N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽催化合成7-羥基-4-甲基香豆素

滕俊江，喬艷輝，林培喜

（廣東石油化工學院化學與生命科學學院，廣東 茂名 525000）

研究開發

N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽催化合成7-羥基-4-甲基香豆素

滕俊江，喬艷輝，林培喜

（廣東石油化工學院化學與生命科學學院，廣東 茂名 525000）

以離子液體N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽為催化劑，通過Pechmann縮合反應于無溶劑條件下合成了7-羥基-4-甲基香豆素，實驗表明N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽可重復使用并具有較好的催化活性。在原料摩爾比n(間苯二酚)∶n(乙酰乙酸乙酯)為1∶1.3、催化劑[Hnmp]HSO4占反應物料總質量的1.2%、回流反應時間3 h的條件下，產品收率達87.24%，經液相色譜分析純度大于98.5%。

N-甲基吡咯烷酮；硫酸氫鹽；7-羥基-4-甲基香豆素；合成

香豆素衍生物為順式鄰羥基桂皮酸的內酯，是一類重要的雜環化合物，具有多重生理活性、生物活性及光學活性，廣泛應用于食品、化妝品、香料、農藥、醫藥、染料及光學等領域。因而，香豆素類化合物的合成一直是有機合成和藥學領域的研究熱點[1-3]。7-羥基-4-甲基香豆素是香豆素衍生物中用途最廣泛的產品之一，是有機合成的重要中間體，也可以直接用作利膽藥物、熒光增白劑、激光染料及酸堿指示劑等[4]。目前工業上主要是以間苯二酚與乙酰乙酸乙酯為原料，在濃硫酸的催化下通過Pechmann一步縮合反應合成7-羥基-4-甲基香豆素，濃硫酸盡管催化活性較高，但存在設備腐蝕嚴重、副反應多、后處理復雜、污染環境等諸多弊端。因此，高效、環保的綠色催化劑成為眾多學者研究的重點，陸續有雜多酸[5-6]、固體酸[7-8]、離子交換樹脂[4，9-10]、硫酸氫鈉[11]等新型催化劑用于合成7-羥基-4-甲基香豆素，并取得一定效果。近年來離子液體作為一種新型的綠色催化劑和反應溶劑，在酯化反應、Friedel-Crafts反應、Diels-Alder反應、Peckmann重排等很多酸催化反應中表現出優異的特性，而且腐蝕性小，易分離[12-14]。受此啟發，作者結合Pechmann反應機理，嘗試采用自制酸性離子液體N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽催化合成7-羥基-4甲基香豆素，并對其合成工藝條件進行優化。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

N-甲基吡咯烷酮、濃H2SO4、間苯二酚、氨基磺酸、乙酰乙酸乙酯、乙酸乙酯均為化學純，天津市光復精細化工研究所，固體超強酸SO42－/ZrO2、N-甲基咪唑硫酸氫鹽為自制。

北京福凱儀器有限公司X-4型精密顯微熔點儀，日本島津IRAffinity-1紅外光譜儀，日本島津LC-20AT液相色譜儀，西安安泰科技有限公司旋轉蒸發儀。

1.2 N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽的制備

參照文獻[15]自制離子液體N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽（[Hnmp]HSO4），將裝有一定量N-甲基吡咯烷酮的三口燒瓶放入冰水浴中，邊攪拌邊滴加等摩爾量的濃硫酸，滴加時控制反應體系溫度5 ℃以下，滴加完畢繼續攪拌1 h，然后升溫于80 ℃攪拌反應3 h，降溫，乙酸乙酯洗滌3次后進行旋轉蒸發（60℃，0.01 MPa），即得淡黃色透明黏稠狀離子液體[Hnmp]HSO4，置于干燥器備用。

1.3 7-羥基-4-甲基香豆素的合成

合成7-羥基-4-甲基香豆素的化學反應如下。

具體實驗步驟：向裝有攪拌裝置、回流冷凝管，溫度計的150 mL三口燒瓶中依次加入計量好的間苯二酚（簡稱二酚）、乙酰乙酸乙酯（簡稱三乙）及催化劑，加熱回流開始計時，至預定時間后，靜置，由于離子液體[Hnmp]HSO4不易溶于三乙[13]，通過傾倒出上層反應液，分出催化劑，將反應液中過量的三乙減壓蒸出，瓶中析出淺黃色固體，然后用適量60%的乙醇溶液重結晶，得到白色晶體，稱重計算收率。

1.4 產品的定性定量分析

合成的產品為白色針狀晶體，測得熔程為188～189 ℃，與文獻[12]相符。經紅外光譜分析（KBr壓片）主要特征峰：3455cm－1（—OH），3132 cm－1（—CH3），1688 cm－1、1602 cm－1、1455 cm－1（苯環骨架振動），845 cm－1（苯環外C—C—H面外彎曲振動），1388 cm－1、1274 cm－1、1068 cm－1、981 cm－1也出現特征吸收峰，與文獻[9]一致，譜圖見圖1。此外液相色譜測得7-羥基-4-甲基香豆素標準品與合成的產品保留時間一致，綜上說明，所合成的產品為7-羥基-4-甲基香豆素。

圖1 產物的紅外譜圖

試驗中所制備的產品經液相色譜分析其純度，具體分析條件為：流動相為甲醇與水，兩者體積比80∶20，流速1.0 mL/min，分離柱：Shim-pack vp-ODS，柱溫40 ℃，檢測器為紫外檢測器SPD-20A，進樣體積2.5 uL，定量分析方法采用面積歸一法，分析結果見圖2，產品經HPLC分析純度大于98.5%。

圖2 7-羥基-4-甲基香豆素液相色譜圖

2 結果與討論

2.1 不同催化劑催化效果比較

比較了對甲苯磺酸、自制固體超強酸SO42－/ZrO2、N-甲基咪唑硫酸氫鹽（[Hmim]HSO4）及N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽（[Hnmp]HSO4）4種催化劑的催化活性。由表1可見，在沒有催化劑存在的情況下，二酚和三乙基本沒有發生反應，選定的4種催化劑對7-羥基-4-甲基香豆素的合成都具有明顯的催化活性，其中[Hnmp]HSO4離子液體催化該反應時收率最高為69.52%，而且N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽（[Hnmp]HSO4）具有制備工藝簡單、對設備腐蝕少等優點。

表1 催化劑種類對反應的影響

2.2 催化劑用量對反應的影響

以[Hnmp]HSO4作為催化劑，考察催化劑用量（占反應物料總質量的分數）對產品收率的影響，結果見表2。

表2 催化劑用量對反應的影響

由表2可知，隨著催化劑用量的增加，反應速度加快，產品收率提高，當催化劑用量為反應物料總質量的1.2%時產品收率達到73.86%，催化劑用量繼續增加到1.4%，產品收率略有提高，但不明顯，從催化劑成本考慮，最佳催化劑用量為反應物料總質量的1.2%為宜。

2.3 原料摩爾比對反應的影響

在合成反應中，通常增大某種反應物的用量可促進反應向正反應方向進行，從而提高產品收率，本實驗從經濟性和后處理難易程度綜合考慮，選擇三乙過量。改變三乙的用量，考察原料摩爾比對反應的影響，實驗結果如表3所示。

表3 原料摩爾比對反應的影響

從表3可以看出，收率隨著三乙用量的增加而增大，當n（二酚）∶n（三乙）為1∶1.3時收率達到85.60%，繼續增加三乙用量收率反而有所下降，而且增加了后處理的難度，因此，最佳原料配比n（二酚）∶n（三乙）為1∶1.3。

2.4 回流時間對產品收率的影響

固定原料配比n（二酚）∶n（三乙）為1∶1.3，催化劑[Hnmp]HSO4用量為反應物料總質量的1.2%，研究回流時間對反應的影響，結果見表4。

表4 回流時間對反應的影響

由表4可以看出，在3 h以內收率隨著回流時間的延長而增大，回流時間超過3 h后，收率有所下降，主要是回流時間過長副反應增加所致，此外產品顏色加深，影響產品質量，所以回流時間3 h最佳。

2.5 催化劑重復使用穩定性

在上述單因素實驗所獲得的最佳工藝條件下，將實驗回收的離子液體經簡單干燥處理用于下次試驗，考察離子液體[Hnmp]HSO4在該反應中的重復使用性能，結果見表5。

表5 催化劑重復使用實驗

由表5可知，在最佳工藝條件下，經簡單干燥處理的離子液體[Hnmp]HSO4在重復使用中產品收率略有下降，主要是在分離催化劑時由于操作問題導致有少量催化劑損失，總之催化劑重復使用5次，收率仍達83.25%，保持了較好的活性。

3 結 論

在離子液體N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽（[Hnmp]HSO4）催化下，通過Pechmann一步縮合反應合成7-羥基-4-甲基香豆素的最佳工藝條件：原料摩爾比n（二酚）∶n（三乙）為1∶1.3，催化劑[Hnmp]HSO4占反應物料總質量的1.2%，回流反應時間3 h，在上述條件下產品收率達87.24%，經液相色譜分析純度大于98.5%。選用離子液體作為催化劑對設備腐蝕性小，無溶劑，反應三廢少，工藝簡單，為了進一步提高N-甲基吡咯烷酮硫酸氫鹽的催化效果和重復使用性能，嘗試制備固載化離子液體催化劑用于催化合成7-羥基-4-甲基香豆素將是后續重點研究的內容。

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Synthesis of 7-hydroxy-4-methylcoumarin catalyzed by 1-methyl-2-pyrrolidinone hydrosulfate

TENG Junjiang，QIAO Yanhui，LIN Peixi（School of Chemistry and Life Science，Guangdong College of Petrochemical Technology，Maoming 525000，Guangdong，China）

7-Hydroxy-4-methylcoumarin was synthesized by Pechmann reaction using ionic liquid 1-methyl-2-pyrrolidinone hydrosulfate as catalyst without solvent. The results showed that 1-methyl-2-pyrrolidinone hydrosulfate could be reused and exhibited excellent catalytic activity. Under the condition as：n(resorcinol)∶n(ethyl acetoacetate)=1∶1.3，1.2%（percent of total mass of reactants）[Hnmp]HSO4，refluxing for 3 h，the yield of 7-hydroxy-4-methylcoumarin is up to 87.24%. Purity of product analyzed by HPLC is above 98.5%.

1-methyl-2-pyrrolidinone；hydrosulfate；7-hydroxy-4-methylcoumarin；synthesis

TQ 203.2

A

1000-6613（2012）06-1321-04

2012-02-13；修改稿日期：2012-03-10。

茂名市重點科技計劃項目（10A18）。

及聯系人：滕俊江（1979—），男，碩士，講師，主要從事精細有機合成及工業催化方面的研究。E-mail tengjunjiang@yahoo.com.cn。