董軍，陳友威，常偉，桑澤礬，曾子航，徐國棟

鹽城師范學院化學與環(huán)境工程學院，江蘇 鹽城 22400

1 引言

香豆素(Coumarin，又稱α-苯并吡喃酮)又稱為香豆精，廣泛存在于桂皮、薰衣草等天然草本植物中，具有抗HIV、治療心腦血管方面的疾病[1]、治療癌癥[2]、抗骨質(zhì)疏松[3]等藥理學作用，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)。鑒于香豆素類化合物的重要性，為增強學生對有機化學的熱情，部分基礎(chǔ)化學實驗[4]和綜合化學實驗[5]教材選取了香豆素類化合物中一種重要的衍生物——香豆素-3-羧酸的合成制備作為本科教學實驗。目前經(jīng)典的反應(yīng)是以水楊醛和丙二酸二乙酯在六氫吡啶和乙酸的催化下通過Knoevenagel反應(yīng)和分子內(nèi)酯交換制備香豆素-3-羧酸乙酯，再分別通過酯的水解、酸化以及酯化反應(yīng)得到產(chǎn)物香豆素-3-羧酸。在實際教學過程中，我們發(fā)現(xiàn)六氫吡啶與乙酸具有較強刺激性氣味，而強堿KOH與強酸HCl的使用則具有潛在危險性，安全性較差。另外，該反應(yīng)步驟較多，耗時較長。并且作為經(jīng)典的任務(wù)型制備實驗，其探究性較弱，難以引發(fā)學生的探索熱情。

針對現(xiàn)有本科實驗中香豆素-3-羧酸制備反應(yīng)的不足，嘗試對該反應(yīng)進行以下改進：(1)以丙二酸二乙酯為原料與水楊醛發(fā)生Knoevenagel反應(yīng)之后通過分子內(nèi)酯交換成環(huán)得到香豆素-3-羧酸乙酯，再通過強堿催化的皂化和強酸催化的酸化和酯化成環(huán)得到香豆素-3-羧酸，步驟繁瑣，耗時較長。通過查閱文獻以及對反應(yīng)機理的進一步研究，決定選用結(jié)構(gòu)類似的丙二酸環(huán)(亞)異丙酯(即米氏酸)替代丙二酸二乙酯，結(jié)果表明米氏酸不僅可以有效發(fā)生Knoevenagel縮合反應(yīng)以及后續(xù)的分子內(nèi)酯交換反應(yīng)，而且可以在現(xiàn)有催化劑條件下快速脫去丙酮，一鍋實現(xiàn)香豆素-3-羧酸的串聯(lián)合成，簡潔高效，還避免了強酸強堿的使用；(2)Knoevenagel反應(yīng)中需要用到具有刺激性氣味的乙酸和六氫吡啶作為酸堿催化劑，環(huán)保性較弱，因此選用同時含有氨基和羧基的天然氨基酸——甘氨酸作為兩性催化劑催化該反應(yīng)；3)在實驗過程中引入熔點測定、紅外光譜以及核磁波譜等測試表征環(huán)節(jié)，有效提升該制備實驗的拓展性；4)通過引導學生閱讀香豆素-3-羧酸制備的相關(guān)文獻，并在具體實驗過程中設(shè)計開放性實驗，分組探究不同反應(yīng)條件對該反應(yīng)的影響，培養(yǎng)學生的科研探索精神。

2 實驗?zāi)康?/h2>

(1)掌握一種合成香豆素-3-羧酸的方法，鞏固回流、抽濾等基礎(chǔ)有機實驗操作，了解核磁共振波譜儀及紅外光譜儀的使用以及工作原理；

(2)通過Knoevenagel反應(yīng)的機理推測可能產(chǎn)物，并通過反應(yīng)結(jié)果來解釋反應(yīng)機理；

(3)以“學生為主體，教師為主導”的教學模式，提高實驗設(shè)計的積極性，強化學科探究能力，鍛煉獨立思考意識；

(4)通過多步串聯(lián)、綠色合成，感受學科魅力，樹立綠色環(huán)保意識，增強社會責任感。

3 實驗部分

3.1 實驗原理

香豆素-3-羧酸合成的機理如下：第一步，Knoevenagel反應(yīng)。甘氨酸羧基中的質(zhì)子活化水楊醛中的羰基，隨后氨基作為親核試劑進攻活化后的羰基，發(fā)生親核加成并脫水得到亞胺中間體。該中間體迅速受到1,3-二羰基化合物米氏酸上α-碳的進攻，發(fā)生親核加成，隨后消除一分子甘氨酸，得到Knoevenagel縮合反應(yīng)產(chǎn)物；第二步，由Knoevenagel縮合反應(yīng)產(chǎn)物中的酚羥基進攻米氏酸結(jié)構(gòu)中的羰基，發(fā)生加成消除即分子內(nèi)酯交換反應(yīng)得到中間體。隨后在酸的催化下，發(fā)生消除反應(yīng)，脫去一分子丙酮并得到最終產(chǎn)物香豆素-3-羧酸(圖1)。

圖1 合成香豆素-3-羧酸的反應(yīng)機理

3.2 實驗儀器與藥品

3.2.1 儀器和表征方法

實驗儀器見表1。

表1 實驗儀器

3.2.2 試劑或材料

實驗試劑或材料見表2。

表2 實驗試劑或材料

3.3 實驗步驟

3.3.1 香豆素-3-羧酸的制備(約2.5 h)

在100 mL梨形燒瓶中依次加入2.16 g米氏酸、0.25 g甘氨酸、25 mL水、1 mL水楊醛和磁子。將燒瓶放入油浴鍋，開啟攪拌，加熱反應(yīng)至回流。反應(yīng)過程中，體系先變澄清，后出現(xiàn)大量白色固體，反應(yīng)方程式如圖2所示。反應(yīng)1.5 h后，通過薄層色譜(TLC)法監(jiān)測反應(yīng)，展開劑的極性選擇為VPE:VEA=5:1。通過TLC監(jiān)測，原料水楊醛已經(jīng)反應(yīng)完全，停止反應(yīng)，待體系溫度降低至室溫，緩慢倒入冰水中，并用玻璃棒攪拌約5 min。待固體完全析出，減壓抽濾，用少量冰水洗滌，重復三次。收集固體并烘干至恒重。稱量固體質(zhì)量為1.60 g，收率約為84%。

圖2 香豆素-3-羧酸的合成路徑

3.3.2 產(chǎn)品表征(約1.5 h)

通過微機熔點儀、傅立葉變換紅外-拉曼光譜儀、核磁共振波譜儀對產(chǎn)物進行熔點、紅外及核磁表征。

3.4 藥品的安全評估及應(yīng)急處理方法

本改進實驗涉及水楊醛、米氏酸、甘氨酸、水等藥品。這些藥品均為常見的實驗試劑，安全低毒，便宜易得，適于本科教學[6]。

4 結(jié)果與討論

4.1 反應(yīng)條件優(yōu)化

為了提高香豆素-3-羧酸的反應(yīng)收率，以水楊醛和米氏酸為原料進行反應(yīng)條件優(yōu)化(表3)。首先探究溶劑對反應(yīng)的影響，選擇了水、乙醇以及甲醇這三種溶劑進行實驗，發(fā)現(xiàn)水作為溶劑時，產(chǎn)物的分離產(chǎn)率較高為72%(編號1–3)。隨后，優(yōu)化水楊醛和米氏酸的比例，增加米氏酸的用量，當水楊醛和米氏酸的物質(zhì)的量之比為1:1.5時，香豆素-3-羧酸分離產(chǎn)率提高到了76%(編號4)。繼續(xù)增加米氏酸的用量，當水楊醛和米氏酸的物質(zhì)的量之比為1:2.0時，香豆素-3-羧酸的分離產(chǎn)率依舊是76%(編號5)，表明繼續(xù)增加米氏酸的用量不能有效提升產(chǎn)率。隨后，改變水楊醛和米氏酸的物質(zhì)的量之比為1.5:1時，分離產(chǎn)率略微下降，產(chǎn)率為62%(編號6)。接著優(yōu)化反應(yīng)時間，該反應(yīng)分別在0.5 h、1.5 h、2.5 h時停止(編號7–9)，可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)時間從0.5 h延長到1.5 h時產(chǎn)率升高為84%(編號8)，繼續(xù)延長反應(yīng)時間至2.5 h，產(chǎn)率仍為84%(編號9)。最后優(yōu)化催化劑甘氨酸的用量，可以發(fā)現(xiàn)，降低催化劑用量會導致產(chǎn)率略微下降(編號10、11)。因此合成香豆素-3-羧酸的最優(yōu)條件是：選取0.25 g(3.3 mmol)甘氨酸作為催化劑，以25 mL水為溶劑，15 mmol米氏酸和10 mmol水楊醛為原料，加熱回流條件下反應(yīng)1.5 h。

表3 合成香豆素-3-羧酸的反應(yīng)條件優(yōu)化

4.2 反應(yīng)監(jiān)測及產(chǎn)品表征分析

4.2.1 薄層色譜法監(jiān)測反應(yīng)

以VPE:VEA=5:1為展開劑監(jiān)測反應(yīng)，直到水楊醛反應(yīng)完全，停止反應(yīng)，水楊醛Rf=0.8。由于香豆素-3-羧酸、米氏酸及甘氨酸有很大的極性，以上監(jiān)測手段無法證明甘氨酸和米氏酸是否存在于產(chǎn)品中。我們嘗試逐漸增加展開劑的極性，經(jīng)過探索最終確定，以VPE:VEA:VHAc=1:1:1為展開劑也可以使體系在硅膠板上很好地展開。

4.2.2 微機熔點儀測定產(chǎn)物熔點

利用微機熔點儀測定產(chǎn)品熔點，熔點測定為193.3–193.8 °C，與文獻報道相一致[7]。

4.2.3 紅外核磁表征產(chǎn)品

通過紅外(圖3)和核磁(圖4、5)確定產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，譜圖幾乎無雜峰，體系較為干凈。

圖3 產(chǎn)物香豆素-3-羧酸的紅外譜圖

圖4 產(chǎn)物香豆素-3-羧酸的核磁氫譜

圖5 產(chǎn)物香豆素-3-羧酸的核磁碳譜

5 教學組織建議

5.1 教學實施的可行性

為了驗證本實驗合成香豆素-3-羧酸的可行性，我們從學院隨機安排了20位同學開展平行實驗。學生的產(chǎn)品分離產(chǎn)率與演示實驗產(chǎn)率接近，說明實驗具有良好的重復性。

制備香豆素-3-羧酸以及產(chǎn)品表征耗時約為4小時，并且在實驗之前，布置學生查閱香豆素的相關(guān)文獻，了解到香豆素類化合物的重要性，并對香豆素-3-羧酸的不同制備方法進行對比。在課堂上，可以進行分組實驗，探索不同反應(yīng)條件對該反應(yīng)產(chǎn)率的影響，模擬科研探索過程，增加學生對科研的興趣，并通過這樣的課上課下相結(jié)合的教學模式，鞏固學生的理論知識，培養(yǎng)操作及分析能力，加強社會責任感，實現(xiàn)“知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值”的三維教學目標。

5.2 教學實施方案設(shè)計及優(yōu)勢分析

傳統(tǒng)實驗只是由簡單的“講述-實驗-報告”三部分組成，只能幫助學生鞏固已有的知識與技能，學生的綜合能力得不到提升。而探究式實驗分為“前期預習-中期實驗-后期總結(jié)”三部分。前期由教師發(fā)布課題，布置任務(wù)，學生自行查閱文獻；中期學生分組對反應(yīng)條件進行優(yōu)化；后期學生對實驗條件進行總結(jié)，并以報告書的形式提交本組的實驗方案以及試劑安全性分析。實驗期間，教師對實驗進行簡單講述，學生完成相應(yīng)實驗。對實驗過程中出現(xiàn)的“固體析出”等實驗現(xiàn)象進行思考，仔細分析后利用薄層色譜法以及紅外、核磁等手段進行表征。最后，根據(jù)得到的實驗數(shù)據(jù)進行總結(jié)，小組間進行匯報(圖6)。通過探究式教學模式，強化學生的科學探究能力以及團隊合作意識，提升學生的綜合能力。

圖6 探究式實驗教學的優(yōu)勢分析及教學實施方案設(shè)計

6 結(jié)語

本文將本科基礎(chǔ)有機化學實驗中香豆素-3-羧酸的制備與綠色合成等課程思政理念相結(jié)合，基礎(chǔ)有機化學實驗操作和產(chǎn)品表征相結(jié)合，以實驗探究模式開展實驗，改進原先的多步反應(yīng)，通過串聯(lián)反應(yīng)一鍋法合成香豆素-3-羧酸，培養(yǎng)學生科學探究意識、提高學生科學探究能力。本實驗采用甘氨酸作為酸堿催化劑，以水作為溶劑，“一鍋法”合成香豆素-3-羧酸，無廢氣、廢物的產(chǎn)生，且反應(yīng)能耗低，符合綠色化學理念[8]。該改進實驗耗時約為4小時，符合本科有機實驗教學課時要求。且在課前布置學生搜索閱讀香豆素-3-羧酸的制備文獻，巧用第二課堂，線上線下相結(jié)合，讓學生尋找這一類香豆素衍生物的藥用價值及合成方法，潛移默化地將思政理念融入本科實驗教學[9]，提高學生的專業(yè)認同感和社會責任感。因此，本實驗適合本科有機實驗教學。