反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的D-A反應

謝永生郝斌華馮 磊

（1.重慶三峽學院化學與環境工程學院，重慶萬州 404100）

（2.重慶市萬州區環境監測站，重慶萬州 404100）

（3.山東大學化學與化工學院，山東濟南 250010）

反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的D-A反應

謝永生1郝斌華2馮 磊3

（1.重慶三峽學院化學與環境工程學院，重慶萬州 404100）

（2.重慶市萬州區環境監測站，重慶萬州 404100）

（3.山東大學化學與化工學院，山東濟南 250010）

文章針對傳統D-A反應教學實驗的缺點，提出反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的Diels-Alder反應是適合大學有機化學教學實驗的最佳選擇，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十個學生實驗；實驗后處理簡潔快速，僅有少量回收溶劑產生；產品絕對結構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（Diels-Alder反應，簡稱D-A反應）是由雙烯體和親雙烯體在光照或加熱條件下合成六元環的反應，是有機合成中常用的人名反應之一，是一類非常重要的構建碳碳鍵的手段之一．由于該反應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、立體專一性和區域選擇性，因此在合成路線設計中靈活運用此反應可以大大減少反應步驟、提高合成效率，從而奠定了D-A反應在天然產物全合成領域中不可替代的地位．

由于D-A反應豐富的立體化學呈現，準確地理解其立體選擇性和立體專一性就成為大學有機化學教學的重點，同時開展相關的教學實驗更有利于提高學生對D-A立體化學機理的理解．但是傳統的D-A反應教學實驗——環戊二烯和馬來酸酐合成內型降冰片烯-5,6順式-二羧酸酐-具有以下缺點：

1）原料環戊二烯是一類化學活性很高的易燃有毒有機物，在室溫下不穩定，必須從二聚環戊二烯現場熱分解制備．環戊二烯較低的沸點（40℃）不利于在實驗室被收集、保存和使用，在環境溫度較高的地區或季節使用會導致環戊二烯的快速揮發，增加了實驗室安全防護的難度．

2）由于反應產物降冰片烯-5,6順式-二羧酸酐結構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外型產物的比例．

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的二元羧酸，不利于產物結構的鑒定．

克服上述實驗缺點，必須發現適合開展大學有機化學實驗的新型D-A反應．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：其原料4-己二烯-1-醇是一種低熔點的固體，產物是經D-A反應和分子內酯化的雙環內酯，具有清楚不重疊的核磁共振一級氫譜，因此該反應非常適合作為有機化學教學實驗．然而，甲苯是一類有毒易揮發溶劑，在該反應回流條件下，非常容易逃逸到空氣中，因此實驗必須在通風櫥中操作，溶劑必須回收處理，以避免甲苯污染環境和損害師生健康．

以發展微型綠色有機化學實驗為目的，本文針對大學有機化學實驗的需要，引入綠色化學方法，對反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的Diels-Alder反應進行了“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十個學生實驗的需要；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正己烷重復洗滌一次，所得白色固體即為目標產物 3，熔點為159~161℃，收率為70%~87%．

2 機 理

反式4-己二烯-1-醇受熱異構化為熱力學不穩定的順式異構體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生D-A反應，生成圖一所示中間體順式二酸酐，繼而發生分子內酯化形成熱力學穩定產物 3．分子間的D-A反應遵循內型（Endo）反應規則，以內型的順式雙環產物為主，可能含有少量外型（Exo）產物，并且兩者為非對應異構體．

圖一 4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的D-A反應

3 結構鑒定

依據分子間的D-A反應機理，反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的Diels-Alder反應僅可能產生內型和外型兩種產物，并以內型產物為主，此兩種產物為非對映異構體，若氫核磁共振譜圖足夠精確，完全可以區分產品中非對映異構體的比例．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，僅有單一的內型異構體被純化獲得（圖二）．

圖二 純化后產品的H1NMR譜圖

4 “綠色化”和微型化改進

綠色化學是從源頭上減少或消除在設計、生產和應用化學產品過程中產生或使用有害物質的安全環保的化學方法，通過選擇安全的物質去替代危險的原料和避免危險物排放的手段來消除化學研究和生產對環境和人類的危害．[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，盡管反應仍可進行，并且因為不使用反應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現，均勻混合兩種固體反應物以使反應順利進行是十分困難的，尤其當反應被微型化之后，微量的兩種固體反應物的相互均勻混合就變得極其困難，況且反應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，我們嘗試在反應開始的混合物中加入數滴乙酸乙酯，這樣不僅可以有效溶解混合兩種原料，而且在反應過程中可以清楚的觀察到從無色透明溶液中析出白色產品的過程，這種直觀的反應現象，非常有利于提高學生發現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化學教育中是非常重要的．

盡管我們的實驗在經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分鐘，因此僅需加強實驗室通風即可有效消除正己烷的危害．整個實驗只需一到二個課時，產品絕對結構可經核磁清楚鑒定，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十個獨立實驗的條件，這樣的綠色微型教學實驗完全滿足本科化學教育的要求．

5 結 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、實驗操作到產品純化鑒定僅需一到二個課時即可完成．

通過學生實驗的實踐檢驗，綠色化改進的反式4-己二烯-1-醇與馬來酸酐的Diels-Alder反應實驗操作簡便易行，安全可靠，反應完全，僅有少量回收溶劑產生，在達到教學要求的基礎上成功的實現了綠色化改革．

[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.

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