反式4-己二烯-1-醇与马来酸酐的D-A反应

谢永生郝斌华冯 磊

（1.重庆三峡学院化学与环境工程学院，重庆万州 404100）

（2.重庆市万州区环境监测站，重庆万州 404100）

（3.山东大学化学与化工学院，山东济南 250010）

反式4-己二烯-1-醇与马来酸酐的D-A反应

谢永生1郝斌华2冯 磊3

（1.重庆三峡学院化学与环境工程学院，重庆万州 404100）

（2.重庆市万州区环境监测站，重庆万州 404100）

（3.山东大学化学与化工学院，山东济南 250010）

文章针对传统D-A反应教学实验的缺点，提出反式4-己二烯-1-醇与马来酸酐的Diels-Alder反应是适合大学有机化学教学实验的最佳选择，并对该实验进行绿色化和微型化改进：仅需在试管中简单的混合4-己二烯-1-醇、马来酸酐和少量乙酸乙酯即可在一台水浴振荡器上完成数十个学生实验；实验后处理简洁快速，仅有少量回收溶剂产生；产品绝对结构很容易地由氢核磁共振实验鉴定．

绿色；反式4-己二烯-1-醇；马来酸酐；Diels-Alder

狄尔斯－阿尔德反应（Diels-Alder反应，简称D-A反应）是由双烯体和亲双烯体在光照或加热条件下合成六元环的反应，是有机合成中常用的人名反应之一，是一类非常重要的构建碳碳键的手段之一．由于该反应一步生成两个碳碳键和最多四个相邻的手性中心，同时具有良好的立体选择性、立体专一性和区域选择性，因此在合成路线设计中灵活运用此反应可以大大减少反应步骤、提高合成效率，从而奠定了D-A反应在天然产物全合成领域中不可替代的地位．

由于D-A反应丰富的立体化学呈现，准确地理解其立体选择性和立体专一性就成为大学有机化学教学的重点，同时开展相关的教学实验更有利于提高学生对D-A立体化学机理的理解．但是传统的D-A反应教学实验——环戊二烯和马来酸酐合成内型降冰片烯-5,6顺式-二羧酸酐-具有以下缺点：

1）原料环戊二烯是一类化学活性很高的易燃有毒有机物，在室温下不稳定，必须从二聚环戊二烯现场热分解制备．环戊二烯较低的沸点（40℃）不利于在实验室被收集、保存和使用，在环境温度较高的地区或季节使用会导致环戊二烯的快速挥发，增加了实验室安全防护的难度．

2）由于反应产物降冰片烯-5,6顺式-二羧酸酐结构的对称性使得四个手性中心的氢核磁共振信号重叠为谱峰较宽的两组，难于准确地归属谱峰，无法通过核磁共振说明内外型产物的比例．

3）降冰片烯-5,6顺式-二羧酸酐遇水或吸收空气中的水汽易水解成相应的二元羧酸，不利于产物结构的鉴定．

克服上述实验缺点，必须发现适合开展大学有机化学实验的新型D-A反应．McDaniel等[1]报道了反式4-己二烯-1-醇与马来酸酐以甲苯为媒介的Diels-Alder反应：其原料4-己二烯-1-醇是一种低熔点的固体，产物是经D-A反应和分子内酯化的双环内酯，具有清楚不重叠的核磁共振一级氢谱，因此该反应非常适合作为有机化学教学实验．然而，甲苯是一类有毒易挥发溶剂，在该反应回流条件下，非常容易逃逸到空气中，因此实验必须在通风橱中操作，溶剂必须回收处理，以避免甲苯污染环境和损害师生健康．

以发展微型绿色有机化学实验为目的，本文针对大学有机化学实验的需要，引入绿色化学方法，对反式4-己二烯-1-醇与马来酸酐的Diels-Alder反应进行了“绿色化”和微型化改进：采用少量乙酸乙酯作为溶剂，仅以试管和一台水浴振荡器即可同时满足数十个学生实验的需要；微型化后，每个实验仅需1毫摩尔投料量，反应后处理简单，仅需回收少量溶剂．

1 实 验

在5 mL的试管中小心的依次加入98 mg 马来酸酐、108 mg 反式4-己二烯-1-醇和数滴乙酸乙酯，将试管用小气球套住封口，固定于水浴振荡器中在70~75℃下缓慢震荡20~30分钟，直到试管中析出白色固体．取下试管，往其中加入0.5 mL正己烷，稍稍摇动洗涤，只将溶剂倾出，再次用0.5 mL正己烷重复洗涤一次，所得白色固体即为目标产物 3，熔点为159~161℃，收率为70%~87%．

2 机 理

反式4-己二烯-1-醇受热异构化为热力学不稳定的顺式异构体1，双烯体 1 与亲双烯体马来酸酐2在少量乙酸乙酯中受热均匀溶解并发生D-A反应，生成图一所示中间体顺式二酸酐，继而发生分子内酯化形成热力学稳定产物 3．分子间的D-A反应遵循内型（Endo）反应规则，以内型的顺式双环产物为主，可能含有少量外型（Exo）产物，并且两者为非对应异构体．

图一 4-己二烯-1-醇与马来酸酐的D-A反应

3 结构鉴定

依据分子间的D-A反应机理，反式4-己二烯-1-醇与马来酸酐的Diels-Alder反应仅可能产生内型和外型两种产物，并以内型产物为主，此两种产物为非对映异构体，若氢核磁共振谱图足够精确，完全可以区分产品中非对映异构体的比例．幸运的是，通过我们的实验获得了如McDaniel等报道的几乎相同的氢核磁共振谱图，各个谱峰可完全归属，仅有单一的内型异构体被纯化获得（图二）．

图二 纯化后产品的H1NMR谱图

4 “绿色化”和微型化改进

绿色化学是从源头上减少或消除在设计、生产和应用化学产品过程中产生或使用有害物质的安全环保的化学方法，通过选择安全的物质去替代危险的原料和避免危险物排放的手段来消除化学研究和生产对环境和人类的危害．[2]最初，我们采用简单混合等摩尔反式4-己二烯-1-醇与马来酸酐的无溶剂法来完成上述D-A反应，尽管反应仍可进行，并且因为不使用反应溶剂使得无溶剂法看上去更为“绿色”，但是在实际操作过程中我们发现，均匀混合两种固体反应物以使反应顺利进行是十分困难的，尤其当反应被微型化之后，微量的两种固体反应物的相互均匀混合就变得极其困难，况且反应后处理仍然需要加入额外的乙酸乙酯和正己烷以获得分析纯的结晶．考虑到乙酸乙酯是实验室中除水之外最为安全的溶剂，我们尝试在反应开始的混合物中加入数滴乙酸乙酯，这样不仅可以有效溶解混合两种原料，而且在反应过程中可以清楚的观察到从无色透明溶液中析出白色产品的过程，这种直观的反应现象，非常有利于提高学生发现问题和解决问题的主动性和积极性，这种由表及里的思维在大学化学教育中是非常重要的．

尽管我们的实验在经过微型化和绿色化改进之后，排除了有毒甲苯的影响，但是不可否认引入了低毒类有机溶剂正己烷，但是考虑到正己烷只被使用在后处理过程中，每个实验的使用量极低并且整个使用过程也只需数分钟，因此仅需加强实验室通风即可有效消除正己烷的危害．整个实验只需一到二个课时，产品绝对结构可经核磁清楚鉴定，微型化后的实验只需简单的试管和一台水浴振荡器即可满足同时开展数十个独立实验的条件，这样的绿色微型教学实验完全满足本科化学教育的要求．

5 结 论

改进的“绿色的”反式4-己二烯-1-醇与马来酸酐的Diels-Alder反应仅使用少量乙酸乙酯和正己烷溶剂，避免了原实验采用的有毒甲苯溶剂及高温回流操作，降低了安全风险，同时微型化后的实验仅需常用试管和一台水浴振荡器，使得操作更为简洁，整个实验从理论讲解、实验操作到产品纯化鉴定仅需一到二个课时即可完成．

通过学生实验的实践检验，绿色化改进的反式4-己二烯-1-醇与马来酸酐的Diels-Alder反应实验操作简便易行，安全可靠，反应完全，仅有少量回收溶剂产生，在达到教学要求的基础上成功的实现了绿色化改革．

[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．

（责任编辑：郑宗荣）

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

谢永生（1980-），男，山东安丘人，讲师，博士研究生，主要研究有机化工和药物合成.

本文系山东大学实验室建设项目“绿色有机化学实验的设计和实践”（sy2011213）研究成果之一