房忠雪，金琦浩，文浩宇，孫文婷，戴兢陶

鹽城師范學院化學與環(huán)境工程學院，江蘇 鹽城 224007

1 引言

黃酮類化合物是自然界分布較廣的一類次生代謝產(chǎn)物，是藥用植物中的主要活性成分之一，具有廣泛的藥理作用，如抗氧化、降血壓、抗腫瘤等[1–4]。近年來，每年都有大量文獻報道從天然產(chǎn)物中提取分離得到新的黃酮化合物[5,6]。基礎有機化學實驗中“中藥槐花米中蘆丁的提取”，是利用回流、減壓蒸餾和抽濾等實驗技術從植物中提取黃酮的實驗，該實驗使學生掌握了植物提取黃酮藥物的原理和方法[7]。但學生從實驗的結果發(fā)現(xiàn)黃酮的提取產(chǎn)率較低，提取不完全，主要原因是植物中黃酮的含量低，成分多樣，這一問題激發(fā)起學生去探究高效制備黃酮的興趣。學生們發(fā)現(xiàn)化學合成法可以克服植物提取的弊端，通過分析了一系列植物提取的黃酮分子結構，顯示這些分子結構中均含有2-苯基色原酮結構(俗稱黃酮)。根據(jù)以上分析結果，學生們自主設計了既適合本科教學，又安全、易操作的基礎實驗來合成最簡單的黃酮母核結構分子。首先，學生采用逆合成法，設計了合成2’-羥基查爾酮的路線。然后，通過查閱文獻[8,9]，發(fā)現(xiàn)利用碘催化可以實現(xiàn)分子內(nèi)的環(huán)合，能獲得高收率的黃酮藥物分子。根據(jù)所設計的合成路線，學生運用已掌握的實驗技能成功地實現(xiàn)了兩步合成黃酮化合物。

本改進實驗具有安全、易操作、重復性好、產(chǎn)率高等優(yōu)點，既可應用到大學基礎化學實驗教學，也可用于學生的課外拓展與開放實驗。此外，通過本次實驗的改進激發(fā)了學生對其他黃酮類藥物合成的興趣，進一步引導學生采用與本實驗類似的方法，設計并合成了乙氧黃酮(治心絞痛藥物立可定中的主要活性成分)。將這一改進實驗引入到本科教學實驗中，非常有利于學生更深刻認識到化學合成的安全性和高效性，也使學生認識到不僅要在實驗中學習知識和技能，還要學會用科學的眼光發(fā)現(xiàn)問題，并設計合理的方法去解決問題，為本科畢業(yè)后從事科學研究和服務社會打下堅實的基礎。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

2’-羥基查爾酮合成的反應機理主要分為四個步驟(圖1)。首先堿與2-羥基苯乙酮中的α-氫和羥基氫結合，脫去兩分子水，形成碳負離子中間體，隨后互變異構成烯醇負離子，負離子作為親核試劑，立即進攻苯甲醛分子中的羰基碳原子，發(fā)生加成反應后生成一個烷氧負離子。接著烷氧負離子與水作用得到β-羥基酮化合物。最后經(jīng)分子內(nèi)脫水，由于脫水是反式共面消除，因此生成的雙鍵構型應為反式。再用鹽酸酸化，得到最終產(chǎn)物2’-羥基查爾酮[10]。

圖1 2’-羥基查爾酮生成機理

黃酮合成的反應機理：首先，DMSO分子的氧進攻碘，碘分子異裂，碘正離子加成到DMSO上形成硫鎓離子，隨后碘負離子進攻2’-羥基查爾酮的雙鍵發(fā)生類似Michael加成，氧負離子進攻硫鎓離子，然后經(jīng)過分子內(nèi)消除HI，硫鎓鹽以DMSO形式離去。隨后經(jīng)過β消除脫去一分子碘化氫，得到產(chǎn)物黃酮(圖2)[11,12]。碘化氫被DMSO氧化回碘，完成催化劑循環(huán)[13]。

圖2 黃酮生成機理

2.2 試劑與儀器

實驗試劑或材料，以及實驗所需儀器見表1和表2。

表1 實驗試劑或材料

表2 實驗儀器

2.3 實驗步驟

2.3.1 2’-羥基查爾酮的制備

在100 mL三口燒瓶中用移液管依次加入1.02 mL苯甲醛(10 mmol)、1.20 mL 2-羥基苯乙酮(10 mmol)，量筒量取30.0 mL乙醇加入，攪拌。量取10.0 mL 10%的氫氧化鈉(25 mmol)溶液加到恒壓滴液漏斗中，緩慢滴加到三口燒瓶中，室溫下反應4 h (圖3)。采用薄層色譜法監(jiān)測反應，展開劑的極性選擇為V石油醚: V乙酸乙酯= 20 : 1，比移值約為0.5。反應結束后，把反應體系倒入盛有冰鹽水的燒杯中，攪拌下加入10%的鹽酸溶液，調(diào)節(jié)pH為5–6。靜置，待固體完全析出后，抽濾，依次用冰水和無水乙醇洗滌，重復三次，烘干，稱量，產(chǎn)物2’-羥基查爾酮為黃色固體，稱得質(zhì)量約為2.05 g，收率91%。測得2’-羥基查爾酮熔點為87–88 °C，通過核磁表征確定結構，核磁數(shù)據(jù)顯示雙鍵氫原子耦合常數(shù)為12.4，證明2’-羥基查爾酮中雙鍵為反式。

圖3 2’-羥基查爾酮的制備路線圖

2.3.2 黃酮的制備

在50 mL圓底燒瓶中依次加入1.12 g制備的2’-羥基查爾酮(5 mmol)、0.013 g碘(約0.05 mmol)和10.0 mL二甲基亞砜。把反應瓶放到磁力攪拌器上攪拌，使其混合均勻后轉(zhuǎn)移到油浴鍋中，加熱到160 °C，反應時間約1 h (圖4)。采用薄層色譜法監(jiān)測反應，展開劑的極性選擇為V石油醚: V乙酸乙酯= 15 : 2，比移值約為0.2。反應結束后，冷卻，把反應體系倒入盛有冰鹽水的燒杯中，用玻璃棒攪拌，靜置，待固體完全析出后，抽濾，依次用水和石油醚洗滌，重復三次，烘干，稱量，產(chǎn)物黃酮為淡黃色固體，質(zhì)量約為1.02 g，收率92% (核磁收率95%)。測得黃酮熔點為95–96 °C，通過核磁表征確定結構。

圖4 黃酮的制備路線圖

3 結果與討論

3.1 調(diào)節(jié)pH對合成2’-羥基查爾酮底物的影響

因2’-羥基查爾酮是在堿性條件下羥醛縮合制得的，所以查爾酮結構中含有酚鈉基團，這需要調(diào)劑pH釋放出酚羥基。在本實驗中，選用鹽酸做酸化劑，調(diào)節(jié)pH到5–6。因為pH調(diào)節(jié)過高，羥基無法完全釋放，影響2’-羥基查爾酮的收率。有同學調(diào)節(jié)pH時不小心調(diào)得過低，導致下一步反應產(chǎn)率降低，并有較多雜質(zhì)出現(xiàn)。為此同學們積極思考，提出不同見解。通過查閱文獻，得知pH低于5時，2’-羥基查爾酮容易發(fā)生分子內(nèi)環(huán)合，得到二氫黃酮副產(chǎn)物(圖5)[14,15]。由此可見，后處理實驗中，pH的調(diào)節(jié)是合成2’-羥基查爾酮反應成敗的關鍵因素。

圖5 副反應二氫黃酮的生成路線圖

3.2 反應后處理操作

3.2.1 合成2’-羥基查爾酮的后處理

在2’-羥基查爾酮合成反應結束后，主要采用的是抽濾操作。第一步抽濾過程，實現(xiàn)固液分離，得到2’-羥基查爾酮。第二步用冰水洗滌的目的是除去2’-羥基查爾酮里包裹的少量鹽酸和氯化鈉等無機物。第三步用乙醇洗滌的主要目的是去除2’-羥基查爾酮里含有的少量有機雜質(zhì)和水，有助于快速烘干2’-羥基查爾酮，為下一步反應節(jié)省時間。

3.2.2 合成黃酮的后處理

在黃酮合成反應結束后，處理方法與2’-羥基查爾酮過程相似，同樣采用抽濾操作。第一步抽濾過程，實現(xiàn)固液分離，得到需要的黃酮粗產(chǎn)品，通過核磁表征第一步得到的粗產(chǎn)品，結果表明樣品純度較高，僅含有微量雜質(zhì)。第二步用冰水洗滌的目的是除去粗產(chǎn)品里包裹的少量氫碘酸和DMSO。第三步用石油醚洗滌的主要目的是去除粗產(chǎn)品里含有的少量有機雜質(zhì)，且有利于快速烘干。

3.3 拓展應用

成功合成了黃酮分子后，激發(fā)起了學生合成黃酮衍生物的興趣。為了進一步證明上述合成黃酮藥物分子方法的普適性，開展了拓展應用實驗。藥物立可定主要適用于治療慢性冠脈機能不全、心絞痛等病癥，長期服用可防止心肌梗塞。與硝酸甘油合用，對自覺癥狀也起到良好的改善效果[16]。從2,4-二羥基苯乙酮和苯甲醛出發(fā)，只需要三步實驗，可以高效地合成出藥物立可定的主要活性成分乙氧黃酮。

3.3.1 2’,4’-二羥基查爾酮的制備

在100 mL三口燒瓶中依次加入3.04 g 2’,4’-二羥基苯乙酮(20 mmol)和30.0 mL乙醇，再緩慢滴加10.0 mL 40%氫氧化鉀溶液到反應體系中，攪拌10 min。用移液管移取2.05 mL苯甲醛(20 mmol)加入其中，回流2 h (圖6)。采用薄層色譜法監(jiān)測反應，展開劑的極性選擇為V石油醚: V乙酸乙酯= 13 : 4，比移值約為0.3。反應結束后，冷卻，把反應體系倒入盛有冰鹽水的燒杯中，攪拌下加入10%的鹽酸溶液，調(diào)節(jié)pH范圍5–6。靜置，待固體完全析出后，抽濾，依次用冰水洗滌和無水乙醇洗滌，重復三次，烘干，稱量，產(chǎn)物2’,4’-二羥基查爾酮為黃色固體，質(zhì)量約為3.89 g，收率81%。測得2’,4’-二羥基查爾酮熔點為146–147 °C，通過核磁表征確定結構。

圖6 2’,4’-二羥基查爾酮的合成

3.3.2 7-羥基黃酮的制備

在50 mL圓底燒瓶依次加入1.20 g制備的2’,4’-二羥基查爾酮(5 mmol)、0.013 g碘單質(zhì)(約0.05 mmol)和10.0 mL二甲基亞砜。室溫攪拌均勻，加熱到160 °C，反應1 h (圖7)。采用薄層色譜法監(jiān)測反應，展開劑的極性選擇為V石油醚: V乙酸乙酯= 10 : 6，比移值約為0.2。反應結束后，冷卻，把反應體系倒入盛有飽和食鹽水的燒杯中，分別用10.0 mL的二氯甲烷萃取三次，再用大量水反萃取三次，去除高沸點的DMSO，收集有機相，旋蒸除去溶劑后，把得到的樣品進行快速的柱層析，得到7-羥基黃酮，產(chǎn)物為白色固體，質(zhì)量約為1.07 g，收率90%。測得7-羥基黃酮熔點為245–246 °C，通過核磁表征確定結構。

圖7 7-羥基黃酮的合成

3.3.3 乙氧黃酮的制備

在25 mL圓底燒瓶中依次加入0.24 g制備的7-羥基黃酮(1 mmol)、0.35 g碳酸鉀(約2.5 mmol)和2.0 mL丙酮，室溫攪拌10 min。然后加入0.12 mL溴代乙酸乙酯(1.1 mmol)和0.02 g碘化鈉(約0.1 mmol)，于65 °C加熱反應2 h (圖8)。采用薄層色譜法監(jiān)測反應。展開劑的極性選擇為V石油醚: V乙酸乙酯= 11 : 4，比移值約為0.5。反應結束后，冷卻，把反應體系倒入盛有飽和鹽水的燒杯中，分別用5.0 mL的二氯甲烷萃取三次，收集有機相，旋蒸除去溶劑后，把得到的樣品進行快速的柱層析，得到乙氧黃酮，最終產(chǎn)物乙氧黃酮為淡黃色固體，質(zhì)量約為0.21 g，收率87%。測得乙氧黃酮熔點為123–124 °C，通過核磁表征確定結構。

圖8 乙氧黃酮的合成

3.4 實驗安全和可行性

3.4.1 實驗安全

本改進實驗涉及2-羥基苯乙酮、2,4-二羥基苯乙酮、苯甲醛、溴代乙酸乙酯、碳酸鉀、碘、碘化鈉、乙醇、二甲基亞砜、丙酮、鹽酸等藥品，均為本科生實驗的常用化學試劑，因此本實驗原料易得。其中，要注意溴乙酸乙酯為無色或黃色的液體，其蒸氣有毒。反應過程因使用溴乙酸乙酯可能產(chǎn)生的溴灼傷，用苯和甘油洗滌，可以迅速溶解溴，再用大量水清洗。丙酮是無色透明液體，具有易燃性，丙酮本身還極易揮發(fā)，大量蒸氣聚集遇熱易發(fā)生爆炸，丙酮被列為危險品中的第三類易燃液體。鹽酸的性狀為無色透明的液體，有強烈的刺激性氣味，具有腐蝕性。

學生實驗全程都要佩戴護目鏡，穿實驗服，戴手套操作。在實驗過程中，取用藥品和進行實驗應當在通風櫥中進行，全程不出現(xiàn)明火加熱，注意規(guī)范操作。

3.4.2 可行性

黃酮制備實驗需要教學時長約6 h，如需縮短教學時長，在2’-羥基查爾酮制備實驗時適當提高反應溫度到60 °C (產(chǎn)率略下降為74%)，教學時長可縮短到4 h。拓展實驗合成乙氧黃酮需要7 h完成，可用于學生的課外拓展與開放實驗。實驗時長均符合教學要求。

進一步驗證黃酮合成實驗的可行性，在課余時間組織20名學生進行開放實驗，結果見表3。

表3 學生開放實驗結果

在每一步實驗結束后，挑選收率較高和較低的同學合成的產(chǎn)物進行核磁氫譜表征和熔點測定。結果表明，收率高的同學產(chǎn)物2’-羥基查爾酮和黃酮的純度也高，熔點接近已知數(shù)據(jù)。而收率低的同學產(chǎn)物顏色不均勻，譜圖顯示產(chǎn)物純度不夠，有明顯的二氫黃酮雜質(zhì)混入，熔程較大。通過結構表征，確定了收率較低的原因，幫助學生提高實驗操作技能。

4 結語

本文所合成黃酮和乙氧黃酮兩個藥物分子，是對本科有機化學教學實驗“中藥槐花米中蘆丁黃酮的提取”實驗的拓展實驗。通過有機化學合成途徑，以較高收率得到黃酮和乙氧黃酮兩個藥物分子，實驗具有較好的延伸性，在引導學生積極探索實驗原理的同時，教師還可根據(jù)課程需要，靈活安排實驗。改進實驗具有安全、易操作、重復性好、產(chǎn)率高等優(yōu)點，有效地促進了學生實踐能力的提升和創(chuàng)新意識培養(yǎng)。

本實驗為化學合成天然藥物提供了切實可行的教學案例，可將其納入課程標準中，豐富有機化學實驗的教學內(nèi)容。同時給學生自主研究提供了多重角度，拓寬了學生的思維廣度，提高了學生分析和解決問題的能力，培養(yǎng)了學生自主學習并提高了學習能力，提升了化學服務人類健康生活的價值觀。