醋酸铵催化合成香豆素-3-羧酸乙酯的工艺研究

王 俏， 赵伯平

（1.延安大学 化学与化工学院，陕西 延安 716000；2.陕西煤化集团 陕化公司化肥厂，陕西 渭南 714100）

醋酸铵催化合成香豆素-3-羧酸乙酯的工艺研究

王 俏1， 赵伯平2

（1.延安大学 化学与化工学院，陕西 延安 716000；2.陕西煤化集团 陕化公司化肥厂，陕西 渭南 714100）

以水杨醛和丙二酸二乙酯为原料，醋酸铵为催化剂，采用超声波技术搅拌，在无溶剂条件下，经Knoevenagel缩合反应，合成香豆素-3-羧酸乙酯，其结构经IR表征。考察了超声波辐射时间、原料配比、催化剂的用量等对反应的影响。结果表明，最优条件为：超声波功率100W、超声时间10min、加热反应时间90min、水杨醛与丙二酸二乙酯的物质的量比为1∶1.60、水杨醛与催化剂的物质的量比为1∶1.50。在优化条件下，香豆素-3-羧酸乙酯的收率为89.8%。与常规合成方法相比，该合成方法具有操作简单、收率高、环境友好等特点。

香豆素-3-羧酸乙酯；醋酸铵；无溶剂；催化；合成

前言

香豆素及其衍生物具有一定的香气，常用作定香剂，用于紫罗兰、素心兰、葵花、兰花等香型的日用化妆品及香皂中，也用作饮料、食品、香烟、橡胶制品、塑料制品等的加香剂[1～2]。

因其同时具有抗病毒、抗癌、抗微生物等多种重要生物活性，因而引起国内外化学工作者和药物工作者的关注，在农业、工业、医药、制药等行业也得到广泛应用[3～4]。

香豆素-3-羧酸及其酯是香豆素的重要衍生物，也是合成香豆素的重要中间体。其合成方法为Perkin合成法和Knovenagel缩合法[5～6],经典合成方法为Knoevenagel缩合法。

Knoevenagel缩合反应一般采用碱性催化剂，如无机碱（如NaOH）、氨、胺、哌啶、吡啶、喹啉及其铵盐等作催化剂，在均相或异相中反应，近年来，文献报道用磷酸钾氟化钾，碘化镉，氯化锌，羟基磷灰石，方解石和萤石，离子交换树脂，硅胶等催化该反应[7]。香豆素-3-羧酸乙酯的传统合成路线如下[8]。

该方法使用具有一定毒性和难闻气味的六氢吡啶为催化剂，收率在80%左右。

近年来，人们已经发现超声波可以产生强烈的“空化”效果，有剧烈搅拌作用，能有效促进有机合成反应，它不仅可以改善反应条件，减少催化剂用量，加快反应速度和提高反应收率，甚至还能够改变某些反应的路径，使某些传统条件下难以进行的反应得以实现，超声波化学被公认为是绿色化学，在有机合成中被广泛应用[9]。

本文采用超声波技术搅拌，不用任何溶剂，用价廉无毒无污染的醋酸铵[10]代替常用的吡啶、哌啶、苯胺等有机碱催化Knoevenagel反应，安全、高效、快速地合成了香豆素-3-羧酸乙酯，真正实现了目前化学界提倡的洁净的绿色化学合成工艺。

1 实验部分

1.1 实验原料

水杨醛：CP，国药集团化学试剂有限公司；丙二酸二乙酯：CP，国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇：AR，天津市百世化工有限公司；醋酸铵：AR，天津市红岩化学试剂厂。

1.2 主要设备

T-214电子分析天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司；XT-4显微熔点测定仪，北京泰克仪器有限公司；KQ5200DA型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；IR Prestige-21型傅里叶变换红外光谱仪，日本Shimazu公司。

1.3 实验操作

在干燥的50mL圆底烧瓶中分别加入4.0mL（0.038mol）水杨醛、5.8mL（0.038mol）丙二酸二乙酯、4.4g（0.057mol）醋酸铵，混和均匀，安装带有CaCl2干燥管的回流冷凝管。将圆底烧瓶放入超声波清洗器中，设置超声波功率100W，超声辐射10min，使其充分搅拌，取出烧瓶，加热回流反应1.5h，待产品稍冷后转移至装有30mL冷水的100mL烧杯中，冷却，抽滤，用2～3mL冰的无水乙醇洗涤2～3次，至固体中无黄色杂质。干燥，得白色固体，即为香豆素-3-羧酸乙酯。

2 结果与讨论

2.1 超声波辐射对产品收率的影响

固定水杨醛4.0mL（0.038mol），丙二酸二乙酯5.8mL（0.038mol），醋酸铵4.4g（0.057mol），加热回流时间1.5h，超声波功率100W等条件不变，改变超声波辐射时间。考察超声波辐射对产品收率的影响。结果见图1。

图1 超声波辐射对反应的影响Fig.1 Effect of ultrasonic radiation on the reaction

本反应无溶剂，属非均相反应。而超声波辐射可以产生强烈的“空化”效果，有剧烈搅拌作用，能有效增加反应物与催化剂之间的接触机会，对反应收率的影响很大。由图1可见，超声波辐射10min时收率达到最高值84.04%。再增加辐射时间，收率反而下降。这可能是由于辐射时间太长，使副反应增加的缘故。因此，选择辐射时间10min为最佳。

2.2 反应时间对产品收率的影响

固定水杨醛4.0mL（0.038mol），丙二酸二乙酯5.8mL（0.038mol），醋酸铵4.4g（0.057mol），超声波功率100W,超声波时间10min等条件不变，改变回流时间。考察回流时间对产品收率的影响。结果见图2。

图2 加热时间对反应的影响Fig.2 Effect of heating time on the reaction

由图2可见，随着加热时间的增长，香豆素-3-羧酸乙酯的收率增加，但当加热时间大于1.5h，产品收率反而下降，这可能是由于反应时间过短，反应不完全，但时间过长，反应副产物增多，也影响酯的收率，且增加了后处理的难度。因此，选择反应时间为1.5h为宜。

2.3 催化剂用量对产品收率的影响

固定水杨醛4.0mL（0.038mol），丙二酸二乙酯5.8mL（0.038mol），超声波功率100W,超声波时间10min，反应时间1.5h等条件不变，改变催化剂用量。考察催化剂用量对产品收率的影响。结果见图3。

图3 催化剂用量对反应的影响Fig.3 Effect of catalyst amount on the reaction

由图3可以看出，随着催化剂醋酸铵用量的增多，香豆素-3-羧酸乙酯的产率增加，但粗产物微黄，表明有未反应有机物附着，当醋酸铵用量增加为4.4g（即水杨醛的1.50倍）以上时，收率反而下降,这可能是因为本反应无溶剂，属非均相反应，加入醋酸铵的量太多，阻碍了水杨醛与丙二酸二乙酯两个反应物之间的碰撞与反应。因此，选择催化剂用量4.4g（0.057mol）为最佳。

2.4 原料配比对产品收率的影响

固定水杨醛4.0mL（0.038mol），醋酸铵4.4g（0.057mol），超声波功率100W,超声波时间10min，反应时间1.5h等条件不变，改变丙二酸二乙酯用量。考察原料配比对产品收率的影响。结果见图4。

图4 丙二酸二乙酯用量对反应的影响Fig.4 Effect of diethylmalonate amount on the reaction

由图4可以看出，丙二酸二乙酯用量太少，水杨醛反应不完全，收率较低；增加丙二酸二乙酯用量香豆素-3-羧酸乙酯的收率明显增加，但丙二酸二乙酯用量太多，收率反而下降。图中数据表明，以丙二酸二乙酯用量为9mL，即n（水杨醛）∶n（丙二酸二乙酯）为1∶1.60）为最佳醛酯物质的量比。

2.5 较佳实验条件下的稳定性实验

综合上述条件，可得合成香豆素-3-羧酸乙酯的最佳工艺条件为：n（水杨醛）∶n（丙二酸二乙酯）为1∶1.60，n（水杨醛）:n（醋酸铵）为1∶1.50（醋酸铵用量4.4g），超声波辐射功率100W,超声波辐射时间10min，加热回流时间1.5h。

在此较佳条件下做5次重复实验，结果见表1。

表1 较佳实验条件下的稳定性实验结果Table 1 The stability experimental results under the better experimental conditions

由表1实验结果可见：在此较佳实验条件下，产品收率最低89.63%，平均可达89.8%。可见，该较佳条件是稳定的。与文献报道的合成香豆素类衍生物的方法相比，此法无须溶剂，具有易于操作，后处理方便，绿色环保，收率较高等优点。

2.6 产品的物性测试及结构表征

产品香豆素-3-羧酸乙酯经提纯后，测定其熔点是92～93℃与文献值符合[7]，红外表征见表2。

表2结果表明，香豆素-3-羧酸乙酯的IR光谱数据也符合其各自结构特征并与文献［7］所提供的标准谱图相符。

图5 产品的红外光谱图Fig.5 IR spectra of the product

表2 香豆素-3-羧酸乙酯的红外表征Table 2 IR characterization of coumarins-3-ethyl-carboxylate

3 结 论

（1）以水杨醛和丙二酸二乙酯为原料，醋酸铵为催化剂，经Knoevenagel反应，在无溶剂条件下，经超声波搅拌，加热回流反应，合成了香豆素-3-羧酸乙酯。当n（水杨醛）:n（丙二酸二乙酯）为1∶1.60（物质的量比），n（水杨醛）∶n（催化剂醋酸铵）为1∶1.50（物质的量比），100W的超声波辐射10min，加热回流反应时间1.5h时，香豆素-3-羧酸乙酯的产率达89.8%。

（2）本方法采用超声波搅拌，运用超声波的强烈“空化”效果，剧烈搅拌，促进反应，缩短了反应时间，增加了产率；使用醋酸铵为催化剂，价廉、无毒、无污染，对环境友好，而且，操作简单，副反应少，选择性高，后处理简单，产品易纯化。

［1］ 日本精细化学品词典编辑委员会.精细化学品词典［M］.北京:化学丁业出版社,1989:831～832.

［2］ 王箴.化工词典［M］.第四版.北京:化工工业出版社,2000:991.

［3］ 罗志臣，杜冰，王勤，等.香豆素-3-羧酸的合成工艺研究［J］.化工科技，2009,17（6）:30～32.

［4］ 陈维一，陆军.香豆素类衍生物的合成［J］.化学研究与应用, 2001,13（1）:76～77.

［5］ 兰州大学，复旦大学化学系有机化学教研室.有机化学实验［M］.第二版.北京:高等教育出版社,1994:208～209.

［6］ 谷珉珉，贾韵仪，姚子鹏.有机化学实验［M］.第二版.上海:复旦大学出版社,1991:322～327.

［7］ 胡德荣，张新位.关于Knoevenagel反应催化剂的研究［J］.首都师范大学学报:自然科学版,2005,26（1）:51～56．

［8］ 韩广甸，赵树纬，李述文．有机制备化学手册:中卷［M］．北京:化学工业出版社,1985:145．

［9］ 罗志臣．超声波辐射合成香豆素-3-羧酸乙酯［J］．化学世界，2010，（5）:301～303．

［10］ 张红，罗斯泰，王锦旋．无溶剂微波辐射醋酸铵催化合成肉桂酸［J］．香料香精化妆品，2005，（3）:11～14．

Synthesis of Coumarins-3-ethyl-carboxylate under Ultrasonic Irradiation

WANG Qiao1and ZHAO Bo-ping2
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Yan`an University,yan`an 716000,China;2.Shan`xi Coal Chemical Group of Companies Fertilizer Plant,Weinan 714100,China）

The coumarins-3-ethyl-carboxylate was synthesized by Knoevenagel condensation reaction with using salicylaldehyde and diethylmalonate as raw materials and ammonium acetate as catalyst under ultrasonic irradiation without solvent.The product structure was confirmed by IR analysis.The effects of ultrasonic irradiation time,the raw material ratio and the amount of catalyst on reaction were studied.The optimized synthesis conditions were obtained as follows:the ultrasonic irradiation power and time was 100W and 10min respectively,the reaction time was 1.5h,the molar ratio of salicylaldehyde to diethylmalonate was l∶1.60 and the molar ratio of salicylaldehyde to ammonium acetate was 1∶1.50.Under these conditions, the yield of the title compounds was 89.8%with advantages such as simple operation,high yields and environment friendly compared with the traditional methods.

Coumarins-3-ethyl-carboxylate;ammonium acetate;solvent-free;catalyst;synthesis

TQ656

A

1001-0017（2012）04-0041-03

2011-12-10

王俏（1964-），女，陕西子洲人，工学硕士，教授，主要研究方向有机合成及高分子合成。