吡咯及其衍生物作为有机化学中杂环化合物中重要的一类，广泛存在于自然界中。如与生命过程有关的两种含有吡咯环结构的色素中心——人类呼吸作用中血液的血红素和植物绿色光合作用中的叶绿素，它们是在生物细胞单吡咯化合物胆色素原中被合成的，这些有芳香性的吡咯在基础新陈代谢中起着重要作用^{[1, 2]}。吡咯类衍生物还普遍存在于生物碱，蛋白质，天然染料以及药物中。例如，在海洋细菌中发现的溴代吡咯衍生物(Pyrrlonitrin)具有抗真菌活性^[3]；常用于止痛和消炎的吡咯环类药物(Ketorolar)，作用与吗啡硫酸盐相同，用于缓和术后疼痛；在农药方面，新型芳基吡咯类化合物，如杀虫杀蜗剂溴虫腈己广泛用于多种作物的病虫害防治^[4]。此外，吡咯类化合物在香料、食品和功能材料等方面的应用也非常广泛。

由于吡咯类衍生物用途非常广泛，对其合成和反应的方法学研究一直受到重视。在经典的有机人名反应中，很多与吡咯的合成有关，如Paal-Knorr，Knorr和Van Leusen等反应^[5]。近些年来，也有关于吡咯及其衍生物的新合成方法被报道^{[6, 7]}，并大量应用。

本文介绍的是利用Knorr吡咯合成法制备吡咯类化合物2,4-二甲基吡咯-3,5-二羧酸二乙酯，其分子结构式如图1所示。

(1)了解吡咯类化合物的来源、结构、性质及用途。

(2)利用Knorr吡咯合成法制备2,4-二甲基吡咯-3,5-二羧酸二乙酯，掌握该方法的反应机理。

(3)熟悉控温、回流、重结晶、干燥等实验操作方法；熟练运用薄层色谱监测跟踪反应进度，并测试化合物的Rf值；熟悉化合物的熔点测定。

(4)了解并掌握有机化合物的红外和核磁共振谱图的解析方法。

本实验以乙酰乙酸乙酯和亚硝酸钠为原料，在乙酸和锌粉作用下，利用一锅法合成产物，其路线如图2所示。

Knorr合成法是合成吡咯类化合物的常用方法，它是由德国化学家Knorr^[8]在1886年最先发现的。该反应常以α-羰基化合物与亚硝酸反应生成α-氨基肟，再与锌粉反应原位生成α-氨基酮，此氨基酮与具有更强α-活泼氢的β-酮酯化合物在酸催化下得到亚胺结构化合物，亚胺经质子化后得到烯胺结构，再发生分子内缩合失去一个水合质子生成四取代的吡咯类化合物(图3)。原料α-羰基化合物可以是醛、酮或酯，但β-酮酯化合物则须具有更强的α-活泼氢，还原剂一般是Zn/CH₃COOH，Na₂S₂O₄及Pd(C)/H₂等。

仪器：电磁加热搅拌器，数字熔点仪(上海申光WRS-1B)，核磁共振仪(美国瓦里安Varian 400M)及傅里叶变换红外光谱仪(美国热电)。

试剂：乙酰乙酸乙酯，冰醋酸，亚硝酸钠，锌粉，95%乙醇，硅胶薄板，石油醚，乙酸乙酯。以上试剂均为分析纯。

在带有温度计的250 mL三口烧瓶中，加入6.51 g乙酰乙酸乙酯(50 mmol)和冰醋酸(25 mL)，置于冰水浴中。称量1.72 g亚硝酸钠(25 mmol)溶于3.5 mL水，加入恒压滴液漏斗中，缓慢滴加到三口烧瓶中，保持烧瓶内温度不高于10℃，约20 min内滴完，在此温度下继续搅拌1 h。另将3.1 g锌粉(47 mmol)，分5批次加入反应液中，每次投放应缓慢，保证烧瓶内温度不超过25℃。加完锌粉后，缓慢加热升温，每隔10 min升温10℃，一直加热至120℃，回流继续反应30 min，用薄层硅胶板TLC监测反应进程。反应结束后，降至室温，倒入100 mL冰水中，出现大量固体，经布氏漏斗抽滤后用冰水洗涤。得到的固体经95%乙醇(25 mL)重结晶，干燥后得淡黄色固体产物，称重并计算反应收率。测定产物熔点、Rf值、红外光谱图及核磁共振谱图。

目标产物为2,4-二甲基吡咯-3,5-二羧酸二乙酯，熔点为135-136℃，以石油醚-乙酸乙酯体积比为5 : 1作展开剂，Rf值约为0.32。IR(KBr)：v 270，1690，1675，1480，1432，1280，1198，1094，780，772 cm^-1；¹H NMR (400 MHz，CDCl₃)：δ 9.28 (s，¹H)，4.27-4.36 (m，4H)，2.56 (s，3H),2.52(s，3H),1.34-1.39 (m，6H)；¹³C NMR (100 MHZ，CDCl₃)：δ 165.5，162.0，139.3，130.9，117.9，113.5，60.3，59.4，14.4，14.2，12.0。

1)本实验合成吡咯类化合物，在实验预习阶段，可适当安排学生查阅一些相关文献资料，了解吡咯类化合物的结构、来源、用途及合成等情况，这样既能拓展相关的背景知识，也能激发学生的实验兴趣。

2)本实验反应的收率较高。在实验过程中，加锌粉步骤要小心，因为是放热反应，所以应少量多次加入，注意控制温度。加完锌粉后需缓慢升温，并加热至回流，确保锌粉反应完全，此时会产生大量固体产物，可能会影响搅拌，可补加一定量溶剂乙酸，使反应顺利进行。

3)本实验内容基于Knorr合成法，涉及到多步反应“一锅法”得到产物，对学生学习基础有机化学反应知识可起到很好的巩固作用。实验内容丰富，包括控温、回流、过滤、重结晶、干燥、薄层色谱、熔点测定、红外光谱和核磁共振图谱的解析等。其中产物的检测部分(包括薄层色谱、熔点测定、红外光谱、核磁共振谱的测试与解析)可根据具体的实验教学条件和实验学时情况进行合理调整。完成本实验全部内容大致需要4 h。