賀煜涵，白咫杜，李羚華，李 慧

(北方民族大學化學與化學工程學院，寧夏 銀川 750021)

計算化學作為理論化學的一個分支，國內(nèi)外諸多高校[1-3]在本科階段化學相關專業(yè)中均獨立開設計算化學課程。隨著計算機的飛速發(fā)展，計算化學已經(jīng)逐步被實驗研究工作者作為研究方法開展理論研究[4-7]。實驗的本質(zhì)是研究，方法本身又是理論[8]，該實驗項目作為一個本科階段的綜合實驗將有機化學，物理化學，理論計算化學進行有機結合，遵循理論與實踐相結合的教學原則。Diels-Alder反應[9]由共軛雙烯與烯烴或炔烴反應生成六元環(huán)，該反應具有豐富的立體化學特性，兼有立體選擇性、立體專一性和區(qū)域選擇性[10]。本項目選擇Diels-Alder反應作為研究對象，采用理論計算與實驗結合的教學方式[11]，在實踐的過程中進行理論計算，在充分利用時間的同時直觀形象的了解有機化學中對稱性匹配、p-π共軛，物理化學中熱力學和動力學的相關概念，達到理論與實踐結合的目的。

1 實驗原理

1.1 Diels-Alder反應機理

Diels-Alder反應是由共軛雙烯體與親雙烯體構建環(huán)己烯骨架的經(jīng)典反應。反應具有豐富的立體化學呈現(xiàn)，兼有立體選擇性、立體專一性和區(qū)域選擇性等。該反應為可逆反應，正向成環(huán)的溫度很低，逆向開環(huán)反應需要較高的溫度。該反應合成六元環(huán)的能量較低，是制備不飽和六元環(huán)的重要環(huán)化手段之一，對推動有機化學反應理論的發(fā)展起到了重要作用，該反應也在1950年獲得諾貝爾化學獎。本實驗的反應底物為反應物1,3-環(huán)己二烯與馬來酸酐，雙烯體1,3-環(huán)己二烯HOMO軌道上的電子向親雙烯體馬來酸酐的LUMO軌道流動，經(jīng)歷六元環(huán)過渡態(tài)形成最終產(chǎn)物，具體的反應方程式和反應機理如圖1所示。

圖1 1,3-環(huán)己二烯與馬來酸酐的雙烯合成反應

圖2 1,3-環(huán)己二烯與馬來酸酐的雙烯合成

1.2 理論計算基礎

Gaussian程序[12]是目前最為普及的量子化學計算程序，可以計算得到分子和化學反應的許多性質(zhì)，如分子的結構和能量、電荷密度分布、熱力學性質(zhì)、光譜性質(zhì)、過渡態(tài)的能量和結構等等。本實驗采用與Gaussian 配套使用的建模軟件GaussView程序構建模型，利用Gaussian程序?qū)Ψ肿拥臉嬓秃托再|(zhì)進行計算，此外采用Multiwfn[13]和VMD[14]軟件進行文件轉(zhuǎn)換和軌道分析。理論計算部分采用密度泛函理論對反應物、生成物及過渡態(tài)的結構優(yōu)化、振動分析，并根據(jù)計算結果進行熱力學能的統(tǒng)計與自由能面圖繪制。

1.3 紅外光譜的特征振動峰

本實驗涉及的化學鍵和官能團在紅外譜圖中特征振動峰波數(shù)如表1所示。

表1 特征官能團在紅外光譜中的分布

1.4 核磁共振譜圖

核磁譜圖中exo形產(chǎn)物和endo形產(chǎn)物由于其立體構型具有明顯區(qū)別，因而其核磁譜圖具有明顯差異。

2 試劑或材料

1,3-環(huán)己二烯，馬來酸酐，甲苯，二氯甲烷，高錳酸鉀,阿拉?。灰宜嵋阴?，Greagent；乙醚，國藥；甲基硅油、石油醚，Greagent。

3 儀器和表征方法

3.1 儀 器

CPLL4電子分析天平、圓底燒瓶(50 mL)、橡皮塞、磁力攪拌器(heidolph)、BOSCH熱烘槍、硅膠色譜板、毛細管、展缸、注射器(50 mL、1 mL)、ZF-1型四用紫外分析儀、防濺球、薄膜真空泵、(BUCHI)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、DLSB-5/20低溫冷卻液循環(huán)泵、真空泵、毛細吸管、氣球、量筒(10 mL)、砂芯漏斗、刮刀。

3.2 表征設備

FTIR650 傅里葉變換紅外光譜儀；Bruker 400M核磁共振儀。

3.3 計算設備及軟件

聯(lián)想 P328；Gaussian09 D.01；GaussView 6.0；Multiwfn；ChemOffice2020；VMD1.9.3。

4 實驗方法

4.1 實驗步驟

通過電子分析天平稱取約0.3000 g(約3 mmol)馬來酸酐，用1.00 mL注射器吸取0.30 mL(約3 mmol)1,3-環(huán)己二烯，加入到干燥50 mL圓底燒瓶中，加入10 mL甲苯溶劑，攪拌溶解。溶解后將圓底燒瓶放入預加熱的磁力攪拌器油浴加熱，設置反應溫度為80 ℃。反應3 h，反應過程中通過取樣進行TLC監(jiān)控，或通過紅外光譜儀進行監(jiān)控反應。

TLC監(jiān)控操作：取少量馬來酸酐固體，用二氯甲烷溶解于樣品瓶中備用。用毛細吸管取反應體系液體，均勻、細致的在硅膠色譜板上進行點樣，另取一只毛細吸管吸取馬來酸酐點樣液，均勻、細致的在同一硅膠色譜板上點樣，取30%乙酸乙酯作展開劑于展缸中，待展開劑展開至距離色譜板上端5 mm處，取出硅膠色譜板。在ZF-1型四用紫外分析儀下(λ=366 nm)觀察TLC板上反應物、反應物和生成物混合物的展開情況，并用鉛筆輕輕描出其區(qū)域，隨后用顯色液高錳酸鉀溶液浸沒TLC板，進行顯色處理。每隔0.5 h重復一次，與前一次硅膠色譜板進行對比，查看體系中原料馬來酸酐的反應情況，此操作共進行至反應物馬來酸酐的樣品點幾乎完全消失。

在終身教育理念的影響下，體育教師的教育培訓應該是一個終身性的活動。體育教師在其一生的職業(yè)生涯中，始終存在著接受培訓的潛在需求。應該基于專業(yè)標準構建科學完善的課程體系，對體育教師職前與職后進行規(guī)范化的教育與培訓。此外，在教育與培訓的過程中對其進行規(guī)范化的資格認證也是必不可少的一環(huán)。

反應結束停止加熱，取出圓底燒瓶進行冷卻，冷卻后取下圓底燒瓶加上防濺球，打開真空泵，設置旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀參數(shù)，旋去反應體系中的甲苯溶劑。在旋干后得到白色粉末狀固體粗產(chǎn)物，分批加入共5 mL二氯甲烷進行溶解，并將液體轉(zhuǎn)移至 50 mL燒杯中，配成飽和液體。分批加入約20 mL石油醚，不斷觀察溶液體系變化，當溶液從澄清透明出現(xiàn)部分渾濁時停止加入石油醚，靜置20 min觀察晶體析出過程，隨后放入冰水中進一步結晶。待溶液澄清后，用砂芯漏斗進行減壓抽濾，將原液倒出洗滌晶體；量取25 mL的二氯甲烷/石油醚混合液 (1:4)，分批加入漏斗中對晶體進行洗滌，除去附著在晶體上的少量雜質(zhì)。

觀察晶體性狀，并進行稱量處理計算產(chǎn)率，多次重復實驗，總收率在60%～80%之間浮動，反應具有穩(wěn)定的可重現(xiàn)性。

4.2 理論計算步驟

理論計算步驟在實驗反應過程中進行。通過GaussView對已知的反應物馬來酸酐和環(huán)己二烯、exo-和endo-構型的生成物進行模型構建，采用Gaussian量化計算軟件包在B3LYP/6-31g*水平下進行結構優(yōu)化與振動分析。在此基礎上，采用掃描的方法進行過渡態(tài)的搜索并進行過渡態(tài)優(yōu)化、振動分析，確認過渡態(tài)有唯一的虛頻和副本征值；并進行內(nèi)稟反應坐標計算，確認過渡態(tài)成功連接反應物和產(chǎn)物。對反應過程進行能量統(tǒng)計，繪制自由能面圖對反應過程進行熱力學和動力學分析。

對反應物和過渡態(tài)進行前線軌道分析，從軌道匹配的角度解釋exo-和endo-構型產(chǎn)物的可行性。將計算過程中產(chǎn)生的檢查點文件進行格式轉(zhuǎn)換，并生成*.cub文件，采用VMD對反應物、過渡態(tài)、產(chǎn)物的*.cub文件進行處理分別得到前線軌道圖。

4.3 表征步驟

紅外光譜法進行表征：對兩種反應物分別進行紅外光譜分析，在實驗過程中反應至3 h開始，取反應體系液體進行實驗監(jiān)測，對共軛雙烯官能團的消失進行實時監(jiān)控。

核磁共振儀進行表征：對重結晶純化后產(chǎn)物進行核磁共振表征，確認最終產(chǎn)物為endo-型產(chǎn)物。

5 結果與討論

根據(jù)實驗步驟，結果與討論分別從物理化學中的熱力學和動力學、有機化學的前線軌道、有機檢測方法中常用的紅外光譜和核磁共振兩種檢測方法等角度對實驗結果展開分析討論。

5.1 反應歷程熱力學和動力學分析

對反應物、過渡態(tài)、產(chǎn)物進行結構優(yōu)化和振動分析后所得數(shù)據(jù)進行熱力學和動力學分析。如表2和表3所示，Reactant 1為1,3-環(huán)己二烯，Reactant 2為馬來酸酐，TS為兩個反應物發(fā)生雙烯加成的過渡態(tài)，內(nèi)型和外型過渡態(tài)分別為TS1-endo和TS2-exo，Endo-product為內(nèi)型產(chǎn)物，Exo-product為外型產(chǎn)物。反應路徑中相對能量以Reactant 1+ Reactant 2為相對零點進行計算，反應歷程中各結構的絕對能量單位為hartree，相對能量對應單位為kcal/mol。

表2 反應歷程中各結構的絕對能量

根據(jù)反應路徑中各駐點的相對能量，繪制自由能面圖 (圖3)，其中所有數(shù)據(jù)以吉布斯自由能為依據(jù)，勢能作為參照。從熱力學的角度來看，生成內(nèi)型產(chǎn)物釋放13.02 kcal/mol能量，生成外型產(chǎn)物釋放11.20 kcal/mol能量，相對而言內(nèi)型產(chǎn)物的穩(wěn)定性高于外型產(chǎn)物，內(nèi)型產(chǎn)物在熱力學上更具穩(wěn)定性。從動力學的角度分析，內(nèi)型產(chǎn)物的過渡態(tài)能壘為30.19 kcal/mol，外型產(chǎn)物的過渡態(tài)能壘為32.74 kcal/mol，內(nèi)型產(chǎn)物的能壘明顯低于外型產(chǎn)物的能壘，說明在動力學上生成內(nèi)型產(chǎn)物的反應更容易發(fā)生。從熱力學和動力學角度皆驗證了內(nèi)型雙烯加成產(chǎn)物為優(yōu)勢產(chǎn)物且可以驗證實驗產(chǎn)物單一的結果。

表3 反應路徑中各駐點的相對能量

圖3 1,3-環(huán)己二烯和馬來酸酐反應生成

5.2 前線軌道分析

1,3-環(huán)己二烯和馬來酸酐反應為經(jīng)典的Diels-Alder反應，1,3-環(huán)己二烯為雙烯體提供HOMO軌道，馬來酸酐為親雙烯體提供LUMO軌道。根據(jù)結構優(yōu)化的計算結果分別繪制1,3-環(huán)己二烯的HOMO軌道(圖4a)，馬來酸酐的LUMO軌道(圖4b)。如圖4a所示，1,3-環(huán)己二烯中的C=C雙鍵形成了明顯的p-π共軛，作為雙烯體時電子流動形成新的C=C雙鍵，且電子流動至馬來酸酐的LUMO軌道形成新的σ鍵。

圖4 反應物和產(chǎn)物的前線軌道圖

1,3-環(huán)己二烯和馬來酸酐相互作用時，進攻方向的差異導致內(nèi)型和外型產(chǎn)物的生成。如圖4c和d所示，繪制內(nèi)型產(chǎn)物和外型產(chǎn)物的前線軌道圖，軌道圖形顯示無論是內(nèi)型產(chǎn)物還是外型產(chǎn)物均符合軌道對稱性匹配原則，通過反應可以生成相應的產(chǎn)物。

5.3 紅外光譜表征

本反應中所使用的溶劑(甲苯)及雙烯體(環(huán)己二烯)沸點較低?？梢暂^為快速的從體系內(nèi)除去，而目標產(chǎn)物及馬來酸酐沸點較高不易揮發(fā)，因此可以通過紅外光譜表征的方式對反應進行監(jiān)控。結合有機化學理論課程中官能團在紅外光譜中的特征振動頻率可知，馬來酸酐具有特征的羰基C=O雙鍵及與羰基共軛的C=C雙鍵的紅外光譜，而產(chǎn)物中馬來酸酐同樣具有羰基C=O雙鍵及C=C雙鍵，但生成產(chǎn)物中C=C雙鍵為孤立雙鍵，并且存在特征的烯丙位C-H鍵，所以在反應物和產(chǎn)物的紅外譜圖中會有較明顯的差異。故對反應物和產(chǎn)物進行紅外檢測，通過聯(lián)系取樣進行紅外光譜觀察官能團特征振動峰的消失和出現(xiàn)觀察反應進度，監(jiān)控反應否完全反應。

產(chǎn)物中烯烴的C-H伸縮振動特征吸收峰3010 cm-1，而馬來酸酐由于與烯烴與酸酐共軛導致烯烴的C-H振動特征吸收峰波數(shù)偏低為2950 cm-1,酸酐C-O鍵的伸縮振動吸收也同樣會受到烯烴共軛的影響，產(chǎn)物中C-O的特征振動峰波數(shù) 1250 cm-1，馬來酸酐中C-O的特征振動峰，波數(shù)1200 cm-1。通過每0.5 h對反應體系取樣進行紅外檢測，可以觀察到反應體系的紅外譜圖發(fā)生明顯變化，C-H振動特征吸收峰不斷減小，C-O鍵的伸縮振動吸收峰不斷增強。由此可以判斷馬來酸酐不斷被消耗，目標產(chǎn)物在不斷生成。

圖5 反應物和產(chǎn)物的紅外譜圖對比

5.4 核磁共振表征

通過對實驗重結晶產(chǎn)物純度及產(chǎn)物結構類型(endo/exo)檢測，采用核磁共振儀進行表征(重結晶產(chǎn)物1HNMR及13CNMR譜圖見支撐材料)，通過與標準譜圖對比確定實驗所得產(chǎn)物為endo型產(chǎn)物，和3.1部分的理論計算結果相吻合。通過對比已知文獻報道的Endo-類型產(chǎn)物標準氫譜和碳譜數(shù)據(jù)，得出反應產(chǎn)物為單一的endo類型產(chǎn)物，數(shù)據(jù)對比如下。

Endo-標準氫譜數(shù)據(jù)：(700 MHz, CDCl3, 25 ℃)： δ=1.43(d, J=7.7 Hz, 2 H, CH2cyclohexene), 1.62(d, J=7.7 Hz, 2 H, CH2cyclohexene), 3.15(t, 2H,-CH-CO)), 3.25(m, 2 H, methine cyclohexene), 6.33(dd, J=7.7 Hz, 4.2 Hz, 3.5 Hz, 2 H,-CH=CH-)。

Endo-標準碳譜數(shù)據(jù)：(700 MHz, CDCl3, 25 ℃)： δ=22.98(CH2, cyclohexene), 31.63(methine cyclohexene), 44.77(-CH-CO), 133.05(-C=C-), 172.83(CO)。

圖6 產(chǎn)物核磁共振譜圖(氫譜)

圖7 產(chǎn)物核磁共振譜圖(碳譜)

6 結 論

采用理論計算與實驗相結合的方式，對反應物1,3-環(huán)己二烯與馬來酸酐發(fā)生Diels-Alder反應進行研究。多次重復實驗最終產(chǎn)率在60%～80%之間浮動，核磁判斷純度>95%，理論計算過程和實驗過程都具有良好的重現(xiàn)性，實驗總時長可控制在8 h之內(nèi)。所應用實驗設備除核磁共振波譜儀較為昂高外，其余設備均為教學實驗室常規(guī)設備，因此作者認為本實驗設計可以應用于本科綜合教學實驗或理論化學專業(yè)課實踐環(huán)節(jié)。本實驗將產(chǎn)物純化通過采用良和不良溶劑混合方式進行重結晶；將基礎化學中的多門專業(yè)課知識點以綜合實驗的形式進行結合，體現(xiàn)理論與實踐相結合的教學方式。

通過理論計算和實驗結合的研究方式，讓同學們切實體會到理論計算化學如何有效的與有機化學和物理化學相結合，同時更直觀形象的了解有機化學中對稱性匹配、p-π共軛等理論名詞的含義，達到理論與實踐結合的目的。在后續(xù)的學習或科研工作中學以致用，通過對其他已知反應機理的研究深入了解和掌握化學反應規(guī)律，更透徹的理解化學反應。