基于紫外吸收及导数光谱监测乙酸钠催化合成阿司匹林的反应研究

邵建群 唐静成 徐艳霞 张 枫

(首都医科大学药学院实验教学中心，北京 100069)

阿司匹林(aspirin)的学名为乙酰水杨酸，从1897年人工合成以来已有一百多年的时间。阿司匹林是人类商业史上最成功的合成药物，目前仍是民众生活中不可缺少的药物之一[1]。通过水杨酸和乙酸酐合成得到阿司匹林的反应详见图1。

图1 阿司匹林的合成Fig.1 Synthesis of aspirin

在合成阿司匹林的反应中，通常是以浓酸为催化剂[2-3]。由于浓酸会腐蚀设备，污染环境，现已报道了多种改进的碱性催化剂[4-5]和酸性催化剂[6-7]。但不管采用何种催化剂合成阿司匹林时，如果反应时间太长，温度过高，不仅有副反应，也会导致产物结构中的乙酰基被脱掉，而影响产率。所以采用适宜的分析测定手段，准确判断合成阿司匹林的反应终点，是提高产率的关键。紫外可见分光光度法是利用物质对紫外可见光的吸收光谱来对物质进行分析测定。这种测定方法具有准确性高，实用性强，易于操作等优点，且可用于微量和痕量物质的分析，有较多的研究人员[8-9]采用紫外可见导数光谱对药品含量进行检测。在本课题组所报道的以酸性柠檬酸为催化剂合成阿司匹林的实验研究[10]中，就是采用紫外二阶导数光谱方法监测反应过程、并判断合成阿司匹林的反应终点。

本实验所采用的是碱性乙酸钠为催化剂，通过对反应体系中阿司匹林和水杨酸的紫外光谱、二阶导数光谱的实时监测，以及两种光谱的相互印证，判断在合成反应体系中阿司匹林和水杨酸的浓度随时间变化的情况，从而推断出采用乙酸钠为催化剂时，不同反应温度的实验条件下合成阿司匹林达到反应终点时所需的时间。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器

RCTBS025控温磁力搅拌器(德国IKA公司)； BT25S电子分析天平(北京赛多利斯仪器有限公司)；UV2550紫外可见分光光度计(日本岛津公司)。

1.1.2 试剂

分析纯，无水乙醇(北京现代东方精细化学品有限公司)；水杨酸(西陇化工股份有限公司)；乙酰水杨酸(天津市光复精细化工研究所)；乙酸酐(国药集团化学试剂有限公司)；乙酸钠(国药集团化学试剂有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 紫外光谱的采集及二阶导数光谱的转换

在250 ～350 nm的紫外波长范围，分别扫描无水乙醇溶解的阿司匹林、水杨酸、乙酸酐和乙酸钠对照品溶液，得到各物质的零阶紫外吸收光谱。从图2可知，阿司匹林的最大吸收波长为274 nm，水杨酸的最大吸收波长为304 nm。因几种物质的紫外吸收光谱互有重叠，为消除组分的干扰并准确进行定量分析，将零阶紫外吸收光谱转换为二阶导数光谱[11-12]。

图3即为根据岛津UV2550仪器功能，转换为紫外二阶导数的光谱。实验选定以二阶导数光谱的289 nm为阿司匹林的定量测定点，此处水杨酸、乙酸酐和乙酸钠二阶导数值为零，没有干扰。选定308 nm为水杨酸的定量测定点，此处阿司匹林、乙酸酐和乙酸钠的二阶导数值为零，没有干扰。

图2 紫外吸收光谱Fig.2 Ultraviolet absorption spectrum

图3 紫外二阶导数光谱Fig.3 Second derivative ultraviolet spectrum

1.2.2 阿司匹林标准溶液配制和工作曲线的建立

准确称取阿司匹林0.04 g，用无水乙醇溶解定容于100 mL容量瓶中。再分别吸取此溶液0、1、2、4、6、8 mL并用无水乙醇定容于10 mL容量瓶中，配成0、40、80、160、240、320 μg·mL-1系列标准阿司匹林溶液。

扫描不同浓度阿司匹林溶液的紫外吸收光谱，转化为二阶导数光谱，选取波长在289 nm处的二阶导数值作为阿司匹林的定量指标。阿司匹林的线性回归方程为：y=0.014 5x-0.000 4。y表示289 nm处的二阶导数值，x表示阿司匹林的浓度，相关系数R2=0.999 8。阿司匹林的浓度在0～320 μg·mL-1范围内有良好的线性关系。

1.2.3 水杨酸标准溶液的配制和工作曲线的建立

精密称取水杨酸0.04 g，用无水乙醇溶解定容于100 mL容量瓶中。再分别吸取此溶液0、200、400、600、800、1 000 μL并用无水乙醇定容于10 mL容量瓶中，配成0、8、16、24、32、40 μg·mL-1系列标准水杨酸溶液。

扫描不同浓度水杨酸溶液的紫外吸收光谱，转化为二阶导数光谱，选取波长在308 nm处的二阶导数值作为水杨酸的定量指标。水杨酸的线性回归方程为：y=0.005 5x-0.000 4。y表示308 nm处的二阶导数值，x表示水杨酸的浓度，相关系数R2=0.999 5。水杨酸浓度在0～40 μg·mL-1范围内有良好的线性关系

1.2.4 阿司匹林的合成与监测

采用水浴控温磁力搅拌器，分别控制反应温度条件为45、55、65、75 ℃。根据文献[4]所报道的最佳投料比例，在干燥的反应瓶中加入水杨酸3 g(约0.022 mol)、乙酸酐6 mL(约0.064 mol)和催化剂乙酸钠0.28 g。反应开始后，每间隔0.51 min反应时间，从反应瓶中取样100 μL，用无水乙醇定容于10 mL容量瓶中。然后再从此容量瓶中取50 μL，并与3 mL无水乙醇混匀后，分别进行紫外吸收光谱的测定。把不同实验样品的紫外吸收光谱转换为紫外二阶导数光谱，根据阿司匹林和水杨酸的工作曲线进行数据处理，计算出不同时间点时阿司匹林和水杨酸的含量。

2 结果

2.1 45 ℃反应体系的监测结果

在控制反应温度为45 ℃的条件下，从图4可知，反应物水杨酸的浓度在约0 ～20 min内从最大浓度逐渐下降，同时生成物阿司匹林的浓度则在不断增加。

图4 45 ℃反应体系中阿司匹林和水杨酸浓度随时间变化Fig.4 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 45 ℃

对照图5所截取的5个时间点的紫外光谱图可以看到，在20 min的反应过程中，304 nm处水杨酸的最大吸收峰在逐渐消失，而274 nm处阿司匹林的最大吸收峰则在逐渐形成。

图5 45 ℃反应体系中不同时间点的紫外吸收光谱Fig.5 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 45 ℃

2.2 55 ℃反应体系的监测结果

在控制反应温度为55 ℃的条件下，从图6可知，水杨酸的浓度在0 ～10 min内从最大下降到零，而生成物阿司匹林的浓度不断增加。

图6 55 ℃反应体系中阿司匹林和水杨酸浓度随时间变化Fig.6 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 55 ℃

对照图7所截取的5个时间点的紫外光谱图可以看到，在10 min的反应过程中，304 nm处水杨酸的最大吸收峰渐渐消失，而274 nm处阿司匹林的最大吸收峰则在渐渐形成。

图7 55 ℃反应体系中不同时间点的紫外吸收光谱Fig.7 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 55 ℃

2.3 65 ℃反应体系的监测结果

在控制反应温度为65 ℃的条件下，从图8可知，水杨酸的浓度在0 ～4 min内，从最大快速下降到零，而生成物阿司匹林的浓度则快速增加。

图8 65 ℃反应体系中阿司匹林和水杨酸浓度随时间变化Fig.8 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 65 ℃

对照图9所截取的5个时间点的紫外光谱图可以看到，在反应了4 min时，304 nm处水杨酸的最大吸收峰消失了，同时274 nm处阿司匹林的最大吸收峰形成了。

图9 65 ℃反应体系中不同时间点的紫外吸收光谱Fig.9 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 65 ℃

2.4 75 ℃反应体系的监测结果

在控制反应温度为75 ℃条件下，从图10可知，水杨酸的浓度在约0 ～3 min内，从最大迅速下降到零，而阿司匹林的浓度则快速增加。

对照图11所截取的5个时间点的紫外光谱图可以看到，在反应了3 min时，304 nm处水杨酸的最大吸收峰消失了，同时274 nm处阿司匹林的最大吸收峰形成了。

2.5 不同条件下合成阿司匹林的产率和纯度

根据不同温度条件下，对合成阿司匹林的监测结果，分别在反应瓶中加入3 g(约0.022 mol)水杨酸、6 mL(约0.064 mol)乙酸酐和0.28 g乙酸钠，控制温度为45、55、65、75 ℃。各自反应20、10、4、3 min后，把合成阿司匹林的反应瓶冷却至室温后加入30 mL蒸馏水，有结晶析出。再用冰水浴充分冷却，然后对得到的阿司匹林晶体进行减压过滤，并使晶体充分晾干，分别称质量后，计算出不同条件下合成阿司匹林粗品的产率。又准确称取干燥后不同条件下合成的阿司匹林80 mg，用无水乙醇定容于10 mL容量瓶中。再从中吸取溶液250 μL，用无水乙醇定容于10 mL容量瓶中，分别测定各溶液的紫外吸收，计算合成阿司匹林粗品的纯度。粗品的产率和纯度结果详见表1。

图10 75 ℃反应体系中阿司匹林和水杨酸浓度随时间变化Fig.10 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 75 ℃

图11 75 ℃反应体系中不同时间点的紫外吸收光谱Fig.11 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 75 ℃

表1 阿司匹林的产率和纯度Tab.1 The yield and purity of aspirin

3 讨论

3.1 反应温度对合成阿司匹林的影响

3.2 催化剂对合成阿司匹林的影响

反应温度为 45、55、65、75 ℃时得到粗品阿司匹林的平均纯度为81.0%，分析未重结晶的粗品纯度低的原因可能是由于乙酸钠为偏碱性物质，在阿司匹林结晶析出的过程中，体系中存在的少量催化剂乙酸钠会使合成得到的阿司匹林水解，致使乙酰基脱掉导致阿司匹林结构被破坏，使粗品的纯度有所降低。所以为避免产物水解以提高粗品的纯度，在反应完成后要尽快使体系中的溶液降温，析出阿司匹林晶体后也要尽快减压过滤，使固液分离。

阿司匹林是与人们日常生活密切相关的药物[13-15]，环保高效的阿司匹林合成方法是制药企业所追求的发展方向。本研究合成阿司匹林的催化剂为乙酸钠，相对于使用浓酸催化剂来说，是一种环保型的催化剂。以往对催化剂乙酸钠的研究缺少对阿司匹林反应体系中物质变化过程的分析测定[4]，也不能准确判断出反应终点。本研究所采用的紫外吸收光谱、二阶导数光谱法可以实现对阿司匹林反应体系的实时监测并准确判断出反应终点。且实验所用紫外可见分光光度计准确性高，分析测定方法实用性强并易于操作。因此本实验方法可以为采用催化合成阿司匹林的相关企业和研究者提供借鉴和参考。

致谢：本论文获得“基础与专业药学国家级实验教学示范中心(首都医科大学)”和“医学化学与药学北京高等学校示范性校内创新实践基地(首都医科大学)”两大平台的支持。