安 華, 郭一平

(1.河南化工技師學院 化工系， 河南 開封 475000； 2.陜西省石油化工研究設(shè)計院， 陜西 西安 710054)

0 引言

香豆素類化合物具有抗菌、抗癌和抗凝血性等非常明顯的生物和生理活性[1]，同時它還具有很好的光學活性，此類化合物在生產(chǎn)殺蟲劑、香料、化妝品和食品等方面也有非常廣泛的應(yīng)用.因此，香豆素類化合物的合成方法探索一直都是有機合成和藥學領(lǐng)域的研究熱點.合成香豆素及其衍生物通用的方法是Pechmann縮合反應(yīng)，此合成方法具有原料價廉易得，產(chǎn)物收率較高等特點.

7-羥基-4-甲基香豆素(7-hydroxy-4-methylcoumarin)為雜環(huán)芳香族的化合物，此物質(zhì)是合成燃料[2]、醫(yī)藥[3]的重要中間體，同時也是利膽藥——膽通的重要原料[4].傳統(tǒng)合成7-羥基-4-甲基香豆素(HMC)的方法多是在磷酸、硫酸、P2O5、多聚磷酸、FeCl3、HCl、蒙脫石或三氟乙酸等酸性催化劑的存在下進行[5-9].且催化劑用量大、反應(yīng)溫度高、反應(yīng)時間長、操作復(fù)雜、催化劑價格昂貴等不足.

目前，新型的綠色環(huán)保試劑雜多酸催化劑由于擁有強而且均一的質(zhì)子酸中心，在反應(yīng)過程中具有假液相行為，因而在酸催化反應(yīng)中顯示出了較好的催化性能.王軍等人研究了以Keggin結(jié)構(gòu)的磷鎢酸、硅鎢酸、磷鉬酸等雜多酸催化乙酰乙酸乙酯和間苯二酚進行Pechmann縮合反應(yīng)合成7-羥基-4-甲基香豆素的過程，合成收率可達到84.5%.但在此反應(yīng)中，當反應(yīng)溫度較低時，合成收率降低；反應(yīng)溫度較高時，反應(yīng)過于劇烈而難以控制[10].

眾所周知，對于化學反應(yīng)過程當有催化劑加入時，可以加速化學反應(yīng)，降低反應(yīng)條件并縮短反應(yīng)時間，但盡管如此，有些催化反應(yīng)過程所需要的環(huán)境仍比較苛刻.微波輻射是近年來新興的實驗技術(shù)之一，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于分析、高分子化學、無機材料、有機合成反應(yīng)等眾多方面.微波技術(shù)與常規(guī)加熱技術(shù)相比，具有受熱均勻的特點，且能夠促進反應(yīng)體系分子間的碰撞幾率，從而縮短反應(yīng)時間，提高反應(yīng)收率，因此微波技術(shù)的發(fā)展非常迅速，尤其在有機合成中，已被越來越多研究者使用.而將微波輻射的方法應(yīng)用于催化反應(yīng)過程，能夠進一步提高其反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)的時間，并提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)率，使反應(yīng)在溫和的條件下進行[11].

本文以磷鎢酸為催化劑，采用微波輻射強化反應(yīng)的方法來催化間苯二酚和乙酰乙酸乙酯來合成7-羥基-4-甲基香豆素，對反應(yīng)物的種類、催化劑用量、微波輻射功率及時間等因素的影響進行了研究.

1 實驗部分

1.1 合成原理

間苯二酚與乙酰乙酸乙酯進行Pechmann縮合反應(yīng)合成HMC的合成反應(yīng)式如下所示：

HMC合成原理

1.2 試劑和儀器

主要儀器：MCL型格蘭仕實驗室用微波爐(順德市格蘭仕電器實業(yè)有限公司)；FA2004N型電子天平(上海民橋精密科學儀器有限公司)；X-4型雙目顯微熔點測定儀(北京泰克儀器有限公司)；EQUIVOX55型傅里葉變換紅外光譜儀(德國Baker公司).

主要試劑：間苯二酚(AR，上海TCI試劑有限公司)；乙酰乙酸乙酯(AR，上海凌峰化學試劑有限公司)；乙醇(AR，上海國藥集團化學試劑有限公司)；自制去離子水.

1.3 HMC合成方法

在帶有溫度計和冷凝管的干燥的100 mL三口燒瓶中，依次加入間苯二酚和乙酰乙酸乙酯，混合均勻，然后將反應(yīng)瓶固定于微波爐腔中，其中一瓶口裝配恒壓磨口漏斗(內(nèi)裝分子篩作為脫水器)和回流冷凝管，另一瓶口裝配反應(yīng)攪拌器.開啟微波爐和攪拌器，對反應(yīng)進行輻射回流反應(yīng)一定時間后終止反應(yīng).該反應(yīng)體系中除目標產(chǎn)物HMC外，其他物質(zhì)(如反應(yīng)物、催化劑)均易溶解于水，待反應(yīng)結(jié)束后，將混合物轉(zhuǎn)入500 mL燒杯中，冷卻至室溫后，加入300 mL水并攪拌10 min，抽濾、水洗滌、干燥后，用95%的乙醇重結(jié)晶，析出類白色針狀晶體.抽濾，固體在70 ℃下真空干燥至恒重，即為目標產(chǎn)物.

1.4 目標產(chǎn)物表征

用熔點儀測定目標產(chǎn)物的熔點，用傅里葉變換紅外光譜儀表征目標產(chǎn)物.

2 結(jié)果與討論

2.1 目標產(chǎn)物的合成與結(jié)構(gòu)歸屬

目標化合物HMC經(jīng)熔點儀測定，得其熔點為188～190 ℃，和文獻報道值186～191 ℃相吻合，且融程較短，可推測所得產(chǎn)品純度較高；目標化合物的FT-IR表征以KBr壓片，在400～4 000 cm-1測定產(chǎn)物的紅外吸收光譜，見圖1所示.該譜圖中3 450 cm-1處、1 454 cm-1和1 393 cm-1的吸收峰對應(yīng)的是芳環(huán)吸收峰；3 119 cm-1是-CH3和-CH2的吸收峰；1 667 cm-1是C=O的吸收峰；1 600 cm-1是C-C的吸收峰[12].

圖1 7-羥基-4-甲基香豆素的紅外譜圖

2.2 反應(yīng)條件對縮合反應(yīng)的影響

2.2.1 微波功率對縮合反應(yīng)的影響

由表1可知，在一定范圍內(nèi)，隨著微波功率的增大，原料逐漸被活化，HMC的收率逐漸提高.當微波功率增大到中高火后，隨著功率的進一步增大，HMC的收率反而降低，適宜的功率為中高火.

表1 微波功率對縮合反應(yīng)的影響

2.2.2 催化劑用量對縮合反應(yīng)的影響

隨催化劑用量的增加，HMC的收率呈現(xiàn)上升的趨勢.當磷鎢酸用量的總質(zhì)量比為2.5%～5.5%時，HMC的收率恒定在85%以上.當繼續(xù)增加催化劑的用量，HMC的收率雖然有所增加，但增加的量較小，從生產(chǎn)成本等因素來考慮，選擇催化劑磷鎢酸用量為2.5%[13].磷鎢酸用量對縮合反應(yīng)的影響見圖2所示.

圖2 催化劑用量對縮合反應(yīng)的影響

2.2.3 反應(yīng)物配比對縮合反應(yīng)的影響

隨n(乙酰乙酸乙酯)∶n(間苯二酚)的增加，HMC的收率基本不發(fā)生變化，選擇n(乙酰乙酸乙酯)∶n(間苯二酚)= 1.0為合適的反應(yīng)物配比.如圖3所示.

圖3 n (乙酰乙酸乙酯)∶n(間苯二酚)對縮合反應(yīng)的影響

2.2.4 反應(yīng)時間對縮合反應(yīng)的影響

隨著反應(yīng)時間的增加， HMC的收率也逐漸增加，當反應(yīng)時間為40 min時HMC的收率最大.再增加反應(yīng)時間， HMC的收率反而降低，因此，反應(yīng)時間選擇30 min較為合適[14]，見圖4所示.

圖4 反應(yīng)時間對縮合反應(yīng)的影響

2.3 微波輻射對催化促進作用機理探測

微波是頻率在0.3～300 GHz之間的電磁波，具有磁場和電場的雙重性質(zhì).微波對被照物質(zhì)具有很強的穿透力，能對反應(yīng)物起深層加熱的作用，因而被應(yīng)用于熱反應(yīng)中.微波在HMC合成過程中，促進了反應(yīng)的進行，強化了催化劑和原料間的接觸，縮短了反應(yīng)時間.在合成反應(yīng)中，通過微波作用于反應(yīng)物，加劇了分子的運動，進一步提高了分子的平均動能，很大程度上加快了分子之間的碰撞頻率，從而大大提高反應(yīng)速率[15-17].

3 結(jié)論

(1)本實驗利用微波輻射技術(shù)，以乙酰乙酸乙酯和間苯二酚為原料，水為溶劑，磷鎢酸為催化劑，通過Pechmann縮合反應(yīng)合成了7-羥基-4-甲基香豆素.

(2)利用單因素實驗得到HMC合成條件為：間苯二酚與乙酰乙酸乙酯物質(zhì)的量之比為1∶1，催化劑用量為2.5%，反應(yīng)時間為30 min，微波爐的功率為中高火.在此工藝條件下，HMC的收率為94.4%.

(3)該合成方法與傳統(tǒng)法相比，具有操作簡便、產(chǎn)率較高(傳統(tǒng)方法產(chǎn)率約為84.5%)、反應(yīng)時間較短、反應(yīng)溫度較低等優(yōu)點，是一種值得推廣的綠色合成方法.

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