基于紫外吸收及導數光譜監測乙酸鈉催化合成阿司匹林的反應研究

邵建群 唐靜成 徐艷霞 張 楓

(首都醫科大學藥學院實驗教學中心，北京 100069)

阿司匹林(aspirin)的學名為乙酰水楊酸，從1897年人工合成以來已有一百多年的時間。阿司匹林是人類商業史上最成功的合成藥物，目前仍是民眾生活中不可缺少的藥物之一[1]。通過水楊酸和乙酸酐合成得到阿司匹林的反應詳見圖1。

圖1 阿司匹林的合成Fig.1 Synthesis of aspirin

在合成阿司匹林的反應中，通常是以濃酸為催化劑[2-3]。由于濃酸會腐蝕設備，污染環境，現已報道了多種改進的堿性催化劑[4-5]和酸性催化劑[6-7]。但不管采用何種催化劑合成阿司匹林時，如果反應時間太長，溫度過高，不僅有副反應，也會導致產物結構中的乙酰基被脫掉，而影響產率。所以采用適宜的分析測定手段，準確判斷合成阿司匹林的反應終點，是提高產率的關鍵。紫外可見分光光度法是利用物質對紫外可見光的吸收光譜來對物質進行分析測定。這種測定方法具有準確性高，實用性強，易于操作等優點，且可用于微量和痕量物質的分析，有較多的研究人員[8-9]采用紫外可見導數光譜對藥品含量進行檢測。在本課題組所報道的以酸性檸檬酸為催化劑合成阿司匹林的實驗研究[10]中，就是采用紫外二階導數光譜方法監測反應過程、并判斷合成阿司匹林的反應終點。

本實驗所采用的是堿性乙酸鈉為催化劑，通過對反應體系中阿司匹林和水楊酸的紫外光譜、二階導數光譜的實時監測，以及兩種光譜的相互印證，判斷在合成反應體系中阿司匹林和水楊酸的濃度隨時間變化的情況，從而推斷出采用乙酸鈉為催化劑時，不同反應溫度的實驗條件下合成阿司匹林達到反應終點時所需的時間。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器

RCTBS025控溫磁力攪拌器(德國IKA公司)； BT25S電子分析天平(北京賽多利斯儀器有限公司)；UV2550紫外可見分光光度計(日本島津公司)。

1.1.2 試劑

分析純，無水乙醇(北京現代東方精細化學品有限公司)；水楊酸(西隴化工股份有限公司)；乙酰水楊酸(天津市光復精細化工研究所)；乙酸酐(國藥集團化學試劑有限公司)；乙酸鈉(國藥集團化學試劑有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫外光譜的采集及二階導數光譜的轉換

在250 ～350 nm的紫外波長范圍，分別掃描無水乙醇溶解的阿司匹林、水楊酸、乙酸酐和乙酸鈉對照品溶液，得到各物質的零階紫外吸收光譜。從圖2可知，阿司匹林的最大吸收波長為274 nm，水楊酸的最大吸收波長為304 nm。因幾種物質的紫外吸收光譜互有重疊，為消除組分的干擾并準確進行定量分析，將零階紫外吸收光譜轉換為二階導數光譜[11-12]。

圖3即為根據島津UV2550儀器功能，轉換為紫外二階導數的光譜。實驗選定以二階導數光譜的289 nm為阿司匹林的定量測定點，此處水楊酸、乙酸酐和乙酸鈉二階導數值為零，沒有干擾。選定308 nm為水楊酸的定量測定點，此處阿司匹林、乙酸酐和乙酸鈉的二階導數值為零，沒有干擾。

圖2 紫外吸收光譜Fig.2 Ultraviolet absorption spectrum

圖3 紫外二階導數光譜Fig.3 Second derivative ultraviolet spectrum

1.2.2 阿司匹林標準溶液配制和工作曲線的建立

準確稱取阿司匹林0.04 g，用無水乙醇溶解定容于100 mL容量瓶中。再分別吸取此溶液0、1、2、4、6、8 mL并用無水乙醇定容于10 mL容量瓶中，配成0、40、80、160、240、320 μg·mL-1系列標準阿司匹林溶液。

掃描不同濃度阿司匹林溶液的紫外吸收光譜，轉化為二階導數光譜，選取波長在289 nm處的二階導數值作為阿司匹林的定量指標。阿司匹林的線性回歸方程為：y=0.014 5x-0.000 4。y表示289 nm處的二階導數值，x表示阿司匹林的濃度，相關系數R2=0.999 8。阿司匹林的濃度在0～320 μg·mL-1范圍內有良好的線性關系。

1.2.3 水楊酸標準溶液的配制和工作曲線的建立

精密稱取水楊酸0.04 g，用無水乙醇溶解定容于100 mL容量瓶中。再分別吸取此溶液0、200、400、600、800、1 000 μL并用無水乙醇定容于10 mL容量瓶中，配成0、8、16、24、32、40 μg·mL-1系列標準水楊酸溶液。

掃描不同濃度水楊酸溶液的紫外吸收光譜，轉化為二階導數光譜，選取波長在308 nm處的二階導數值作為水楊酸的定量指標。水楊酸的線性回歸方程為：y=0.005 5x-0.000 4。y表示308 nm處的二階導數值，x表示水楊酸的濃度，相關系數R2=0.999 5。水楊酸濃度在0～40 μg·mL-1范圍內有良好的線性關系

1.2.4 阿司匹林的合成與監測

采用水浴控溫磁力攪拌器，分別控制反應溫度條件為45、55、65、75 ℃。根據文獻[4]所報道的最佳投料比例，在干燥的反應瓶中加入水楊酸3 g(約0.022 mol)、乙酸酐6 mL(約0.064 mol)和催化劑乙酸鈉0.28 g。反應開始后，每間隔0.51 min反應時間，從反應瓶中取樣100 μL，用無水乙醇定容于10 mL容量瓶中。然后再從此容量瓶中取50 μL，并與3 mL無水乙醇混勻后，分別進行紫外吸收光譜的測定。把不同實驗樣品的紫外吸收光譜轉換為紫外二階導數光譜，根據阿司匹林和水楊酸的工作曲線進行數據處理，計算出不同時間點時阿司匹林和水楊酸的含量。

2 結果

2.1 45 ℃反應體系的監測結果

在控制反應溫度為45 ℃的條件下，從圖4可知，反應物水楊酸的濃度在約0 ～20 min內從最大濃度逐漸下降，同時生成物阿司匹林的濃度則在不斷增加。

圖4 45 ℃反應體系中阿司匹林和水楊酸濃度隨時間變化Fig.4 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 45 ℃

對照圖5所截取的5個時間點的紫外光譜圖可以看到，在20 min的反應過程中，304 nm處水楊酸的最大吸收峰在逐漸消失，而274 nm處阿司匹林的最大吸收峰則在逐漸形成。

圖5 45 ℃反應體系中不同時間點的紫外吸收光譜Fig.5 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 45 ℃

2.2 55 ℃反應體系的監測結果

在控制反應溫度為55 ℃的條件下，從圖6可知，水楊酸的濃度在0 ～10 min內從最大下降到零，而生成物阿司匹林的濃度不斷增加。

圖6 55 ℃反應體系中阿司匹林和水楊酸濃度隨時間變化Fig.6 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 55 ℃

對照圖7所截取的5個時間點的紫外光譜圖可以看到，在10 min的反應過程中，304 nm處水楊酸的最大吸收峰漸漸消失，而274 nm處阿司匹林的最大吸收峰則在漸漸形成。

圖7 55 ℃反應體系中不同時間點的紫外吸收光譜Fig.7 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 55 ℃

2.3 65 ℃反應體系的監測結果

在控制反應溫度為65 ℃的條件下，從圖8可知，水楊酸的濃度在0 ～4 min內，從最大快速下降到零，而生成物阿司匹林的濃度則快速增加。

圖8 65 ℃反應體系中阿司匹林和水楊酸濃度隨時間變化Fig.8 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 65 ℃

對照圖9所截取的5個時間點的紫外光譜圖可以看到，在反應了4 min時，304 nm處水楊酸的最大吸收峰消失了，同時274 nm處阿司匹林的最大吸收峰形成了。

圖9 65 ℃反應體系中不同時間點的紫外吸收光譜Fig.9 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 65 ℃

2.4 75 ℃反應體系的監測結果

在控制反應溫度為75 ℃條件下，從圖10可知，水楊酸的濃度在約0 ～3 min內，從最大迅速下降到零，而阿司匹林的濃度則快速增加。

對照圖11所截取的5個時間點的紫外光譜圖可以看到，在反應了3 min時，304 nm處水楊酸的最大吸收峰消失了，同時274 nm處阿司匹林的最大吸收峰形成了。

2.5 不同條件下合成阿司匹林的產率和純度

根據不同溫度條件下，對合成阿司匹林的監測結果，分別在反應瓶中加入3 g(約0.022 mol)水楊酸、6 mL(約0.064 mol)乙酸酐和0.28 g乙酸鈉，控制溫度為45、55、65、75 ℃。各自反應20、10、4、3 min后，把合成阿司匹林的反應瓶冷卻至室溫后加入30 mL蒸餾水，有結晶析出。再用冰水浴充分冷卻，然后對得到的阿司匹林晶體進行減壓過濾，并使晶體充分晾干，分別稱質量后，計算出不同條件下合成阿司匹林粗品的產率。又準確稱取干燥后不同條件下合成的阿司匹林80 mg，用無水乙醇定容于10 mL容量瓶中。再從中吸取溶液250 μL，用無水乙醇定容于10 mL容量瓶中，分別測定各溶液的紫外吸收，計算合成阿司匹林粗品的純度。粗品的產率和純度結果詳見表1。

圖10 75 ℃反應體系中阿司匹林和水楊酸濃度隨時間變化Fig.10 Concentration of aspirin and salicylic acid change with the length of time in synthesis reaction system at 75 ℃

圖11 75 ℃反應體系中不同時間點的紫外吸收光譜Fig.11 Ultraviolet absorption spectra of different time points in synthesis reaction system at 75 ℃

表1 阿司匹林的產率和純度Tab.1 The yield and purity of aspirin

3 討論

3.1 反應溫度對合成阿司匹林的影響

3.2 催化劑對合成阿司匹林的影響

反應溫度為 45、55、65、75 ℃時得到粗品阿司匹林的平均純度為81.0%，分析未重結晶的粗品純度低的原因可能是由于乙酸鈉為偏堿性物質，在阿司匹林結晶析出的過程中，體系中存在的少量催化劑乙酸鈉會使合成得到的阿司匹林水解，致使乙酰基脫掉導致阿司匹林結構被破壞，使粗品的純度有所降低。所以為避免產物水解以提高粗品的純度，在反應完成后要盡快使體系中的溶液降溫，析出阿司匹林晶體后也要盡快減壓過濾，使固液分離。

阿司匹林是與人們日常生活密切相關的藥物[13-15]，環保高效的阿司匹林合成方法是制藥企業所追求的發展方向。本研究合成阿司匹林的催化劑為乙酸鈉，相對于使用濃酸催化劑來說，是一種環保型的催化劑。以往對催化劑乙酸鈉的研究缺少對阿司匹林反應體系中物質變化過程的分析測定[4]，也不能準確判斷出反應終點。本研究所采用的紫外吸收光譜、二階導數光譜法可以實現對阿司匹林反應體系的實時監測并準確判斷出反應終點。且實驗所用紫外可見分光光度計準確性高，分析測定方法實用性強并易于操作。因此本實驗方法可以為采用催化合成阿司匹林的相關企業和研究者提供借鑒和參考。

致謝：本論文獲得“基礎與專業藥學國家級實驗教學示范中心(首都醫科大學)”和“醫學化學與藥學北京高等學校示范性校內創新實踐基地(首都醫科大學)”兩大平臺的支持。