氨基磺酸催化合成類辣椒堿N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺

岳金方，周月芹，王雪源，羅志臣，雍達(dá)明，咼茗婕，侯海超

(1.揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2.吉林省吉林市江北機械廠中學(xué)化學(xué)教研室，吉林 吉林 132021)

辣椒堿也稱辣椒素或辣素，是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定含香草酰胺的生物堿，最早于1876年由Thresh從辣椒中提取出來的具有辣味的物質(zhì)[1-2]。辣椒堿具有消炎、鎮(zhèn)痛、殺菌、止癢等多種藥理作用，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品添加劑等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，同時還可以用于船舶防腐涂漆添加劑等[3-5]。其制備方法主要有天然產(chǎn)物提取法、生物細(xì)胞培養(yǎng)制取法和化學(xué)合成法3種。從辣椒等辛辣天然植物中提取辣椒堿具有原料易得和生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點，但同時也存在產(chǎn)品分離困難、純度不高等缺點；生物細(xì)胞培養(yǎng)法的缺點是對于細(xì)胞培養(yǎng)、培養(yǎng)液提取分離等技術(shù)要求嚴(yán)格，不適合大規(guī)模生產(chǎn)使用；化學(xué)合成法因具有原料易得、產(chǎn)品收率和純度較高等特點而備受研究者關(guān)注[5]。N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺是一種新型合成辣椒堿[6]，通常以鄰苯二酚和N-羥甲基丙烯酰胺發(fā)生Friedel-Crafts反應(yīng)來制備。本工作在文獻(xiàn)[6-7]的基礎(chǔ)上采用氨基磺酸為催化劑合成N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺，由于氨基磺酸對設(shè)備的腐蝕性和環(huán)境破壞性較小，所以該路線更適合工業(yè)化生產(chǎn)選用。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

鄰苯二酚，分析純，阿拉丁試劑有限公司；N-羥甲基丙烯酰胺、無水乙醇，分析純，成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司；氨基磺酸，分析純，上海國藥集團。

DF-1型集熱式磁力加熱攪拌器，上海紅星儀器有限公司;AVANCE Ⅲ 400M核磁共振波譜儀(DMSO-d6為溶劑，600 Hz，TMS)，瑞士Bruker公司；670-IR+610-IR型傅里葉變換紅外吸收光譜儀，美國Varian公司。

1.2 實驗方法

將一定比例的鄰苯二酚和N-羥甲基丙烯酰胺分別溶于無水乙醇中，完全溶解后,轉(zhuǎn)移到100 mL四口燒瓶中。在攪拌下，向四口燒瓶置中分批加入一定質(zhì)量的催化劑，緩慢加熱到設(shè)定溫度后反應(yīng)一定時間。將反應(yīng)液冷卻到15 ℃以下，減壓過濾，用乙醇洗滌固體3次，50 ℃下真空干燥2～3 h得白色固體，即為目標(biāo)產(chǎn)物類辣椒堿N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺。稱重、計算產(chǎn)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物表征

2.1.1 IR

圖1為產(chǎn)物的紅外光譜(KBr壓片法)。

由圖1可以看出，3 402.74 cm-1是羥基O—H伸縮振動峰，3 289.77 cm-1處為N—H伸縮振動峰，3 89.85 cm-1為烯烴C=C—H彎曲振動峰，1 657.73 cm-1為C=O伸縮振動峰，1 609.95、1 561.73、1 528.27、1 458.97 cm-1為苯環(huán)骨架C=C伸縮振動峰，1 289.45 cm-1為酚羥基C—O伸縮振動峰，966.21 cm-1為端烯烴特征峰。

圖1 產(chǎn)物的IR譜

2.1.21H NMR

δ：8.82(1H,s,O—H)，8.41～8.42(1H,t,N—H)，6.62(1H，s，Ph-H)，6.24-6.27(1H，q，=CH—)，6.10-6.13(1H，q，=C—H)，5.59～5.61(1H,q，=C—H)，4.21～4.22(2H,d,—CH2—)。

2.2 催化劑的選擇

該反應(yīng)為鄰苯二酚芳環(huán)上發(fā)生Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)，以醇為烷基化試劑時，常用HF、H2SO4、H3PO4等質(zhì)子酸為催化劑[8]。在前期探索工作基礎(chǔ)上，固定鄰苯二酚用量11.0 g(0.1 mol)，N-羥甲基丙烯酰胺用量25.3 g(0.25 mol)，催化劑用量0.3 g，40 ℃下反應(yīng)11 d，考察不同催化劑對產(chǎn)物收率的影響,結(jié)果見表1。

表1 不同催化劑對產(chǎn)品收率的影響

從表1可知：AlCl3催化性能較低，這可能是由于AlCl3可與反應(yīng)物鄰苯二酚形成加成物而降低其催化作用；KHSO4比H2SO4催化性能略高，NH2SO3H催化性能最好。所以，以下實驗選擇NH2SO3H催化劑。

2.3 反應(yīng)條件對產(chǎn)物收率的影響

2.3.1 反應(yīng)物摩爾比

固定條件：鄰苯二酚11.0 g(0.1 mol)，NH2SO3H 0.3 g，40 ℃下反應(yīng)11 d。改變N-羥甲基丙烯酰胺的用量，考察反應(yīng)物摩爾比對產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，隨著N-羥甲基丙烯酰胺用量的增加，產(chǎn)物收率逐漸升高，當(dāng)N-羥甲基丙烯酰胺與鄰苯二酚摩爾比超過2.25后，產(chǎn)物收率提高不顯著，故選取較佳摩爾比為2.25。

圖2 反應(yīng)物摩爾比對產(chǎn)物收率的影響

2.3.2 催化劑用量

固定條件：鄰苯二酚11.0 g(0.1 mol)，N-羥甲基丙烯酰胺22.7 g(0.225 mol)，40 ℃下反應(yīng)11 d。改變NH2SO3H用量，考察催化劑用量對產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 NH2SO3H用量對產(chǎn)品收率的影響

由圖3可以看出，氨基磺酸對于本反應(yīng)具有較好的催化活性，加大催化劑用量，產(chǎn)物收率顯著提高，當(dāng)催化劑與鄰苯二酚的質(zhì)量比超過0.03(即催化劑用量為鄰苯二酚質(zhì)量的3%)以后，產(chǎn)物收率不再提高。所以，選擇催化劑適宜用量為鄰苯二酚質(zhì)量的3%。

2.3.3 反應(yīng)溫度

固定條件：鄰苯二酚11.0 g(0.1 mol)，N-羥甲基丙烯酰胺22.7 g(0.225 mol)，催化劑NH2SO3H用量0.33 g，反應(yīng)時間11 d。改變反應(yīng)溫度，考察不同反應(yīng)溫度對產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)溫度對產(chǎn)品收率的影響

從表2可知，隨著反應(yīng)溫度放熱升高，產(chǎn)物收率明顯增加，但當(dāng)溫度達(dá)到45 ℃后，收率反而下降，這可能是由于提高反應(yīng)溫度，不僅提高了主反應(yīng)的速率，同時也增加了鄰苯二酚被氧化等副反應(yīng)的速率。在35 ℃和40 ℃下，產(chǎn)物收率相近，但40 ℃下產(chǎn)物顏色略有黃色，故選擇適宜反應(yīng)溫度為35 ℃。

2.3.4 反應(yīng)時間

固定條件：鄰苯二酚11.0 g(0.1 mol)，N-羥甲基丙烯酰胺22.7 g(0.225 mol)，催化劑NH2SO3H用量0.33 g，反應(yīng)溫度35 ℃。改變反應(yīng)時間，考察反應(yīng)時間對產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 反應(yīng)時間對產(chǎn)品收率的影響

從圖4可以看出，產(chǎn)物收率隨反應(yīng)時間的延長而升高，但當(dāng)超過10 d以后，收率提高不顯著，而超過14 d時，收率不升反降，這可能是副反應(yīng)增加的緣故。故選取適宜反應(yīng)時間為10 d。

2.4 驗證實驗

綜上可知，氨基磺酸催化下由鄰苯二酚與N-羥甲基丙烯酰胺制備類辣椒素N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺較佳工藝條件為：鄰苯二酚11.0 g(0.1 mol)，n(鄰苯二酚)∶n(N-羥甲基丙烯酰胺)=1∶2.25，氨基磺酸用量為鄰苯二酚質(zhì)量的3%，35 ℃下反應(yīng)10 d。為驗證此工藝條件，進(jìn)行5次平行實驗，結(jié)果見表3。

表3 較佳工藝條件驗證實驗

從表3可知，所得較佳工藝條件具有良好的重復(fù)性和可靠性，產(chǎn)物平均收率超過74%。

3 結(jié) 論

a.以鄰苯二酚和N-羥甲基丙烯酰胺為原料、無水乙醇為溶劑、氨基磺酸為催化劑合成類辣椒素N-(3,4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺，較優(yōu)工藝條件為：鄰苯二酚11.0 g(0.1 mol)，n(鄰苯二酚)∶n(N-羥甲基丙烯酰胺)=1∶2.25，氨基磺酸用量為鄰苯二酚質(zhì)量的3%，35 ℃下反應(yīng)10 d。產(chǎn)物收率超過74%。

b.氨基磺酸酸性與硫酸相當(dāng)，在催化鄰苯二酚與N-羥甲基丙烯酰胺反應(yīng)中具有良好的催化活性，且對設(shè)備無腐蝕，對原料及產(chǎn)品無氧化、碳化作用，環(huán)境友好。