[유기화학실험] Diels-Alder reaction: 1,3-butadiene + maleic anhydride

[유기화학실험] Diels-Alder reaction: 1,3-butadiene + maleic anhydride


1) 실험목적
Diels-Alder reaction을 이용하여 1,3-butadiene이 maleic anhydride와 반응하여 4-cyclohexene-cis-1,2-dicarboxylic anhydride을 생성하는 과정을 확인한다.

2) Reagents

CAS-number	물질	분자량(g/mol)	밀도(g/ml)	녹는점(℃)	끓는점(℃)
77-79-2	3-sulfolene	118.15	1.314	65	229
108-31-6	Maleic anhydride	98.06	1.48	52.8	202
106-42-3	Xylene (C8H10)	106.16	0.86	-47.4	139
-	Celite (SiO2)	-	-	-	-
110-54-3	Hexane	86.18	0.66	-95	69
106-99-0	1,3-butadiene	54.09	0.615	-108.9	-4.4
935-79-5	4-cyclohexene-cis-1,2-dicarboxylic anhydride	152.15	1.4	103	195
-	Activated carbon	-	-	-	-

3) 실험원리
(1) Diels-Alder reaction
Diels-Alder reaction은 Cyclohexene을 생성하는 diene과 dieneophile의 고리화 첨가 반응을 말한다. Diels-Alder reaction은 stereospecific의 특징을 가지기 때문에 product는 cis/trans 중 하나의 isomer로 형성되는 경우가 많다.

① 1,3-butadiene + maleic anhydride의 Diels-Alder reaction (balanced equation 포함)

(2) Endo Rule
Diels-Alder reaction은 주로 endo 반응이 많이 일어난다. 이는 2차 오비탈의 중첩으로 인해 최종 생성물이 더 낮은 에너지를 가지기 때문이다.


4) 예상되는 결과
이 실험을 통해 생성될 것으로 예상되는 화합물은 4-cyclohexene-cis-1,2-dicarboxylic anhydride로, 약 103℃의 m.p가 측정될 것이다.


5) 실험과정
(1) 50ml r.b.f에 powder funnel을 이용하여 3-sulfolene 3.3g, maleic anhydride 2.0g, xylene 4ml와stirring bar를 넣는다.
(2) 단계 (1)에서 만들어 준 r.b.f에 water-cooled-condenser를 연결하고 drying tube를 꽂는다.
(3) 약 100℃의 온도에서 gentle reflux를 하며 30분간 heating한다.
(4) 100ml와 50ml의 Erlenmeyer flask, glass funnel, fluted filter paper를 oven에서 drying 한다.
(5) 단계 (3)의 Reflux가 끝나면 solution을 상온에서 5분간 식히고, drying tube를 제거한 뒤 water-cooled condenser를 통해 xylene 8ml를 더 넣는다.
(6) Condenser를 제거하고 activated carbon을 약 1g 정도 넣고, stirring하며 120℃의 온도에서 5분간 boiling 한다.
(7) Heating mantle을 제거하고 celite를 1.3g 넣은 후 stirring 한다.
(8) 단계 (4)에서 Oven에 넣어 둔 기구들을 이용하여 hot gravity filtration을 한다. 이때, hot xylene 5ml를 이용하여 activated carbon을 washing한다.
(9) filterate에 hexane 15~20ml를 첨가하고 상온에서 30분간 방치한다.
(10) crystallization이 되면, filter paper를 taring한 뒤 suction filtration을 진행한다.
(11) Oven에서 5분간 drying한 후, 수득률을 계산하고 m.p와 TLC를 확인한다.


6) 실험결과
m.p 측정값 = 107℃