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)測站，重慶萬州 404100）

（3.山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山東濟南 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)測站，重慶萬州 404100）

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

文章針對傳統(tǒng)D-A反應(yīng)教學(xué)實驗的缺點，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)有機化學(xué)教學(xué)實驗的最佳選擇，并對該實驗進行綠色化和微型化改進：僅需在試管中簡單的混合4-己二烯-1-醇、馬來酸酐和少量乙酸乙酯即可在一臺水浴振蕩器上完成數(shù)十個學(xué)生實驗；實驗后處理簡潔快速，僅有少量回收溶劑產(chǎn)生；產(chǎn)品絕對結(jié)構(gòu)很容易地由氫核磁共振實驗鑒定．

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)一步生成兩個碳碳鍵和最多四個相鄰的手性中心，同時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)計中靈活運用此反應(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)，準確地理解其立體選擇性和立體專一性就成為大學(xué)有機化學(xué)教學(xué)的重點，同時開展相關(guān)的教學(xué)實驗更有利于提高學(xué)生對D-A立體化學(xué)機理的理解．但是傳統(tǒng)的D-A反應(yīng)教學(xué)實驗——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：

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物，在室溫下不穩(wěn)定，必須從二聚環(huán)戊二烯現(xiàn)場熱分解制備．環(huán)戊二烯較低的沸點（40℃）不利于在實驗室被收集、保存和使用，在環(huán)境溫度較高的地區(qū)或季節(jié)使用會導(dǎo)致環(huán)戊二烯的快速揮發(fā)，增加了實驗室安全防護的難度．

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)的對稱性使得四個手性中心的氫核磁共振信號重疊為譜峰較寬的兩組，難于準確地歸屬譜峰，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．

克服上述實驗缺點，必須發(fā)現(xiàn)適合開展大學(xué)有機化學(xué)實驗的新型D-A反應(yīng)．McDaniel等[1]報道了反式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氫譜，因此該反應(yīng)非常適合作為有機化學(xué)教學(xué)實驗．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，因此實驗必須在通風(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)展微型綠色有機化學(xué)實驗為目的，本文針對大學(xué)有機化學(xué)實驗的需要，引入綠色化學(xué)方法，對反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的Diels-Alder反應(yīng)進行了“綠色化”和微型化改進：采用少量乙酸乙酯作為溶劑，僅以試管和一臺水浴振蕩器即可同時滿足數(shù)十個學(xué)生實驗的需要；微型化后，每個實驗僅需1毫摩爾投料量，反應(yīng)后處理簡單，僅需回收少量溶劑．

1 實 驗

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產(chǎn)物 3，熔點為159~161℃，收率為70%~87%．

2 機 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)品中非對映異構(gòu)體的比例．幸運的是，通過我們的實驗獲得了如McDaniel等報道的幾乎相同的氫核磁共振譜圖，各個譜峰可完全歸屬，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

綠色化學(xué)是從源頭上減少或消除在設(shè)計、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)去替代危險的原料和避免危險物排放的手段來消除化學(xué)研究和生產(chǎn)對環(huán)境和人類的危害．[2]最初，我們采用簡單混合等摩爾反式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)仍可進行，并且因為不使用反應(yīng)溶劑使得無溶劑法看上去更為“綠色”，但是在實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)順利進行是十分困難的，尤其當反應(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驗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．

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

5 結(jié) 論

改進的“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，避免了原實驗采用的有毒甲苯溶劑及高溫回流操作，降低了安全風(fēng)險，同時微型化后的實驗僅需常用試管和一臺水浴振蕩器，使得操作更為簡潔，整個實驗從理論講解、實驗操作到產(chǎn)品純化鑒定僅需一到二個課時即可完成．

通過學(xué)生實驗的實踐檢驗，綠色化改進的反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的Diels-Alder反應(yīng)實驗操作簡便易行，安全可靠，反應(yīng)完全，僅有少量回收溶劑產(chǎn)生，在達到教學(xué)要求的基礎(chǔ)上成功的實現(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，主要研究有機化工和藥物合成.

本文系山東大學(xué)實驗室建設(shè)項目“綠色有機化學(xué)實驗的設(shè)計和實踐”（sy2011213）研究成果之一