基础化学实验“蒽与马来酸酐之Diels-Alder反应”的创新与绿色化开设

赵华绒, 秦敏锐, 邵东贝, 蔡黄菊, 余利明

(浙江大学 化学实验教学中心, 浙江 杭州　310058)



基础化学实验“蒽与马来酸酐之Diels-Alder反应”的创新与绿色化开设

赵华绒, 秦敏锐, 邵东贝, 蔡黄菊, 余利明

(浙江大学 化学实验教学中心, 浙江 杭州310058)

融合绿色化学理念,创新基础化学实验蒽与马来酸酐Diels-Alder的反应与重结晶条件,设计采用无毒、水溶性、高沸点的二甘醇二甲醚作为蒽与马来酸酐Diels-Alder反应的溶剂,重结晶体系为二甘醇二甲醚—石油醚混合溶剂。产物经熔点、红外(IR)光谱和核磁共振氢谱(1H NMR)分析表征。采用气相扩散方法培养单晶,产物的晶体结构经X-射线单晶衍射分析。实验方法具有绿色、环保、反应条件温和、后处理简便、收率高等特点,整个实验体系综合性强。

蒽与马来酸酐； Diels-Alder反应； 绿色化学

绿色化学在高校基础有机化学实验教学中正在不断实施和推广,其目的是让学生在接受化学教育的同时认识到化学工作者在制造大量物质财富的同时,也需要留下一个洁净的自然界[1],从而培养学生的绿色化学研究和开发的能力[2]。

1　蒽与马来酸酐反应实验分析

蒽与马来酸酐的Diels-Alder反应实验是在国内外高校基础有机化学实验课程中普遍开展的一个经典实验,传统的实验方法是蒽与马来酸酐在甲苯、二甲苯等溶剂中加热反应制备,粗产物冷却结晶后再利用甲苯或二甲苯等单一溶剂重结晶进行纯化[3-5]。因甲苯、二甲苯为毒性较大的溶剂,该实验存在绿色化开设的需求。近年来,对该实验改进的研究报道也不断呈现,合成以微波辐射法居多[6-9]。微波辐射法较常规合成法反应迅速,产率可高达90 %。但是微波辐射合成实验在本科教学中开设也有其局限性:一是铺开来开设通常受到实验条件,如微波设备数量的限制；二是微波反应时间快,难于观察到明显的合成过程[10]。因此,对传统的蒽与马来酸酐的Diels-Alder反应实验进行改进,使其成为可操作性大的绿色化实验教学内容是一项具有实用意义与一定挑战性的工作。

我校化学实验教学中心所开发和开设的蒽与马来酸酐的Diels-Alder反应，实现了经典实验的绿色化改进与创新,在锻炼学生实验基本操作技能的同时,向学生展示绿色化学的原则与方法。区别于传统实验，新实验具有以下特点:

(1) 所选择的反应溶剂为无毒、水溶性的二甘醇二甲醚,重结晶溶剂为二甘醇二甲醚—石油醚混合溶剂体系,符合绿色化学原则，同时,二甘醇二甲醚沸点高,该高沸点溶剂的选择是基于Diels-Alder反应的热促进特性,通过对反应温度的提升来提高反应转化率；

(2) 采用薄层色谱法(TLC)跟踪反应进程确定反应时间,锻炼学生TLC操作技术和判断反应终点的能力；

(3) 学生学习混合溶剂重结晶溶剂选择原则与实验操作方法,通过对比蒽、马来酸酐、产物及杂质在水、石油醚和二甘醇二甲醚中的溶解性差异,探索重结晶溶剂的选择及溶剂配比,思考重结晶溶剂选择的原则与原因；

(4) 学生学习单晶的培养方法,并依据结构化学的知识对单晶结构进行解析,将有机化学实验与结构化学知识相互渗透。

新实验的综合程度大大增加,比传统实验方法总收率有所提高[11],相对于微波辐射合成法,所需仪器设备常规,实验易于开展、铺开与推广。

2　实验

2.1实验原理

蒽的中心环上具有双烯烃结构,在9,10-位上能与亲双烯试剂——马来酸酐发生1,4-加成反应,生成稳定的加成产物,其反应方程式见图1。

图1　蒽与马来酸酐的Diels-Alder反应方程式

创新实验根据热促进反应所需要的温度、原料及产物的溶解性能以及后处理的便利性等因素,选择在二甘醇二甲醚溶剂体系中进行反应。Diels-Alder反应的温度对反应的产率影响较大,选择沸点高的二甘醇二甲醚作为反应溶剂,能提高反应温度到160 ℃,从而提高反应转化率。原料蒽和马来酸酐以1∶1.1的投料比进行反应。实验采用TLC跟踪。蒽的紫外显色强,反应产物的紫外显色很弱,因此可以根据原料蒽的紫外显色变化情况,并结合产物的碘蒸气显色情况来判断反应终点。

通过对比蒽、马来酸酐、产物及杂质在水、石油醚和二甘醇二甲醚中的溶解性差异,探索出后处理实验方案。重结晶溶剂为二甘醇二甲醚—石油醚混合溶剂体系,其中二甘醇二甲醚为产物之良性溶剂,石油醚则为产物之不良溶剂,产物经混合溶剂重结晶进行纯化,采用红外光谱、核磁共振谱和X-射线单晶衍射分析方法表征化合物结构。

2.2主要试剂与仪器

试剂:蒽、马来酸酐、二甘醇二甲醚、石油醚(60 ～ 90 ℃)、无水乙醚等,以上试剂均为分析纯。

主要仪器:WRS-1B全自动熔点仪；Nicolet Nexus 470傅里叶红外光谱仪；Avance Ⅲ型超导核磁共振波谱仪,500 MHz,DMSO-d6作溶剂；Gemini A Ultra X-射线单晶衍射仪。

2.3实验步骤

2.3.19,10-二氢蒽-9,10-α,β-马来酸酐的制备

在干燥50 mL三口烧瓶中加入1.78 g(10.0 mmol)蒽、1.08 g(11.0 mmol)马来酸酐和20 mL二甘醇二甲醚,搭好回流装置,在回流冷凝管上端连接氯化钙干燥管,采用磁力搅拌加热,薄层色谱法跟踪反应进程(展开剂为石油醚∶乙醚=1∶1,紫外灯配合碘蒸气显色),每隔10 min取反应液点样分析,根据365 nm紫外照射下蒽的荧光强度变化与碘蒸气下原料与产物黄褐色斑点的变化情况来判断反应终点。反应约需30 min。

停止反应,稍冷,将反应液倒入有30 mL冷水的烧杯中,使固体产物析出。抽滤,得约2.42 g粗产品。

2.3.2产品的纯化

粗产品在二甘醇二甲醚—石油醚溶剂体系中进行混合溶剂重结晶(二甘醇二甲醚与石油醚之体积比约4∶1),得到9,10-二氢蒽-9,10 -α,β-马来酸酐纯品。真空干燥后称量,得纯产物2.02 g,重结晶收率超过80 %,实验纯产物总收率73 %。产品经熔点测定,IR、1H NMR等分析表征。

2.3.3产物的单晶培养与晶体结构分析

单晶培养:取9,10-二氢蒽-9,10-α,β-马来酸酐纯品约30 mg置于2 mL二甘醇二甲醚中,加热回流至完全溶解,过滤,除去不溶物。将溶液转移至小菌种瓶中,小菌种瓶置于有4 mL不良溶剂石油醚的大菌种瓶中,密封,采用气相扩散法培养单晶。6天后,小菌种瓶内壁有晶体析出(见图2)。用毛细点样管将瓶壁上的晶体轻轻推入溶剂中,将晶体过滤到滤纸上,再将晶体转移到干燥滤纸上,防止母液腐蚀晶体表面。晶体结构经X-射线单晶衍射仪分析。

图2　单晶培养

3　实验结果与讨论

3.1反应条件的选择

二甘醇二甲醚的沸点为159.7 ℃,无毒,且能溶于水,该溶剂用于蒽与马来酸酐的微波合成反应有过报道[6]。选择该溶剂作为Diels-Alder反应溶剂,对实验进行绿色化改进,实现了提高热促进反应温度,反应液回流温度可提升到近160 ℃,从而达到了缩短反应时间、提高反应转化率的目的,加热回流条件下30 min反应即可完成,产率与微波辐射反应的结果相当[12],同时符合绿色、环保的要求。

蒽与马来酸酐反应投料比为1∶1.1的选择是基于马来酸酐在二甘醇二甲醚—水体系中的良好溶解性能,未反应完全的马来酸酐较蒽易溶于二甘醇二甲醚—水体系而除去。

学生在实验过程中体会Diles-Alder反应的反应条件,领会“绿色化学”的精神、比较各种实验方法。

3.2反应后处理方案的设计

3.2.1粗产品的析出

反应结束后,向反应混合液加入适量冷水,可达到析出产物9,10-二氢蒽-9和 10-α,β-马来酸酐、溶解和除去原料酸酐等多种目的。主要是考虑和利用二甘醇二甲醚的水溶性,以及产物在冷的二甘醇二甲醚—水溶剂体系中可以较完全析出的特性。反应结束后反应混合液中适量冷水的加入,又可减小产物在二甘醇二甲醚中的溶解度,也是本实验收率较传统方案得以提高的原因之一。

3.2.2粗产品的混合溶剂重结晶

重结晶溶剂的选择需要考虑杂质与产物在一定溶剂中的溶解度差异,并结合“绿色化学”的原则综合考虑。粗产品采用二甘醇二甲醚—石油醚作为混合溶剂重结晶的溶剂体系,是基于二甘醇二甲醚对多数有机化合物的溶解性能很大考虑的。原料蒽、副反应产物及产物等在二甘醇二甲醚中基本可溶,借助于石油醚的加入,产物会随之析出,而蒽的结构特点决定了其在二甘醇二甲醚与二甘醇二甲醚—石油醚体系中溶解度均较大而难以析出,从而达到纯化粗品的目的。而且,由于不良溶剂的参与,重结晶收率也高于二甲苯重结晶的传统方法。学生在重结晶过程中体会与领悟“相似相溶”的理论与实践,学习混合溶剂重结晶的原理与操作。

3.3产品分析

3.3.1熔点的测定

9,10-二氢蒽-9,10-α,β-马来酸酐纯品熔点为262.2～262.5 ℃。

3.3.2红外光谱分析

9,10-二氢蒽-9,10-α,β-马来酸酐红外光谱图见图3(KBr压片法),在3 500～400 cm1范围内特征吸收峰如下:1 782 cm1为环酸酐C=O对称伸缩振动吸收,1 229 cm1为环酸酐C—O伸缩振动吸收,1 464 cm1为苯环C=C骨架振动,758 cm1为苯环邻双取代C—H面外弯曲振动吸收。

图3　9,10-二氢蒽-9,10-α,β-马来酸酐的IR光谱图

3.3.3核磁共振氢谱(1H NMR)分析

取9,10-二氢蒽-9,10-α,β-马来酸酐产品约10 mg溶于0.5 mL氘代二甲亚砜(DMSO-d6),用500 MHz核磁共振波谱仪进行1H NMR分析,结果(见图4)分析为:δ=2.50 ppm (s)为残余的DMSO信号，δ=3.33 ppm (s)为水信号。δ=7.47 ppm (dd,J=5.4,3.3 Hz,2 H)和7.34 ppm(dd,J=5.4,3.3 Hz,2 H)为与1,4,5,8位碳原子相连的4个氢质子吸收峰,δ=7.19 ppm (ddd,J=7.5,5.4,3.2 Hz,4 H)为与2,3,6,7位4个碳原子相连的氢质子吸收峰,δ=4.87 ppm (s, 2 H)为9,10位2个H的吸收峰,δ=3.68～3.63 ppm (m, 2 H)为五元环酸酐中的2个C—H的吸收峰。

图4　9,10-二氢蒽-9,10-α,β-马来酸酐的1H NMR谱图

3.3.4单晶的培养及晶体结构分析

产物单晶培养的溶剂与重结晶溶剂选择方法相同,并采用气相扩散法培养。重结晶后的产品用于晶体培养,首先溶于二甘醇二甲醚的9,10-二氢蒽-9,10-α,β-马来酸酐,在外围石油醚的扩散和作用下,得以缓慢地以单晶的形式析出。通过该实验让学生了解晶体培养方法,学习使用软件Mercury,并与结构化学相结合来分析产物的分子结构,提高了实验的综合性。

X-射线衍射数据表明,该晶体属于单斜晶系,晶胞参数a=1.122 6(6) nm,b=0.947 2(5) nm,c=1.286 2(8) nm,α=90°,β=103.55°,γ=90°,V=1.329 6(13) nm3,Dc=1.380 g/cm3,Z=4,F(000)=576,μ=0.094 mm-1,空间群为P1 21/c。化合物9,10-二氢蒽-9,10-α,β-马来酸酐的分子结构图如图5所示。通过晶体结构可以看出,两苯环的夹角为54.12°,酸酐五元环与同侧苯环的夹角为57.85°与异侧苯环的夹角为4.39°。

图5　9,10-二氢蒽-9,10-α,β-马来酸酐的分子结构

3.4绿色化实验与传统实验及微波辐射法的比较

绿色化改进后的蒽与马来酸酐的Diels-Alder反应实验方法所具有的特点,与传统的实验方法和微波辐射合成方法相比较,结果见表1。可以看出,相对于传统的实验方案,本实验方案的产率提高,所用溶剂的毒性大大降低。相对于微波辐射下的合成方法,本实验的优点是便于学生观察实验现象、可扩大与推广性强,且本绿色化改进的实验方案中对学生的基本操作训练的难度和综合性都有所提高。

表1　绿色化改进实验与传统实验、微波辐射合成法的特点比较

注：微波辐射合成法方案的总收率为未经重结晶的收率

4　结论

将蒽与马来酸酐的Diels-Alder反应实验进行绿色化综合改进后,实验包含的与有机合成相关的基本操作和知识点有回流、TLC跟踪反应进程、混合溶剂重结晶纯化产物、单晶培养以及熔点测定、红外光谱、核磁共振、X-射线单晶衍射等产品纯度分析、结构鉴定方法,具备了综合实验的性质。在培养本科学生的实验综合能力的同时创导与传输了绿色化学的理念和绿色化学的知识与技术,还将有机合成与仪器分析、结构化学相渗透。

References)

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Basic chemical experiment of “Diels-Alder reaction of anthracene and maleic anhydride” in line with innovation and green chemistry

Zhao Huarong, Qin Minrui, Shao Dongbei, Cai Huangju, Yu Liming

(Experimental Chemistry Center, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Based on green chemistry concept,a basic chemistry experiment for the Diels-Alder reaction of anthracene and maleic anhydride and for the conditions of re-crystallization is innovated, diglyme which is non-toxic and water-soluble, and has high boiling pointis used as the solvent for the reaction of Diels-Alder of anthracene and maleic anhydride as “greenization.” The mixed solvent is produced by combing 9, 10-dihydro-anthracene -9, 10-α, β-maleic anhydride, the re-crystallization system with diglyme-petroleum. The product contains analytical characterization of melting point, infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance spectroscopy．A single crystal is cultivated by gas phase diffusion method and its structure is analyzed by X-ray single crystal diffraction method. By applying this experimental method to the basic organic chemistry experimental teaching, the results show that this innovative experiment has the advantages of being green, environmental protection,moderate reaction condition, easy post-processing, good yielding, etc., and the whole system of this experiment is comprehensive.

anthracene and maleic anhydride；Diels-Alder reaction；green chemistry

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.051

2016-03-30

国家自然科学基金项目“国家基础科学人才培养基金(科研训练及科研能力提高)”(J1210042)；浙江大学探究性实验教学改革项目

赵华绒(1968—),女,浙江余姚，博士,副教授,研究方向为有机化学方面的教学与科研E-mail：zhr0103@zju.edu.cn

秦敏锐(1984—),女,安徽阜阳,硕士,实验师,研究方向为有机化学实验室管理.E-mail：qmr0906@163.com

O6-33

A

1002-4956(2016)10-0204-05