醋酸銨催化合成香豆素-3-羧酸乙酯的工藝研究

王 俏， 趙伯平

（1.延安大學 化學與化工學院，陜西 延安 716000；2.陜西煤化集團 陜化公司化肥廠，陜西 渭南 714100）

醋酸銨催化合成香豆素-3-羧酸乙酯的工藝研究

王 俏1， 趙伯平2

（1.延安大學 化學與化工學院，陜西 延安 716000；2.陜西煤化集團 陜化公司化肥廠，陜西 渭南 714100）

以水楊醛和丙二酸二乙酯為原料，醋酸銨為催化劑，采用超聲波技術攪拌，在無溶劑條件下，經(jīng)Knoevenagel縮合反應，合成香豆素-3-羧酸乙酯，其結構經(jīng)IR表征。考察了超聲波輻射時間、原料配比、催化劑的用量等對反應的影響。結果表明，最優(yōu)條件為：超聲波功率100W、超聲時間10min、加熱反應時間90min、水楊醛與丙二酸二乙酯的物質(zhì)的量比為1∶1.60、水楊醛與催化劑的物質(zhì)的量比為1∶1.50。在優(yōu)化條件下，香豆素-3-羧酸乙酯的收率為89.8%。與常規(guī)合成方法相比，該合成方法具有操作簡單、收率高、環(huán)境友好等特點。

香豆素-3-羧酸乙酯；醋酸銨；無溶劑；催化；合成

前言

香豆素及其衍生物具有一定的香氣，常用作定香劑，用于紫羅蘭、素心蘭、葵花、蘭花等香型的日用化妝品及香皂中，也用作飲料、食品、香煙、橡膠制品、塑料制品等的加香劑[1～2]。

因其同時具有抗病毒、抗癌、抗微生物等多種重要生物活性，因而引起國內(nèi)外化學工作者和藥物工作者的關注，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、制藥等行業(yè)也得到廣泛應用[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間體。其合成方法為Perkin合成法和Knovenagel縮合法[5～6],經(jīng)典合成方法為Knoevenagel縮合法。

Knoevenagel縮合反應一般采用堿性催化劑，如無機堿（如NaOH）、氨、胺、哌啶、吡啶、喹啉及其銨鹽等作催化劑，在均相或異相中反應，近年來，文獻報道用磷酸鉀氟化鉀，碘化鎘，氯化鋅，羥基磷灰石，方解石和螢石，離子交換樹脂，硅膠等催化該反應[7]。香豆素-3-羧酸乙酯的傳統(tǒng)合成路線如下[8]。

該方法使用具有一定毒性和難聞氣味的六氫吡啶為催化劑，收率在80%左右。

近年來，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超聲波可以產(chǎn)生強烈的“空化”效果，有劇烈攪拌作用，能有效促進有機合成反應，它不僅可以改善反應條件，減少催化劑用量，加快反應速度和提高反應收率，甚至還能夠改變某些反應的路徑，使某些傳統(tǒng)條件下難以進行的反應得以實現(xiàn)，超聲波化學被公認為是綠色化學，在有機合成中被廣泛應用[9]。

本文采用超聲波技術攪拌，不用任何溶劑，用價廉無毒無污染的醋酸銨[10]代替常用的吡啶、哌啶、苯胺等有機堿催化Knoevenagel反應，安全、高效、快速地合成了香豆素-3-羧酸乙酯，真正實現(xiàn)了目前化學界提倡的潔凈的綠色化學合成工藝。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

水楊醛：CP，國藥集團化學試劑有限公司；丙二酸二乙酯：CP，國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇：AR，天津市百世化工有限公司；醋酸銨：AR，天津市紅巖化學試劑廠。

1.2 主要設備

T-214電子分析天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；XT-4顯微熔點測定儀，北京泰克儀器有限公司；KQ5200DA型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；IR Prestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀，日本Shimazu公司。

1.3 實驗操作

在干燥的50mL圓底燒瓶中分別加入4.0mL（0.038mol）水楊醛、5.8mL（0.038mol）丙二酸二乙酯、4.4g（0.057mol）醋酸銨，混和均勻，安裝帶有CaCl2干燥管的回流冷凝管。將圓底燒瓶放入超聲波清洗器中，設置超聲波功率100W，超聲輻射10min，使其充分攪拌，取出燒瓶，加熱回流反應1.5h，待產(chǎn)品稍冷后轉(zhuǎn)移至裝有30mL冷水的100mL燒杯中，冷卻，抽濾，用2～3mL冰的無水乙醇洗滌2～3次，至固體中無黃色雜質(zhì)。干燥，得白色固體，即為香豆素-3-羧酸乙酯。

2 結果與討論

2.1 超聲波輻射對產(chǎn)品收率的影響

固定水楊醛4.0mL（0.038mol），丙二酸二乙酯5.8mL（0.038mol），醋酸銨4.4g（0.057mol），加熱回流時間1.5h，超聲波功率100W等條件不變，改變超聲波輻射時間?？疾斐暡ㄝ椛鋵Ξa(chǎn)品收率的影響。結果見圖1。

圖1 超聲波輻射對反應的影響Fig.1 Effect of ultrasonic radiation on the reaction

本反應無溶劑，屬非均相反應。而超聲波輻射可以產(chǎn)生強烈的“空化”效果，有劇烈攪拌作用，能有效增加反應物與催化劑之間的接觸機會，對反應收率的影響很大。由圖1可見，超聲波輻射10min時收率達到最高值84.04%。再增加輻射時間，收率反而下降。這可能是由于輻射時間太長，使副反應增加的緣故。因此，選擇輻射時間10min為最佳。

2.2 反應時間對產(chǎn)品收率的影響

固定水楊醛4.0mL（0.038mol），丙二酸二乙酯5.8mL（0.038mol），醋酸銨4.4g（0.057mol），超聲波功率100W,超聲波時間10min等條件不變，改變回流時間。考察回流時間對產(chǎn)品收率的影響。結果見圖2。

圖2 加熱時間對反應的影響Fig.2 Effect of heating time on the reaction

由圖2可見，隨著加熱時間的增長，香豆素-3-羧酸乙酯的收率增加，但當加熱時間大于1.5h，產(chǎn)品收率反而下降，這可能是由于反應時間過短，反應不完全，但時間過長，反應副產(chǎn)物增多，也影響酯的收率，且增加了后處理的難度。因此，選擇反應時間為1.5h為宜。

2.3 催化劑用量對產(chǎn)品收率的影響

固定水楊醛4.0mL（0.038mol），丙二酸二乙酯5.8mL（0.038mol），超聲波功率100W,超聲波時間10min，反應時間1.5h等條件不變，改變催化劑用量。考察催化劑用量對產(chǎn)品收率的影響。結果見圖3。

圖3 催化劑用量對反應的影響Fig.3 Effect of catalyst amount on the reaction

由圖3可以看出，隨著催化劑醋酸銨用量的增多，香豆素-3-羧酸乙酯的產(chǎn)率增加，但粗產(chǎn)物微黃，表明有未反應有機物附著，當醋酸銨用量增加為4.4g（即水楊醛的1.50倍）以上時，收率反而下降,這可能是因為本反應無溶劑，屬非均相反應，加入醋酸銨的量太多，阻礙了水楊醛與丙二酸二乙酯兩個反應物之間的碰撞與反應。因此，選擇催化劑用量4.4g（0.057mol）為最佳。

2.4 原料配比對產(chǎn)品收率的影響

固定水楊醛4.0mL（0.038mol），醋酸銨4.4g（0.057mol），超聲波功率100W,超聲波時間10min，反應時間1.5h等條件不變，改變丙二酸二乙酯用量。考察原料配比對產(chǎn)品收率的影響。結果見圖4。

圖4 丙二酸二乙酯用量對反應的影響Fig.4 Effect of diethylmalonate amount on the reaction

由圖4可以看出，丙二酸二乙酯用量太少，水楊醛反應不完全，收率較低；增加丙二酸二乙酯用量香豆素-3-羧酸乙酯的收率明顯增加，但丙二酸二乙酯用量太多，收率反而下降。圖中數(shù)據(jù)表明，以丙二酸二乙酯用量為9mL，即n（水楊醛）∶n（丙二酸二乙酯）為1∶1.60）為最佳醛酯物質(zhì)的量比。

2.5 較佳實驗條件下的穩(wěn)定性實驗

綜合上述條件，可得合成香豆素-3-羧酸乙酯的最佳工藝條件為：n（水楊醛）∶n（丙二酸二乙酯）為1∶1.60，n（水楊醛）:n（醋酸銨）為1∶1.50（醋酸銨用量4.4g），超聲波輻射功率100W,超聲波輻射時間10min，加熱回流時間1.5h。

在此較佳條件下做5次重復實驗，結果見表1。

表1 較佳實驗條件下的穩(wěn)定性實驗結果Table 1 The stability experimental results under the better experimental conditions

由表1實驗結果可見：在此較佳實驗條件下，產(chǎn)品收率最低89.63%，平均可達89.8%。可見，該較佳條件是穩(wěn)定的。與文獻報道的合成香豆素類衍生物的方法相比，此法無須溶劑，具有易于操作，后處理方便，綠色環(huán)保，收率較高等優(yōu)點。

2.6 產(chǎn)品的物性測試及結構表征

產(chǎn)品香豆素-3-羧酸乙酯經(jīng)提純后，測定其熔點是92～93℃與文獻值符合[7]，紅外表征見表2。

表2結果表明，香豆素-3-羧酸乙酯的IR光譜數(shù)據(jù)也符合其各自結構特征并與文獻［7］所提供的標準譜圖相符。

圖5 產(chǎn)品的紅外光譜圖Fig.5 IR spectra of the product

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

3 結 論

（1）以水楊醛和丙二酸二乙酯為原料，醋酸銨為催化劑，經(jīng)Knoevenagel反應，在無溶劑條件下，經(jīng)超聲波攪拌，加熱回流反應，合成了香豆素-3-羧酸乙酯。當n（水楊醛）:n（丙二酸二乙酯）為1∶1.60（物質(zhì)的量比），n（水楊醛）∶n（催化劑醋酸銨）為1∶1.50（物質(zhì)的量比），100W的超聲波輻射10min，加熱回流反應時間1.5h時，香豆素-3-羧酸乙酯的產(chǎn)率達89.8%。

（2）本方法采用超聲波攪拌，運用超聲波的強烈“空化”效果，劇烈攪拌，促進反應，縮短了反應時間，增加了產(chǎn)率；使用醋酸銨為催化劑，價廉、無毒、無污染，對環(huán)境友好，而且，操作簡單，副反應少，選擇性高，后處理簡單，產(chǎn)品易純化。

［1］ 日本精細化學品詞典編輯委員會.精細化學品詞典［M］.北京:化學丁業(yè)出版社,1989:831～832.

［2］ 王箴.化工詞典［M］.第四版.北京:化工工業(yè)出版社,2000:991.

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

［4］ 陳維一，陸軍.香豆素類衍生物的合成［J］.化學研究與應用, 2001,13（1）:76～77.

［5］ 蘭州大學，復旦大學化學系有機化學教研室.有機化學實驗［M］.第二版.北京:高等教育出版社,1994:208～209.

［6］ 谷珉珉，賈韻儀，姚子鵬.有機化學實驗［M］.第二版.上海:復旦大學出版社,1991:322～327.

［7］ 胡德榮，張新位.關于Knoevenagel反應催化劑的研究［J］.首都師范大學學報:自然科學版,2005,26（1）:51～56．

［8］ 韓廣甸，趙樹緯，李述文．有機制備化學手冊:中卷［M］．北京:化學工業(yè)出版社,1985:145．

［9］ 羅志臣．超聲波輻射合成香豆素-3-羧酸乙酯［J］．化學世界，2010，（5）:301～303．

［10］ 張紅，羅斯泰，王錦旋．無溶劑微波輻射醋酸銨催化合成肉桂酸［J］．香料香精化妝品，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，陜西子洲人，工學碩士，教授，主要研究方向有機合成及高分子合成。