滕俊江，喬艷輝，林培喜

（廣東石油化工學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，廣東 茂名 525000）

研究開(kāi)發(fā)

N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽催化合成7-羥基-4-甲基香豆素

滕俊江，喬艷輝，林培喜

（廣東石油化工學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，廣東 茂名 525000）

以離子液體N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽為催化劑，通過(guò)Pechmann縮合反應(yīng)于無(wú)溶劑條件下合成了7-羥基-4-甲基香豆素，實(shí)驗(yàn)表明N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽可重復(fù)使用并具有較好的催化活性。在原料摩爾比n(間苯二酚)∶n(乙酰乙酸乙酯)為1∶1.3、催化劑[Hnmp]HSO4占反應(yīng)物料總質(zhì)量的1.2%、回流反應(yīng)時(shí)間3 h的條件下，產(chǎn)品收率達(dá)87.24%，經(jīng)液相色譜分析純度大于98.5%。

N-甲基吡咯烷酮；硫酸氫鹽；7-羥基-4-甲基香豆素；合成

香豆素衍生物為順式鄰羥基桂皮酸的內(nèi)酯，是一類重要的雜環(huán)化合物，具有多重生理活性、生物活性及光學(xué)活性，廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、香料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料及光學(xué)等領(lǐng)域。因而，香豆素類化合物的合成一直是有機(jī)合成和藥學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3]。7-羥基-4-甲基香豆素是香豆素衍生物中用途最廣泛的產(chǎn)品之一，是有機(jī)合成的重要中間體，也可以直接用作利膽藥物、熒光增白劑、激光染料及酸堿指示劑等[4]。目前工業(yè)上主要是以間苯二酚與乙酰乙酸乙酯為原料，在濃硫酸的催化下通過(guò)Pechmann一步縮合反應(yīng)合成7-羥基-4-甲基香豆素，濃硫酸盡管催化活性較高，但存在設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、副反應(yīng)多、后處理復(fù)雜、污染環(huán)境等諸多弊端。因此，高效、環(huán)保的綠色催化劑成為眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)，陸續(xù)有雜多酸[5-6]、固體酸[7-8]、離子交換樹(shù)脂[4，9-10]、硫酸氫鈉[11]等新型催化劑用于合成7-羥基-4-甲基香豆素，并取得一定效果。近年來(lái)離子液體作為一種新型的綠色催化劑和反應(yīng)溶劑，在酯化反應(yīng)、Friedel-Crafts反應(yīng)、Diels-Alder反應(yīng)、Peckmann重排等很多酸催化反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的特性，而且腐蝕性小，易分離[12-14]。受此啟發(fā)，作者結(jié)合Pechmann反應(yīng)機(jī)理，嘗試采用自制酸性離子液體N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽催化合成7-羥基-4甲基香豆素，并對(duì)其合成工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

N-甲基吡咯烷酮、濃H2SO4、間苯二酚、氨基磺酸、乙酰乙酸乙酯、乙酸乙酯均為化學(xué)純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，固體超強(qiáng)酸SO42－/ZrO2、N-甲基咪唑硫酸氫鹽為自制。

北京福凱儀器有限公司X-4型精密顯微熔點(diǎn)儀，日本島津IRAffinity-1紅外光譜儀，日本島津LC-20AT液相色譜儀，西安安泰科技有限公司旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

1.2 N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽的制備

參照文獻(xiàn)[15]自制離子液體N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽（[Hnmp]HSO4），將裝有一定量N-甲基吡咯烷酮的三口燒瓶放入冰水浴中，邊攪拌邊滴加等摩爾量的濃硫酸，滴加時(shí)控制反應(yīng)體系溫度5 ℃以下，滴加完畢繼續(xù)攪拌1 h，然后升溫于80 ℃攪拌反應(yīng)3 h，降溫，乙酸乙酯洗滌3次后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)（60℃，0.01 MPa），即得淡黃色透明黏稠狀離子液體[Hnmp]HSO4，置于干燥器備用。

1.3 7-羥基-4-甲基香豆素的合成

合成7-羥基-4-甲基香豆素的化學(xué)反應(yīng)如下。

具體實(shí)驗(yàn)步驟：向裝有攪拌裝置、回流冷凝管，溫度計(jì)的150 mL三口燒瓶中依次加入計(jì)量好的間苯二酚（簡(jiǎn)稱二酚）、乙酰乙酸乙酯（簡(jiǎn)稱三乙）及催化劑，加熱回流開(kāi)始計(jì)時(shí)，至預(yù)定時(shí)間后，靜置，由于離子液體[Hnmp]HSO4不易溶于三乙[13]，通過(guò)傾倒出上層反應(yīng)液，分出催化劑，將反應(yīng)液中過(guò)量的三乙減壓蒸出，瓶中析出淺黃色固體，然后用適量60%的乙醇溶液重結(jié)晶，得到白色晶體，稱重計(jì)算收率。

1.4 產(chǎn)品的定性定量分析

合成的產(chǎn)品為白色針狀晶體，測(cè)得熔程為188～189 ℃，與文獻(xiàn)[12]相符。經(jīng)紅外光譜分析（KBr壓片）主要特征峰：3455cm－1（—OH），3132 cm－1（—CH3），1688 cm－1、1602 cm－1、1455 cm－1（苯環(huán)骨架振動(dòng)），845 cm－1（苯環(huán)外C—C—H面外彎曲振動(dòng)），1388 cm－1、1274 cm－1、1068 cm－1、981 cm－1也出現(xiàn)特征吸收峰，與文獻(xiàn)[9]一致，譜圖見(jiàn)圖1。此外液相色譜測(cè)得7-羥基-4-甲基香豆素標(biāo)準(zhǔn)品與合成的產(chǎn)品保留時(shí)間一致，綜上說(shuō)明，所合成的產(chǎn)品為7-羥基-4-甲基香豆素。

圖1 產(chǎn)物的紅外譜圖

試驗(yàn)中所制備的產(chǎn)品經(jīng)液相色譜分析其純度，具體分析條件為：流動(dòng)相為甲醇與水，兩者體積比80∶20，流速1.0 mL/min，分離柱：Shim-pack vp-ODS，柱溫40 ℃，檢測(cè)器為紫外檢測(cè)器SPD-20A，進(jìn)樣體積2.5 uL，定量分析方法采用面積歸一法，分析結(jié)果見(jiàn)圖2，產(chǎn)品經(jīng)HPLC分析純度大于98.5%。

圖2 7-羥基-4-甲基香豆素液相色譜圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同催化劑催化效果比較

比較了對(duì)甲苯磺酸、自制固體超強(qiáng)酸SO42－/ZrO2、N-甲基咪唑硫酸氫鹽（[Hmim]HSO4）及N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽（[Hnmp]HSO4）4種催化劑的催化活性。由表1可見(jiàn)，在沒(méi)有催化劑存在的情況下，二酚和三乙基本沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)，選定的4種催化劑對(duì)7-羥基-4-甲基香豆素的合成都具有明顯的催化活性，其中[Hnmp]HSO4離子液體催化該反應(yīng)時(shí)收率最高為69.52%，而且N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽（[Hnmp]HSO4）具有制備工藝簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備腐蝕少等優(yōu)點(diǎn)。

表1 催化劑種類對(duì)反應(yīng)的影響

2.2 催化劑用量對(duì)反應(yīng)的影響

以[Hnmp]HSO4作為催化劑，考察催化劑用量（占反應(yīng)物料總質(zhì)量的分?jǐn)?shù)）對(duì)產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 催化劑用量對(duì)反應(yīng)的影響

由表2可知，隨著催化劑用量的增加，反應(yīng)速度加快，產(chǎn)品收率提高，當(dāng)催化劑用量為反應(yīng)物料總質(zhì)量的1.2%時(shí)產(chǎn)品收率達(dá)到73.86%，催化劑用量繼續(xù)增加到1.4%，產(chǎn)品收率略有提高，但不明顯，從催化劑成本考慮，最佳催化劑用量為反應(yīng)物料總質(zhì)量的1.2%為宜。

2.3 原料摩爾比對(duì)反應(yīng)的影響

在合成反應(yīng)中，通常增大某種反應(yīng)物的用量可促進(jìn)反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，從而提高產(chǎn)品收率，本實(shí)驗(yàn)從經(jīng)濟(jì)性和后處理難易程度綜合考慮，選擇三乙過(guò)量。改變?nèi)业挠昧?，考察原料摩爾比?duì)反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 原料摩爾比對(duì)反應(yīng)的影響

從表3可以看出，收率隨著三乙用量的增加而增大，當(dāng)n（二酚）∶n（三乙）為1∶1.3時(shí)收率達(dá)到85.60%，繼續(xù)增加三乙用量收率反而有所下降，而且增加了后處理的難度，因此，最佳原料配比n（二酚）∶n（三乙）為1∶1.3。

2.4 回流時(shí)間對(duì)產(chǎn)品收率的影響

固定原料配比n（二酚）∶n（三乙）為1∶1.3，催化劑[Hnmp]HSO4用量為反應(yīng)物料總質(zhì)量的1.2%，研究回流時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 回流時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

由表4可以看出，在3 h以內(nèi)收率隨著回流時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，回流時(shí)間超過(guò)3 h后，收率有所下降，主要是回流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)副反應(yīng)增加所致，此外產(chǎn)品顏色加深，影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以回流時(shí)間3 h最佳。

2.5 催化劑重復(fù)使用穩(wěn)定性

在上述單因素實(shí)驗(yàn)所獲得的最佳工藝條件下，將實(shí)驗(yàn)回收的離子液體經(jīng)簡(jiǎn)單干燥處理用于下次試驗(yàn)，考察離子液體[Hnmp]HSO4在該反應(yīng)中的重復(fù)使用性能，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 催化劑重復(fù)使用實(shí)驗(yàn)

由表5可知，在最佳工藝條件下，經(jīng)簡(jiǎn)單干燥處理的離子液體[Hnmp]HSO4在重復(fù)使用中產(chǎn)品收率略有下降，主要是在分離催化劑時(shí)由于操作問(wèn)題導(dǎo)致有少量催化劑損失，總之催化劑重復(fù)使用5次，收率仍達(dá)83.25%，保持了較好的活性。

3 結(jié) 論

在離子液體N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽（[Hnmp]HSO4）催化下，通過(guò)Pechmann一步縮合反應(yīng)合成7-羥基-4-甲基香豆素的最佳工藝條件：原料摩爾比n（二酚）∶n（三乙）為1∶1.3，催化劑[Hnmp]HSO4占反應(yīng)物料總質(zhì)量的1.2%，回流反應(yīng)時(shí)間3 h，在上述條件下產(chǎn)品收率達(dá)87.24%，經(jīng)液相色譜分析純度大于98.5%。選用離子液體作為催化劑對(duì)設(shè)備腐蝕性小，無(wú)溶劑，反應(yīng)三廢少，工藝簡(jiǎn)單，為了進(jìn)一步提高N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽的催化效果和重復(fù)使用性能，嘗試制備固載化離子液體催化劑用于催化合成7-羥基-4-甲基香豆素將是后續(xù)重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

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Synthesis of 7-hydroxy-4-methylcoumarin catalyzed by 1-methyl-2-pyrrolidinone hydrosulfate

TENG Junjiang，QIAO Yanhui，LIN Peixi（School of Chemistry and Life Science，Guangdong College of Petrochemical Technology，Maoming 525000，Guangdong，China）

7-Hydroxy-4-methylcoumarin was synthesized by Pechmann reaction using ionic liquid 1-methyl-2-pyrrolidinone hydrosulfate as catalyst without solvent. The results showed that 1-methyl-2-pyrrolidinone hydrosulfate could be reused and exhibited excellent catalytic activity. Under the condition as：n(resorcinol)∶n(ethyl acetoacetate)=1∶1.3，1.2%（percent of total mass of reactants）[Hnmp]HSO4，refluxing for 3 h，the yield of 7-hydroxy-4-methylcoumarin is up to 87.24%. Purity of product analyzed by HPLC is above 98.5%.

1-methyl-2-pyrrolidinone；hydrosulfate；7-hydroxy-4-methylcoumarin；synthesis

TQ 203.2

A

1000-6613（2012）06-1321-04

2012-02-13；修改稿日期：2012-03-10。

茂名市重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目（10A18）。

及聯(lián)系人：滕俊江（1979—），男，碩士，講師，主要從事精細(xì)有機(jī)合成及工業(yè)催化方面的研究。E-mail tengjunjiang@yahoo.com.cn。