微波辐射杂多酸催化合成7-羟基-4-甲基香豆素的研究

2013-01-29郭一平

陕西科技大学学报 2013年4期

安华, 郭一平

(1.河南化工技师学院化工系，河南开封 475000； 2.陕西省石油化工研究设计院，陕西西安 710054)

0 引言

香豆素类化合物具有抗菌、抗癌和抗凝血性等非常明显的生物和生理活性[1]，同时它还具有很好的光学活性，此类化合物在生产杀虫剂、香料、化妆品和食品等方面也有非常广泛的应用.因此，香豆素类化合物的合成方法探索一直都是有机合成和药学领域的研究热点.合成香豆素及其衍生物通用的方法是Pechmann缩合反应，此合成方法具有原料价廉易得，产物收率较高等特点.

7-羟基-4-甲基香豆素(7-hydroxy-4-methylcoumarin)为杂环芳香族的化合物，此物质是合成燃料[2]、医药[3]的重要中间体，同时也是利胆药——胆通的重要原料[4].传统合成7-羟基-4-甲基香豆素(HMC)的方法多是在磷酸、硫酸、P2O5、多聚磷酸、FeCl3、HCl、蒙脱石或三氟乙酸等酸性催化剂的存在下进行[5-9].且催化剂用量大、反应温度高、反应时间长、操作复杂、催化剂价格昂贵等不足.

目前，新型的绿色环保试剂杂多酸催化剂由于拥有强而且均一的质子酸中心，在反应过程中具有假液相行为，因而在酸催化反应中显示出了较好的催化性能.王军等人研究了以Keggin结构的磷钨酸、硅钨酸、磷钼酸等杂多酸催化乙酰乙酸乙酯和间苯二酚进行Pechmann缩合反应合成7-羟基-4-甲基香豆素的过程，合成收率可达到84.5%.但在此反应中，当反应温度较低时，合成收率降低；反应温度较高时，反应过于剧烈而难以控制[10].

众所周知，对于化学反应过程当有催化剂加入时，可以加速化学反应，降低反应条件并缩短反应时间，但尽管如此，有些催化反应过程所需要的环境仍比较苛刻.微波辐射是近年来新兴的实验技术之一，现已被广泛地应用于分析、高分子化学、无机材料、有机合成反应等众多方面.微波技术与常规加热技术相比，具有受热均匀的特点，且能够促进反应体系分子间的碰撞几率，从而缩短反应时间，提高反应收率，因此微波技术的发展非常迅速，尤其在有机合成中，已被越来越多研究者使用.而将微波辐射的方法应用于催化反应过程，能够进一步提高其反应速率，缩短反应的时间，并提高目标产物的产率，使反应在温和的条件下进行[11].

本文以磷钨酸为催化剂，采用微波辐射强化反应的方法来催化间苯二酚和乙酰乙酸乙酯来合成7-羟基-4-甲基香豆素，对反应物的种类、催化剂用量、微波辐射功率及时间等因素的影响进行了研究.

1 实验部分

1.1 合成原理

间苯二酚与乙酰乙酸乙酯进行Pechmann缩合反应合成HMC的合成反应式如下所示：

HMC合成原理

1.2 试剂和仪器

主要仪器：MCL型格兰仕实验室用微波炉(顺德市格兰仕电器实业有限公司)；FA2004N型电子天平(上海民桥精密科学仪器有限公司)；X-4型双目显微熔点测定仪(北京泰克仪器有限公司)；EQUIVOX55型傅里叶变换红外光谱仪(德国Baker公司).

主要试剂：间苯二酚(AR，上海TCI试剂有限公司)；乙酰乙酸乙酯(AR，上海凌峰化学试剂有限公司)；乙醇(AR，上海国药集团化学试剂有限公司)；自制去离子水.

1.3 HMC合成方法

在带有温度计和冷凝管的干燥的100 mL三口烧瓶中，依次加入间苯二酚和乙酰乙酸乙酯，混合均匀，然后将反应瓶固定于微波炉腔中，其中一瓶口装配恒压磨口漏斗(内装分子筛作为脱水器)和回流冷凝管，另一瓶口装配反应搅拌器.开启微波炉和搅拌器，对反应进行辐射回流反应一定时间后终止反应.该反应体系中除目标产物HMC外，其他物质(如反应物、催化剂)均易溶解于水，待反应结束后，将混合物转入500 mL烧杯中，冷却至室温后，加入300 mL水并搅拌10 min，抽滤、水洗涤、干燥后，用95%的乙醇重结晶，析出类白色针状晶体.抽滤，固体在70 ℃下真空干燥至恒重，即为目标产物.

1.4 目标产物表征

用熔点仪测定目标产物的熔点，用傅里叶变换红外光谱仪表征目标产物.

2 结果与讨论

2.1 目标产物的合成与结构归属

目标化合物HMC经熔点仪测定，得其熔点为188～190 ℃，和文献报道值186～191 ℃相吻合，且融程较短，可推测所得产品纯度较高；目标化合物的FT-IR表征以KBr压片，在400～4 000 cm-1测定产物的红外吸收光谱，见图1所示.该谱图中3 450 cm-1处、1 454 cm-1和1 393 cm-1的吸收峰对应的是芳环吸收峰；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].

图1 7-羟基-4-甲基香豆素的红外谱图

2.2 反应条件对缩合反应的影响

2.2.1 微波功率对缩合反应的影响

由表1可知，在一定范围内，随着微波功率的增大，原料逐渐被活化，HMC的收率逐渐提高.当微波功率增大到中高火后，随着功率的进一步增大，HMC的收率反而降低，适宜的功率为中高火.

表1 微波功率对缩合反应的影响

2.2.2 催化剂用量对缩合反应的影响

随催化剂用量的增加，HMC的收率呈现上升的趋势.当磷钨酸用量的总质量比为2.5%～5.5%时，HMC的收率恒定在85%以上.当继续增加催化剂的用量，HMC的收率虽然有所增加，但增加的量较小，从生产成本等因素来考虑，选择催化剂磷钨酸用量为2.5%[13].磷钨酸用量对缩合反应的影响见图2所示.

图2 催化剂用量对缩合反应的影响

2.2.3 反应物配比对缩合反应的影响

随n(乙酰乙酸乙酯)∶n(间苯二酚)的增加，HMC的收率基本不发生变化，选择n(乙酰乙酸乙酯)∶n(间苯二酚)= 1.0为合适的反应物配比.如图3所示.

图3 n (乙酰乙酸乙酯)∶n(间苯二酚)对缩合反应的影响

2.2.4 反应时间对缩合反应的影响

随着反应时间的增加， HMC的收率也逐渐增加，当反应时间为40 min时HMC的收率最大.再增加反应时间， HMC的收率反而降低，因此，反应时间选择30 min较为合适[14]，见图4所示.

图4 反应时间对缩合反应的影响

2.3 微波辐射对催化促进作用机理探测

微波是频率在0.3～300 GHz之间的电磁波，具有磁场和电场的双重性质.微波对被照物质具有很强的穿透力，能对反应物起深层加热的作用，因而被应用于热反应中.微波在HMC合成过程中，促进了反应的进行，强化了催化剂和原料间的接触，缩短了反应时间.在合成反应中，通过微波作用于反应物，加剧了分子的运动，进一步提高了分子的平均动能，很大程度上加快了分子之间的碰撞频率，从而大大提高反应速率[15-17].

3 结论

(1)本实验利用微波辐射技术，以乙酰乙酸乙酯和间苯二酚为原料，水为溶剂，磷钨酸为催化剂，通过Pechmann缩合反应合成了7-羟基-4-甲基香豆素.

(2)利用单因素实验得到HMC合成条件为：间苯二酚与乙酰乙酸乙酯物质的量之比为1∶1，催化剂用量为2.5%，反应时间为30 min，微波炉的功率为中高火.在此工艺条件下，HMC的收率为94.4%.

(3)该合成方法与传统法相比，具有操作简便、产率较高(传统方法产率约为84.5%)、反应时间较短、反应温度较低等优点，是一种值得推广的绿色合成方法.

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