無溶劑條件下香豆素類化合物的綠色合成

廖心儀，　黃　河*（. 湖南省長郡中學(xué)，湖南 長沙 40660； . 中南大學(xué) 粉末冶金學(xué)院，湖南 長沙 40660）

無溶劑條件下香豆素類化合物的綠色合成

廖心儀1，黃河2*
（1. 湖南省長郡中學(xué)，湖南 長沙 410660； 2. 中南大學(xué) 粉末冶金學(xué)院，湖南 長沙 410660）

以乙酰乙酸乙酯和間苯二酚為原料，固體NaHSO4·H2O為催化劑，無溶劑條件下通過Pechmann反應(yīng)合成7-羥基-4-甲基香豆素；并對反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、催化劑用量、原料配比等因素對產(chǎn)率的影響進行了探究。實驗證明，在無溶劑條件下，NaHSO4·H2O是合成7-羥基-4-甲基香豆素的良好催化劑，正交實驗法得出反應(yīng)的最優(yōu)條件為：反應(yīng)溫度為110℃，反應(yīng)時間40 min，n（間苯二酚）/n（乙酰乙酸乙酯）= 1∶1.2，催化劑用量相對于間苯二酚用量的20% mol，產(chǎn)品的收率為81.8%。

香豆素；Pechmann反應(yīng)；NaHSO4·H2O；無溶劑條件

7-羥基-4-甲基香豆素是一種重要的合成中間體，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料等行業(yè)有廣泛的用途，傳統(tǒng)的合成方法中濃硫酸催化劑會引起如磺化、氧化等副反應(yīng)，且濃硫酸的腐蝕性讓其對工藝要求更為復(fù)雜；在可持續(xù)發(fā)展深入人心的今天，使用綠色的兩相固體酸催化劑代替濃硫酸更具有吸引力，如Amberlyst15[1]、H2SO4-SiO2[2]、H8SiW12O42[3]、Keggin雜多酸[4]、微波輻射四氯化錫[5]等催化劑都收到了不錯的催化效果。

本文以乙酰乙酸乙酯和間苯二酚為原料，固體NaHSO4·H2O為催化劑，無溶劑條件下通過Pechmann反應(yīng)合成7-羥基-4-甲基香豆素；實驗過程簡單，操作具有安全性，且反應(yīng)速率快，且7-羥基-4-甲基香豆素收率高；實驗證明NaHSO4·H2O是合成7-羥基-4-甲基香豆素的良好催化劑。反應(yīng)方程式如式（1）所示。

1　實驗

1.1試劑與儀器

乙酸乙酰乙酯（AR，國藥集團化學(xué)公司），間苯二酚（AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠），NaHSO4·H2O（AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠），無水乙醇（CR，湖南師范大學(xué)化學(xué)試劑廠）。

DF-101B恒溫電磁攪拌器（浙江樂成電儀器廠）、AVATAR 370 型號傅立葉變換紅外光譜儀、X-4顯微熔點儀（上海精密科學(xué)儀器有限公司）、常用玻璃儀器、電子天平等。

在AVATAR 370 型號傅立葉變換紅外光譜儀上對樣品進行分析，DTGS/KBr檢測器，波數(shù)范圍從4000 cm-1到400 cm-1，儀器分辨率為4 cm-1，信號掃描累加32次。

1.27-羥基-4-甲基香豆素香豆素的合成

往潔凈的25 mL三頸燒瓶中按一定比例加入一定量的間苯二酚、乙酸乙酰乙酯和NaHSO4·H2O催化劑，一定溫度下油浴加熱反應(yīng)一段時間；往冷卻后的反應(yīng)體系中加入5 mL無水乙醇后微熱，待產(chǎn)品完全溶解后趁熱過濾，往濾液中加入50 mL冰水混合物進行重結(jié)晶，經(jīng)過過濾，洗滌，干燥，最終得到淡黃色固體7-羥基-4-甲基香豆素；采用紅外光譜對所得產(chǎn)品進行分析并測定其熔點。

2　結(jié)果與討論

2.1生成7-羥基-4-甲基香豆素的最佳反應(yīng)溫度探究

在25 mL三頸燒瓶中準確加入一定量NaHSO4·H2O固體酸催化劑（相對于間苯二酚用量的20% mol）、n（間苯二酚）/ n（乙酸乙酰乙酯）=1∶1. 2，反應(yīng)時間為1 h，探究不同的溫度對產(chǎn)率的影響，如圖1所示。溫度升高產(chǎn)率增加，當(dāng)溫度達到110℃時，繼續(xù)增加溫度產(chǎn)率增加不明顯，故實驗控制油浴溫度為110℃。

圖1　反應(yīng)溫度對7-羥基-4-甲基香豆素收率的影響

圖2　催化劑用量對7-羥基-4-甲基香豆素收率的影響

2.2催化劑用量對7-羥基-4-甲基香豆素收率的影響

在25 mL三頸燒瓶中加入一定量的間苯二酚、乙酸乙酰乙酯（摩爾比1∶1. 2），一定量的NaHSO4·H2O固體酸催化劑，控制油浴溫度為110℃條件下反應(yīng)1 h；探究催化劑的用量對產(chǎn)率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，催化劑用量的增加對提高7-羥基-4-甲基香豆素產(chǎn)率有明顯的作用；在110℃條件下間苯二酚融化，與乙酸乙酰乙酯形成均相體系，其分子中的親水羥基與催化劑中的親水基團（水分子，磺酸基團）有充分的接觸，在機械攪拌的作用下，使反應(yīng)體系形成一個準均相；當(dāng)達到間苯二酚用量的20% mol時，產(chǎn)率超過80%，且再增加催化劑的用量對反應(yīng)速率影響逐漸減少，故實驗中選擇NaHSO4·H2O的最佳用量為間苯二酚用量的20% mol。

圖3　確定生成7-羥基-4-甲基香豆素的最佳反應(yīng)時間

2.3反應(yīng)時間的7-羥基-4-甲基香豆素的影響

在25 mL三頸燒瓶中加入一定量的間苯二酚、乙酸乙酰乙酯（摩爾比1∶1. 2），一定量的NaHSO4·H2O固體酸催化劑，控制油浴溫度為110℃條件下反應(yīng)一定時間。結(jié)果如圖3所示；110℃的條件下，NaHSO4·H2O催化生成產(chǎn)物主要集中在前20 min，但繼續(xù)延長時間，產(chǎn)率有少量增加且文獻[1-4]報道的該反應(yīng)時間大多超過20 min，為了增加實驗結(jié)果的可比性，故實驗選擇40 min作為最佳反應(yīng)時間。

2.4最佳反應(yīng)條件的確定

選取NaHSO4·H2O為催化劑，n（間苯二酚）/n（乙酸乙酰乙酯）=1∶1. 2，催化劑用量為相對n(間苯二酚)% mol，綜合考察反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和催化劑用量對產(chǎn)物收率的影響，設(shè)計了三因素三水平的正交試驗，結(jié)果如表1、2所示。

表1　正交試驗L9(33)的因素和水平

表2　正交試驗L9(33)的結(jié)果分析

由表可見，在NaHSO4·H2O催化合成7-羥基-4-甲基香豆素的過程中，各因素的影響次序由大到小依次是A、B、C，即反應(yīng)溫度、催化劑用量、反應(yīng)時間。7-羥基-4-甲基香豆素收率最高的實驗方案為A3B3C2，即反應(yīng)溫度110℃，催化劑用量相對于間苯二酚用量的20% mol，反應(yīng)時間40 min。

2.57-羥基-4-甲基香豆素的表征

圖4是實驗產(chǎn)物的紅外光譜圖，由圖可知，各官能團的吸收峰為3493 cm-1(OH)、3121 cm-1(-CH3)、1683 cm-1、1605 cm-1和1450 cm-1（苯環(huán)骨架振動），845 cm-1（苯環(huán)外C-C-H面外彎曲振動）；測定其熔點范圍為184～186℃；均與文獻報道吻合[1-5]。

圖4　7-羥基-4-甲基香豆素的紅外光譜圖

3　結(jié)論

本文證明NaHSO4·H2O是催化間二苯酚和乙酸乙酰乙酯合成7-羥基-4-甲基香豆素的良好催化劑，且反應(yīng)無溶劑，復(fù)合綠色化學(xué)的要求。反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、反應(yīng)物用量比和催化劑用量均能在不同程度上影響到7-羥基-4-甲基香豆素的收率，在一定范圍內(nèi)，7-羥基-4-甲基香豆素的收率隨著上述各因素的增加而增大，其中反應(yīng)溫度對其的影響最大。正交實驗法得出反應(yīng)的最優(yōu)條件為：反應(yīng)溫度為110℃，反應(yīng)時間40 min，n（間苯二酚）/ n（乙酰乙酸乙酯）=1∶1.2，催化劑用量相對于間苯二酚用量的20% mol時，產(chǎn)品的收率為81.8%。

[1] 韓雪, 辛秀蘭, 金瓊花. Amberlyst15催化7-羥基-4-甲基香豆素的無溶劑合成[J]. 廣州化工, 2009, 37(4): 72-73.

[2] 秦省軍, 辛秀蘭, 徐寶財. H2SO4-SiO2催化7-羥基-4-甲基香豆素的無溶劑合成[J]. 工業(yè)催化, 2008, 16(1): 54-57.

[3] 秦省軍, 辛秀蘭, 徐寶財. H8SiW12O42催化7-羥基-4-甲基香豆素的無溶劑合成[J]. 化工技術(shù)與開發(fā), 2008, 37(3): 14-16.

[4] 秦省軍, 辛秀蘭, 徐寶財, 等. Keggin雜多酸催化合成7-羥基-4-甲基香豆素[J]. 精細化工, 2007, 20(11): 1136-1138.

[5] 李永紅, 侯金松. 微波輻射四氯化錫催化無溶劑合成7-羥基-4-甲基香豆素[J]. 應(yīng)用化工, 2010, 39(3): 358-360.

Green Synthesis of Coumarin under Solvent-free Condition

LIAO Xin-yi1,HUANG He2*
（1. Chang Jun Middle school, Changsha 410660, China; 2. Central South University Powder Metallurgy Institute, Changsha 410660, China）

Using ethyl acetoacetate and resorcinol as raw materials, NaHSO4·H2O as catalyst, 7-hydroxy-4-methyl coumarin was synthesized by Pechmann reaction under solventless condition. When NaHSO4·H2O was used as catalyst the factors such as reaction temperature, dosage of catalyst, reaction time and the ratio of the raw materials influencing on the yield of the product were discussed. The optimum conditions were established as follows: the molar ratio of ethylacetoacetate to resorcinol was 1.2∶1, the amount of catalyst was relative to the amount of 20% mol of resorcinol, the reaction temperature was 110 ℃, and the reaction time was 40 min. Under the aforementioned conditions, the yield of 7-hydroxy-4-methylcoumarin can reach 81.8%.

coumarin; Pechmann reaction; NaHSO4·H2O; solvent free

G633.8

A

1009-220X(2016)04-0064-04

10.16560/j.cnki.gzhx.20160412

2016-05-09

廖心儀（2000~），女，大學(xué)預(yù)科；主要從事有機催化的研究。

黃 河（1995~），女，本科；主要從事粉體材料科學(xué)與工程的研究。