绿色化的大学化学实验[美][李朝军 译].pdf

Covers_SC.indd 310/3/05 4:13:00 PM 致 谢 本书中文版是由 加拿大魁北克省蒙特利尔市麦吉尔大学的李朝军教授翻译完成 中文排版由Foreign Ink Ltd.完成。 美国化学学会 Cornithia Harris，教育分会 Mary Kirchhoff，教育分会 Sylvia Ware，教育分会 中文版教科书，Mary Kirchhoff 和 Mary Ann Ryan（主 编），原版为英文， 2002 年美国化学学会 。 ISBN 08412-3990-8 所有的这些材料是由美国化学学会和隶属于美国环保署（EPA）的防止污染及有毒物品绿色化学项目办公室共同合 作而成.部分的赞助是由美国环保署通过 X829066011号合作协议而提供的。本书的任何观点，发现，结论 以及建议均仅作者个人立场，并不代表美国环保署的观点。本书所涉及的商标与美国环保署无关。 本书所涉及的注册名称和商标，即使没有特别声明，也不能认为是不受法律保护的。 版权2005 美国化学学会 本书是在美国用回收的油墨和纸张印刷。 本书的翻译和印刷由绿色化学研究所完成。 Covers_SC.indd 410/3/05 4:13:01 PM 绿色化的 2005 PUBLISHED BY THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY 大 学 化 学 实 验 I-VI Intro pages_SC.indd 110/3/05 4:17:01 PM 目录 1 4-羟基苯乙酮的亲电芳香碘化反应 化学概念 亲电芳香取代反应 绿色化学论题 更安全和更高选择性试剂；较无毒溶剂 4 钯催化下的炔偶联分子内炔加成：苯并呋喃化合物的合成 化学概念 炔化学；取代反应；金属有机化学；对空气敏感化合物 绿色化学论题 水相金属有机化学；催化；高效合成路线；水相溶剂；室温反应 8 微波促进下的蒽与马来酐的Diels-Alder反应 化学概念 协同反应；2+4环化加成 绿色化学论题 原子经济性；降低能耗；微波加热反应混合物 11 乙醇的生物合成：可再生性原材料和酶催化 化学概念 发酵；反应速度 绿色化学论题 可再生起始物；生物催化；室温下的反应 14 用硫胺素取代氰化物作催化剂的安息香缩合 化学概念 催化；羰基的亲核加成 绿色化学论题 原子经济性；更安全的试剂；催化剂 18 用可循环使用粘土对用于形成亚硫酸氢盐加成产物的醛进行纯化和 微波再生 化学概念 纯化；羰基化学 绿色化学论题 低腐蚀性试剂；微波加热反应混合物；无溶剂反应条件 21 用活性碳通过微波加热进行酯化 化学概念 酯化反应；酸催化 绿色化学论题 减少溶剂的使用；用微波加热反应混合物 23 水溶性催化：相当于格氏反应的水中反应 化学概念 形成C-C键；金属催化；放热反应 绿色化学论题 更安全溶剂；催化 25 用固体酸催化的Pechmann反应来合成7-羟基-4-甲基香豆素 化学概念 酸催化；非均相催化剂 绿色化学论题 固相催化剂；易分离 绿色化的大学化学实验 II I-VI Intro pages_SC.indd 210/3/05 4:17:01 PM 27 微波加热合成四苯基卟啉 化学概念 亲电芳香取代反应；可见光谱 绿色化学论题 固载无溶剂合成；反应混合物的微波加热；更无毒溶剂体系的色谱 32 四苯基卟啉的金属化 化学概念 配位化学；可见光光谱 绿色化学论题 更无毒溶剂；室温反应 35 有机化学的应用：用分子膜对表面进行图案化 化学概念 表面化学；通过有机薄膜修饰表面的性能；制备自组装单层膜（SAM）；微接触印刷 绿色化学论题 减少材料的使用；自组装；低毒溶剂 42 用天然染料构建太阳能装置 化学概念 氧化；光电池 绿色化学论题 替代能源；可再生原料 45 水性光阻胶 化学概念：聚合物；光二聚反应；交联 绿色化学论题：水溶剂；室温反应 绿色化的大学化学实验 III I-VI Intro pages_SC.indd 310/3/05 4:17:02 PM 实验室安全事项 当你做实验时，安全非常重要。尽管无论做什么都不会完全无危险，但是如果你根据常识 及化学感觉并遵守安全规则，就不会有问题。下列安全规则适用于任何化学实验。遵守这些 规则对您及您的同学们的人身安全都是必要的。你的教员会指出每个具体实验中的特别安全 事项。 化学实验室的安全操作 1 只有在教员在场时做实验，不要做任何非指定实验。在无人指导的情况下，不 要做任何实验。 2 熟悉实验中所有安全设备的位置及使用方法，包括安全淋浴、洗眼睛的水龙头 及灭火器。熟悉出口位置及安全撤离路线。熟悉急救箱位置，并随时准备好帮 助别人。 3 在实验室里任何时候都要戴防护眼罩或眼镜。在实验室里保护眼睛非常重要。 4 穿合适的衣服：穿完全覆盖脚部的鞋子（不要穿凉鞋或露脚趾的鞋子），把长 头发绕到头后面，不要穿宽松的衣服。 5 禁止在实验室吃东西、喝东西及抽烟。 6 如果实验室里有人使用火焰，使用挥发性溶剂时要格外小心。当你要使用挥发 性溶剂时，先看一下有没有人在你附近用火。 7 小心使用任何化学药品。当你要闻瓶内的化学品时，要小心，用完以后要马上 盖上瓶盖，擦净任何撒落的化学品。在物质安全性能数据资料（MSDS） 中查找所用化合物的详细资料。 8 当丢弃或处理用后的物品时，要按照指示进行。通常不允许把任何化学废物倒 入下水道。 9 离开实验室之前要洗手。 如有任何实验事故应立刻向教员报告。 如果药品溅到皮肤或衣服上：用大量水把有药品的地方冲洗干净。如皮肤轻微 烧伤应放在冷自来水下冲洗。如果衣服上的药品较多，在淋浴下脱下有药品的衣 服，并进行医疗处理。 如果化学药品进入眼内：用大量的洗眼睛自来水或瓶装水冲洗1015分钟，或 者让伤者面向上躺在地板上，用大量的水倒入眼内，然后进行医疗处理。 如果衣服着火：让伤者在地上打滚把火熄灭。扶伤者到安全的淋浴下，直到火 完全熄灭，药品被冲洗掉。脱下污染的衣服，把伤者用毛毯包起来，以免受惊吓， 进行医疗处理。 小创伤应先冲洗，加压止血。 大创伤应用包扎棉直接盖住伤口，加压止血，抬高受伤部位，并马上进行医疗 处理。 绿色化的大学化学 实验一书中所含的实验 是供大学生在合格的化学 实验教员直接指导下使用 的。本书中所用物质如使 用不当或没有按照操作去 做，可能会有危险。要仔 细阅读安全事项并严格按 照操作步骤操作。除非实 验操作中明确指出，不要 使用或者混用任何试剂。 书中的其它材料只作教学 用。除非教员直接指出， 否则不得使用这些材料。 本手册中所含的材料、 安全资料和操作步骤被认 为是可信的。书中资料及 操作步骤只作为开发一些 好实验方法的起点。本手 册不为任何人提供法律标 准，也不代表美国化学会 的官方政策。美国化学会 对本手册所列的资料的正 确程度及精确性也不负任 何责任。所增加的安全事 项目的在于为安全操作提 供一些基本的原则。不应 该认为所有安全注意事项 都已包括在本书中了。还 可能需要别的安全保护措 施。 重要说明 绿色化的大学化学实验 IV I-VI Intro pages_SC.indd 410/3/05 4:17:02 PM 前言 化工产品既是世界经济的中心，也是提高全世界人们生活质量的关键。我们用化学 办法合成各种各样物质来满足衣食住行的最基本需求。我们用它来开发一些在生物工 程、通讯和药物发展中的一些最关键的材料。整个社会因化学发展而受益巨大。 但是，我们为这些获得的利益也付出了一定的代价。化工产品主要是通过一些需求 大量能量的工业过程，并用非再生性的和基于石油的原材料来获得的。很多这样的工业 过程在产生所需产品的同时或需用有害物质，或产生废物。而这些废物将对人们的健康 及环境造成危害。怎样解决以下这些问题是取得可持续发展的关键：怎样才能保证未来 的世世代代将具有同我们一样的生活和发展机会？怎样才能增强经济发展，保护环境， 并同时使所有的人均有较高的生活质量？正如由于进行化学生产导致了我们所面临的问 题，化学研究也必须在寻找解决这些问题过程中起中心作用。 发展持续性化学产业的最基本挑战在于发明一些开创性办法，使得在发展科学的同 时，使人接触们有害化学品的机会最小，对环境造成的影响最低。历史上，美国对待 环境问题是通过“命令及控制”的办法来进行的，其中通过了一些法律，建立了一些标 准及执行了一些规定。这种办法主要是立足于对废物的处理、清理及控制，并认为废物 的生成是化学产品的生产和利用的自然结果。一种新的办法强调通过设计和利用更“洁 净”化工产品及化工过程来达到防止污染的目的，并使得化工产业达到可持续性发展。 绿色化学通过设计化学产品和化学过程以减少或消除有害物质的使用和产生是 防止污染的最根本办法。化学家们能够用绿色化学在原子和分子的基础上来设计化学产 品和化学过程，以达到防止污染品形成的目的。运用绿色化学能够改善环境、提高安全 性及获得经济效益。 要使化学品在设计上无害，化学家们要在考虑一种物质及其各种化学和物理性能的 同时，还必须考虑到该物质的有害性，然后选择最低有害性的产品和过程。绿色化学原 则（见书后内封面）强调使用更安全的起始物来进行高效化学反应，使用可再生性原材 料，节约能源，寻求更安全的溶剂，并对产品及废物进行最大限度的再利用和回收。这 些概念贯穿于整个绿色化的大学化学实验中。 绿色化学和大学课程 引入绿色化学概念对各年级学生都有好处。通过对不同化学品具有不同有害性的学 习（绿色化学的一个重要组成部分），能够增加学生们对危害性的深刻理解。认识到绿 色化学方法能使化学从根本上更安全，能增加学生们对化学这个专业和职业的兴趣。向 打算以化学为职业的学生们教授绿色化学概念，能够给他们提供一些参考。他们可以将 来用它来设计更绿色的化学过程和化学产品。 教员们可以利用绿色化的大学化学试验一书把绿色化学融于化学课程中。每个 实验都从绿色化学观点出发，探讨通常的化学论题。学生们在获得常规化学技能和仪器 使用的同时，使用更少的有毒化学品，从而降低对健康及环境的危害。每个实验包括： 背景部分：讨论与某些化学品或化学过程相关的毒害性，以及设计更绿色化的办 法，来降低该毒性所面临的挑战。 实验前及实验后问题：帮助学生们了解实验步骤，并深刻思考相关的化学概念和 绿色化学论题。 绿色化的大学化学实验 V I-VI Intro pages_SC.indd 510/3/05 4:17:02 PM 相关文献：以便对其中的绿色化学问题进行更深刻探讨。 这本实验手册应配合解释常规化学技能的材料一起使用。 并非用于这些实验的所有化学品都是无毒的。因此，进行这些实验时应遵守标准的 安全程序。但是相对于传统的实验来说，本书中的每个实验对健康和环境有较好的保 护。我们鼓励学生及教员想办法使本书中的实验更绿色化。 本书材料的使用许可 教员们可以把本书的全部或部分实验用于个别课堂教学中，也可被用于训练其他教 员。但在没有得到美国化学学会的教育和国际部直接许可的情况下，不可用于其他目 的，尤其不可被用于任何商业目的。 VI 绿色化的大学化学实验 I-VI Intro pages_SC.indd 610/3/05 4:17:02 PM 1 绿色化的大学化学实验 化学概念 亲电芳香取代反应 绿色化学论题 更安全和更高选择性试剂；较无毒溶剂 前言 与烷烃类化合物的取代化学（主要是亲核取代过程）相比，芳香化合物的最常见的反应是亲电 取代反应。通常，这些反应是通过一个加成-消除的两步机理来进行的。其中，芳环的 电子进攻 亲电试剂并产生碳正离子中间体。该中间体然后消去一个离去基团（常常是一个质子）并生成取 代产物（图式1）。 通过对这个机理的认识能够推断芳环上现有的基团对取代反应的速率及取代位置的影响。例如 能供给电子的基团可促进取代反应的进行，并把进攻试剂引向取代基的邻位和对位。进攻这些位 置使得反应中间体的正电荷最有效地以共振形式存在而稳定。 芳香化合物的“卤代”（即以其中A元素之一来取代氢原子）通常是在催化剂的作用下利用 芳香化合物和Cl2，Br2，或者I2的反应来进行的。元素形式的碘操作起来比较简单，溴是易挥发性 液体。液态及气态溴能对皮肤及眼睛造成严重烧伤并对呼吸系统造成严重甚至致命的刺激。氯是 一种能对呼吸系统造成严重甚至致命刺激的气体（沸点为-34）。由于这些危害性，建议在大学 实验中不要使用元素溴和氯。尽管如此，卤代反应是把芳香化合物转变成其它有用及重要的化合 物的一个重要方法。 在本试验中，你将学习芳香化合物的碘代反应。碘本身对许多芳香化合物来说是惰性的。因 此，一种碘和强的氧化剂混合物（如硝酸）是传统的碘化试剂。在某些特定情况下如芳环上有很 强的供电基团存在时，碘代反应较容易进行。但是在这种情况下，比较难控制反应的速度及选择 性。在一些如苯酚等非常活泼的芳香体系中，很难控制碘化的位置及氢被碘取代的数量。因此， 对绿色化学家们的挑战之一就是寻找合适的反应活性及选择性的平衡，使得反应能够在适当的时 间内完成而不需用过毒的试剂，同时反应只生成所需的产物而不生成副产物。 本周你所使用的碘代反应是一个较简便的办法。该方法使用一个碘化钠盐作试剂，并用家用漂 白粉（NaOCl）作氧化剂在乙醇水溶液中来进行（图式2）。这个反应与传统方法相比具有两种优 点： 4-羟基苯乙酮的亲电芳香碘化反应 Robert Gilbertson, Kathryn Parent, Lallie McKenzie, and Jim Hutchison* Department of Chemistry 1253 University of Oregon Eugene, OR 97403 hutchoregon.uoregon.edu *Corresponding author H + E+ H E H E + H E E + H+ 图式1. 亲电芳香取代反应 1-22_SC.indd 110/3/05 4:15:22 PM 绿色化的大学化学实验 2 （1） 该反应既高效，选择性又好，能得到高产率的单一碘代产物。 （2） 该方法的反应条件对环境更有益（使用低危害性氧化剂NaOCl而非HNO3。并使用了较低毒 的乙醇作溶剂）。（1） 预习问题 1. 学习和（或）复习实验手册中对下列实验技术的陈述。 旋转蒸发器 重结晶 熔点 2. 在你的实验记录本中，完成预习写作作业，格式包括：标题，实验目的，化学反应式，物理常 数表及操作步骤。 3. 解释为什么在加入盐酸以后产物会沉淀出来。 4. 用化合物结构式说明为什么碘代反应主要发生在羟基的邻位而不是酰基的邻位。 试剂和仪器 100 mL 圆底烧瓶 4-羟基苯乙酮 乙醇 碘化钠 冰浴 家用漂白剂（Ultra Clorox，6 w/w次氯酸钠） 硫代硫酸钠 盐酸 旋转蒸发器 滤纸 滤瓶 实验步骤 安全事项 乙醇易挥发，易燃烧 在一个100 mL圆底烧瓶中，用20 mL乙醇溶解大约1克4-羟基苯乙酮，然后在该溶液中加入 1.2当量的碘化钠，并用冰水浴使其冷却到0。 用分液漏斗或注射器慢慢地把1.0当量的次氯酸钠加入到冷却的烧瓶中，该过程需要30分钟。慢 慢滴加漂白剂会增加产率且产物容易纯化。 当滴加完以后，让溶液在0下搅拌1小时。 搅拌以后，加入大约10 mL硫代硫酸钠（10 w/w浓度），然后用盐酸（10 w/w浓度）酸 化。碘代芳香化合物这时将沉淀出来。 Nal/ethanol bleach ( 5.25% NaOCI) OH O H3C OH O H3C I 图式2. 4-羟基苯乙酮的碘代反应 1-22_SC.indd 210/3/05 4:15:23 PM 绿色化的大学化学实验 3 把烧瓶接到旋转蒸发器上，把悬浮液中的乙醇在微微加热的情况下除去。该过程最多需10分 钟。 把烧瓶放入冰中冷却几分钟，然后用减压抽滤收集沉淀。 用开水把碘代芳香化合物的粗产物进行重结晶。如需要可用热过滤来除掉反应中形成的任何二 碘代化合物（4-羟基-3,5-二碘苯乙酮在热水中不溶）。让热溶液冷却到室温，然后放置于冰浴中几 分钟以保证高产率。 用真空抽滤来收集结晶，并让空气通过几分钟来促进其干燥。把所得晶体称重并测其溶点。文 献中报道的熔点是155-156。（2） 把你所得产物保存好用作下一个实验（钯催化下的炔偶联/分子内炔加成反应：苯并呋喃的合 成）的最初使用材料（第4页）。 清理 把过滤液放入水相废液桶，把回收的乙醇倒入非卤代有机物的废液桶。 实验后问题 1 描述你所得粗产物和纯化后产物的物理性能（颜色和状态），报告所得产物重量和百分产率。 解释任何可能造成低产率的原因。 2 你所得到的产物的熔点与文献报道有何相同和不同之处？如果差别较大，请给出一个较可能的 原因。 3 计算你所得产物每克所花的成本（处理废物的费用可以计算在内，也可以不用计算）。对比你 所得产物每克所花的成本和一家出售该产品的公司的价格。 4 在该反应中每个试剂都起什么作用？在反应后处理时，硫代硫酸钠的作用是什么？ 绿色评估及进一步优化的机会 在该反应中所用的试剂和溶剂（碘化钠，家用漂白剂，乙醇和水）与其它碘代反应中所用的有 机溶剂和强氧化剂相比“绿色”成分多得多。该方法的高选择性尽可能地降低了副产物的形成， 并避免了对原料的浪费，也消除了纯化过程中的废弃溶剂。最后，该反应中所得到的产物可以被 用于另外一个实验（钯催化下的炔偶联/分子内炔加成反应：苯并呋喃的合成）。 假如你认为把碘引入芳环中的一个原因是为了对下一步偶联反应进行引导，那么你就可以马上 看到对该反应进行进一步改进的机会。如有可能，发展新的反应条件使得在进行偶联反应时不需 用经过该碘代化合物。这样的办法与目前所用的两步办法以达到偶联的目的相比是“更绿色”的 方法。 教员注意事项 如果使用新鲜的漂白剂，特别是Ultra Clorox漂白剂，将会得到较高产率。其它的家用漂白剂 通常含有5.25 w/w次氯酸钠。滴加漂白剂的速度非常重要。如果漂白剂滴加太快，将产生更多 的二碘代化合物，这将造成重结晶更困难。如果反应原料具有一个取代基能把羟基的其中一个邻 位堵起来，（如邻-香草醛或乙酰香草醛），将只得到一个产物。在这样的情况下，分离起来很容 易。 参考文献 1. Edgar, K. J.; Falling, S. N. J. Org. Chem. 1990, 55, 5287-5291. 2. Sogawa, A.; Tsukayama, M.; Nozaki, H.; Nakayama, M. Heterocycles 1996, 43, 101-111. 实验设计注释 该实验是在Edgar和Falling（1）原始报告的基础上设计的。 1-22_SC.indd 310/3/05 4:15:23 PM 绿色化的大学化学实验 4 化学概念 炔化学；取代反应；金属有机化学；对空气不稳定化合物 绿色化学论题 水相金属有机化学；催化；高效合成路线；水相溶剂；室温反应 前言 与其它烃类相比，末端炔烃（R-C;C-H）的酸性相当强。因而，它们可能被相对较弱的碱去掉 质子。末端炔烃脱去质子后所生成的碳负离子（“炔离子”）可以被用于偶联反应以产生一个新 的碳-碳键。这种形成碳-碳键的反应可以通过对亲电试剂的亲核加成或其它的偶联反应进行。在该 实验中，你将用一个钯催化反应来进行末端炔烃和碘代芳香烃的偶联（图式1）（1）。尽管很多 涉及脱去质子后的炔离子的反应要在无水有机溶剂中来进行，但该实验将使用水相溶剂。使用水 相中的金属催化反应能极大地减少与传统反应相联系的危害性和对环境的影响，因为催化反应能 够在较温和的条件下来进行，并且能减少或者消除有机溶剂的使用和处置。 炔能够进行各种各样的加成反应，如水合（尽管炔的水合需要催化剂的存在才能达到一定的速 度）。我们要进行的炔烃与碘代芳香化合物的偶联反应的产物中在炔基的邻位有一个羟基，在我 们所进行的偶联反应的条件下，该羟基自发加到碳-碳炔键上而产生一个新的五元环（图式2）。 有人曾提出金属在成环时起一定的作用（2）。有趣的是类似本实验中的苯并呋喃环状结构的化合 物是许多天然的和合成的具生物活性的化合物的结构组成部分（3-5）。 钯催化下的炔偶联分子内炔加成： 苯并呋喃化合物的合成 Robert Gilbertson, Ken Doxsee, Gary Succaw, Lauren Huffman, and Jim Hutchison* Department of Chemistry 1253 University of Oregon Eugene, OR 97403 hutchoregon.uoregon.edu *Corresponding author 图式2. 偶联产物的环化 图式1. 钯催化4-羟基-3-碘苯乙酮和2-甲基-3-丁炔-2-醇偶联反应 (CH3CO2)2Pd TPPTS H2O/NMP NMM, Cul C OH + I H3C O HCCCCH3 CH3 OH C OH H3C O CCCCH3 CH3 OH C OH H3C O CCCCH3 CH3 OH C H3C O CCH3 CH3 OH O 1-22_SC.indd 410/3/05 4:15:24 PM 绿色化的大学化学实验 5 据报道这种把炔偶联/加成反应连到一起的办法已被成功地用于各种带有OH或NHR（R=H， 烷基）基团的碘代芳香化合物的偶联反应，从而提出了一条相对简单且适用较广泛的合成路线来 合成苯并呋喃和吲哚衍生物（图1）。用于合成这些重要杂环化合物的温和条件及相对较无害溶剂 与传统合成需要较长路线且要在吡啶或二甲基酰胺中在回流下进行形成了鲜明的对照（2, 4）。 实验前问题 1 认真学习及/或复习实验手册中对下 列材料及实验技术的叙述： 注射器，针头和橡皮塞 薄层色谱 萃取和洗涤 干燥剂 红外光谱 2 给出一个标题，实验目的，化学反应式，物理常数表（包括液体的比重）和操作步骤计划。你 所要使用的试剂中的几个较不常见的试剂列于图2。 3 解释为什么该实验中所用的磷化物含有磺酸盐基团。我们为什么不用一个较简单的三苯基磷配 体，如P(C6H5)3？ 4 描述该实验中每个试剂的作用。 5 2-甲基-3-丁炔-2-醇是一种很贵的化 合物，但它可以很容易地用炔化学 来制备。设计一个简单的一步反应 （用任何包含有3个或3个以下碳原 子的化合物作原料，并可以含有任 何官能团）来合成该化合物。（提 示：想一想格氏试剂。） 试剂及仪器 4-羟基-3-碘苯乙酮 醋酸钯 三苯基磷三磺酸三钠盐（TPPTS） 碘化铜 N-甲基吡咯烷酮（NMP） N-甲基吗啉（NMM） 2-甲基-3-丁炔-2-醇 闪烁管和橡皮塞 盐水 小搅拌子 分液漏斗 乙酸乙酯 无水硫酸镁 硅藻土 石油醚 旋转蒸发器 ON H BenzofuranIndole 图1. 苯并呋喃和吲哚的结构 H3C N O N O CH3 NMPNMM P SO3Na+ SO3Na+ SO3Na+ TPPTS 图2. TPPTS, NMP, 和NMM的结构 1-22_SC.indd 510/3/05 4:15:25 PM 绿色化的大学化学实验 6 实验步骤 安全注意事项 2-甲基-3-丁炔-2-醇易燃、易挥发，且应被视作有毒物质。谨慎使用，避免与皮肤直接接触及吸 入。4-羟基-3-碘苯乙酮无异常毒性，但仍应小心使用。 该合成通常分成两个实验阶段。在第一个实验阶段里，称出各种使用的试剂，并开始作好反应 准备。在第二个实验阶段里，分离、纯化并分析产物结构。 实验第一阶段：作好反应准备 在一个20 mL的闪烁管中称量大约250毫克4-羟基-3-碘苯乙酮 （上次反应中所得到的，第 1页）。接着，在该管子中加入2 mol% 醋酸钯，4 mol% 三苯基三磺酸三钠（TPPTS），5 mol% 碘化铜，及一个小搅拌条。把该混合物溶解于10 mL 4:1水和N-甲基吡咯烷酮（NMP）混合溶剂。 使氮气鼓入该溶液几分钟，然后把管子用橡皮塞封起来。你也可以先把管子用橡皮塞封起来，然 后用针头放出空气。其目的是除去反应器中的空气（实际上，我们是在除氧），并在反应过程中 保持氮气环境。 用一根注射器把最后两种试剂N-甲基（NMM）和2-甲基-3-丁炔-2-醇加入。加入2.5当量的 NMM和2当量的2-甲基-3-丁炔-2-醇。依次分别在注射器中量出准确的所需试剂量，注意除去注射 器中的空气泡。然后把针头插入橡皮塞，把注射器中的液体注进反应混合物中。 搅拌反应混合物几分钟到一小时（有足够时间完全溶解所有固体），然后把反应瓶放到抽屉里 存起来，到第二个星期的实验再用。 第二实验阶段：反应后处理及反应产物纯化和结构分析 把10 mL食盐水加入到反应混合物中，然后把该混合物转移到一个50 mL分液漏斗中。用乙酸乙 酯萃取液相两次（每次 10 mL）。合并乙酸乙酯萃取液，然后用水洗5次（每次10 mL），再用盐 水洗一次。水洗可以除去存留在溶液中的少量NMP（使得重结晶更容易） 用蒸发的办法很难把 NMP除掉。 把乙酸乙酯层用无水硫酸镁干燥，用过滤的方法除掉干燥剂。用一层硅藻土来过滤干燥剂较容 易些。 用旋转蒸发器除掉溶剂。用石油醚作溶剂把苯并呋喃粗产物重结晶。收集所得产物，干燥，计 算产率。测试产物的熔点（文献熔点：72-73）。把产物作好标记。制备产物的KBr压片并测红 外谱。 清理 把水洗液放入水相废物桶。把乙酸乙酯和石油醚放入非卤代有机废物桶。等溶剂挥发以后把干 燥剂放入固体废物桶。 注1： 在该实验中，你必须称量几种试剂。为了保证成功，在称很少量的物质时，必须很小 心，且要保证把所有试剂都加入反应中。假如你少加一种试剂，反应就会失败。 注2： 百分摩尔（mol%）单位常被应用于催化反应中。在这些反应中，很少量的物质被用 作催化剂：1 mol% = 0.01当量（相对于反应剂，该反应中为4-羟基-3-碘苯乙酮）。 1-22_SC.indd 610/3/05 4:15:25 PM 绿色化的大学化学实验 7 实验后问题 1 描述你所得粗产物和纯化后产物的物理性质（颜色和状态）。报告所得重量及最终产物的理论 产率的百分比。如果产率较低，请提出一个较合理的原因。 2 在反应过程中需要除去氧气，据此推断该反应中有效的催化剂可能是几价的钯？（你可以查阅 普通化学教材来决定钯的可能价态）。 3 醇与炔键之间的反应通常不像该反应中那样容易。为什么在该反应中醇（酚）这么容易对炔键 进行加成？ 4 NMP和水在该实验中被用作较绿色的混合溶剂。另一个可以用的溶剂是乙醇。参考MSDS或 http:/toxnet.nlm.nih.gov中的数据库，并对比NMP和乙醇的毒性，你认为哪一种溶剂更“绿 色”？为什么选择那种溶剂？ 绿色评估和进一步改进的机会 该实验（就现在的形式来说）与传统偶联反应所涉及反应时间长，温度高，较毒溶剂相比 要“绿色”得多。该反应在室温下进行，采用了更无毒溶剂，且只用了催化量的过渡金属试剂。 它体现了水中金属有机化学的概念及催化的好处。 尽管该反应所关注的是水相金属有机化学，少量的有机溶剂需要加入以保证反应剂有足够的溶 解度来进行偶联反应。在设计该反应的过程中，我们试验了N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮 作为有机溶剂，这两种溶剂都适用。该反应中所用的NMP虽然是较“绿色”的溶剂，但仍具有一 定毒性。改进该反应的一个机会就是寻找一个比NMP更绿的替代物。类似的偶联反应也能在乙醇 中进行，因此，在该反应中可以用乙醇来取代NMP，以获得一个更“绿色”的反应介质，而仍强 调水中金属有机反应。也可以用一种更无毒的碱，如碳酸钾或固体叔胺，来取代NMM。 参考文献 1. Amatore, C.; Blart, E.; Genet, J. P.; Jutand, A.; Lemaire-Andoire, S.; Savignec, M. J. Org. Chem. 1995, 60, 6829. 2. Castro, C. E.; Stephens, R. D. J. Org. Chem. 1963, 28, 2163. 3. Donnelly, D. M.; Fukuda, N.; Kuono, I.; Martin, M.; OReilly, J. Phytochemistry 1988, 27, 2709. 4. Schneiders, G. E.; Stevenson, R. Synth. Commun. 1980, 10, 699. 5. Cagniant, P.; Cagniant, D. Adv. Heterocycl. Chem. 1975, 18, 337. 6. Goodwin, T. E.; Hurst, E. M.; Ross, A. S. J. Chem. Educ. 1999, 76, 74. 实验设计注释 该实验是在Amatore 等人的原始报告的基础上设计的。 1-22_SC.indd 710/3/05 4:15:26 PM 绿色化的大学化学实验 8 化学概念 协同反应；2+4环化加成 绿色化学论题 原子经济性；降低能耗；微波加热反应混合物 前言 因为六员环的固有稳定性，它们在自然界的存在很普遍，例如：它们在胆固醇及其它甾族化合 物结构中特别重要（图1）。因为许多药物含有环己烷环，故六员环的合成方法在制药工业中非常 重要。 形成六员环最著名的反应之一是Diels-Alder反应。在该反应中，一个丁二烯与一丁二烯亲合物 （“亲丁二烯的化合物”）反应而生成一个环己烷产物（图式1）。该反应适合面很广。可以用各 种各样的二烯和二烯亲合物来合成取代的环己烷衍生物。进行该反应最好的二烯常常含有供电子 基团，而最好的二烯亲合物则常含有吸电子基团。 二烯的几何构象对Diels-Alder反应的速度也有影响，比如，环戊二烯非常活泼，以至于很容易通过 Diels-Alder反应来形成二聚体。 Diels-Alder反应是通过一步来完成，而无需产生任何反应中间体。其反应机理是协同式的，即 键的断裂和键的形成同时进行。反应产物具有两个新的 键和一个新的 键。反应通过二烯和二 微波促进下的蒽与马来酸酐的Diels-Alder反应 John C. Warner School of Health and the Environment University of Massachusetts Lowell 3 Solomon Way, Suite 4 Lowell, MA 01854 Phone: [phone] FAX: [phone] EMAIL: john_warneruml.edu 图1. 胆固醇 图式1. 1,3-丁二烯和甲基丙烯酸酯的Diels-Alder反应 图式2. 1,3-环戊二烯的二聚 H H3C H3C H H H HO OCH3 + OCH3 OO DieneDienophile + 1-22_SC.indd 810/3/05 4:15:27 PM 绿色化的大学化学实验 9 烯亲合物中 轨道的重叠来进行。Diels-Alder反应的一个很吸引人的地方在于：它具有100%原子 经济性，即二烯和二烯亲合物中的所有原子都被融合在产物中。 在设计一个更绿色的合成时，要完成一个化学转化所需的能量是一个重要考虑因素。我们日常 生活中所用能量的大部分是通过燃烧矿物燃料来获得的。这种办法所消耗的原材料不能再生，且 会带来全球变暖、空气污染和酸雨。在化学反应中，我们常常使用高耗能过程，如加热、冷却和 蒸馏。最理想的情况应该是在常温、常压下进行反应来使反应中的能耗降为最低。 有些化学家们利用微波作为能源，作为在有机溶剂中加热反应剂的一种替代办法（1）。当极 性分子吸收微波能量时，反应速度加快。有时也发现微波能够既加速反应也同时增加反应的选择 性。用微波加热而导致反应速度和反应选择性增加的真实原因仍不清楚，可能与极性溶剂的快速 过量加热有关（2）。 在本实验中，你将进行蒽与马来酸酐的Diels-Alder反应（图式3）。你将用两种不同的反应条件 来进行该反应：一种是在二甲苯中进行传统的回流，另一种是用微波加热。然后对比两种方法的 产率、产物纯度和能量消耗。 实验前问题 1 准备一个反应剂和产物的图表。该表中应包括分子量、使用重量（克或毫升及摩尔数）和产物 的理论产率。 2 产生微波需要多少能量？在同样的时间内，微波加热与传统电加热相比需要更多还是更少能 量？ 3 指出能够测定产物纯度的两种办法。 试剂和仪器 蒽 马来酸酐 对二甲苯 甲醇 125 mL三角瓶 研钵 25 mL圆底烧瓶 10 mL量筒 过滤瓶 小布氏漏斗 过滤纸 微波炉 表面皿 O O O O O O 图式3. 蒽与马来酸酐的Diels-Alder反应 1-22_SC.indd 910/3/05 4:15:27 PM 绿色化的大学化学实验 10 实验操作 安全事项 微波炉应在通风柜中使用，因为实验过程中将产生二甲苯蒸气。 传统制备方法 在一个25 mL圆底烧瓶中加入1.8克蒽和0.98克马来酸酐。然后加入10 mL对二甲苯，并回流二小 时。用薄层色谱来跟踪反应的进行。把反应混合物冷却到室温。用真空过滤收集产物。用5 mL冷 甲醇洗产物。测熔点并计算产物的百分产率。 微波制备法 在研钵中把1.8克蒽和0.98克马来酸酐磨成细粉。把粉末转入125 mL三角瓶，并加入7 mL对二 甲苯。旋摇混合物30秒钟。把三角瓶用表面皿盖起来，然后把三角瓶放到微波炉中稍偏离中心的 地方。在高热下用微波炉加热混合物2分40秒。在加热结束时，一些产物可能已经沉淀出来了。 让反应混合物冷却到室温，然后用真空抽滤收集产物。用10 mL冷甲醇把产物洗一次，再分别用5 mL冷甲醇洗两次。测量产物熔点并计算产物的百分产率。 清理 把含有对二甲苯和甲醇的过滤液倒入非卤代物废液桶。把Diels-Alder产物倒入固体废物桶中。 实验后问题 1 对比两种方法所得产物的产率和纯度。 2 除了能耗以外，微波加热在哪些方面可以看作是“绿色”的？ 选择性实验练习 1 用微波把反应产物加热不同时间：2分钟、2分15秒、2分30秒和3分钟。反应产物的产率和纯度 是否随反应时间而变化？ 2 用微波加热反应剂的浆（只用在蒽和马来酸酐混合粉末中加入适量的对二甲苯就可以得到浆； 注意需加多少溶剂）。与原来的办法相比，反应产物的产率及纯度有无变化？ 3 在微波炉的不同位置加热反应产物，看看三角瓶所放置的位置对反应产率和产物纯度是否有影 响。 参考文献 1. Bari, S. S.; Bose, A. K.; Chaudhary, A. G.; Manhas, M. S.; Raju, V. S.; Robb, E. W. J. Chem. Educ. 1992, 69, 938-939. 2. Varma, R. S. In Green Chemical Syntheses and Processes; Anastas, P. T., Heine, L. G., Williamson, T. C., Eds.; American Chemical Society: Washington, DC, 2000; Chapter 23. 1-22_SC.indd 1010/3/05 4:15:28 PM 绿色化的大学化学实验 11 化学概念 发酵；反应速度 绿色化学论题 可再生起始物；生物催化；室温下的反应 前言 发酵在酿造和食品中的使用已有几千年的历史，酵母中的酶把糖转化成二氧化碳和乙醇。这些 乙醇即啤酒和葡萄酒中的乙醇（图式1）。在做面包时，发酵所产生的二氧化碳把面团发起来。发 面酵母中含有14种酶（能够催化化学反应的生物分子）。这些酶把糖通过一系列复杂的反应过程 而转化成乙醇。发酵是厌氧过程，需要在无氧的情况下来进行。 蔗糖是一种可再生性原材料。今天的实验将用它作原料来合成乙醇。但是用可再生物质作原料在 化学工业中并不是很常见的。社会上所有生产的化学产品中90%以上都是从石油衍生得来的。石 油