甘氨酸催化下串聯(lián)合成香豆素-3-羧酸

董軍，陳友威，常偉，桑澤礬，曾子航，徐國棟

鹽城師范學院化學與環(huán)境工程學院，江蘇 鹽城 22400

1 引言

香豆素(Coumarin，又稱α-苯并吡喃酮)又稱為香豆精，廣泛存在于桂皮、薰衣草等天然草本植物中，具有抗HIV、治療心腦血管方面的疾病[1]、治療癌癥[2]、抗骨質(zhì)疏松[3]等藥理學作用，被廣泛應用于醫(yī)藥行業(yè)。鑒于香豆素類化合物的重要性，為增強學生對有機化學的熱情，部分基礎化學實驗[4]和綜合化學實驗[5]教材選取了香豆素類化合物中一種重要的衍生物——香豆素-3-羧酸的合成制備作為本科教學實驗。目前經(jīng)典的反應是以水楊醛和丙二酸二乙酯在六氫吡啶和乙酸的催化下通過Knoevenagel反應和分子內(nèi)酯交換制備香豆素-3-羧酸乙酯，再分別通過酯的水解、酸化以及酯化反應得到產(chǎn)物香豆素-3-羧酸。在實際教學過程中，我們發(fā)現(xiàn)六氫吡啶與乙酸具有較強刺激性氣味，而強堿KOH與強酸HCl的使用則具有潛在危險性，安全性較差。另外，該反應步驟較多，耗時較長。并且作為經(jīng)典的任務型制備實驗，其探究性較弱，難以引發(fā)學生的探索熱情。

針對現(xiàn)有本科實驗中香豆素-3-羧酸制備反應的不足，嘗試對該反應進行以下改進：(1)以丙二酸二乙酯為原料與水楊醛發(fā)生Knoevenagel反應之后通過分子內(nèi)酯交換成環(huán)得到香豆素-3-羧酸乙酯，再通過強堿催化的皂化和強酸催化的酸化和酯化成環(huán)得到香豆素-3-羧酸，步驟繁瑣，耗時較長。通過查閱文獻以及對反應機理的進一步研究，決定選用結(jié)構(gòu)類似的丙二酸環(huán)(亞)異丙酯(即米氏酸)替代丙二酸二乙酯，結(jié)果表明米氏酸不僅可以有效發(fā)生Knoevenagel縮合反應以及后續(xù)的分子內(nèi)酯交換反應，而且可以在現(xiàn)有催化劑條件下快速脫去丙酮，一鍋實現(xiàn)香豆素-3-羧酸的串聯(lián)合成，簡潔高效，還避免了強酸強堿的使用；(2)Knoevenagel反應中需要用到具有刺激性氣味的乙酸和六氫吡啶作為酸堿催化劑，環(huán)保性較弱，因此選用同時含有氨基和羧基的天然氨基酸——甘氨酸作為兩性催化劑催化該反應；3)在實驗過程中引入熔點測定、紅外光譜以及核磁波譜等測試表征環(huán)節(jié)，有效提升該制備實驗的拓展性；4)通過引導學生閱讀香豆素-3-羧酸制備的相關文獻，并在具體實驗過程中設計開放性實驗，分組探究不同反應條件對該反應的影響，培養(yǎng)學生的科研探索精神。

2 實驗目的

(1)掌握一種合成香豆素-3-羧酸的方法，鞏固回流、抽濾等基礎有機實驗操作，了解核磁共振波譜儀及紅外光譜儀的使用以及工作原理；

(2)通過Knoevenagel反應的機理推測可能產(chǎn)物，并通過反應結(jié)果來解釋反應機理；

(3)以“學生為主體，教師為主導”的教學模式，提高實驗設計的積極性，強化學科探究能力，鍛煉獨立思考意識；

(4)通過多步串聯(lián)、綠色合成，感受學科魅力，樹立綠色環(huán)保意識，增強社會責任感。

3 實驗部分

3.1 實驗原理

香豆素-3-羧酸合成的機理如下：第一步，Knoevenagel反應。甘氨酸羧基中的質(zhì)子活化水楊醛中的羰基，隨后氨基作為親核試劑進攻活化后的羰基，發(fā)生親核加成并脫水得到亞胺中間體。該中間體迅速受到1,3-二羰基化合物米氏酸上α-碳的進攻，發(fā)生親核加成，隨后消除一分子甘氨酸，得到Knoevenagel縮合反應產(chǎn)物；第二步，由Knoevenagel縮合反應產(chǎn)物中的酚羥基進攻米氏酸結(jié)構(gòu)中的羰基，發(fā)生加成消除即分子內(nèi)酯交換反應得到中間體。隨后在酸的催化下，發(fā)生消除反應，脫去一分子丙酮并得到最終產(chǎn)物香豆素-3-羧酸(圖1)。

圖1 合成香豆素-3-羧酸的反應機理

3.2 實驗儀器與藥品

3.2.1 儀器和表征方法

實驗儀器見表1。

表1 實驗儀器

3.2.2 試劑或材料

實驗試劑或材料見表2。

表2 實驗試劑或材料

3.3 實驗步驟

3.3.1 香豆素-3-羧酸的制備(約2.5 h)

在100 mL梨形燒瓶中依次加入2.16 g米氏酸、0.25 g甘氨酸、25 mL水、1 mL水楊醛和磁子。將燒瓶放入油浴鍋，開啟攪拌，加熱反應至回流。反應過程中，體系先變澄清，后出現(xiàn)大量白色固體，反應方程式如圖2所示。反應1.5 h后，通過薄層色譜(TLC)法監(jiān)測反應，展開劑的極性選擇為VPE:VEA=5:1。通過TLC監(jiān)測，原料水楊醛已經(jīng)反應完全，停止反應，待體系溫度降低至室溫，緩慢倒入冰水中，并用玻璃棒攪拌約5 min。待固體完全析出，減壓抽濾，用少量冰水洗滌，重復三次。收集固體并烘干至恒重。稱量固體質(zhì)量為1.60 g，收率約為84%。

圖2 香豆素-3-羧酸的合成路徑

3.3.2 產(chǎn)品表征(約1.5 h)

通過微機熔點儀、傅立葉變換紅外-拉曼光譜儀、核磁共振波譜儀對產(chǎn)物進行熔點、紅外及核磁表征。

3.4 藥品的安全評估及應急處理方法

本改進實驗涉及水楊醛、米氏酸、甘氨酸、水等藥品。這些藥品均為常見的實驗試劑，安全低毒，便宜易得，適于本科教學[6]。

4 結(jié)果與討論

4.1 反應條件優(yōu)化

為了提高香豆素-3-羧酸的反應收率，以水楊醛和米氏酸為原料進行反應條件優(yōu)化(表3)。首先探究溶劑對反應的影響，選擇了水、乙醇以及甲醇這三種溶劑進行實驗，發(fā)現(xiàn)水作為溶劑時，產(chǎn)物的分離產(chǎn)率較高為72%(編號1–3)。隨后，優(yōu)化水楊醛和米氏酸的比例，增加米氏酸的用量，當水楊醛和米氏酸的物質(zhì)的量之比為1:1.5時，香豆素-3-羧酸分離產(chǎn)率提高到了76%(編號4)。繼續(xù)增加米氏酸的用量，當水楊醛和米氏酸的物質(zhì)的量之比為1:2.0時，香豆素-3-羧酸的分離產(chǎn)率依舊是76%(編號5)，表明繼續(xù)增加米氏酸的用量不能有效提升產(chǎn)率。隨后，改變水楊醛和米氏酸的物質(zhì)的量之比為1.5:1時，分離產(chǎn)率略微下降，產(chǎn)率為62%(編號6)。接著優(yōu)化反應時間，該反應分別在0.5 h、1.5 h、2.5 h時停止(編號7–9)，可以發(fā)現(xiàn)，反應時間從0.5 h延長到1.5 h時產(chǎn)率升高為84%(編號8)，繼續(xù)延長反應時間至2.5 h，產(chǎn)率仍為84%(編號9)。最后優(yōu)化催化劑甘氨酸的用量，可以發(fā)現(xiàn)，降低催化劑用量會導致產(chǎn)率略微下降(編號10、11)。因此合成香豆素-3-羧酸的最優(yōu)條件是：選取0.25 g(3.3 mmol)甘氨酸作為催化劑，以25 mL水為溶劑，15 mmol米氏酸和10 mmol水楊醛為原料，加熱回流條件下反應1.5 h。

表3 合成香豆素-3-羧酸的反應條件優(yōu)化

4.2 反應監(jiān)測及產(chǎn)品表征分析

4.2.1 薄層色譜法監(jiān)測反應

以VPE:VEA=5:1為展開劑監(jiān)測反應，直到水楊醛反應完全，停止反應，水楊醛Rf=0.8。由于香豆素-3-羧酸、米氏酸及甘氨酸有很大的極性，以上監(jiān)測手段無法證明甘氨酸和米氏酸是否存在于產(chǎn)品中。我們嘗試逐漸增加展開劑的極性，經(jīng)過探索最終確定，以VPE:VEA:VHAc=1:1:1為展開劑也可以使體系在硅膠板上很好地展開。

4.2.2 微機熔點儀測定產(chǎn)物熔點

利用微機熔點儀測定產(chǎn)品熔點，熔點測定為193.3–193.8 °C，與文獻報道相一致[7]。

4.2.3 紅外核磁表征產(chǎn)品

通過紅外(圖3)和核磁(圖4、5)確定產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，譜圖幾乎無雜峰，體系較為干凈。

圖3 產(chǎn)物香豆素-3-羧酸的紅外譜圖

圖4 產(chǎn)物香豆素-3-羧酸的核磁氫譜

圖5 產(chǎn)物香豆素-3-羧酸的核磁碳譜

5 教學組織建議

5.1 教學實施的可行性

為了驗證本實驗合成香豆素-3-羧酸的可行性，我們從學院隨機安排了20位同學開展平行實驗。學生的產(chǎn)品分離產(chǎn)率與演示實驗產(chǎn)率接近，說明實驗具有良好的重復性。

制備香豆素-3-羧酸以及產(chǎn)品表征耗時約為4小時，并且在實驗之前，布置學生查閱香豆素的相關文獻，了解到香豆素類化合物的重要性，并對香豆素-3-羧酸的不同制備方法進行對比。在課堂上，可以進行分組實驗，探索不同反應條件對該反應產(chǎn)率的影響，模擬科研探索過程，增加學生對科研的興趣，并通過這樣的課上課下相結(jié)合的教學模式，鞏固學生的理論知識，培養(yǎng)操作及分析能力，加強社會責任感，實現(xiàn)“知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值”的三維教學目標。

5.2 教學實施方案設計及優(yōu)勢分析

傳統(tǒng)實驗只是由簡單的“講述-實驗-報告”三部分組成，只能幫助學生鞏固已有的知識與技能，學生的綜合能力得不到提升。而探究式實驗分為“前期預習-中期實驗-后期總結(jié)”三部分。前期由教師發(fā)布課題，布置任務，學生自行查閱文獻；中期學生分組對反應條件進行優(yōu)化；后期學生對實驗條件進行總結(jié)，并以報告書的形式提交本組的實驗方案以及試劑安全性分析。實驗期間，教師對實驗進行簡單講述，學生完成相應實驗。對實驗過程中出現(xiàn)的“固體析出”等實驗現(xiàn)象進行思考，仔細分析后利用薄層色譜法以及紅外、核磁等手段進行表征。最后，根據(jù)得到的實驗數(shù)據(jù)進行總結(jié)，小組間進行匯報(圖6)。通過探究式教學模式，強化學生的科學探究能力以及團隊合作意識，提升學生的綜合能力。

圖6 探究式實驗教學的優(yōu)勢分析及教學實施方案設計

6 結(jié)語

本文將本科基礎有機化學實驗中香豆素-3-羧酸的制備與綠色合成等課程思政理念相結(jié)合，基礎有機化學實驗操作和產(chǎn)品表征相結(jié)合，以實驗探究模式開展實驗，改進原先的多步反應，通過串聯(lián)反應一鍋法合成香豆素-3-羧酸，培養(yǎng)學生科學探究意識、提高學生科學探究能力。本實驗采用甘氨酸作為酸堿催化劑，以水作為溶劑，“一鍋法”合成香豆素-3-羧酸，無廢氣、廢物的產(chǎn)生，且反應能耗低，符合綠色化學理念[8]。該改進實驗耗時約為4小時，符合本科有機實驗教學課時要求。且在課前布置學生搜索閱讀香豆素-3-羧酸的制備文獻，巧用第二課堂，線上線下相結(jié)合，讓學生尋找這一類香豆素衍生物的藥用價值及合成方法，潛移默化地將思政理念融入本科實驗教學[9]，提高學生的專業(yè)認同感和社會責任感。因此，本實驗適合本科有機實驗教學。