碱催化蒽醛和丹皮酚的Aldol缩合反应及产物晶体结构

刘存芳， 庞海霞， 史 娟， 靳玲侠， 田光辉

(陕西理工大学 陕西省催化基础与应用重点实验室， 陕西 汉中 723000)

丹皮酚别名芍药醇、牡丹酚，英文名称Paeonol，是一种从萝藦科植物徐长卿的干燥根、根茎或者全草，毛茛科植物牡丹或者芍药属植物芍药的干燥根皮中提取分离出来的有特殊医药活性的天然化合物[1]，有抑菌消炎、活血化瘀、抗肿瘤、抗病毒、抗氧化、抗过敏、痈肿疮毒等活性[2-4]，已经开发出了丹皮酚软膏、片剂、针剂、凝胶等，在医药卫生、精细化工中间体、食品加工、化工原料等行业中得到广泛应用，受到人们的关注。丹皮酚的分子结构中含有乙酰基、甲氧基和酚羟基，既是芳香酮类化合物又是芳香醚类化合物，人们将丹皮酚作为先导化合物不断地进行其结构的改造和修饰[5]，制备出了一系列有新颖结构的查尔酮类化合物[6]、新型的希夫碱[7]以及其他类型的丹皮酚衍生物[8]，并不断地开展药理活性的研究[5-9]，为丹皮酚的应用探寻新途径[10]。丹皮酚分子结构中的乙酰基是甲基羰基，在碱催化作用下活性α-氢原子可脱去一个氢正离子形成碳负离子，碳负离子有亲核性，可对另外一分子含羰基的化合物发生亲核加成反应[11]，产生新的碳键增长碳链。

本文在常温下用碱催化促使蒽醛和丹皮酚反应，制备一种蒽醛衍生物，反应过程如图1所示。产物的结构借助紫外光谱、红外光谱、质谱结合核磁共振氢谱、碳谱和极化转换无畸变核磁共振谱(135°DEPT谱)进行表征，并用单晶X射线衍射技术(X-ray diffraction)分析产物分子的晶体结构，确定产物分子的构型和构象，可为其开发利用提供参考。

图1 碱催化蒽醛和丹皮酚的反应

1 实 验

1.1 材料与仪器

天然产物丹皮酚从牡丹皮提取分离出来，由汉中天然谷生物科技股份有限公司提供，产品的CAS NO为552-41-0，化学纯，纯度为99.0%。丹皮酚用水-乙醇重结晶，干燥，密封保存备用。玻璃反应瓶、层析板、层析缸以及反应装置(天津市世博伟业化玻仪器有限公司)。无水乙醇、丙酮、浓硫酸(AR，天津利安隆博华医药化学有限公司)、氢氧化钠(AR，天津市科密欧化学试剂有限公司)、石油醚(AR，天津市富宇精细化工有限公司)、四氢呋喃、乙酸乙酯、甲醇(AR，天津市天力化学试剂有限公司)、氯仿(AR，天津市百世化工有限公司)、浓盐酸(AR，晋州市新星化工有限公司)、200～300目硅胶、薄层层析硅胶(CP，青岛海洋化工厂)。水为二次蒸馏水。

UV-2600紫外可见分光光度计(日本岛津)，IR-960傅立叶变换红外光谱仪(天津瑞岸科技有限公司)，600 MHz超导核磁共振仪(瑞士布鲁克公司)，Agilent-6500质谱仪(美国安捷伦公司)，Smart 1000 CCD X射线单晶衍射仪(德国布鲁克公司)，X-6显微熔点测定仪(北京维欣仪奥科技发展有限公司)，FA1004B电子分析天平(上海平轩科学仪器有限公司)，SZCL-2数显智能控温磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司)，DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱(上海齐欣科学仪器有限公司)，SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵(巩义市予华仪器有限责任公司)，ZF-6三用紫外线分析仪(上海嘉鹏科技有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 碱催化剂的制备

将200～300目硅胶在110 ℃的干燥箱里活化45 min后，置于干燥器中冷却。称取6.00 g氢氧化钠在干燥的蒸馏烧瓶中，移取适量乙醇刚好使氢氧化钠全部溶解，再称取30.00 g冷却的硅胶加入到蒸馏烧瓶中，在旋转蒸发仪上控温60 ℃减压蒸馏回收乙醇，使烧瓶内的硅胶呈松散状，得到白色粉末状的碱催化剂，保存于干燥器中备用。

1.2.2 合成方法

称取1.380 g碱催化剂于50 mL圆底烧瓶中，加入6 mL乙醇，开启磁力搅拌。将0.500 0 g丹皮酚用4 mL乙醇溶解，用滴管滴加至烧瓶中，持续搅拌。称取0.621 g蒽醛，用5 mL四氢呋喃溶解后全部转移至恒压滴液漏斗里，安装在烧瓶上缓慢滴加，控制滴加速度约用30 min加完，再连续搅拌8 h。其间用薄层色谱法(TLC法)检测反应进程，展开剂用石油醚和乙酸乙酯体积比9∶1.5溶液，显色剂为质量分数10%浓硫酸的乙醇溶液，反应过程中用TLC法跟踪反应进程直至原料点消失，查看和记录反应时间。反应结束后，用浓盐酸将反应液的pH调至中性或者偏酸性，转入冰水浴中冷藏反应液，待产物全部析出后，抽滤，冷水淋洗，滤饼用热的丙酮溶解，趁热过滤除去硅胶，减压回收丙酮。产物以丙酮为溶剂重结晶，得到橘黄色十二面棱状晶体，干燥，称重，测定熔点和确定结构。重复制备7次。

1.2.3 产物结构的表征

产物以乙醇为溶剂，用紫外-可见分光光度计在200～400 nm的范围内扫描检测紫外光谱。KBr压片法在红外光谱仪检测红外光谱。以TMS作为内标用超导核磁共振仪检测核磁共振氢谱(1H-NMR)、碳谱(13C-NMR)和135°DEPT谱。用质谱仪检测，通过质荷比确定分子离子峰。

1.2.4 产物的晶体结构测定

精选一粒大小为0.25 mm×0.23 mm×0.20 mm的1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙烯酮晶粒安放于单晶衍射仪内，室温下，以波长λ为0.071 073 nm的Mo/Kα射线作为辐射光源，扫描采用ω方式，数据收集范围为2.22°≤θ≤25.10°，衍射点收集量为9229个，其中有3249个独立衍射点全部作为I>2δ(I)的可观察点用来解析晶体的结构和修正最小二乘法，有245个参数参与精确修正。用经验吸收和LP校正全部强度数据，所有非氢原子的坐标用直接法确定，并用全矩阵最小二乘法修正所有非氢原子坐标及其各向异性温度因子，可观察衍射点的残差因子R=0.043 2，ωR=0.116 9，通过SHELXTL软件包计算机程序处理数据[12]。

2 结果与讨论

2.1 展开剂的选择

展开剂的展开能力与溶剂的极性成正比，常用两种或多种溶剂的混合物作为展开剂，有利于调配展开剂的极性，改善分离效果。薄层色谱结果分析如表1所示，用石油醚和乙酸乙酯的混合溶液作为展开剂，其体积比为9∶1.5效果最佳，可以利用该比例的展开剂对产物进行检测。在一定色谱条件下，化合物的Rf值是一个常数，可根据化合物的Rf值进行初步定性分析，产物的Rf值为0.49，斑点均匀单一，无其他杂点，符合物质结构的测试和光谱学分析的要求。

表1 展开剂的选择

2.2 产物的物理化学性质和产率

产物用丙酮重结晶，得到橘黄色十二面棱状晶体，熔点160.0～161.5 ℃，室温下产物易溶于四氢呋喃、三氯甲烷、乙酸乙酯，微溶于无水乙醇、丙酮、甲醇，几乎不溶于石油醚、乙醚，可溶于热的丙酮。结果如表2所示，产率平均值为74.30%，经方差S和极差R分析，其值均很小，说明实验数据集中，碱催化蒽醛和丹皮酚发生Aldol缩合反应的产率较为稳定。

表2 产物的产率

2.3 产物的结构分析

2.3.1 紫外光谱

以无水乙醇为溶剂，原料丹皮酚、蒽醛的紫外光谱及产物的紫外光谱如图2所示。丹皮酚的特征吸收峰UV-vis(EtOH)，λmax=274.80 nm；蒽醛的特征吸收峰UV-vis(EtOH)，λmax=271.20 nm；产物的特征吸收峰UV-vis(EtOH)，λmax=251.00 nm。该产物是一个存在苯环的共轭体系分子，产物的紫外光谱与原料的紫外光谱差异较大，表明发生了缩合反应且无原料残留。

图2 原料和产物的紫外光谱

2.3.2 红外光谱

产物的红外光谱如图3所示，IR(KBr)，ν/cm-1：1564、1639、3435 cm-1等处明显地出现了振动波峰，其三处所对应的官能团为碳碳双键、碳氧双键、羟基，在3435 cm-1处有宽强吸收带，是酚羟基的伸缩振动，1639 cm-1处是羰基伸缩振动的吸收峰，1564 cm-1处有吸收带，是苯环的吸收峰带。

图3 产物的红外光谱

2.3.3 核磁共振谱和质谱

核磁共振1H-NMR谱如图4，结合核磁共振13C-NMR谱、核磁共振135°DEPT谱、1H-NMR谱和13C-NMR谱中的数据均能与1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙酮的结构一一对应和归属，和MS(70 eV) m/z：354.13的分子离子峰值一致。

1H-NMR(600 MHz，氘代氯仿)，δ：3.74(单峰，3个H，甲基上的氢)，6.45与6.48(双峰，1个H，C5’上的氢)，6.54(单峰，1个H，C3’上的氢)，7.44(单峰，1个H，α碳上的H)，7.46(单峰，1个H，β碳上的H)，7.51～7.59(多重峰，4个H，C2上的H，C3上的H，C6上的H以及C7上的H)，7.72与7.75(双峰，1个H，C6’上的H)，7.99和8.05(双峰，1H，C5上的H)，8.03与8.07(双峰，1个H，C4上的H)，8.28与8.29(双峰，1个H，C8上的H)，8.50(单峰，1个H，C10上的H)，8.83和8.88(双峰，1个H，C1上的H),13.49(单峰，1个H，酚羟基上的H)，氢峰能一一归属。

图4 核磁共振1H-NMR谱

13C-NMR(600 MHz,氘代氯仿)，δ：55.5(甲氧基上的甲基碳)，101.2(苯环上3’号碳)，107.8(苯环上5’号碳)，115.5(苯环上1’号碳)，125.3(α碳)，125.4(蒽环上1号碳)，125.5(蒽环上6号碳)，125.9(蒽环上7号碳)，126.6(蒽环上3号碳)，128.6(蒽环上2号碳)，128.8(蒽环上5号碳)，128.9(蒽环上8号碳)，129.1(蒽环上4号碳)，129.2(蒽环上11号碳)，129.5(苯环上6’号碳)，131.6(蒽环上10号碳)，139.2(蒽环上9号碳)，141.7(β碳)，167.9(苯环上4’号碳)，168.5(苯环上2’号碳)，191.3(羰基碳)，碳峰能一一归属。135°DEPT(600 MHz，氘代氯仿)，δ: 55.5(伯碳，甲氧基上的甲基碳)，101.2(叔碳，苯环上3’号碳)，107.8(叔碳，苯环上5’号碳)，125.3(叔碳，α碳)，125.4(叔碳，蒽环上1号碳)，125.5(叔碳，蒽环上6号碳)，125.9(叔碳，蒽环上7号碳)，126.6(叔碳，蒽环上3号碳)，128.6(叔碳，蒽环上2号碳)，128.8(叔碳，蒽环上5号碳)，128.9(叔碳，蒽环上8号碳)，129.1(叔碳，蒽环上4号碳)，129.5(叔碳，苯环上6’号碳)，131.6(叔碳，蒽环上10号碳)，141.7(叔碳，β碳)。

2.4 产物的晶体结构

1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙烯酮的晶体学数据列入表3，其分子晶体的键长参数和键角参数列入表4和表5，其他非氢原子坐标参数、等效温度因子参数等均以CIF-file文件的形式存放于剑桥晶体学数据库(The Cambridge crystallographic Data Center)。1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙烯酮的晶体结构如图5所示，是一种含有α,β-不饱和丙烯酮结构的蒽醛衍生物，苯环连接在羰基碳上，蒽环的9号碳连接在β位碳上，碳碳双键呈E构型，由于α位碳、β位碳和羰基碳原子均采用sp2杂化使得苯环、羰基、α,β-碳碳双键以及蒽环的9号碳原子处于同一个平面上，蒽环和这个平面保持60°的夹角。1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙烯酮的晶胞堆积如图6所示，属于单斜晶系中的P21/c空间群，晶胞参数：a=1.034 04(13) nm、b=1.370 22(18) nm、c=1.303 01(17) nm、α=90.0°、β=97.835(2)°、γ=90°，晶胞体积V为1.829(4) nm3，晶胞个数4个，密度Dc为1.287 mg/cm3。

表3 晶体数据及结构精修参数

表4 1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙烯酮分子的部分键长(nm)

表5 1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙烯酮分子的部分键角(°)

图5 1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙烯酮的晶体结构

图6 1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)- α,β-不饱和丙烯酮的晶胞堆积

图7 1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙烯酮分子间的作用力

3 结 论

在碱性催化剂的作用下可促使蒽醛和丹皮酚发生Aldol缩合反应生成一种α,β-不饱和羰基化合物，产率为74.30%，借助UV、IR、MS、1H-NMR、13C-NMR和135°DEPT来确定产物为1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙烯酮，这可为利用蒽醛和天然产物丹皮酚在碱催化作用发生Aldol缩合反应来制备蒽醛衍生物提供了一种方法。运用X射线单晶结构分析技术，确定出1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙烯酮是一种含有α,β-不饱和丙烯酮结构的蒽醛衍生物，苯环连接在羰基碳上，蒽环通过9号碳连接在β位碳上，碳碳双键呈E构型，苯环、羰基、α,β-碳碳双键以及蒽环的9号碳原子处于同一个平面上，蒽环和这个平面保持60°的夹角。1-(2-羟基-4-甲氧基苯基)-β-(9-蒽)-α,β-不饱和丙烯酮属于单斜晶系中的P21/c空间群，晶胞参数：a=1.034 04(13) nm、b=1.370 22(18) nm、c=1.303 01(17) nm、α=90.0°、β=97.835(2)°、γ=90°，晶胞体积V为1.829(4) nm3，晶胞个数4个，密度Dc为1.287 mg/cm3。该蒽醛衍生物的分子构型和构象分析对研究该分子的物理化学性质和生物活性可提供一些理论支撑，有独特医药活性的分子必然有特殊的空间结构。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 国家药典委员会.中华人民共和国药典:一部[M].北京:中国医药科技出版社,2015:172.

[2] LIU Ming-ran,ZHONG Shu-qiang,KONG Rui-feng,et al.Paeonol alleviates interleukin-1β-induced inflammatory responses in chondrocytes during osteoarthritis[J].Biomedicine & Pharmacotherapy,2017,95:914-921.

[3] DING H Y,CHOU T H,LIN R J,et al.Antioxidant and Antimelanogenic Behaviors of Paeonia suffruticosa[J].Plant Foods for Human Nutrition,2011,66(3):275-284.

[4] JIN Xin,WANG Jing,XIA Zi-ming,et al.Anti-inflammatory and Anti-oxidative Activities of Paeonol and Its Metabolites Through Blocking MAPK/ERK/p38 Signaling Pathway[J].Inflammation,2016,39(1):434-446.

[5] 刘存芳.丹皮酚衍生物——3-羟基-1-(2-羟基-4-甲氧基苯)-3-(2’-溴苯)-1-丙酮的合成及其抗菌活性[J].农药学学报,2016,18(1):119-123.

[6] 刘存芳,王俊宏,靳玲侠,等.有荧光性能的蒽醛查尔酮合成及其抗菌活性[J].化学工程,2017,45(5):1-5.

[7] QIN Dong-dong,YANG Zheng-yin,QI Gao-fei,et al.Crystal structure and biological activities of water-soluble nickel(Ⅱ) and copper(Ⅱ) complexes of a Schiff-base derived from paeonol[J].Transition Metal Chemistry,2009,34(5):499-505.

[8] 王学军,刘建利,王江凯.丹皮酚衍生物的合成及其抗肿瘤细胞增殖研究[J].药学学报,2012,47(1):72-76.

[9] 吴晓慧,吴国荣,张卫明,等.丹皮酚的磺化、产物鉴定及抑菌作用的比较[J].南京师大学报(自然科学版),2003,26(4):99-102.

[10] LIU Yan-li,XIA Yan,GUO Pan,et al.Copper and bacterial diversity in soil enhance paeonol accumulation in cortex moutan of Paeonia suffruticosa “Fengdan”[J].Horticulture,Environment and Biotechnology,2013,54(4):331-337.

[11] 刘存芳,王俊宏,邵先钊,等.碱催化合成4-甲基-2’-羟基-4’-甲氧基查尔酮及其晶体结构[J].天然产物研究与开发,2017,29(9):1573-1579.

[12] 刘存芳,王芹,史娟,等.6-亚甲基醋酸孕酮的晶体结构表征[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2015,31(1):42-48.