香豆素合成中催化劑的選擇

許冰潔

摘 要：本研究主要目的是尋找一種或幾種理想的催化劑，使反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率提高、副反應(yīng)減少。香豆素合成的方法有多種，本實(shí)驗(yàn)采用的是Knoevenagel法[1]。在無(wú)水乙醇中，以有機(jī)堿（如六氫吡啶）為催化劑，通過(guò)水楊醛與丙二酸二乙酯的Knoevenagel縮合反應(yīng)合成了香豆素-3-羧酸乙酯。文章主要對(duì)影響香豆素-3-羧酸乙酯收率的反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、催化劑的選擇和用量進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：香豆素-3-羧酸乙酯；Knoevenagel反應(yīng)；催化劑；合成

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料制備

1.1.1 薄層色譜板制備

實(shí)驗(yàn)中使用的薄層色譜板均為自制[3]。制成的色譜板經(jīng)活化后于干燥處放置備用。

1.1.2 展開劑選擇

據(jù)資料將展開現(xiàn)象大致分成四個(gè)等級(jí)[3]。展開現(xiàn)象說(shuō)明，只有展開等級(jí)在Ⅲ級(jí)，最好是Ⅳ級(jí)的展開現(xiàn)象才符合選擇要求。本實(shí)驗(yàn)展開劑采用石油醚：乙酸乙酯=4：1作為展開劑。

1.2 水楊醛和丙二酸二乙酯的前處理

本實(shí)驗(yàn)要求在無(wú)水條件下進(jìn)行，故對(duì)主要原料水楊醛和丙二酸二乙酯進(jìn)行前處理。取已烘干的無(wú)水硫酸鎂適量，加入水楊醛、丙二酸二乙酯中，放置過(guò)夜備用。

1.3 香豆素-3-羧酸乙酯的制備

1.3.1 以六氫吡啶為催化劑

在干燥的100ml圓底燒瓶?jī)?nèi)加入2.1ml水楊醛（0.017mol）、3.4ml丙二酸二乙酯（0.021mol）、12.5ml無(wú)水乙醇（0.272mol）、2滴冰醋酸和六氫吡啶0.25ml，放入攪拌子，安裝回流冷凝管，冷凝管上口安放一根氯化鈣干燥管[4]。分別在0℃、25℃、50℃、75℃四種溫度下回流一定時(shí)間。將反應(yīng)后的混合液轉(zhuǎn)入錐形瓶?jī)?nèi)，加水3～5ml，冰水浴冷卻使產(chǎn)物結(jié)晶析出完全，減壓過(guò)濾，結(jié)晶用冰的50%乙醇洗滌2次（每次用3～5ml），最后將晶體壓緊盡量抽干。將粗品香豆素-3-羧酸乙酯干燥，稱量，計(jì)算此步反應(yīng)的產(chǎn)率，粗品用25%乙醇重結(jié)晶。測(cè)定粗品熔點(diǎn)，檢測(cè)其純度。測(cè)紅外光譜。

保持以上條件，在75℃溫度下回流反應(yīng)2.5小時(shí)，并利用薄層色譜板跟蹤反應(yīng)過(guò)程，再計(jì)算不同反應(yīng)時(shí)間下的產(chǎn)率。

保持以上條件，改變六氫吡啶用量（分別為0、0.10、0.20、0.25、0.30ml），分別在75℃下反應(yīng)2.0小時(shí)，并分別計(jì)算產(chǎn)率。

1.3.2 以二乙胺為催化劑

保持上述條件，采用二乙胺為催化劑，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟。

1.4 反應(yīng)方程式

2 反應(yīng)條件的優(yōu)化

本論文對(duì)催化劑六氫吡啶、二乙胺等催化下的反應(yīng)條件（如反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及催化劑用量等）進(jìn)行了比較，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了一種催化效果較好的催化劑，同時(shí)還對(duì)其反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化選擇。

2.1 催化劑的選擇

實(shí)驗(yàn)首先進(jìn)行了六氫吡啶催化下的Knoevenagel縮合反應(yīng)[2]。選擇水楊醛和丙二酸二乙酯為底物，在無(wú)水乙醇和冰醋酸條件下進(jìn)行了研究，同時(shí)又以二乙胺為催化劑，在其他反應(yīng)條件都相同的情況下作了一組比較實(shí)驗(yàn)。

2.1.1 反應(yīng)溫度比較

分別以六氫吡啶、二乙胺為催化劑，并分別在0℃、25℃、50℃和75℃條件下進(jìn)行反應(yīng)，利用薄層色譜板跟蹤反應(yīng)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表。

表1 表2

a：水楊醛用量均為0.017mol，六氫吡啶用量為0.20ml （0.002mol） ，二乙胺用量為0.20ml （0.003mol）；b：都以水楊醛計(jì)算產(chǎn)率

由上表可得，隨著溫度的升高，產(chǎn)品收率增大，當(dāng)溫度升至75℃時(shí)，以六氫吡啶和二乙胺催化的反應(yīng)，收率分別為83.5%和44.1%。故確定該反應(yīng)的最佳反應(yīng)溫度為75℃。

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間比較

利用薄層色譜板跟蹤反應(yīng)過(guò)程，根據(jù)產(chǎn)物收率來(lái)確定最佳反應(yīng)時(shí)間。結(jié)果見(jiàn)下表

表3

表4

a：反應(yīng)溫度均為75℃，水楊醛用量均為0.017mol，六氫吡啶用量0.20ml （0.002mol） ，二乙胺用量0.20ml （0.003mol）；b：都以水楊醛計(jì)算產(chǎn)率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用這兩種催化劑時(shí)，收率都隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)而增大，但時(shí)間延長(zhǎng)到一定程度后，收率增長(zhǎng)較小?？傮w上看，反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響相對(duì)較小，且與催化劑種類有關(guān)。

經(jīng)分析得知，在同等條件下，當(dāng)分別以六氫吡啶和二乙胺為催化劑時(shí)，最佳反應(yīng)時(shí)間分別為2.0h和3.0h。故從反應(yīng)時(shí)間上來(lái)講，應(yīng)選六氫吡啶作催化劑。

2.1.3 催化劑的確定

經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)比較，得出結(jié)論：當(dāng)原料和催化劑用量相同時(shí)，若反應(yīng)時(shí)間和溫度都相同，收率以六氫吡啶催化的反應(yīng)較高。且反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)物收率高，反應(yīng)時(shí)間縮短。故確定六氫吡啶為該反應(yīng)的理想催化劑。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5

表5

a：此反應(yīng)水楊醛用量為0.017mol，六氫吡啶和二乙胺用量都為0.20ml （0.002mol， 0.003mol）；b：以水楊醛計(jì)算產(chǎn)率

2.2 催化劑用量選擇

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，我們選用了六氫吡啶作催化劑，并對(duì)它的使用劑量做了研究，反應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表 6。

表6

a：此反應(yīng)水楊醛用量為0.017mol，反應(yīng)溫度為75℃，反應(yīng)時(shí)間2.0h；b：根據(jù)水楊醛計(jì)算產(chǎn)率。

從上述實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，隨著六氫吡啶用量的增大，收率不斷提高，當(dāng)用量從0.25ml繼續(xù)增加到0.30ml時(shí)，收率增加不明顯，故從總體考慮，選六氫吡啶用量最好為0.25ml，即水楊醛與六氫吡啶的最佳摩爾比為6：1。

2.3 優(yōu)化條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從上述實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化選擇的結(jié)果可得，六氫吡啶為該反應(yīng)的最佳催化劑。當(dāng)水楊醛與六氫吡啶用量的摩爾比為6：1，反應(yīng)溫度為75℃，反應(yīng)時(shí)間為2.0h時(shí)，收率良好。本實(shí)驗(yàn)中六氫吡啶用量為0.25 ml，水楊醛用量為0.017mol，收率為89.4%（按水楊醛計(jì)算產(chǎn)率）。

3 結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)所采用的催化劑中，以六氫吡啶的催化性能最好，得到的產(chǎn)品多，晶型、色澤較好；二乙胺的催化性能次之，得到的產(chǎn)品量較少，晶型也略差。此外，以六氫吡啶作催化劑還有反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)率較高，副反應(yīng)少等優(yōu)點(diǎn)。故確定六氫吡啶為本實(shí)驗(yàn)的理想催化劑。其最佳反應(yīng)條件：水楊醛與六氫吡啶的摩爾比為6：1，反應(yīng)溫度為75℃，反應(yīng)時(shí)間為2.0h。在此最佳工藝條件下，香豆素-3-羧酸乙酯的收率為89.4%。

參考文獻(xiàn)

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[4]丁長(zhǎng)江主編. 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2006.215