香豆素合成中催化劑的選擇

許冰潔

摘 要：本研究主要目的是尋找一種或幾種理想的催化劑，使反應條件溫和、產率提高、副反應減少。香豆素合成的方法有多種，本實驗采用的是Knoevenagel法[1]。在無水乙醇中，以有機堿（如六氫吡啶）為催化劑，通過水楊醛與丙二酸二乙酯的Knoevenagel縮合反應合成了香豆素-3-羧酸乙酯。文章主要對影響香豆素-3-羧酸乙酯收率的反應時間、反應溫度、催化劑的選擇和用量進行了研究。

關鍵詞：香豆素-3-羧酸乙酯；Knoevenagel反應；催化劑；合成

1 實驗部分

1.1 實驗材料制備

1.1.1 薄層色譜板制備

實驗中使用的薄層色譜板均為自制[3]。制成的色譜板經活化后于干燥處放置備用。

1.1.2 展開劑選擇

據資料將展開現象大致分成四個等級[3]。展開現象說明，只有展開等級在Ⅲ級，最好是Ⅳ級的展開現象才符合選擇要求。本實驗展開劑采用石油醚：乙酸乙酯=4：1作為展開劑。

1.2 水楊醛和丙二酸二乙酯的前處理

本實驗要求在無水條件下進行，故對主要原料水楊醛和丙二酸二乙酯進行前處理。取已烘干的無水硫酸鎂適量，加入水楊醛、丙二酸二乙酯中，放置過夜備用。

1.3 香豆素-3-羧酸乙酯的制備

1.3.1 以六氫吡啶為催化劑

在干燥的100ml圓底燒瓶內加入2.1ml水楊醛（0.017mol）、3.4ml丙二酸二乙酯（0.021mol）、12.5ml無水乙醇（0.272mol）、2滴冰醋酸和六氫吡啶0.25ml，放入攪拌子，安裝回流冷凝管，冷凝管上口安放一根氯化鈣干燥管[4]。分別在0℃、25℃、50℃、75℃四種溫度下回流一定時間。將反應后的混合液轉入錐形瓶內，加水3～5ml，冰水浴冷卻使產物結晶析出完全，減壓過濾，結晶用冰的50%乙醇洗滌2次（每次用3～5ml），最后將晶體壓緊盡量抽干。將粗品香豆素-3-羧酸乙酯干燥，稱量，計算此步反應的產率，粗品用25%乙醇重結晶。測定粗品熔點，檢測其純度。測紅外光譜。

保持以上條件，在75℃溫度下回流反應2.5小時，并利用薄層色譜板跟蹤反應過程，再計算不同反應時間下的產率。

保持以上條件，改變六氫吡啶用量（分別為0、0.10、0.20、0.25、0.30ml），分別在75℃下反應2.0小時，并分別計算產率。

1.3.2 以二乙胺為催化劑

保持上述條件，采用二乙胺為催化劑，重復以上實驗步驟。

1.4 反應方程式

2 反應條件的優化

本論文對催化劑六氫吡啶、二乙胺等催化下的反應條件（如反應溫度、反應時間及催化劑用量等）進行了比較，并通過實驗確定了一種催化效果較好的催化劑，同時還對其反應條件進行了優化選擇。

2.1 催化劑的選擇

實驗首先進行了六氫吡啶催化下的Knoevenagel縮合反應[2]。選擇水楊醛和丙二酸二乙酯為底物，在無水乙醇和冰醋酸條件下進行了研究，同時又以二乙胺為催化劑，在其他反應條件都相同的情況下作了一組比較實驗。

2.1.1 反應溫度比較

分別以六氫吡啶、二乙胺為催化劑，并分別在0℃、25℃、50℃和75℃條件下進行反應，利用薄層色譜板跟蹤反應過程。實驗結果見下表。

表1 表2

a：水楊醛用量均為0.017mol，六氫吡啶用量為0.20ml （0.002mol） ，二乙胺用量為0.20ml （0.003mol）；b：都以水楊醛計算產率

由上表可得，隨著溫度的升高，產品收率增大，當溫度升至75℃時，以六氫吡啶和二乙胺催化的反應，收率分別為83.5%和44.1%。故確定該反應的最佳反應溫度為75℃。

2.1.2 反應時間比較

利用薄層色譜板跟蹤反應過程，根據產物收率來確定最佳反應時間。結果見下表

表3

表4

a：反應溫度均為75℃，水楊醛用量均為0.017mol，六氫吡啶用量0.20ml （0.002mol） ，二乙胺用量0.20ml （0.003mol）；b：都以水楊醛計算產率

實驗結果表明，使用這兩種催化劑時，收率都隨著反應時間延長而增大，但時間延長到一定程度后，收率增長較小。總體上看，反應時間對收率的影響相對較小，且與催化劑種類有關。

經分析得知，在同等條件下，當分別以六氫吡啶和二乙胺為催化劑時，最佳反應時間分別為2.0h和3.0h。故從反應時間上來講，應選六氫吡啶作催化劑。

2.1.3 催化劑的確定

經上述實驗比較，得出結論：當原料和催化劑用量相同時，若反應時間和溫度都相同，收率以六氫吡啶催化的反應較高。且反應條件溫和，產物收率高，反應時間縮短。故確定六氫吡啶為該反應的理想催化劑。實驗數據見表5

表5

a：此反應水楊醛用量為0.017mol，六氫吡啶和二乙胺用量都為0.20ml （0.002mol， 0.003mol）；b：以水楊醛計算產率

2.2 催化劑用量選擇

通過上述實驗，我們選用了六氫吡啶作催化劑，并對它的使用劑量做了研究，反應結果見表 6。

表6

a：此反應水楊醛用量為0.017mol，反應溫度為75℃，反應時間2.0h；b：根據水楊醛計算產率。

從上述實驗可發現，隨著六氫吡啶用量的增大，收率不斷提高，當用量從0.25ml繼續增加到0.30ml時，收率增加不明顯，故從總體考慮，選六氫吡啶用量最好為0.25ml，即水楊醛與六氫吡啶的最佳摩爾比為6：1。

2.3 優化條件下的實驗結果

從上述實驗條件優化選擇的結果可得，六氫吡啶為該反應的最佳催化劑。當水楊醛與六氫吡啶用量的摩爾比為6：1，反應溫度為75℃，反應時間為2.0h時，收率良好。本實驗中六氫吡啶用量為0.25 ml，水楊醛用量為0.017mol，收率為89.4%（按水楊醛計算產率）。

3 結論

在本實驗所采用的催化劑中，以六氫吡啶的催化性能最好，得到的產品多，晶型、色澤較好；二乙胺的催化性能次之，得到的產品量較少，晶型也略差。此外，以六氫吡啶作催化劑還有反應條件溫和，產率較高，副反應少等優點。故確定六氫吡啶為本實驗的理想催化劑。其最佳反應條件：水楊醛與六氫吡啶的摩爾比為6：1，反應溫度為75℃，反應時間為2.0h。在此最佳工藝條件下，香豆素-3-羧酸乙酯的收率為89.4%。

參考文獻

[1]張彥英，孟憲梅. 芳基取代香豆素合成方法的研究進展[J]. 染料與色， 2003，（40）1：39～41

[2]劉秀娟，厲連斌，王歌云. 香豆素-3-羧酸及其酯的合成研究[J]. 化學試劑，2007，29（1）：43～45

[3]章思規，辛忠. 精細有機化工制備手冊[M]. 北京：科學技術文獻出版社， 257～260

[4]丁長江主編. 有機化學實驗[M]. 北京：科學出版社， 2006.215