4-羥基香豆素的合成及晶體結構

聶迎芳， 史久洲， 孫 露， 盧 雯

（南京林業(yè)大學 理學院，江蘇 南京 210037）

香豆素是廣泛存在于自然界中的一種苯并吡喃酮為骨架的內脂類化合物[1]。由于香豆素母體上常常帶有羥基、烷氧基、羰基等活性官能團，這就使得香豆素能夠通過化學反應獲得多種結構的衍生物[2]。香豆素作為天然產物的一種，具有較好的藥理活性，例如抗癌[3]、抑菌[4]、抗炎[5]、抗氧化[6]等重要的生物活性。同時，由于香豆素具有較好的光穩(wěn)定性好，Stokes位移大及光量子產率高等特點[7]，因此香豆素作為發(fā)色團而被應用在熒光傳感器中[8]。

晶體結構解析是晶體學中的一個重要領域，它研究晶態(tài)物質內部在原子尺度下的微觀結構。它為固體物理學、材料科學、結構化學、分子生物學、礦物學、醫(yī)藥學等許多學科的基礎研究和應用研究提供必不可少的實驗資料，使人們有可能從分子、原子以及電子分布的水平上去理解有關物質的行為規(guī)律。雜原子上含有孤對電子，不僅能夠與金屬離子發(fā)生配位作用，同時也是形成氫鍵的重要組成部分，因此關于香豆素類化合物研究大都集中在香豆素母體上引入雜環(huán)或者帶有雜原子的官能團，探討這些化合物的生物活性及熒光性質等[9]。雖然4-羥基香豆素的合成已有文獻報道[10]，但是僅僅通過紅外光譜、核磁共振光譜對結構進行了簡單的解析，并沒有通過晶體結構解析對化合物的結構進行進一步的確證。本文參照文獻的方法，以2-羥基苯乙酮、碳酸二乙酯及NaH為原料合成了4-羥基香豆素，并且利用X-射線單晶衍生對其分子結構進行了分析，從而進一步拓展香豆素類化合物的晶體化學研究。

1 實驗

1.1 主要儀器及試劑

Bruker AVANCE Ⅲ 600 MHz超導核磁共振光譜儀，Burker VERTEX 80V紅外光譜儀，Nonius CAD4單晶衍射儀。

2-羥基苯乙酮（99%，阿拉丁試劑公司），碳酸二乙酯（99%，阿拉丁試劑公司），NaH（60%，阿拉丁試劑公司），甲苯（南京化學試劑股份有限公司，重蒸除水），HCl（分析純，南京化學試劑股份有限公司），無水乙醇（分析純，南京化學試劑股份有限公司）。

1.2 標題化合物的合成

參照文獻[10]，將2-羥基苯乙酮（156.57 mg, 1.15 mmol）和NaH（138.00 mg, 5.75 mmol）溶解于無水甲苯中，在0℃下，緩慢滴加溶解于無水甲苯的碳酸二乙酯（135.85, 1.15 mmol），反應30 min后加熱至回流，繼續(xù)反應5 h。在冰浴條件下加入20 mL的去離子水，用2N的HCl調節(jié)pH至中性。沉淀物過濾，洗滌，干燥得到白色固體0.177 2 g（產率95%）。經核磁共振氫譜及紅表征。1H-NMR（600 MHz, DMSO-d6）δ 12.53（s, 1H），7.83（d, J＝7.2 Hz, 1H），7.65（d, J＝7.8 Hz, 1H），7.38～7.34（m, 2H），5.60（s, 1H）。IR（KBr）：3224（O-H），3036（Ar-H），1699（C=O），1253（C-O）。

1.3 晶體結構的測定

在Nonius CAD4 X-射線單晶衍射儀上對標題化合物進行數據收集，采用經石墨單色化的MoKα（λ＝0. 071 073 nm）射線作為光源，結構用SHELXS-1997程序解析，并用SHELXL-1997程序進行校正[11]。非氫原子的坐標以及各向異性熱參數均利用全矩陣最小二乘法進行最后的修正，氫原子坐標由理論加氫后，再進行各向同性修正得到。

2 結果與討論

2.1 4-羥基香豆素晶體的培養(yǎng)

將4-羥基香豆素的粗產品溶解在無水乙醇中，在乙醚的氛圍中，室溫下通過溶劑擴散的方法培養(yǎng)單晶，一周后就可以得到適合單晶測試的無色透明塊狀晶體。

2.2 晶體結構數據

以Φ-ω方式在2.66°≤θ ≤25.37°范圍內掃描，在293(2)K溫度下共收集了1418個衍射點，其中獨立衍射點819個。表1為標題化合物的晶體學數據，表2為標題化合物的主要鍵長以及鍵角。

表1 標題化合物的晶體學數據

（續(xù)表1）

表2 標題化合物的主要鍵長和鍵角

2.3 標題化合物的晶體結構

標題化合物的晶體結構如圖1所示，該化合物結晶在單斜晶系的C2/C空間群，每個晶胞里含有8個4-羥基香豆素分子。從分子結構圖可以看出，分子中香豆素母核上的碳碳鍵和碳氧鍵與文獻報道的4-氨基香豆素是一致的[12]。環(huán)外的C7-O1的鍵長為1.346 8(39)?，介于正常C-O（1.43 ?）單鍵和C=O（1.20 ?）雙鍵之間，具有一定的雙鍵性質。香豆素母核結構近乎理想的平面結構，其苯環(huán)與內酯環(huán)的二面角為1.434(90)°。4-位上的羥基平面C7、O1、H(1A)與香豆素母核平面的二面角為4.054(188)°。這表明4-羥基香豆素與傳統(tǒng)的香豆素分子類似，整個分子具有很好的共軛平面性質。

圖1 標題化合物的晶體結構圖

由于氫鍵具有穩(wěn)定性、方向性和飽和性，分子間氫鍵相互作用在材料科學和生命科學倍受關注，基于氫鍵自組裝超分子體系是超分子體系中相對較新穎和引人注意的領域，它在化學和生物體系中都占據非常重要的位置。氫鍵作用力是標題化合物分子自組裝的重要弱相互作用。在標題化合物的晶體結構中，存在著以H1A和H5A為受體與O2形成的雙叉氫鍵相互作用（表3），并且通過雙叉氫鍵形成一維鏈狀結構（圖2a）。鏈與鏈之間再進一步通過經典的O-H···O雙重氫鍵自組裝成二維網絡結構（圖2b）。氫鍵的鍵長鍵角見表3。

表3 標題化合物中的氫鍵相互作用

3 結論

以2-羥基苯乙酮、碳酸二乙酯為原料，先將2-羥基苯乙酮和NaH溶解于經過重蒸的甲苯中，在0℃下將溶解于甲苯的碳酸二乙酯緩慢滴加入并反應30 min，后回流反應5 h，以95%的較高產率合成了標題化合物4-羥基香豆素，利用溶液擴散的方法培養(yǎng)了標題化合物的單晶，并通過X-射線單晶衍射解析了該化合物的晶體結構。實驗結果表明：從晶體結構可知，標題化合物分子與傳統(tǒng)的香豆素衍生物類似，香豆素母體部分中的苯環(huán)和吡喃環(huán)基本共平面性。氫鍵相互作用在該化合物的超分子組裝中發(fā)揮著十分重要的作用，促使該化合物分子從單分子組裝成二維網絡結構。

圖2 標題化合物通過氫鍵作用沿著c軸方向形成一維鏈狀結構（a），標題化合物的二維網絡結構圖（b）