張澤蓉，吳葉群，何凱君，謝廣洋，劉杰潤(rùn)，丘小萌，林澤鴻，賴(lài)吉敏，李艷萍

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)院，廣東 佛山528000)

苯佐卡因，化學(xué)名對(duì)氨基苯甲酸乙酯，是《中華人民共和國(guó)藥典》收錄的一種可用于表面麻醉的局麻藥，也是一種重要的醫(yī)藥合成中間體，可作為普魯卡因、奧索仿等前體原料[1]。以苯佐卡因?yàn)榛A(chǔ)合成的對(duì)氨基苯甲酸酯類(lèi)局麻藥具有穩(wěn)定性好、起效快和副作用小等特點(diǎn)。

苯佐卡因一般以對(duì)硝基甲苯為原料，經(jīng)以下3步反應(yīng)合成：(1)在酸性條件下對(duì)硝基甲苯被重鉻酸鉀氧化為對(duì)硝基苯甲酸；(2)在濃硫酸催化下對(duì)硝基苯甲酸與乙醇經(jīng)酯化反應(yīng)生成對(duì)硝基苯甲酸乙酯；(3)對(duì)硝基苯甲酸乙酯經(jīng)鐵粉還原[2-3]。該路線(xiàn)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家生產(chǎn)苯佐卡因的主要方法[4]，其中第3步的還原反應(yīng)是苯佐卡因合成的關(guān)鍵步驟，徐煒華等[5]用錫和濃鹽酸于95 ℃下恒溫?cái)嚢杌亓?0 min催化硝基還原合成苯佐卡因，產(chǎn)率86%，但該法需要用到金屬錫，原料價(jià)格較昂貴且濃鹽酸會(huì)嚴(yán)重腐蝕設(shè)備；劉太澤等[6]用鐵粉和氯化銨于95 ℃下攪拌回流50 min得到苯佐卡因，產(chǎn)率84%，但該法反應(yīng)溫度較高。在國(guó)外，F(xiàn)ranca等[7]采用二步連續(xù)流動(dòng)法合成苯佐卡因；Roodan等[8]通過(guò)銅催化芳基甲酮的脫甲基酯化反應(yīng)合成苯佐卡因。

超聲技術(shù)在加快化學(xué)反應(yīng)速率、提高產(chǎn)率方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[9]。作者針對(duì)鐵酸還原體系合成苯佐卡因路線(xiàn)，結(jié)合超聲輔助技術(shù)通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)探究對(duì)硝基苯甲酸乙酯經(jīng)鐵粉還原合成苯佐卡因的最優(yōu)條件，為苯佐卡因的工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

對(duì)硝基苯甲酸乙酯、鐵粉，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；冰醋酸、無(wú)水乙醇，廣東光華科技股份有限公司；鹽酸，廣州化學(xué)試劑廠(chǎng)；苯佐卡因?qū)φ掌?批號(hào)100454-200501)，中國(guó)藥品生物制品檢定所。

HH-ZK2型單列二孔恒溫水浴鍋、DW-3型數(shù)顯電動(dòng)攪拌器，鞏義予華儀器有限責(zé)任公司；SB-5200DTD HH-ZK2型超聲波清洗機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵，佛山安洋化玻儀器有限公司；UV-1600PC型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海美譜達(dá)儀器有限公司；TDL-508型低速離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠(chǎng)；WRS-2A型微機(jī)熔點(diǎn)儀，上海申光儀器儀表有限公司；JJ330型電子天平，常熟雙杰測(cè)試儀器廠(chǎng)。

1.2 苯佐卡因的合成[10-12]

鐵粉預(yù)處理：稱(chēng)取鐵粉10 g置于燒杯中，加入2%鹽酸25 mL后，在電熱套上加熱至微沸，繼續(xù)加熱5 min并用玻璃棒不斷攪拌，抽濾，用少量水洗至pH值5～6，于75 ℃烘箱中烘干，備用。

苯佐卡因粗品的合成：分別量取12 mL水、1 mL冰醋酸加入到具塞錐形瓶中，再加入3.0 g預(yù)處理過(guò)的鐵粉，用橡皮筋固定，置于設(shè)置好反應(yīng)條件的超聲波清洗機(jī)中反應(yīng)5 min；稍冷，加入對(duì)硝基苯甲酸乙酯2 g和95%乙醇12 mL，反應(yīng)結(jié)束后立即取出熱過(guò)濾，濾液冷卻后析出淺黃色結(jié)晶，抽濾；用適量稀乙醇洗滌產(chǎn)物，于75 ℃干燥1 h，即得苯佐卡因粗品。

精制：將苯佐卡因粗品置于小燒杯中，按料液比1∶10(g∶mL)加入50%乙醇，在70 ℃恒溫水浴中加熱攪拌溶解；稍冷，置于4 ℃冰箱重結(jié)晶2 h，得到白色晶體；抽濾，產(chǎn)物于75 ℃烘箱中干燥1 h，稱(chēng)重。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 超聲時(shí)間的影響

固定還原劑鐵粉用量為3.0 g、超聲功率為180 W、超聲溫度為50 ℃，考察超聲時(shí)間(30 min、40 min、50 min、60 min)對(duì)苯佐卡因產(chǎn)率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，苯佐卡因產(chǎn)率呈明顯的先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)超聲時(shí)間為40 min時(shí)，苯佐卡因產(chǎn)率最高，為30.18%。這是由于，超聲時(shí)間過(guò)短時(shí)，超聲空化作用產(chǎn)生的氣壓沒(méi)達(dá)到反應(yīng)閾值[9]，強(qiáng)度不夠，鐵粉未能與對(duì)硝基苯甲酸乙酯充分反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)率不高；超聲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)溶液很黏稠，抽濾時(shí)較多的產(chǎn)物粘附在鐵泥中難以分離，另一方面，錐形瓶?jī)?nèi)的醋酸也會(huì)逐漸揮發(fā)，使鐵粉還原體系酸性下降，影響還原反應(yīng)的進(jìn)行。

圖1 超聲時(shí)間對(duì)苯佐卡因產(chǎn)率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic time on yield of Benzocaine

2.1.2 超聲功率的影響

固定還原劑鐵粉用量為3.0 g、超聲溫度為50 ℃、超聲時(shí)間為40 min，考察超聲功率(120 W、165 W、210 W、255 W、300 W)對(duì)苯佐卡因產(chǎn)率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 超聲功率對(duì)苯佐卡因產(chǎn)率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on yield of Benzocaine

由圖2可知，在165～210 W范圍內(nèi)時(shí)，苯佐卡因產(chǎn)率隨著超聲功率的增大呈上升趨勢(shì)，當(dāng)超聲功率為210 W時(shí)，苯佐卡因產(chǎn)率最高，為45.56%；繼續(xù)增大超聲功率，產(chǎn)率并不會(huì)顯著升高，超聲功率為300 W時(shí)，產(chǎn)率接近45%。這是由于，較強(qiáng)超聲波空化可起到較好的攪拌作用，有利于反應(yīng)物之間充分混合，對(duì)鐵酸還原合成苯佐卡因很重要，同時(shí)超聲功率的增大可以加快反應(yīng)溶液水分遷移速率，也有利于反應(yīng)進(jìn)行；而超聲功率較大時(shí)，反應(yīng)原料對(duì)硝基苯甲酸乙酯中的酯基為易還原基團(tuán)，在超聲波輔助還原硝基過(guò)程中，可能使酯基更易發(fā)生加氫還原反應(yīng)，從而使得對(duì)應(yīng)芳胺合成效率降低、難度增大[13]。

2.1.3 超聲溫度的影響

固定還原劑鐵粉用量為3.0 g、超聲功率為180 W、超聲時(shí)間為40 min，考察超聲溫度(50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃)對(duì)苯佐卡因產(chǎn)率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 超聲溫度對(duì)苯佐卡因產(chǎn)率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on yield of Benzocaine

由圖3可知，隨著超聲溫度的升高，苯佐卡因產(chǎn)率呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)超聲溫度為60 ℃時(shí)，苯佐卡因產(chǎn)率最高，為50.89%。這是由于，超聲空化作用達(dá)到閾值時(shí)，產(chǎn)生有利于反應(yīng)進(jìn)行的足夠的熱效應(yīng)和機(jī)械作用，因此前期呈現(xiàn)出產(chǎn)率上升趨勢(shì)；但當(dāng)超聲溫度過(guò)高時(shí)，產(chǎn)生更強(qiáng)的空化作用，使得反應(yīng)更加劇烈，反應(yīng)物之間結(jié)合得更加緊密，反應(yīng)結(jié)束后得到的反應(yīng)液很黏稠，產(chǎn)物可能被包裹在鐵泥中[14]，并隨著過(guò)濾滯留在濾紙上，未能充分利用。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

固定還原劑鐵粉用量為3.0 g不變，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)3因素3水平(表1)，進(jìn)行L9(33)正交實(shí)驗(yàn)[15]，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀(guān)分析和方差分析，結(jié)果分別見(jiàn)表2、表3。

表1 正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiments

由表2可知，在超聲時(shí)間為30 min、超聲功率為255 W、超聲溫度為70 ℃的條件下，苯佐卡因產(chǎn)率最高，為55.03%。通過(guò)極差分析可以看出，各因素對(duì)超聲還原合成苯佐卡因產(chǎn)率影響的大小順序?yàn)椋篊>A>B，即超聲溫度>超聲時(shí)間>超聲功率，超聲溫度對(duì)苯佐卡因產(chǎn)率的影響最大。由表3可知，超聲溫度對(duì)苯佐卡因產(chǎn)率的影響顯著，超聲時(shí)間和超聲功率對(duì)苯佐卡因產(chǎn)率的影響不顯著。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，推測(cè)最優(yōu)水平組合為A3B2C3，即超聲時(shí)間為50 min、超聲功率為210 W、超聲溫度為70 ℃，在此條件下，苯佐卡因產(chǎn)率為55.33%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與直觀(guān)分析Tab.2 Results and visual analysis of orthogonal experiments

表3 正交實(shí)驗(yàn)的方差分析Tab.3 Variance analysis of orthogonal experiments

2.3 產(chǎn)物的表征

2.3.1 熔點(diǎn)測(cè)定

分別取苯佐卡因?qū)φ掌泛驼粚?shí)驗(yàn)優(yōu)化得到苯佐卡因樣品進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)定。測(cè)得苯佐卡因?qū)φ掌泛凸┰嚻返娜埸c(diǎn)范圍分別為92.4～93.4 ℃、92.4～94.4 ℃，數(shù)據(jù)基本一致，《中華人民共和國(guó)藥典》記載的苯佐卡因熔點(diǎn)范圍為88～91 ℃。

2.3.2 核磁共振氫譜分析(圖4)

由圖4可知，產(chǎn)物的信號(hào)解析：1HNMR(丙酮-d6)，δ：7.76(2H，d),6.65(2H，d),5.37(2H，s),4.30(2H),1.36(3H)，與苯佐卡因結(jié)構(gòu)的氫譜情況吻合，可以判斷合成產(chǎn)物為苯佐卡因。

圖4 以氘代丙酮為溶劑的產(chǎn)物的1HNMR圖譜Fig.4 1HNMR spectrum of product with acetone-d6 as solvent

2.4 討論

產(chǎn)物趁熱抽濾是本研究的難點(diǎn)。由于鐵泥的過(guò)濾非常困難，本研究把3張濾紙依次用熱蒸餾水潤(rùn)濕，確保負(fù)壓后再鋪上一層薄薄的棉花，棉花用熱蒸餾水潤(rùn)濕再進(jìn)行趁熱過(guò)濾，這樣過(guò)濾效果較好，產(chǎn)物損失較少。

3 結(jié)論

以對(duì)硝基苯甲酸乙酯為原料、鐵粉為還原劑，采用超聲輔助法合成苯佐卡因。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)L9(33)正交實(shí)驗(yàn)確定苯佐卡因的最優(yōu)合成條件如下：超聲時(shí)間為50 min、超聲功率為210 W、超聲溫度為70 ℃，在此條件下，苯佐卡因產(chǎn)率為55.33%。