香豆素-3-羧酸的制備及光譜性質(zhì)研究

楊文生

（榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西榆林719000）

香豆素-3-羧酸的制備及光譜性質(zhì)研究

楊文生

（榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西榆林719000）

本文以水楊醛、丙二酸二乙酯為原料合成香豆素-3-羧酸乙酯，進而合成香豆素的重要衍生物香豆素-3-羧酸，對其結(jié)構(gòu)進行了表征，并通過紫外光譜和熒光光譜研究了溶劑極性、溶液酸度及溶劑中甲醇含量所產(chǎn)生的影響，最后計算了熒光量子產(chǎn)率，得出香豆素-3-羧酸為弱熒光物質(zhì)。

合成；溶劑極性；溶液酸度；熒光量子產(chǎn)率

香豆素及其衍生物廣泛分布在高等植物中，其基本組成苯并a-吡喃酮為重要的芳香雜環(huán)化合物，分子結(jié)構(gòu)中C=C和C=O雙鍵形成較大的共軛體系，分子中的內(nèi)脂結(jié)構(gòu)增強了分子的剛性，使整個分子具有良好的熱力學(xué)和光學(xué)穩(wěn)定性，容易進行結(jié)構(gòu)修飾及各種功能官能團的導(dǎo)入。這種特殊結(jié)構(gòu)使其具有良好的生理活性，如衍生物有抗腫瘤[1]、抗HIV[2]、抗凝血[3]、抗氧化[4]、抗細菌[5]、降血壓[6]的作用；而且有較好的光學(xué)活性，如熒光量子產(chǎn)率高[7]、stokes位移大[8]、光穩(wěn)定性好、光物理及光化學(xué)性質(zhì)可調(diào)，是熒光探針及熒光染料設(shè)計中優(yōu)秀的候選熒光團。

香豆素及其衍生物在醫(yī)藥[9]、香料[10]、熒光染料[11]、熒光增白劑[12]、光電材料[13]、熒光探針[14]等方面有著廣泛的應(yīng)用。香豆素-3-羧酸是香豆素的重要衍生物，也是合成香豆素的重要中間體，具有重要的研究意義。

本文由水楊醛與丙二酸二乙酯在二乙胺（取代傳統(tǒng)的六氫吡啶）催化下合成香豆素-3-羧酸乙酯，在此基礎(chǔ)上合成熒光化合物香豆素-3-羧酸，通過元素分析、紅外光譜對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進行了表征，并研究了紫外吸收和熒光發(fā)射等光譜性質(zhì)。合成路線如下：

1　實驗部分

1.1主要儀器與試劑

970CRT熒光分光光度計（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；島津UV-2450型紫外分光光度計（日本島津）；Broker紅外光譜儀（布魯克光譜儀器公司）；PE-2400型元素分析儀（美國Perkin-Elmer公司）；電子天平（上海上平儀器公司）；顯微熔點測定儀（北京泰克儀器有限公司）。

水楊醛（上海阿拉丁試劑公司）；丙二酸二乙酯（上海國藥基團）；二乙胺、冰乙酸、乙醇、甲醇、二氯甲烷、乙酸乙酯、環(huán)己烷、L-色氨酸（天津科密歐試劑公司）；所用試劑均為分析純，所用水為二次蒸餾水。

1.2合成與表征

1.2.1香豆素-3-羧酸乙酯的合成在準(zhǔn)備好的干燥的100mL圓底燒瓶中，加入4.2mL水楊醛，6.8mLl丙二酸二乙酯，25mL無水乙醇，0.5mL二乙胺（代替六氫吡啶）和2D HAc，放入幾粒沸石后，裝上回流冷凝管，上口接一個無水CaCl2干燥管，在水浴上加熱回流2h，溫度控制在70℃左右。反應(yīng)完畢后，待溶液稍冷后，將反應(yīng)物倒入30mL水中，于冰水中冷卻結(jié)晶，析出大量晶體，結(jié)晶完全后，進行過濾，每次用經(jīng)冰冷卻后的50%乙醇4～5mL洗滌2～3次，所得粗產(chǎn)物用25%的乙醇溶液重結(jié)晶，產(chǎn)物為白色晶體，產(chǎn)率86%，m.p.92.2～93.1℃（文獻值：92～93℃）。IR（KBr），v，cm-1：3065（Ar-H）；1776（C=O）；1608，1565，1451（C=C）；1208，1132，1024（C-O）。元素分析，C12H10O4，實測值（計算值），%：C66.14（66.06）；H4.48（4.59）；O29.44（29.36）。

1.2.2香豆素-3-羧酸的合成在準(zhǔn)備好的100mL圓底燒瓶中加入上一步合成的香豆素-3-羧酸乙酯4g，NaOH 3g，95%無水乙醇20mL和水10mL，加入幾粒沸石，裝上回流冷凝管，加熱溫度控制在70℃左右，在水浴條件下加熱直至酯完全溶解后，繼續(xù)回流操作約30min。放置一會使溶液稍冷后，將得到的反應(yīng)混合物在不斷攪拌下轉(zhuǎn)移至有50mL水與10mL濃HCl的燒杯中，很快析出大量晶體，將其放入冰浴中冷卻，待結(jié)晶完全后，進行抽濾，使用少量準(zhǔn)備好的冰水洗滌晶體，再用水重結(jié)晶，壓干，于干燥箱中干燥，產(chǎn)物為白色針狀晶體，產(chǎn)率93%，m.p.191.4～192.8℃（文獻值：191～193℃）。IR（KBr），v，cm-1：3429（O-H）；3057（Ar-H）；1748，1684（C=O）；1612，1568，1422（C=C）；1208，1042（C-O）。元素分析，C10H6O4，實測值（計算值），%：C 63.23（63.16）；H 3.24（3.16）；O33.76（33.68）。

1.3香豆素-3-羧酸的光譜性質(zhì)

1.3.1香豆素-3-羧酸在不同極性溶劑中的紫外光譜分別以二氯甲烷、乙醇、乙酸乙酯及環(huán)己烷為溶劑配制濃度為1.0×10-5mol·L-1的香豆素-3-羧酸溶液，在紫外分光光度計上測定吸收光譜。

1.3.2香豆素-3-羧酸在不同極性溶劑中的熒光光譜與上述條件相同，分別以乙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷及環(huán)己烷為溶劑配制濃度為1.0×10-5mol· L-1的香豆素-3-羧酸溶液，以紫外吸收的最大吸收波長為激發(fā)波長，測定不同溶劑中香豆素-3-羧酸的熒光發(fā)射光譜。

1.3.3香豆素-3-羧酸在不同酸度溶液中的熒光光譜配制濃度相同（C=1.0×10-5mol·L-1）且pH值不同的香豆素-3-羧酸溶液，測試pH值為1～13時的熒光發(fā)射光譜。

1.3.4香豆素-3-羧酸在不同甲醇含量的溶劑中的熒光光譜改變?nèi)軇┲屑状嫉暮?，測試甲醇含量為10%-90%時香豆素-3-羧酸的熒光發(fā)射光譜。

1.3.5香豆素-3-羧酸的熒光量子產(chǎn)率分別測試適當(dāng)濃度的香豆素-3-羧酸與L-色氨酸的吸收光譜和發(fā)射光譜，以L-色氨酸為參比（在甲酸中280nm時熒光量子產(chǎn)率為0.14），并使吸收光譜的最大吸收波長處的吸光值小于0.05，依據(jù)熒光量子產(chǎn)率的計算公式ΦX=ΦS（AS/AX）（FX/FS）（nX/nS）2計算香豆素-3-羧酸的熒光量子產(chǎn)率。

2　結(jié)果與討論

2.1溶劑極性對香豆素-3-羧酸紫外光譜的影響

實驗結(jié)果見圖1。

圖1　不同極性溶劑對香豆素-3-羧酸紫外吸收光譜的影響Fig.1Effect of different polar solvents on the UV absorption spectra of coumarin-3-carboxylic Acid

由圖1可知，是經(jīng)歸一化的吸收光譜，表明最大吸收波長位于紫外波長區(qū)域，隨著溶劑極性的增大，最大吸收波長出現(xiàn)藍移，這是由于非成鍵的n電子與極性溶劑相互作用形成氫鍵，從而降低了基態(tài)能量，使得n→π*的能量增大，紫外吸收光譜因而發(fā)生藍移。

2.2溶劑極性對香豆素-3-羧酸熒光光譜的影響

實驗結(jié)果見圖2。

圖2　不同極性溶劑對香豆素-3-羧酸熒光發(fā)射光譜的影響Fig.2Effect of different polar solvents on the fluorescence emission spectra of coumarin-3-carboxylic acid

由圖2可知，隨著有機溶劑極性的變化，熒光強度的大小出現(xiàn)明顯的不同，熒光發(fā)射峰最大相差5倍，這主要由于香豆素-3-羧酸分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)與有機溶劑分子間存在不同程度的相互作用，并對激發(fā)態(tài)和基態(tài)能量差產(chǎn)生影響。

2.3溶液酸度對香豆素-3-羧酸熒光光譜的影響

實驗結(jié)果見圖3、4。

圖3　溶液酸度對香豆素-3-羧酸熒光發(fā)射光譜的影響Fig.3Effect of solution acidity on the fluorescence emission spectra of coumarin-3-carboxylic acid

圖4　溶液酸度對香豆素-3-羧酸熒光強度的影響Fig.4Effect of solution acidity on the fluorescence intensity of coumarin-3-carboxylic acid

由圖3、4可知，pH值為1～3時，隨pH值的增大香豆素-3-羧酸溶液熒光強度明顯增強，pH值為3時達到最大，pH值為4～7時，熒光強度急劇下降，pH值在7之后幾乎沒有熒光。由此推測隨溶液pH值的升高，香豆素-3-羧酸分子逐步發(fā)生了質(zhì)子離解和水解：

酸性很強時,香豆素-3-羧酸的羰基氧發(fā)生質(zhì)子化（1），此時熒光較強；pH值在3左右，羰基氧上的質(zhì)子逐步電離，所形成的中性分子具有最強的熒光（2）；當(dāng)pH值繼續(xù)增大時，分子中羧基質(zhì)子電離，形成負離子，導(dǎo)致羧基吸電子能力降低，這時熒光很弱（3）；當(dāng)溶液變?yōu)閴A性時，分子出現(xiàn)水解并打開內(nèi)脂環(huán)，從而破壞分子的原有共軛結(jié)構(gòu)，減少了剛性，此時無熒光（4）。

2.4溶劑中甲醇含量對香豆素-3-羧酸熒光光譜的影響

實驗結(jié)果見圖5、6。

隨著溶劑中甲醇含量的增加，最大發(fā)射波長有輕微的藍移，甲醇含量為10%至40%時，熒光強度顯著增強，含量為40%時熒光強度最大，當(dāng)甲醇含量為40%至90%時，熒光強度逐步減弱，由此可知，實驗中甲醇含量以40%為適宜含量。

2.5香豆素-3-羧酸的熒光量子產(chǎn)率

由香豆素-3-羧酸和L-色氨酸的吸收光譜可知AX=0.042，AS=0.035；二者的發(fā)射光譜可知FX=24050，F(xiàn)S=294677，參比L-色氨酸的溶劑甲酸的折射率nS=1.3714，香豆素-3-羧酸的溶劑水的折射率nX=1.3333，L-色氨酸在甲酸中280nm時熒光量子產(chǎn)率為ΦS=0.14，依據(jù)公式ΦX=ΦS（AS/AX）（FX/FS）（nX/nS）2，計算香豆素-3-羧酸的熒光量子產(chǎn)率為0.009，表明香豆素-3-羧酸為弱熒光化合物，雖然香豆素-3-羧酸分子具有共軛結(jié)構(gòu)和一定的剛性，但3位取代基（-COOH）為吸電子基團，能夠很大程度上抑制熒光的增強，因此，香豆素-3-羧酸的熒光很弱。

3　結(jié)論

合成了香豆素的重要衍生物香豆素-3-羧酸，研究了不同溶劑極性對香豆素-3-羧酸的紫外吸收光譜和熒光發(fā)射光譜的影響，以及溶液酸度和溶劑中甲醇含量對熒光強度的影響。結(jié)果表明，隨著溶劑極性的增大吸收光譜有藍移現(xiàn)象；發(fā)射光譜熒光強度隨溶劑極性的變化發(fā)生很大差異；隨著溶液pH值的升高，香豆素-3-羧酸出現(xiàn)質(zhì)子離解和水解；溶劑中甲醇含量為40%時熒光強度最高；最后計算熒光量子產(chǎn)率為0.009，表明香豆素-3-羧酸為弱熒光物質(zhì)。

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Study on preparation and spectroscopic properties of coumarin-3-carboxylic acid

YANG Wen-sheng
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China）

In this paper the coumarin-3-carboxylic acid ethyl ester was synthesized with salicylaldehyde，diethyl malonate as raw material，and then the coumarin-3-carboxylic acid which is the important derivative of coumarin was also synthesized，the structure of which were characterized，and the effects of solvent polarity、acidity of the solution and methanol content in the solvent were studied by UV and fluorescence spectra.Finally，the fluorescence quantum yield was calculated，the results showed that coumarin-3-carboxylic acid was a weak fluorescent substance.

synthesis；solvent polarity；solution acidity；fluorescence quantum yield

O621.3

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20161182

2016-03-29

楊文生（1974-），男，漢族，河北行唐人，博士，講師，主要從事熒光染料和熒光探針研究。