甲烷/石油醚混合液 (1:4)，分批加入漏斗中對晶體進(jìn)行洗滌，除去附著在晶體上的少量雜質(zhì)。

觀察晶體性狀，并進(jìn)行稱量處理計(jì)算產(chǎn)率，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，總收率在60%～80%之間浮動(dòng)，反應(yīng)具有穩(wěn)定的可重現(xiàn)性。

4.2 理論計(jì)算步驟

理論計(jì)算步驟在實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過程中進(jìn)行。通過GaussView對已知的反應(yīng)物馬來酸酐和環(huán)己二烯、exo-和endo-構(gòu)型的生成物進(jìn)行模型構(gòu)建，采用Gaussian量化計(jì)算軟件包在B3LYP/6-31g*水平下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與振動(dòng)分析。在此基礎(chǔ)上，采用掃描的方法進(jìn)行過渡態(tài)的搜索并進(jìn)行過渡態(tài)優(yōu)化、振動(dòng)分析，確認(rèn)過渡態(tài)有唯一的虛頻和副本征值；并進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)計(jì)算，確認(rèn)過渡態(tài)成功連接反應(yīng)物和產(chǎn)物。對反應(yīng)過程進(jìn)行能量統(tǒng)計(jì)，繪制自由能面圖對反應(yīng)過程進(jìn)行熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

對反應(yīng)物和過渡態(tài)進(jìn)行前線軌道分析，從軌道匹配的角度解釋exo-和endo-構(gòu)型產(chǎn)物的可行性。將計(jì)算過程中產(chǎn)生的檢查點(diǎn)文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并生成*.cub文件，采用VMD對反應(yīng)物、過渡態(tài)、產(chǎn)物的*.cub文件進(jìn)行處理分別得到前線軌道圖。

4.3 表征步驟

紅外光譜法進(jìn)行表征：對兩種反應(yīng)物分別進(jìn)行紅外光譜分析，在實(shí)驗(yàn)過程中反應(yīng)至3 h開始，取反應(yīng)體系液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)監(jiān)測，對共軛雙烯官能團(tuán)的消失進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

核磁共振儀進(jìn)行表征：對重結(jié)晶純化后產(chǎn)物進(jìn)行核磁共振表征，確認(rèn)最終產(chǎn)物為endo-型產(chǎn)物。

5 結(jié)果與討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟，結(jié)果與討論分別從物理化學(xué)中的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、有機(jī)化學(xué)的前線軌道、有機(jī)檢測方法中常用的紅外光譜和核磁共振兩種檢測方法等角度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開分析討論。

5.1 反應(yīng)歷程熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

對反應(yīng)物、過渡態(tài)、產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和振動(dòng)分析后所得數(shù)據(jù)進(jìn)行熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。如表2和表3所示，Reactant 1為1,3-環(huán)己二烯，Reactant 2為馬來酸酐，TS為兩個(gè)反應(yīng)物發(fā)生雙烯加成的過渡態(tài)，內(nèi)型和外型過渡態(tài)分別為TS1-endo和TS2-exo，Endo-product為內(nèi)型產(chǎn)物，Exo-product為外型產(chǎn)物。反應(yīng)路徑中相對能量以Reactant 1+ Reactant 2為相對零點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，反應(yīng)歷程中各結(jié)構(gòu)的絕對能量單位為hartree，相對能量對應(yīng)單位為kcal/mol。

表2 反應(yīng)歷程中各結(jié)構(gòu)的絕對能量

根據(jù)反應(yīng)路徑中各駐點(diǎn)的相對能量，繪制自由能面圖 (圖3)，其中所有數(shù)據(jù)以吉布斯自由能為依據(jù)，勢能作為參照。從熱力學(xué)的角度來看，生成內(nèi)型產(chǎn)物釋放13.02 kcal/mol能量，生成外型產(chǎn)物釋放11.20 kcal/mol能量，相對而言內(nèi)型產(chǎn)物的穩(wěn)定性高于外型產(chǎn)物，內(nèi)型產(chǎn)物在熱力學(xué)上更具穩(wěn)定性。從動(dòng)力學(xué)的角度分析，內(nèi)型產(chǎn)物的過渡態(tài)能壘為30.19 kcal/mol，外型產(chǎn)物的過渡態(tài)能壘為32.74 kcal/mol，內(nèi)型產(chǎn)物的能壘明顯低于外型產(chǎn)物的能壘，說明在動(dòng)力學(xué)上生成內(nèi)型產(chǎn)物的反應(yīng)更容易發(fā)生。從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度皆驗(yàn)證了內(nèi)型雙烯加成產(chǎn)物為優(yōu)勢產(chǎn)物且可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物單一的結(jié)果。

表3 反應(yīng)路徑中各駐點(diǎn)的相對能量

圖3 1,3-環(huán)己二烯和馬來酸酐反應(yīng)生成

5.2 前線軌道分析

1,3-環(huán)己二烯和馬來酸酐反應(yīng)為經(jīng)典的Diels-Alder反應(yīng)，1,3-環(huán)己二烯為雙烯體提供HOMO軌道，馬來酸酐為親雙烯體提供LUMO軌道。根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果分別繪制1,3-環(huán)己二烯的HOMO軌道(圖4a)，馬來酸酐的LUMO軌道(圖4b)。如圖4a所示，1,3-環(huán)己二烯中的C=C雙鍵形成了明顯的p-π共軛，作為雙烯體時(shí)電子流動(dòng)形成新的C=C雙鍵，且電子流動(dòng)至馬來酸酐的LUMO軌道形成新的σ鍵。

圖4 反應(yīng)物和產(chǎn)物的前線軌道圖

1,3-環(huán)己二烯和馬來酸酐相互作用時(shí)，進(jìn)攻方向的差異導(dǎo)致內(nèi)型和外型產(chǎn)物的生成。如圖4c和d所示，繪制內(nèi)型產(chǎn)物和外型產(chǎn)物的前線軌道圖，軌道圖形顯示無論是內(nèi)型產(chǎn)物還是外型產(chǎn)物均符合軌道對稱性匹配原則，通過反應(yīng)可以生成相應(yīng)的產(chǎn)物。

5.3 紅外光譜表征

本反應(yīng)中所使用的溶劑(甲苯)及雙烯體(環(huán)己二烯)沸點(diǎn)較低?？梢暂^為快速的從體系內(nèi)除去，而目標(biāo)產(chǎn)物及馬來酸酐沸點(diǎn)較高不易揮發(fā)，因此可以通過紅外光譜表征的方式對反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)控。結(jié)合有機(jī)化學(xué)理論課程中官能團(tuán)在紅外光譜中的特征振動(dòng)頻率可知，馬來酸酐具有特征的羰基C=O雙鍵及與羰基共軛的C=C雙鍵的紅外光譜，而產(chǎn)物中馬來酸酐同樣具有羰基C=O雙鍵及C=C雙鍵，但生成產(chǎn)物中C=C雙鍵為孤立雙鍵，并且存在特征的烯丙位C-H鍵，所以在反應(yīng)物和產(chǎn)物的紅外譜圖中會有較明顯的差異。故對反應(yīng)物和產(chǎn)物進(jìn)行紅外檢測，通過聯(lián)系取樣進(jìn)行紅外光譜觀察官能團(tuán)特征振動(dòng)峰的消失和出現(xiàn)觀察反應(yīng)進(jìn)度，監(jiān)控反應(yīng)否完全反應(yīng)。

產(chǎn)物中烯烴的C-H伸縮振動(dòng)特征吸收峰3010 cm-1，而馬來酸酐由于與烯烴與酸酐共軛導(dǎo)致烯烴的C-H振動(dòng)特征吸收峰波數(shù)偏低為2950 cm-1,酸酐C-O鍵的伸縮振動(dòng)吸收也同樣會受到烯烴共軛的影響，產(chǎn)物中C-O的特征振動(dòng)峰波數(shù) 1250 cm-1，馬來酸酐中C-O的特征振動(dòng)峰，波數(shù)1200 cm-1。通過每0.5 h對反應(yīng)體系取樣進(jìn)行紅外檢測，可以觀察到反應(yīng)體系的紅外譜圖發(fā)生明顯變化，C-H振動(dòng)特征吸收峰不斷減小，C-O鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰不斷增強(qiáng)。由此可以判斷馬來酸酐不斷被消耗，目標(biāo)產(chǎn)物在不斷生成。

圖5 反應(yīng)物和產(chǎn)物的紅外譜圖對比

5.4 核磁共振表征

通過對實(shí)驗(yàn)重結(jié)晶產(chǎn)物純度及產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類型(endo/exo)檢測，采用核磁共振儀進(jìn)行表征(重結(jié)晶產(chǎn)物1HNMR及13CNMR譜圖見支撐材料)，通過與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對比確定實(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)物為endo型產(chǎn)物，和3.1部分的理論計(jì)算結(jié)果相吻合。通過對比已知文獻(xiàn)報(bào)道的Endo-類型產(chǎn)物標(biāo)準(zhǔn)氫譜和碳譜數(shù)據(jù)，得出反應(yīng)產(chǎn)物為單一的endo類型產(chǎn)物，數(shù)據(jù)對比如下。

Endo-標(biāo)準(zhǔn)氫譜數(shù)據(jù)：(700 MHz, CDCl3, 25 ℃)： δ=1.43(d, J=7.7 Hz, 2 H, CH2cyclohexene), 1.62(d, J=7.7 Hz, 2 H, CH2cyclohexene), 3.15(t, 2H,-CH-CO)), 3.25(m, 2 H, methine cyclohexene), 6.33(dd, J=7.7 Hz, 4.2 Hz, 3.5 Hz, 2 H,-CH=CH-)。

Endo-標(biāo)準(zhǔn)碳譜數(shù)據(jù)：(700 MHz, CDCl3, 25 ℃)： δ=22.98(CH2, cyclohexene), 31.63(methine cyclohexene), 44.77(-CH-CO), 133.05(-C=C-), 172.83(CO)。

圖6 產(chǎn)物核磁共振譜圖(氫譜)

圖7 產(chǎn)物核磁共振譜圖(碳譜)

6 結(jié) 論

采用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，對反應(yīng)物1,3-環(huán)己二烯與馬來酸酐發(fā)生Diels-Alder反應(yīng)進(jìn)行研究。多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)最終產(chǎn)率在60%～80%之間浮動(dòng)，核磁判斷純度>95%，理論計(jì)算過程和實(shí)驗(yàn)過程都具有良好的重現(xiàn)性，實(shí)驗(yàn)總時(shí)長可控制在8 h之內(nèi)。所應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備除核磁共振波譜儀較為昂高外，其余設(shè)備均為教學(xué)實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備，因此作者認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于本科綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)或理論化學(xué)專業(yè)課實(shí)踐環(huán)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)將產(chǎn)物純化通過采用良和不良溶劑混合方式進(jìn)行重結(jié)晶；將基礎(chǔ)化學(xué)中的多門專業(yè)課知識點(diǎn)以綜合實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行結(jié)合，體現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式。

通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的研究方式，讓同學(xué)們切實(shí)體會到理論計(jì)算化學(xué)如何有效的與有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)相結(jié)合，同時(shí)更直觀形象的了解有機(jī)化學(xué)中對稱性匹配、p-π共軛等理論名詞的含義，達(dá)到理論與實(shí)踐結(jié)合的目的。在后續(xù)的學(xué)習(xí)或科研工作中學(xué)以致用，通過對其他已知反應(yīng)機(jī)理的研究深入了解和掌握化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，更透徹的理解化學(xué)反應(yīng)。