《馬來酸與富馬酸的順反異構》有機化學實驗報告

有機實驗報告班級化學弘毅班 姓名喻星指導老師熊英實驗日期2011年3月1日星期四實驗名稱 馬來酸與富馬酸的順、反異構一、實驗背景立體化學是有機化學研究的一個重要范疇，順反異構現(xiàn)象是一種重要 的立體異構現(xiàn)象，屬于非對映異構問題?；衔锓肿又杏捎诰哂邢拗?旋轉(zhuǎn)的因素，使各個基團在空間的排列方式不同而出現(xiàn)順反異構，通常這些異構體的性質(zhì)不完全相同， 甚至有很大差異?；衔锓肿又?有雙鍵或是環(huán)狀結構經(jīng)常會有這種現(xiàn)象，其中雙鍵的順反異構以C=C 雙鍵最為常見，此外還有 C=N雙鍵、N=N雙鍵、C=S雙鍵等；環(huán)狀 化合物中環(huán)烷烴和雜環(huán)化合物中均存在順反異構現(xiàn)象。構型對藥物活性的影響很大，因此順反異構體的構型轉(zhuǎn)換日益受 到重視，通過對構型轉(zhuǎn)換的研究，掌握構型轉(zhuǎn)換機理，就可以有選擇 性地合成構型合適的高效異構體藥物品種。研究發(fā)現(xiàn)，順反異構體的構型轉(zhuǎn)化是一個熱力學動態(tài)平衡過程【2】。此過程一般可分為3種類型： 光致異構化、熱致異構化和催化異構化。從合成的角度出發(fā)，后兩種 異構化類型可以歸為一類，因為最后形成的順反平衡產(chǎn)物是由各個異 構體的熱力學穩(wěn)定性決定的 3 ?；鶓B(tài)時反式異構體總是比順式穩(wěn)定， 所以后一類異構化過程的結果通常是反式異構體占多數(shù)， 而光致異構 化的結果往往相反。 充分利用這三種異構化過程將很大程度地簡化某 些藥物品種的開發(fā)和生產(chǎn)過程。1. 光致異構化：指用一定波長的紫外光直接照射或用三重態(tài)光敏 劑使化合物從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)而發(fā)生有光不穩(wěn)定態(tài)向光穩(wěn)定態(tài) 的轉(zhuǎn)化。例如烯烴的光順反異構化反應是一個基元有機光化學 反應。2. 熱異構化：指化合物在加熱條件下由熱不穩(wěn)定態(tài)向熱穩(wěn)定態(tài)的 轉(zhuǎn)化，這里加熱是一個比較普遍的說法，比如在常溫下由熱不 穩(wěn)定向熱穩(wěn)定態(tài)的轉(zhuǎn)化也稱為熱致異構化。3. 催化異構化：指化合物在催化劑的作用下發(fā)生幾何異構體的相 互轉(zhuǎn)化?？煞譃榫啻呋悩嫽头蔷啻呋悩嫽?。用非均 相催化（主要是活性炭和磺酸型樹脂）催化異構化的方法，文 獻報道比較少，用于農(nóng)藥合成的還未見報道。常見的方法是均 相催化異構化法， 所用催化劑主要有質(zhì)子酸、 酸酐、路易斯酸、 過度金屬陽離子以及堿。二、實驗原理 本實驗即利用馬來酸（順丁烯二酸）與富馬酸（反丁烯二酸）的 熱力學穩(wěn)定性差異，在酸催化下發(fā)生催化異構化反應，使熱力學不 穩(wěn)定的馬來酸轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的富馬酸。反應方程式:由于順丁烯二酸的兩個羧基在雙鍵的同一端， 空間位阻很大，故順式結構在熱力學上是不穩(wěn)定的，在一定條件下可將其轉(zhuǎn)化為反式結構。其轉(zhuǎn)化機理如下：物質(zhì)相關性質(zhì)如下:名稱順丁烯二酸反丁烯二酸熔點130-130.5 °C287 C密度1.59 g/cm 31.625 g/cm 3100ml 水溶解性79g (25C)0.63g(25 C );1.07g(40 C);2.40g(60 C );9.79g(100 C)性狀單斜晶系無色結晶，138 C 時分解，溶于水、乙醇、丙 酮，不溶于苯，CCI4.單斜晶系無色針狀或小葉狀 結晶，水果酸味，微溶于水、 乙醚、醋酸，溶于乙醇，不 溶于苯，CCl4.單斜晶系無色 結晶，138 C時分解，溶于 水、pKapKai=1.9 pKa2=6.5pKai =3.0 pKa2 =4.5溶解度差異：由于順丁烯二酸的兩個羧基在雙鍵的同側(cè)， 故分子的 偶極矩較大，分子極性較大，根據(jù)相似相容原理，順丁烯二酸在水中 溶解度較大。熔點差異：明顯反式結構的空間對稱性相對順式結構好得多，故形 成晶體排列相對要整齊，因此熔點、密度相對較高。pKa差異：由于羧基是吸電子基，丁烯二酸中一個羧基的吸電子誘 導效應，是另一羧酸的H+更加容易發(fā)生電離。在丁烯二酸分子中當 兩個羧酸處于同側(cè)時因空間距離較近， 故相互影響比較大；而當兩個 羧基處于異側(cè)時，空間距離變大，相互影響減弱，這就說明了第一電 離常數(shù)是順式大于反式。當?shù)谝粋€羧基上的H+電離后，所形成的負離子是一個強的給電子基， 它對第二個羧基所發(fā)生的直接誘導，將使第二個羧基上的H+電離趨于困難，這種影響也是順式大于反式。且順丁烯二酸電離一個H+后， 由于分子內(nèi)氫鍵作用，形成穩(wěn)定的環(huán)狀結構，使 得第二個H+電離變難。所以丁烯二酸的第二電離 常數(shù)是順式小于反式。這種誘導效應影響是通過 空間或溶劑間的場效應傳遞的。三、試劑規(guī)格馬來酸濃鹽酸四、實驗裝置五、實驗操作步驟及現(xiàn)象1. 在盛有5.0 ml的溫水的100 ml圓底燒瓶中溶解5.01g順丁烯二酸，并加入10 ml濃鹽酸。2. 如上圖搭好回流裝置，加熱，回流30 min后，停止加熱。3. 先室溫冷卻，后冰水浴冷卻，待晶體大量析出，減壓過濾。3ml冰水 洗滌三次。4. 取少量干燥后進行熔點測定。剩余的全部在約1 mol/L的鹽酸溶液中重結晶。5. 減壓過濾，洗滌，干燥。熔點測定6. 紅外光譜表征六、實驗數(shù)據(jù)及處理1熔點測定數(shù)據(jù)名稱序號T萎T初T全ATT熔點12122. 產(chǎn)率計算紅外光譜表征數(shù)據(jù)七、實驗結論與思考參考文獻:1 . Crombie K. Cris-trans isomerism was formerly called gemetricar isomerism J.Q.Rev.Chem.Soc.,1952,(6):101-1402 . PadwaA,Albrecht F. Concentration effects in the photochemical syn-anti isomerization of an oximeetherJ.J.Org.Chem.,1974.39(16):2361-23663 . 游長江，謝蓉，楊國強，等。烯烴光敏順反異構化反應 J.感光科學與光化學， 2003.21(2)：147-153