苯乙炔自身偶联法制备共轭二炔

苯乙炔自身偶联法制备共轭二炔及其定性、定量分析一、实验目的1.了解偶联反应的定义、分类及其应用2.了解并掌握如何完成简单目标化合物的合成、分离及性质测定3.了解气相色谱中以内标法定量测定产率的方法4.掌握萃取、薄层层析、柱层析、重结晶、抽滤等基本操作5.掌握熔点、紫外-可见光谱、红外光谱的测定方法二、实验原理偶联反应（Coupling Reaction）是有机化学中的一类重要反应，是指两个有机单元之间通过某种化学反应，形成新的化学键，从而得到一个新的有机分子的过程。

传统意义上的偶联反应一般涉及到金属有机化合物（Organometalic Compounds）参与的碳-碳键的形成；但是现代意义上的偶联，其范围相应地由碳原子扩展到各类杂原子（Heteroatoms）；并且其过程既可能是金属有机化合物催化或参与的，也有可能是其它的有机物催化或参与的。

因为偶联反应可以看做是两个有机单元相互连接得到一个新的有机单元，所以偶联反应是有机合成（Organic Synthesis）中一类非常重要的增长碳链的方法。

一类典型的反应就是亲核性的（Nucleophilic）金属有机化合物，如格氏试剂、芳基硼酸、有机锌试剂等，在催化剂作用下和亲电性的（Electrophilic）有机部分，如各类卤代烃等发生反应；亲核性的有机部分和亲电性的有机部分相结合，得到更长的碳链。

例如下图所示，在钯配合物催化下，亲核性的对甲基苯基锌试剂和溴苯发生偶联反应，得到4-甲基联苯。

由此可见，偶联反应可以看做是有机合成中的“浆糊”，能够把各种有机部分结合起来，因此在有机合成中占据着非常重要的地位。

20世纪60年代起，有机化学家发现钯、铑、镍等过渡金属的配合物可以催化许多偶联反应的进行，并且将亲核试剂和亲电试剂的种类进行了扩展，得到系列人名反应，如Negishi反应、Heck反应、Suzuki反应、Stille反应等。

其中，Heck、Negishi和Suzuki还因此而荣获2010年诺贝尔化学奖。

按照发生反应的两个有机单元的种类，可以把偶联反应分为自身偶联（Homo-coupling）和交叉偶联（Cross-coupling）反应两大类：当两个有机单元各不相同时被称为为交叉偶联，而当两个有机单元相同时被称为自身偶联。

本项目的合成部分是从末端炔烃出发，在Ni、Cu催化剂作用下，以空气为氧化剂发生自身偶联反应，得到1,3-二炔。

1,3-二炔是一类结构特殊的化合物。

从空间结构上来看，它包含四个sp杂化的碳原子，四个碳原子呈线性排列，且整体结构呈现一定的刚性；两个叁键之间可以形成共轭结构，因此也被称为共轭二炔（conjugated diyne），如下图所示。

共轭二炔本身存在于许多天然化合物中，还可以作为某些染料的前体；其刚性、共轭的结构也得到了材料化学家的注意，许多新型有机功能材料中就包含了这一结构。

最近还有报道发现这类二炔还表现出光活杀虫的特性，是一类潜在的高效低毒的生态光活农药的关键结构。

本项目以苯乙炔为起始原料，以六水合氯化镍、碘化亚铜、四甲基乙二胺为催化剂，以空气为氧化剂，制备1,4-二苯基丁二炔，如下图所示。

反应过程中用薄层层析色谱来进行监测；反应结束后，可以用气相色谱法分析产物，并使用内标法计算产率；产品用柱层析方法进行分离并重结晶后，分别测定其熔点和紫外-可见光谱吸收。

气相色谱内标定量法是指向反应体系中加入定量的某种内标物（internal standard），然后对体系取样，用气相色谱进行分析，通过对比产物和内标的峰面积，从而得到产物的含量的一种分析方法。

由于其简便易行，准确度、可靠性较高，因此广泛应用于各类探索性有机反应的产率的迅速测定。

假设某反应体系中待测组分的质量为m x1，加入的内标质量为m s1，相应的GC峰面积为A x1和A s1；则存在等式：错误！未找到引用源。

（式1）其中，k为系数。

在相同的仪器、相同的条件下，k值是一个常数。

另取定量（m x2）的待测组分和定量的内标（m s2）配成溶液并在相同条件下进行GC分析，其峰面积为A x2和A s2；则同样存在一个等式：错误！未找到引用源。

（式2）从式2可以算出k的值，将其代入式1，就可以算出待测组分的质量m x1，进而推测出反应的产率。

一般，内标化合物的选择遵循几个基本原则：首先，不和反应体系发生反应，且自身有一定的稳定性；其次，一般和待测化合物的结构类似；并且，内标化合物在GC上应该有明显的峰，且可以和待测化合物明显分开；最后，对于需要最终分离出产品的体系而言，内标化合物应该可以用较简便的方式和待测化合物分离。

三、试剂和仪器1.试剂苯乙炔（98%）、六水合氯化镍（A.R.）、碘化亚铜（A.R.）、四甲基乙二胺（A.R.）、四氢呋喃（A.R.）、二苯甲酮（A.R.）、石油醚（30-60o C）、乙酸乙酯（A.R.）、稀盐酸（2mol/L）、甲醇、碳酸氢钠、二氯甲烷、柱层析硅胶（200-300目）、薄层层析硅胶（GF254）、无水硫酸钠、石英砂、脱脂棉、羧甲基纤维素钠2.仪器烧瓶、烧杯、锥形瓶、层析缸、载玻片、分析天平、层析柱、试管、试管架、熔点管、蒸馏装置、移液管、容量瓶、量筒、毛细管（内径0.5mm）、50mL分液漏斗、抽气头、双联球、长颈漏斗、洗耳球、干燥器气相色谱仪、熔点测定仪、254nm紫外灯、磁力搅拌器四、实验步骤1.合成1,4-二苯基丁二炔用分析天平称取0.36g六水合氯化镍、0.28g碘化亚铜于50mL圆底烧瓶中，并加入一个干净的磁子。

量取25mL四氢呋喃并加入到圆底烧瓶中，加入0.45mL（0.34g，3mmol）N,N,N’,N’-四甲基乙二胺。

搅拌5分钟后，取3.06g（30mmol，3.4mL）苯乙炔加入到体系中。

在瓶口塞上一团棉花，并室温搅拌。

搅拌1小时后、5小时后、24小时后，分别用毛细管点样，薄层层析1，监测反应进行情况。

待苯乙炔基本反应完全后（最长不超过30小时），停止反应。

记录并描绘此时薄层层析的结果。

向反应体系中加入10mL稀盐酸、25mL水和10mL乙酸乙酯，搅拌10分钟后静置分层。

分液，收集上层有机相。

剩余水溶液以10mL乙酸乙酯萃取，合并有机相。

将有机相用碳酸氢钠水溶液和清水各洗涤一次后，以无水硫酸钠干燥至少8小时，除去固体物质，保留液相，并以石油醚为展开剂，进行薄层层析，记录层析结果。

2.柱层析本实验采用干法填柱、干法上样。

向有机相中加入约3-4g硅胶，震荡均匀后，置于85o C水浴中浓缩，蒸走大部分溶剂。

然后在50o C水浴中抽真空约30分钟2，至硅胶变成松散的粉末状。

小心撤去真空，用刮勺小心地将附在瓶壁上的硅胶刮下后，再抽真空约10分钟，得到的吸附了样品的硅胶应该是呈松散、干燥状态的粉末，无结块、颗粒。

取一根层析柱（内径约30-40mm），底部塞上一小团棉花，并用长玻棒压实，再用长颈漏斗加入少量石英砂，把底部填平（如果层析柱下端有多孔板或砂芯，则底部可不需加石英砂）。

通过长颈漏斗加入层析硅胶，填充高度约为8cm。

加入石油醚，使液柱高度超过10cm。

打开层析柱阀门，并使用双联球加压，石油醚液面将下降，至液面高出硅胶层1cm左右。

然后将流出的石油醚倒回层析柱，继续加压使石油醚流出，如此反复5次，将硅胶层均匀压实。

最后一次结束时，保持液面高出硅胶层约1-2cm；轻晃层析柱，使硅胶面平整。

至此，填柱阶段完成。

通过长颈漏斗小心将吸附有样品的硅胶加入柱中。

用洗耳球轻敲柱体，尽量使样品层均匀沉积3。

静置1分钟，保证硅胶层上面液柱的高度不少于1cm，然后小心地加入石英砂，石英砂层的厚度保持在1cm，轻轻晃动层析柱，使石英砂层上缘平整。

打开底部活塞，使柱内液面下降至和石英砂层平齐，关闭活塞。

补加约10mL石油醚，再打开活塞，令液面下降至和石英砂层平齐。

至此，上样阶段完成。

向层析柱内加入石油醚至低于柱口5cm，打开底部活塞，使用小锥瓶接收淋洗剂并给锥瓶编号，并用紫外灯随时监测淋洗剂至无紫外吸收4。

然后将淋洗剂换成体积比为20:1的石油醚和乙酸乙酯的混合溶液，继续淋洗至收集的淋洗剂中无紫外吸收。

TLC检测各锥瓶中物料成分，并与1,4-二苯基丁二炔的标准溶液进行对照。

收集只含有二炔组分的溶液，合并。

3.浓缩纯化产物将产品溶液合并后，使用80-90o C水浴常压蒸馏浓缩至约15-30mL（此部分蒸出的石油醚可回收）。

余下部分转入一已称重的50mL小烧瓶5，在80-90o C水浴中浓缩至不再有液体蒸出（此部分溶剂不回收）。

将烧瓶连接水泵6，置于60o C水浴中抽真空约10-20分钟至干燥。

冷却称重，计算产率。

4.重结晶并表征产品搭建磁力搅拌回流装置，磁力搅拌下，将上述产品溶解于尽量少的热甲醇中，再加入1-2mL甲醇，自然冷却，塞上塞子静置。

待晶体充分析出后，抽滤，将产品尽量抽干，得到白色粉末状或针状晶体。

产品置于表面皿中干燥7。

小心收集产品并称重，记录重结晶后产品的质量及性状，计算精制产率。

将重结晶后的精制产品分别测熔点、紫外可见吸收光谱（记录最大吸收波长λ1）。

五、实验结果讨论及思考题：1.比较三次得到的产率，并分析其存在差异的原因。

2.查阅资料，指出柱层析中常见的装柱方法和上样方法。

3.为什么在反应结束后要向体系中加入稀盐酸？4.思考柱层析中石英砂的作用。

请注意层析柱中有两个部分用到了石英砂。

5.使用GC分析体系的产率有什么优点？存在哪些局限性？6.记录最终产品的熔点、紫外-可见光谱、红外光谱，并分析。

六、部分化合物参数注释：(1) 薄层层析方法：首先配置标准样品，取1滴苯乙炔，稀释于1mL四氢呋喃中；另取1,4-二苯基丁二炔晶体少许，溶于约0.2mL四氢呋喃中。

苯乙炔和1,4-二苯基丁二炔的标准样品即已配置好。

在层析板上点样时，从左至右点三个点，分别为苯乙炔、样品、1,4-二苯基丁二炔。

迅速将层析板置于层析缸中，展开剂为石油醚。

注意展开剂不要没过样品点。

薄层层析结束后，迅速拿出层析板，并置于紫外灯下检测。

由于苯乙炔沸点较低，因此须在1分钟内进行观测，并将结果记录下来，以防苯乙炔挥发。

(2) 在烧瓶口接上一个抽气头，并一定要在抽气头内塞入一团脱脂棉，以免将硅胶抽入到真空泵中。

(3) 如果有硅胶附在层析柱壁上，用尽量少的石油醚将其冲下来，但是如果少量硅胶难以冲下，则可以将其忽略。

(4) 可使用毛细管蘸取淋洗剂后，在GF254硅胶板上点样，自然风干后，直接使用紫外灯照射。

出现蓝紫色斑点的则表示存在产物；如果无斑点或非常淡，则表示基本无产物。

(5) 可使用少量二氯甲烷帮助转移。

(6) 连接水泵时需要相应大小的抽气头，并在抽气头内塞一小团棉花，以防将产品抽入水泵。

(7) 有条件的话，可以使用红外干燥。