Döbner三组分一锅法制备辛可芬*

2022-08-26向皞月董昊翔刘晓华陈伟奋

广州化工 2022年15期

向皞月，董昊翔，刘晓华，陈伟奋，陈凯，阳华

(中南大学化学化工学院，湖南长沙 410083)

多组分一锅法(Multi-component one-pot synthesis)是将三种或三种以上反应原料投到反应器中，在一定条件下进行反应，从而简单有效合成复杂化合物的一种方法[1]。多组分一锅法通常可以简化分离程序、降低生产成本，因而被广泛应用于药物合成中，具有重要的应用潜力和研究价值。Döbner反应，又称Skraup-Döbner-von Miller喹啉合成反应，是芳胺与醛和丙酮酸共热缩合生成取代喹啉的反应[2-3]，如图1所示。该反应是Skraup反应的一个变体，具有原料简单易得、反应条件温和、操作简单、原子经济性高、反应选择性好、环境友好等优点，因而被广泛应用于喹啉衍生物的合成。

图1 Döbner反应

喹啉及其衍生物是一类重要的有机小分子，在医药、化工等领域有着广泛的应用[4-6]。喹啉类化合物具有抗疟疾、抗菌、抗真菌、抗哮喘、降压、抗炎、抗血小板等活性，并且喹啉骨架广泛存在于活性天然产物和合成药物分子中。研究发现，喹啉是FDA批准的小分子药物中最常见的五种芳香杂环之一[7]。除了良好的生物药理活性，喹啉衍生物在荧光和磷光探针领域也具有重要的应用[8]。此外，喹啉类化合物作为高效的催化剂或配体，在不对称合成催化领域也扮演着重要的角色[9]。鉴于喹啉化合物在不同领域的应用前景，喹啉骨架的构建方法一直是有机化学理论和实验课的重要学习内容之一。

2-苯基-4-喹啉羧酸，如图2所示，别名辛可芬(Cinchophen)，具有解热镇痛抗炎作用[10-11]，可用于急慢性关节炎、风湿痛、神经痛、腰痛、痛风和头痛等。由于其具有一定的肝肾毒性，该药目前已被淘汰，但可以作为宠物用药进行生产和销售，如辛可芬-泼尼松龙复方制剂[12]。辛可芬，常温下为淡黄色或白色结晶性粉末，可溶于乙酸乙酯、乙醇、乙醚、氯仿，几乎不溶于水，味微苦，无臭，阳光下易变质。

图2 辛可芬的结构式

关于辛可芬的合成方法已有较多的文献报道，其中Döbner反应和Pfitzinger反应是合成辛可芬的两种重要方法。Wilson等[12]发现靛红和苯乙酮在碱性条件下回流16 h，然后酸化，可以较高的产率(87%)得到辛可芬，该方法称为Pfitzinger反应，如图3所示。Pfitzinger反应与Döbner反应相比，产率更高，然而反应时间较长(回流16 h)，不适合作为本科生实验。

图3 Pfitzinger反应合成辛可芬

喹啉环的构建方法是有机化学实验和药物化学实验的重要学习内容。目前，大学合成化学教材所讲授的喹啉构建方法是Skraup喹啉合成法，以邻氨基苯酚、甘油和浓硫酸为原料，以硝基苯为氧化剂，制备8-羟基喹啉[13]。该反应需要使用大量浓硫酸，反应较剧烈，对本科生实验而言存在一定的安全风险；而且产率受甘油的含水量影响，重现性较差。Döbner反应可以简单高效合成喹啉类药物辛可芬，反应温和，并且原料廉价易得。我们在文献的基础上[14-15]，优化了Döbner反应条件，改进了分离提纯方法，以适用于本科生实验。本实验以廉价易得的苯甲醛、丙酮酸和苯胺为原料，在乙醇溶液中加热回流 3 h，通过简单萃取即可纯化产品。本实验可以引入到本科生化学实验课中，替代传统的Skraup反应。其有助于巩固喹啉环构建的理论知识，提升学生喹啉化合物合成、表征和分析的能力，训练学生利用不同化合物理化性质的差异优化分离提纯的科学思维，激发学生对化学研究的兴趣。

1 实验部分

1.1 实验原理

Döbner反应的可能机理为，如图4所示。首先，苯甲醛1a与苯胺2a进行缩合反应，脱去一分子水生成亚胺中间体I。然后，质子化的亚胺I与丙酮酸3a发生曼尼希反应得到中间体II，随后，通过亲电取代实现关环。中间体III经历脱水和氧化可以得到最终的产物4a。

1.2 试剂或材料

苯甲醛(AR, ≥98.5%)，上海沪试;丙酮酸(≥96%)，上海毕得医药;苯胺(AR, ≥99.5%)，麦克林;三氟甲磺酸(99%)，安耐吉;(±)-10-樟脑磺酸(98%), Alfa Aesar;磷酸(AR)，成都科隆化学;浓硫酸(AR)，成都科隆化学;氢氧化钾(AR)，恒兴试剂;三氟乙酸(≥99%)，Sigma-Aldrich;对甲基苯磺酸水合物(≥99%)，安耐吉;氘代DMSO(99.8 atom%D), 宁波萃英化学技术有限公司;无水乙醇(AR)，上海沪试;石油醚，乙酸乙酯，二氯甲烷均为分析纯，北京沃海环球科技有限公司;薄层色谱硅胶板(HPTLC Silica Gel 60 GF254，乐研)，柱层析硅胶(200～300目)，乐研。所有试剂均直接使用，无需进一步处理。

图4 Döbner反应可能的反应路径

1.3 仪器

主要仪器有：移液枪、电子分析天平、红外光谱仪、紫外分析仪、核磁共振仪波谱仪、真空干燥槽、磁力搅拌加热器、旋转蒸发仪、微波合成工作台。

1.4 实验步骤

1.4.1 配制溶液

1 mol/L KOH溶液：称取5.6 g的KOH (分子量56.1， 0.1 mol)，溶解于100 mL水中，冷却至室温后转移到橡胶塞的细口瓶中储存。

1 mol/L H2SO4溶液：量取10 mL质量分数为98%的浓硫酸，在搅拌下缓慢加入到90 mL水中，配制成浓度为1 M H2SO4溶液，冷却到室温后转移到细口瓶中储存。

0.1 mol/L对甲基苯磺酸的乙醇溶液：准确称取1.90 g一水合对甲苯磺酸(分子量190.2，0.01 mol)，在烧杯中用无水乙醇稀释，转移到100 mL容量瓶中，用无水乙醇定容至刻度线，转移至具塞锥形瓶储存。

1.4.2 预实验

(1)Döbner反应条件优化

25 mL圆底烧瓶中加入1.0 mmol苯甲醛、1.2 mmol苯胺、0.05 mmol催化剂(0.5 mL 配置好的对甲苯磺酸乙醇溶液)、5.0 mL乙醇，搅拌均匀后加入1.0 mmol丙酮酸，常温下搅拌并逐渐升温至80 ℃，回流搅拌约3 h。反应过程中通过薄层色谱监测，展开剂选择石油醚/乙酸乙酯(V/V=1:1)。反应完成后，冷却到室温后，溶液旋转蒸发浓缩至干，以备纯化。基于文献调研[14-15]，对反应条件进行了优化，以适用于本科化学教学实验。

(2)微波合成方法

微波合成是以微波能量对反应体系加热来进行有机化学合成反应的技术，具有加热快速、受热均匀等优点。本实验对比了传统加热和微波加热条件，可供教师选择开展。向10 mL微波合成封管内加入1.0 mmol苯甲醛、1.2 mmol苯胺、 0.05 mmol催化剂、3 mL乙醇，搅拌均匀后加入1.0 mmol丙酮酸，常温搅拌3 min，封口，然后将封管置于150 W微波辐射下反应6～8 min。每隔2 min使用TLC板监测反应进程，使用石油醚/乙酸乙酯(V/V=1∶1)作为展开剂。待冷却后，旋蒸浓缩至干，以备纯化。

(3)分离纯化方法

对比不同的分离纯化方法：柱色谱、萃取分离和重结晶。结果表明，柱色谱和重结晶法耗时较长，并且在基础有机化学实验中已经有相关的教学环节。分析反应体系中各物质pKa和溶解性的差异，可发现通过简单的萃取操作应该可以实现较好的分离提纯。萃取操作流程的设计不仅可帮助学生理解化合物理化性质的差异，锻炼学生的科学思维，从而提高学生分析问题和解决问题的能力。萃取操作流程：将浓缩后所得粘稠油状物或固体溶于乙酸乙酯，转移到分液漏斗，用碱性水溶液萃取，合并水层用1 mol/L的H2SO4酸化至pH为3～4，乙酸乙酯萃取三次，合并有机相置于锥形瓶。有机相用无水硫酸钠干燥、转移到烧瓶内，旋蒸浓缩至干，计算产率。

1.4.3 实验内容

(1)制备反应

向干燥的100 mL三口烧瓶中用移液枪加入苯甲醛0.30 mL (3.0 mmol)、苯胺0.33 mL (3.6 mmol)，然后加入15 mL配置好的0.1 mol/L对甲基苯磺酸的乙醇溶液，随后加入20 mL乙醇，搅拌均匀，若未溶解可适当加热促进溶解。将0.25 mL (3.0 mmol)丙酮酸加入5.0 mL无水乙醇，通过恒压滴液漏斗缓慢加入反应体系。在水浴或油浴加热搅拌下先缓慢滴入约0.5 mL。升温至80 ℃，待反应体系开始回流后，将恒压滴液漏斗中剩余丙酮酸溶液缓慢滴入三口瓶，约10 min滴完。反应过程中，用薄层色谱每隔30 min 监测反应进程，展开剂为石油醚∶乙酸乙酯 (V/V=1∶1)，反应产物Rf值为～0.6。反应过程中，溶液的颜色逐渐由淡黄变为深黄。反应大约3 h 后，TLC监测显示反应已经进行完全，将反应体系自然冷却至室温。反应液旋转蒸发浓缩至干，得到橘黄色粘稠油状物，记录粗产物重量。

(2)分离纯化

粗产物溶解于15 mL乙酸乙酯中，转移至分液漏斗中。用KOH水溶液(1 mol/L)萃取三次，每次约10 mL。合并水相，用H2SO4水溶液(1 mol/L)酸化至pH为3～4，然后用乙酸乙酯萃取三次，每次15 mL。合并有机相到锥形瓶，加入无水硫酸钠干燥，然后将有机相旋转蒸发浓缩至干，称重，计算产率(如产物中含有少量杂质，可将所得产物通过乙醇-水混合溶剂体系进行重结晶，进一步纯化以提高产物的纯度)。

(3)结构表征

取约20 mg产物用氘代DMSO溶解，将所得产物进行核磁共振氢谱表征，分析氢谱数据，解析化合物结构。测定结束后加入10 μL重水进行质子交换，然后再测定核磁共振氢谱以确定活泼氢位置。取少量研磨后的固体粉末和溴化钾混合均匀，压片，测定所得产物的红外吸收光谱。

2 结果与讨论

2.1 条件优化

基于文献调研结果，我们对常用的有机酸和无机酸进行了筛选，最终确定对甲苯磺酸作为该反应的催化剂(表1，条件 1～6)。降低温度，反应产率明显降低(条件7)。当温度降低至40 ℃时，则反应基本没有发生(条件8)。由于提高反应物的浓度，可以减小萃取过程中的损失，因此在3.0 mmol规模反应时，产物产率可提高至84%(条件9)。最终，确定的最优反应条件为：丙酮酸 (3.0 mmol)、苯胺 (1.2当量)和苯甲醛 (1.0当量)溶解于20 mL乙醇中，在80 ℃加热回流3 h。值得注意的是，在微波条件下，反应时间可缩短至6 min，而反应产率并没有明显损失(条件10)。微波合成实验可以作为演示实验，帮助学生了解前沿的合成技术。

表1 反应条件优化a

2.2 微波合成方法

对于微波反应，反应时长从3 h缩短到了6 min，并且产率没有明显的降低，因此微波反应可以大大缩短反应时长。由于微波合成仪造价较为高昂，部分学校可能并不具备开展本科生微波实验的条件。因而，在教学过程中建议作为演示实验开设，或者分组实验一人做回流反应，一人做微波反应，有利于让学生熟悉现代合成方法。

2.3 分离纯化方法

由于辛可芬的羧酸基团与硅胶有较强的结合能力，柱层析分离对于本科生而言具有较大的难度。当溶液中杂质含量高时，重结晶方法并不适用，而多次重结晶往往造成收率降低。分析反应混合物中各物质的理化性质可知，丙酮酸、对甲苯磺酸、辛可芬为酸，而苯胺为碱。将反应混合物浓缩后溶于乙酸乙酯，用碱性水溶液萃取，可以使苯胺和苯甲醛留在有机相，而丙酮酸、对甲苯磺酸、和辛可芬以盐的形式存在于水相，如表2所示。由于三种酸中辛可芬的酸性最弱，控制pH在3～4，使辛可芬以酸的形式存在溶液中，而对甲苯磺酸和丙酮酸则仍然主要以离子的形式存在。在pH为3～4时，辛可芬几乎不溶于水，因此用乙酸乙酯萃取可以实现辛可芬与丙酮酸、对甲苯磺酸的分离。

表2 萃取方案设计

2.4 结构表征

表征结果如下：产物为白色至浅黄色固体。产率： 0.628 g, 84%. IR (KBr) νmax： 3445, 2460, 1920, 1703, 1644, 1602, 1547, 1451, 1357, 1256, 1200, 1079, 893, 760, 731, 699， 645 cm-1，如图5所示。1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ 13.88 (br s, 1H), 8.70 (d, J=8.4 Hz, 1 H), 8.49 (s, 1 H), 8.32 (d, J=7.2 Hz, 2 H), 8.19 (d, J=8.4 Hz, 1 H), 7.87 (t, J=7.8, 8.0 Hz, 1H), 7.73 (t, J=7.8, 8.0 Hz, 1H), 7.58 (m, 3H)，如图6所示。核磁和红外光谱与标准谱图进行对照[14-15]，特征峰吻合较好，表明所得化合物为预期的产物。

图5 红外表征谱图

图6 核磁共振氢谱

3 结语

本实验总用时约6 h，可作为应用化学、制药工程、药学等相关专业三年级本科生的综合性实验。本实验所制备的产物为兽用药物辛可芬，具有较好的生物活性和应用价值。本教学实验具有以下优点：(1) 实验过程操作简单、产率高、反应选择性好、原子经济性高，符合绿色化学的发展理念；(2)试剂廉价易得，以安全环保的乙醇为溶剂体系；(3)集有机合成和仪器分析于一体，锻炼学生的科研创新能力。本教学实验有助于学生学习和巩固喹啉骨架的构建知识，拓展学生的知识面，训练学生跟踪监测反应过程和根据化合物性质设计分离提纯方法的能力，从而提高学生的科研创新能力。