甘氨酸催化下串聯(lián)合成香豆素-3-羧酸

董軍，陳友威，常偉，桑澤礬，曾子航，徐國(guó)棟

鹽城師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)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(xué)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(qiáng)學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)的熱情，部分基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[4]和綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)[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(xué)實(shí)驗(yàn)。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(shí)際教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)六氫吡啶與乙酸具有較強(qiáng)刺激性氣味，而強(qiáng)堿KOH與強(qiáng)酸HCl的使用則具有潛在危險(xiǎn)性，安全性較差。另外，該反應(yīng)步驟較多，耗時(shí)較長(zhǎng)。并且作為經(jīng)典的任務(wù)型制備實(shí)驗(yàn)，其探究性較弱，難以引發(fā)學(xué)生的探索熱情。

針對(duì)現(xiàn)有本科實(shí)驗(yàn)中香豆素-3-羧酸制備反應(yīng)的不足，嘗試對(duì)該反應(yīng)進(jìn)行以下改進(jìn)：(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(qiáng)堿催化的皂化和強(qiáng)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(shí)較長(zhǎng)。通過查閱文獻(xiàn)以及對(duì)反應(yīng)機(jī)理的進(jìn)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(shí)現(xiàn)香豆素-3-羧酸的串聯(lián)合成，簡(jiǎn)潔高效，還避免了強(qiáng)酸強(qiáng)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(shí)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(shí)驗(yàn)過程中引入熔點(diǎn)測(cè)定、紅外光譜以及核磁波譜等測(cè)試表征環(huán)節(jié)，有效提升該制備實(shí)驗(yàn)的拓展性；4)通過引導(dǎo)學(xué)生閱讀香豆素-3-羧酸制備的相關(guān)文獻(xiàn)，并在具體實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)開放性實(shí)驗(yàn)，分組探究不同反應(yīng)條件對(duì)該反應(yīng)的影響，培養(yǎng)學(xué)生的科研探索精神。

2 實(shí)驗(yàn)?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(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)理推測(cè)可能產(chǎn)物，并通過反應(yīng)結(jié)果來解釋反應(yīng)機(jī)理；

(3)以“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的積極性，強(qiáng)化學(xué)科探究能力，鍛煉獨(dú)立思考意識(shí)；

(4)通過多步串聯(lián)、綠色合成，感受學(xué)科魅力，樹立綠色環(huán)保意識(shí)，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

香豆素-3-羧酸合成的機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)理

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

3.2.1 儀器和表征方法

實(shí)驗(yàn)儀器見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

3.2.2 試劑或材料

實(shí)驗(yàn)試劑或材料見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)試劑或材料

3.3 實(shí)驗(yàn)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(cè)反應(yīng)，展開劑的極性選擇為VPE:VEA=5:1。通過TLC監(jiān)測(cè)，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(fù)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(jī)熔點(diǎn)儀、傅立葉變換紅外-拉曼光譜儀、核磁共振波譜儀對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行熔點(diǎn)、紅外及核磁表征。

3.4 藥品的安全評(píng)估及應(yīng)急處理方法

本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)試劑，安全低毒，便宜易得，適于本科教學(xué)[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(jìn)行反應(yīng)條件優(yōu)化(表3)。首先探究溶劑對(duì)反應(yīng)的影響，選擇了水、乙醇以及甲醇這三種溶劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水作為溶劑時(shí)，產(chǎn)物的分離產(chǎn)率較高為72%(編號(hào)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(dāng)水楊醛和米氏酸的物質(zhì)的量之比為1:1.5時(shí)，香豆素-3-羧酸分離產(chǎn)率提高到了76%(編號(hào)4)。繼續(xù)增加米氏酸的用量，當(dāng)水楊醛和米氏酸的物質(zhì)的量之比為1:2.0時(shí)，香豆素-3-羧酸的分離產(chǎn)率依舊是76%(編號(hào)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(shí)，分離產(chǎn)率略微下降，產(chǎn)率為62%(編號(hào)6)。接著優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間，該反應(yīng)分別在0.5 h、1.5 h、2.5 h時(shí)停止(編號(hào)7–9)，可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)時(shí)間從0.5 h延長(zhǎng)到1.5 h時(shí)產(chǎn)率升高為84%(編號(hào)8)，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至2.5 h，產(chǎn)率仍為84%(編號(hào)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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)率略微下降(編號(hào)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(cè)及產(chǎn)品表征分析

4.2.1 薄層色譜法監(jiān)測(cè)反應(yīng)

以VPE:VEA=5:1為展開劑監(jiān)測(cè)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(cè)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(jī)熔點(diǎn)儀測(cè)定產(chǎn)物熔點(diǎn)

利用微機(jī)熔點(diǎn)儀測(cè)定產(chǎn)品熔點(diǎn)，熔點(diǎn)測(cè)定為193.3–193.8 °C，與文獻(xiàn)報(bào)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(xué)組織建議

5.1 教學(xué)實(shí)施的可行性

為了驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)合成香豆素-3-羧酸的可行性，我們從學(xué)院隨機(jī)安排了20位同學(xué)開展平行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生的產(chǎn)品分離產(chǎn)率與演示實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率接近，說明實(shí)驗(yàn)具有良好的重復(fù)性。

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

5.2 教學(xué)實(shí)施方案設(shè)計(jì)及優(yōu)勢(shì)分析

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只是由簡(jiǎn)單的“講述-實(shí)驗(yàn)-報(bào)告”三部分組成，只能幫助學(xué)生鞏固已有的知識(shí)與技能，學(xué)生的綜合能力得不到提升。而探究式實(shí)驗(yàn)分為“前期預(yù)習(xí)-中期實(shí)驗(yàn)-后期總結(jié)”三部分。前期由教師發(fā)布課題，布置任務(wù)，學(xué)生自行查閱文獻(xiàn)；中期學(xué)生分組對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化；后期學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行總結(jié)，并以報(bào)告書的形式提交本組的實(shí)驗(yàn)方案以及試劑安全性分析。實(shí)驗(yàn)期間，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單講述，學(xué)生完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的“固體析出”等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行思考，仔細(xì)分析后利用薄層色譜法以及紅外、核磁等手段進(jìn)行表征。最后，根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，小組間進(jìn)行匯報(bào)(圖6)。通過探究式教學(xué)模式，強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)探究能力以及團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提升學(xué)生的綜合能力。

圖6 探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)分析及教學(xué)實(shí)施方案設(shè)計(jì)

6 結(jié)語

本文將本科基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作和產(chǎn)品表征相結(jié)合，以實(shí)驗(yàn)探究模式開展實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)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(xué)生科學(xué)探究意識(shí)、提高學(xué)生科學(xué)探究能力。本實(shí)驗(yàn)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(xué)理念[8]。該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)約為4小時(shí)，符合本科有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)要求。且在課前布置學(xué)生搜索閱讀香豆素-3-羧酸的制備文獻(xiàn)，巧用第二課堂，線上線下相結(jié)合，讓學(xué)生尋找這一類香豆素衍生物的藥用價(jià)值及合成方法，潛移默化地將思政理念融入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)[9]，提高學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感和社會(huì)責(zé)任感。因此，本實(shí)驗(yàn)適合本科有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。