1. 引言
3-氰基-7-羟基香豆素又名3-氰基伞形酮、3-氰基伞形花内酯，是一种重要的香豆素衍生物，其母核为苯骈-α-吡喃酮结构，这是一种刚性共轭平面结构，其可用在医学、精细化学品与化学分析等领域中[1]-[3]，另外3-氰基-7-羟基香豆素也可被灵活修饰，用于构建其它化合物的碳架结构，如抗凝血药华法林、抗癌药物邪蒿内酯，以及香豆素类荧光染料等[4]-[8]。
目前文献报道的3-氰基-7-羟基香豆素合成方法主要有三种：(1) Perkin法[9]，此法采用两步法合成香豆素，起始原料为水杨醛与乙酸酐，通过缩合环化合成香豆素母核结构，然后然后用−OH取代基进行亲电取代反应，反应副产物多，产品纯度较低；(2) Vilsmeier-Haack法[10]是以水杨醛为反应物，在高氯酸作用下和N,N-二甲基取代的酰氯通过亲核加成和环化反应等步骤，制备香豆素骨架，该方法在环合的过程中用到了高氯酸，具有强腐蚀性，对操作人员和设备要求较高；(3) Knoevenagel缩合法，2020年Molnar M等[11]用2-羟基苯甲醛和丙二酸二乙酯为原料，N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，在三氯化铝催化下合成，这种方法所得产物为粘度高的油状物，用溶剂难以结晶，且产率较低，因此，亟需寻找成本低、操作安全、环境友好的且能实现大量制备的3-氰基-7-羟基香豆素合成方法。本文以2,4−二羟基苯甲醛为原料，合成3-氰基-7-羟基香豆素，通过筛选构成吡喃酮环的另一反应物及其反应条件，以期达到经济、高效制备3-氰基-7-羟基香豆素的目的。
2. 实验方法
2.1. 试剂与仪器
2,4-二羟基苯甲醛，AR，上海毕得医药科技股份有限公司；丙二腈、无水乙醇、二甲亚砜，AR，天津市大茂试剂有限公司；氰基乙酸乙酯、碳酸氢钠、碘苯二乙酸、盐酸，AR，天津市科密欧化学试剂有限公司。
电子分析天平，TE214S，北京赛多利斯仪器有限公司；傅里叶变换红外–全反射光谱仪，TENSOR Ⅱ，瑞士布鲁克公司；核磁共振波谱仪，AVANCE Ⅲ HD，400 MHz，瑞士布鲁克公司。
2.2. 3-氰基-7-羟基香豆素合成
2.2.1. 合成方法1
在100 mL三口瓶上装上温度计、恒压滴液漏斗和冷凝管，加入2.50 g (18 mmol) 2,4-二羟基苯甲醛、1.20 g (18 mmol)丙二腈和50 mL NaHCO3水溶液(0.05 mol·L−1)，控制反应温度在25℃~30℃，搅拌反应。用薄层色谱(TLC)跟踪监测，至无2,4-二羟基苯甲醛斑点。随后在滴液漏斗中加入10 mL浓盐酸，缓慢滴入反应液，搅拌均匀，缓慢升温至100℃，继续反应4 h后，结束反应，冷却至室温，随后4℃冷藏2 h，抽滤，滤饼用冷水洗涤2次，干燥并称量，该路线反应式如图1。
Figure 1. 2,4-dihydroxybenzaldehyde and malonitrile synthesis reaction
图1. 2,4-二羟基苯甲醛与丙二腈合成反应式
2.2.2. 合成方法2
在100 mL三口瓶上装上温度计、恒压滴液漏斗和冷凝管，加入2.50 g (18 mmol) 2,4-二羟基苯甲醛、2.04 g (18 mmol)氰基乙酸乙酯和0.45 g (1.4 mmol)碘苯二乙酸，加入50 mL二甲基亚砜(DMSO)，加热至80℃，搅拌反应2 h，溶液由无色透明变为橙黄色，用TLC监测至无2,4-二羟基苯甲醛斑点，继续反应1 h，反应液倒入20 ml冰水中，搅拌均匀，并于4℃冷藏1 h后抽滤，滤饼用冷水洗涤2次，60℃烘干并称量，反应式如图2。
Figure 2. 2,4-dihydroxybenzaldehyde and cyanoacetate synthesis reaction
图2. 2,4-二羟基苯甲醛与氰基乙酸酯合成反应式
2.3. 合成方法优化
在上述实验的基础上，以合成经济性、收率、操作难易程度为标准，确定路线1、2中的较优路线，在该合成路线反应条件下，通过优化催化剂种类、催化剂加入量、溶剂与反应时间等条件，开发出一种更经济、高效的制备方法。
3. 结果与讨论
3.1. 合成方法的比较
合成路线1涉及到Knoevenagel缩合、氰基水解、酯化三种反应。氰基水解过程较慢，中间态经过三个过程，首先水解为酰胺，接着在酸性条件下转变为羧酸，最后与酚羟基酯化。在生成羧酸的中间态时，产物有可能会脱羧，此可能是导致该路线收率较低的原因，与路线2的对比见表1；合成路线2涉及Knoevenagel缩合、酯交换两种反应，此路线没有氰基水解过程，过程相对简单。两种合成路线对比如表1，由于路线2产率较高，过程又不需使用盐酸调节体系酸性，由此优选路线2，但是所用的催化剂碘苯二乙酸较昂贵，且反应时间较长，因此对合成路线2进行优化。
Table 1. Comparison of synthetic routes
表1. 合成路线的比较
| 方法 |
反应物 |
催化剂 |
反应时间 |
收率 |
| 合成路线1 |
丙二腈 |
碳酸氢钠 |
8 h |
76.40% |
| 合成路线2 |
氰基乙酸乙酯 |
碘苯二乙酸 |
4 h |
81.53% |
3.2. 合成路线2的优化
3.2.1. 催化剂种类对反应的影响
从合成机理考虑，需选用碱性催化剂，夺取亚甲基上的质子，使亚甲基形成电负性离子，因此选择二乙胺、三乙胺、L-脯氨酸、吡啶和哌啶进行比较。当选用二乙胺、三乙胺时，催化效率较低，考虑可能是空间位阻的影响；当选用吡啶与哌啶时，收率均可达到75%以上，选用L-脯氨酸为催化剂时，反应产率为76.20%，比哌啶低，不同催化剂下产品收率结果见表2。尽管哌啶作为催化剂催化效率最高，但哌啶属于易制毒试剂较难购买，试剂毒性较大，生产和后处理不方便，而L-脯氨酸没有上述缺点，因此选择L-脯氨酸为催化剂，为进一步提高收率，尝试通过改变L-脯氨酸加入量提高收率。
Table 2. Product yield with different catalysts
表2. 不同催化剂催化下的产品收率
| 序号 |
催化剂种类 |
催化剂用量/eq |
反应时间/h |
收率/% |
| 1 |
二乙胺 |
0.10 |
3 |
41.70 |
| 2 |
三乙胺 |
0.10 |
3 |
52.63 |
| 3 |
L-脯氨酸 |
0.10 |
3 |
76.20 |
| 4 |
吡啶 |
0.10 |
3 |
75.56 |
| 5 |
哌啶 |
0.10 |
3 |
81.39 |
3.2.2. 催化剂用量对反应的影响
选择L-脯氨酸为催化剂，通过改变L-脯氨酸与2,4-二羟基苯甲醛的物质的量之比进行反应，反应条件与产品收率结果见表3。从表中可以看出，L-脯氨酸加入当量从0.05 eq增加到0.20 eq时，产品收率从57.09%增加到84.76%，收率增加明显，但增加到0.40 eq时，产品收率增加却很少，波动范围仅1.21%，这说明该当量的L-脯氨酸催化效率已达到了最佳，由于催化剂只改变化学反应的速率，而不能改变化学平衡，推测在0.20 eq催化剂加入量的条件下，此时已经达到化学平衡状态，因此继续增加催化剂用量对收率影响较小，从成本收益出发，L-脯氨酸用量选择0.20 eq。
Table 3. Effect of catalyst dosage on product yield
表3. 催化剂用量对产品收率的影响
| 序号 |
催化剂用量/eq |
反应温度/℃ |
反应时间/h |
收率/% |
| 1 |
0.05 |
80 |
2 |
57.09 |
| 2 |
0.10 |
80 |
2 |
76.20 |
| 3 |
0.20 |
80 |
2 |
84.76 |
| 4 |
0.40 |
80 |
2 |
85.40 |
| 5 |
0.80 |
80 |
2 |
85.95 |
3.2.3. 溶剂对反应的影响
加入0.20 eq的L-脯氨酸为催化剂，比较不同溶剂对反应的影响，选择的溶剂均为极性溶剂，并选择了一种极性非质子溶剂，实验结果见表4。以无水乙醇为溶剂时，产品收率可达86.03%为最高，原因在于两个方面：(1) 对反应物的溶解性以及能使催化剂很好的参与反应中，从而使反应体系达到良好的兼容效果；(2) 在不加压或密闭的条件下，反应能达到的最高温度为溶剂的沸点。相对于甲醇、乙腈，乙醇沸点较高，温度是反应进行较好的基础；水为溶剂产率低，是因为其略显酸性，会影响反应过程中的醛缩合，因为催化剂的目的正是为了使亚甲基的氢活性增加，而水阻止了这一过程；极性非质子溶剂收率低的原因，可能是其作为溶剂，酚氢键断裂相对于其它质子溶剂较为困难，综上选择无水乙醇作为反应溶剂。
Table 4. Effects of different solvents on product yield
表4. 不同溶剂对产品收率的影响
| 序号 |
溶剂 |
反应温度/℃ |
反应时间/h |
收率/% |
| 1 |
二甲基亚砜 |
78 |
3 |
70.49 |
| 2 |
甲醇 |
78 |
3 |
73.42 |
| 3 |
乙醇 |
78 |
3 |
86.03 |
| 4 |
乙腈 |
78 |
3 |
84.50 |
| 5 |
水 |
78 |
3 |
69.11 |
3.2.4. 时间对反应的影响
加入0.20 eq的L-脯氨酸为催化剂，以无水乙醇为溶剂，考察反应时间对3-氰基-7-羟基香豆素收率的影响，结果如表5，随着反应时间的增加，产率在逐步上升，当反应时间为1.5 h时，收率达到最高为86.03%，之后随着反应时间的增加，收率几乎无差别，并有略微下降的趋势，因此判断1.5 h后反应达到平衡。随着反应时间增加，收率有下降趋势，推测产物在反应体系中发生了变化，这从薄层色谱检测时产生新斑点产生可以看出，由此反应时间选择1.5 h。
Table 5. Effect of different reaction time on yield
表5. 不同反应时间对收率的影响
| 序号 |
反应时间/h |
溶剂 |
反应温度/℃ |
收率/% |
| 1 |
0.5 |
无水乙醇 |
78 |
59.00 |
| 2 |
1.0 |
无水乙醇 |
78 |
84.76 |
| 3 |
1.5 |
无水乙醇 |
78 |
86.03 |
| 4 |
2.0 |
无水乙醇 |
78 |
86.30 |
| 5 |
3.0 |
无水乙醇 |
78 |
86.14 |
3.2.5. 合成条件优化的结果
经过合成条件优化后，合成路线2最优工艺条件是：以L-脯氨酸为催化剂，原辅料物质的量之比为n (2,4-二羟基苯甲醛)：n (氰乙酸乙酯): n (L-脯氨酸) = 1:1:0.2，以无水乙醇为溶剂，反应温度80℃，搅拌反应1.5 h，可使3-氰基-7羟基香豆素的收率达到最优。
3.3. 产品结构表征与纯度分析
红外光谱：如图3所示，3220 cm−1波数处的吸收峰为酚羟基O-H伸缩振动吸收峰，表现为强的宽带吸收峰；3040 cm−1处吸收峰为芳环上C-H的伸缩振动吸收峰；2230 cm−1吸收峰为C≡N键的伸缩振动吸收峰；1750 cm−1为环上内酯C=O键的伸缩振动；1613 cm−1，1570 cm−1和1495 cm−1为苯环骨架伸缩振动；1270 cm−1处的吸收峰为C-O键的伸缩振动。
核磁波谱：1H NMR (400 MHz, DMSO) δ 11.38 (s, 1H), 8.78 (s, 1H), 7.65 (d, J = 8.6 Hz, 1H), 6.90 (dd, J = 8.6, 2.2 Hz, 1H), 6.79 (d, J = 2.0 Hz, 1H); 13C NMR (101 MHz, DMSO) δ 164.86 (s), 157.61 (s), 156.68 (s), 153.33 (s), 131.87 (s), 115.26 (s), 114.64 (s), 110.35 (s), 102.53 (s), 96.11 (s).
Figure 3. Infrared spectrum of 3-cyano-7-hydroxycoumarin
图3. 3-氰基-7-羟基香豆素红外光谱
3.4. 产品纯度分析
HPLC分析：采用25005-254630 C18色谱柱(250 mm × 4.6 mm)，检测波长为361 nm，流动相：乙腈: 0.1%磷酸水溶液 = 3:7，流速为1.0 mL·min−1，样品进样量5 μL，经高效液相色谱检测，保留时间7.046 min为目标化合物，2.941为杂质(为未完全反应的2,4-二羟基苯甲醛)，按峰面积归一化法显示结果如表6所示，其中3-氰基-7-羟基香豆素色谱峰面积为98.50%，这说明按该合成方法制得的产品纯度较高，其液相色谱图，如图4所示。
Table 6. Chromatographic peak of 3-cyano-7-hydroxycoumarin products
表6. 3-氰基-7-羟基香豆素产品色谱峰情况
| 序号 |
保留时间/min |
峰面积/mAU |
相对峰面积/% |
| 1 |
2.941 |
6.413 |
1.50 |
| 2 |
7.046 |
165.510 |
98.50 |
Figure 4. Liquid chromatogram of 3-cyano-7-hydroxycoumarin
图4. 3-氰基-7-羟基香豆素液相色谱图
4. 结论
为了经济、高效地合成出3-氰基-7羟基香豆素，本文以2,4-二羟基苯甲醛为起始原料，分别用两种底物丙二腈、氰基乙酸酯参与反应，均可合成出该产品，底物选择氰基乙酸乙酯时，反应时间更短、产率更高。进一步优化反应条件，当原辅料投料量n (2,4-二羟基苯甲醛): n (氰乙酸乙酯) = 1:1，无水乙醇为溶剂，以0.2 eq L-脯氨酸催化，加热回流1.5 h，可以使产品收率达到86%，纯度≥95%。该合成方法收率高，杂质含量少，反应时间短，产品纯度高，可为3-氰基-7羟基香豆素工业化生产提供借鉴。
基金项目
2021年河南省高等教育教学改革研究与实践项目(No.2021SJGLX227Y)，许昌学院校内科研基金项目(No.2023ZX063)。
NOTES
*通讯作者。