用Diels-Alder反应合成顺-4-环己烯-1，2-二羧酸及产品纯度分析——小综合实验推荐

赵华绒　吴百乐　李秀玲　秦敏锐　蔡黄菊（浙江大学化学系，杭州310058）

用Diels-Alder反应合成顺-4-环己烯-1，2-二羧酸及产品纯度分析
——小综合实验推荐

赵华绒*吴百乐李秀玲秦敏锐蔡黄菊
（浙江大学化学系，杭州310058）

推荐了一个适合在化学及非化学专业开设的涉及有机合成、化学分析等操作的小综合实验。采用环丁烯砜加热分解释放出的丁二烯与顺丁烯二酸酐进行Diels-Alder反应来制备六元环化合物顺-4-环己烯-1，2-二酸酐，再经水解得到顺-4-环己烯-1，2-二羧酸。采用酸碱滴定法分析产品纯度，测定产物熔点，并通过红外光谱、核磁共振谱进行化合物结构表征。

Diels-Alder反应；顺-4-环己烯-1，2-二羧酸；合成；纯度分析

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六元环由于其稳定性而在自然界中普遍存在，许多药物分子中也含有六元环，因此，有关六元环的合成和研究在制药工业中非常重要，Diels-Alder反应则是形成六元环的重要反应之一。丁二烯是Diels-Alder反应中最简单的二烯，常温下为气体（沸点为－4.5°C），因此以丁二烯为原料的反应需要使用带有气体操作的装置。环丁烯砜在常温下为稳定的固体，加热至140°C时分解脱去二氧化硫得到丁二烯，是实验室常用的丁二烯来源。环丁烯砜分解释放出的丁二烯与顺丁烯二酸酐进行Diels-Alder反应可用来制备六元环化合物——顺-4-环己烯-1，2-酸酐，经水解得到顺-4-环己烯-1，2-羧酸。顺-4-环己烯-1，2-酸酐和顺-4-环己烯-1，2-羧酸都是重要的药物和农药合成原料。

顺-4-环己烯-1，2-羧酸为二元有机羧酸，可采用酸碱滴定法来分析产品纯度，通过产物熔点测定、红外光谱、核磁共振谱表征化合物结构。

本实验包含有机合成、化学分析的基本操作，同时包含仪器分析的操作，有助于学生理解Diels-Alder反应的原理，尤其是通过原料环丁烯砜即时获得气态丁二烯并参与Diels-Alder反应的方法与原理，以及掌握回流、有毒气体吸收装置、结晶、酸碱滴定分析、熔点测定、红外、核磁等原理与技术。通过本实验的开设，能培养本科学生的动手能力与综合能力。本文所推荐的实验已在浙江大学化学实验中心开设3年以上，教学效果良好。根据开设时所选择内容的多少，实验时数可设计为5－10 h。

1　实验目的

（1）了解利用环丁烯砜加热得到丁二烯与顺丁烯二酸酐进行Diels-Alder反应合成产物的原理。

（2）掌握有毒气体吸收、处理方法以及固体样品的纯化方法。

（3）掌握通过酸碱滴定法分析有机二元酸纯度的方法与技术。

（4）学习有机物结构表征的方法与技术。

2　相关物质的性质

环丁烯砜，又名丁二烯砜。分子式：C4H6O2S；相对分子质量：118.2；性质：无色结晶体。熔点：64－65.5°C。溶于水和有机溶剂。在常温下稳定，加热至140°C时分解脱去二氧化硫得到丁二烯。

顺丁烯二酸酐，别名：马来（酸）酐、失水苹果酸酐、顺酐。分子式：C4H2O3；相对分子质量：98.1；性质：常温下为白色颗粒状、针状或块状。熔点：52.8°C，在较低温度下（60－80°C）也能升华，能溶于醇、乙醚和丙酮，与水作用生成顺丁烯二酸。

二甘醇二甲醚，又名二乙二醇二甲醚。分子式：CH3OCH2CH2-O-CH2CH2OCH3；相对分子质量：134.2；性质：具有醚臭的无色易燃液体，无毒。与水、烃类混溶。主要用作溶剂。相对密度：0.9451，沸点：162°C。

顺-4-环己烯-1，2-二羧酸为白色固体，相对分子质量：170.17，熔点：163.5－164.5°C。有刺激性。水中溶解度：45.9 g/100 mL（80°C）；5.5 g/100 mL（30°C）；1.6 g/100 mL（5°C）。

3　实验原理

顺-4-环己烯-1，2-二羧酸的合成路线如图1所示。

图1　顺-4-环己烯-1，2-二羧酸的合成路线

固体原料环丁烯砜被加热到140°C后会发生分解，释放出SO2气体，并产生气态的丁二烯，将即时获得的丁二烯与顺丁烯二酸酐进行Diels-Alder反应，制备得到顺-4-环己烯-1，2-二酸酐。根据反应所需要的温度、原料、产物在溶剂中的溶解性能以及后处理的便利性等因素，本反应选择在二甘醇二甲醚溶剂体系中进行。反应的温度对产率影响较大。顺-4-环己烯-1，2-二酸酐在水溶液中加热，则水解得到有机二元羧酸——顺-4-环己烯-1，2-二羧酸，通过脱色、结晶等方法进行纯化，采用酸碱滴定法进行产品纯度分析，采用红外光谱、核磁共振谱表征化合物结构。

4　主要试剂及仪器

4.1试剂

顺丁烯二酸酐1.96 g（0.02 mol），环丁烯砜2.84 g（0.024 mol），二甘醇二甲醚（二乙二醇二甲醚）2 mL，活性炭。

4.2仪器

圆底烧瓶，球形冷凝管，吸滤瓶，滴定管，水循环真空泵，真空干燥箱，熔点测定仪、红外光谱仪、核磁共振仪。

5　实验装置

合成实验装置见图2。

图2　合成实验装置

6　实验步骤

6.1顺-4-环己烯-1，2-二酸酐的制备

在干燥的50 mL圆底烧瓶中加入2.84 g（0.024 mol）环丁烯砜、1.96 g（0.02 mol）顺丁烯二酸酐和2 mL二甘醇二甲醚，搭好可进行气体吸收的回流装置，150－160°C下油浴加热并搅拌，反应30 min。

停止反应。稍冷后，将反应瓶置于冰水浴中冷却，使产物析出。向反应液中加入25 mL水，减压过滤，用冷水洗涤2次，每次25 mL，并抽滤至干，收集产品顺-4-环己烯-1，2-二酸酐。

6.2顺-4-环己烯-1，2-二羧酸的制备与纯化

向顺-4-环己烯-1，2-二酸酐中加入适量水，搅拌下加热至沸，使固体全溶。稍冷后，加入约0.5 g（视顺-4-环己烯-1，2-二酸酐的量而定）活性炭脱色，趁热过滤。在冰水中冷却滤液，使产物顺-4-环己烯-1，2-二羧酸析出。减压抽滤至干，将产品于80°C下真空干燥，恒重。

6.3酸碱滴定法分析产品纯度

称取约0.20 g顺-4-环己烯-1，2-二羧酸产品置于250 mL锥形瓶中，加25 mL蒸馏水，微热溶解，加3－4滴酚酞指示剂，用0.1 mol·L－1NaOH标准溶液滴定至溶液呈微红色，30秒内不褪色为终点，记录所消耗的NaOH标准溶液体积。根据所消耗NaOH标准溶液的体积，计算产品的百分含量。平行滴定3次。

6.4顺-4-环己烯-1，2-二羧酸结构表征

纯顺-4-环己烯-1，2-二羧酸为白色固体，熔点为162.1－162.3°C。通过对产品进行熔点、红外光谱、核磁共振谱的测定表征其结构。产物参考谱图见图3和图4。

顺-4-环己烯-1，2-二羧酸IR（KBr压片法）ν：3048，1697，1656，1264，952，653 cm－1（图3）。

图3　顺-4-环己烯-1，2-二羧酸的红外谱图（KBr）

顺-4-环己烯-1，2-二羧酸1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）δ：2.25（dd，J=16.5，5.4 Hz，2H），2.41 （dd，J=16.4，5.0 Hz，2H），2.87（t，J=5.2 Hz，2H），5.62（s，2H），12.18（s，2H）。其中δ=2.42（s）为氘代溶剂（DMSO-d6）的残余DMSO信号峰，δ=3.39（s）为H2O的信号（图4）。

图4　顺-4-环己烯-1，2-二羧酸的1H NMR谱（400 MHz，DMSO-d6）

7　实验指导

（1）顺丁烯二酸酐易水解成相应二元酸，故所用相关仪器需干燥。

（2）顺-4-环己烯-1，2-二酸酐的制备为放热反应，油浴温度须用温度计测量，防止过热！小心烫伤！

8　安全与环保

8.1药品毒性及急救措施

（1）环丁烯砜有刺激性气味，强烈刺激眼睛和呼吸道，应避免与皮肤和眼睛接触。如与皮肤、眼睛等接触，立即用大量流动水清洗，并就医。

（2）顺丁烯二酸酐有强烈的刺激性，易引起烧伤，当溅及皮肤时要用大量清水冲洗。

8.2实验清理

（1）产品顺-4-环已烯-1，2-羧酸回收到相应的非甲类（不含卤素）产品回收瓶。

（2）抽滤产生的反应废液回收到相应的非甲类（不含卤素）回收瓶。

（3）使用后的活性炭、滤纸和废弃的实验用防护手套回收到专用的容器。

9　思考题

（1）根据哪些主要因素确定“顺-4-环己烯-1，2-二羧酸的制备与纯化”步骤中加入水的总量？

（2）本实验为什么用过量的环丁烯砜？

（3）称取顺-4-环己烯-1，2-二羧酸试样0.2000 g，以酚酞作指示剂，用NaOH标准溶液滴定至终点的情况下（假设溶液的体积为60 mL，pH为9.0），估算顺-4-环己烯-1，2-二羧酸的Ka2。

10　小　结

本实验试剂易得、仪器常规，实验过程包含有机合成和化学分析的基本操作，同时包含仪器分析操作与技能，有助于学生理解通过原料环丁烯砜即时获得气态丁二烯并参与Diels-Alder反应的方法与原理，并掌握回流、有毒气体吸收装置、结晶、酸碱滴定分析、熔点测定、红外光谱、核磁共振谱等原理与技术。实验内容丰富，根据所选择开设内容的多少，实验时数可设计为5－10 h。通过本实验的开设，能培养本科学生的动手能力与综合能力。期望本实验能对兄弟院校具有一定的借鉴作用。

［1］刘涛，夏宏宇，杜荣斌，孔学军，徐衡.安庆师范学院学报（自然科学版），2015，21（1），127.

［2］Mc Danie，K.F.；Weekly，R.M.J.Chem.Edu.1997，74（12），1465.

［3］Rideout，D.C.；Breslow，R.J.Am.Chem.Soc.1980，102，7816.

Preparation and Analysis of cis-Cyclohex-4-ene-1，2-dicarboxylic Acid viaDiels-AlderReaction：aProposedAdvanced Chemistry Experiment

ZHAO Hua-Rong*WU Bai-LeLI Xiu-LingQIN Min-RuiCAI Huang-Ju
（Department of Chemistry，Zhejiang University，Hangzhou 310058，P.R.China）

An advanced chemistry experiment involving organic synthesis and chemical analysis is proposed.This experiment is suitable for both chemistry major and non-chemistry major students.ciscyclohex-4-ene-1，2-dicarboxylic acid can be prepared by Diels-Alder reaction with 1，3-butadiene generated readily in situ by means of chelotropic extrusion of sulfur dioxide from 2，5-dihydrothiophene-1，1-dioxide. The Diels-Alder adduct formed in this instance is readily hydrolysed to the dicarboxylic acid by heating with water.The purity of product is analyzed using acid-base titration，and the structure of product is characterized by M.P.，IR and1H NMR.

Diels-Alder reaction；cis-Cyclohex-4-ene-1，2-dicarboxylic acid；Synthesis；Purity analysis

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX201511014

，Email:zhr0103@zju.edu.cn

浙江省2013年高等教育课堂教学改革项目（kg2013005）；浙江大学2015年探究性实验教学改革项目