D?bner三組分一鍋法制備辛可芬*

向皞月，董昊翔，劉曉華，陳偉奮，陳 凱，陽 華

(中南大學化學化工學院，湖南 長沙 410083)

多組分一鍋法(Multi-component one-pot synthesis)是將三種或三種以上反應原料投到反應器中，在一定條件下進行反應，從而簡單有效合成復雜化合物的一種方法[1]。多組分一鍋法通常可以簡化分離程序、降低生產(chǎn)成本，因而被廣泛應用于藥物合成中，具有重要的應用潛力和研究價值。D?bner反應，又稱Skraup-D?bner-von Miller喹啉合成反應，是芳胺與醛和丙酮酸共熱縮合生成取代喹啉的反應[2-3]，如圖1所示。該反應是Skraup反應的一個變體，具有原料簡單易得、反應條件溫和、操作簡單、原子經(jīng)濟性高、反應選擇性好、環(huán)境友好等優(yōu)點，因而被廣泛應用于喹啉衍生物的合成。

圖1 D?bner反應

喹啉及其衍生物是一類重要的有機小分子，在醫(yī)藥、化工等領域有著廣泛的應用[4-6]。喹啉類化合物具有抗瘧疾、抗菌、抗真菌、抗哮喘、降壓、抗炎、抗血小板等活性，并且喹啉骨架廣泛存在于活性天然產(chǎn)物和合成藥物分子中。研究發(fā)現(xiàn)，喹啉是FDA批準的小分子藥物中最常見的五種芳香雜環(huán)之一[7]。除了良好的生物藥理活性，喹啉衍生物在熒光和磷光探針領域也具有重要的應用[8]。此外，喹啉類化合物作為高效的催化劑或配體，在不對稱合成催化領域也扮演著重要的角色[9]。鑒于喹啉化合物在不同領域的應用前景，喹啉骨架的構建方法一直是有機化學理論和實驗課的重要學習內容之一。

2-苯基-4-喹啉羧酸，如圖2所示，別名辛可芬(Cinchophen)，具有解熱鎮(zhèn)痛抗炎作用[10-11]，可用于急慢性關節(jié)炎、風濕痛、神經(jīng)痛、腰痛、痛風和頭痛等。由于其具有一定的肝腎毒性，該藥目前已被淘汰，但可以作為寵物用藥進行生產(chǎn)和銷售，如辛可芬-潑尼松龍復方制劑[12]。辛可芬，常溫下為淡黃色或白色結晶性粉末，可溶于乙酸乙酯、乙醇、乙醚、氯仿，幾乎不溶于水，味微苦，無臭，陽光下易變質。

圖2 辛可芬的結構式

關于辛可芬的合成方法已有較多的文獻報道，其中D?bner反應和Pfitzinger反應是合成辛可芬的兩種重要方法。Wilson等[12]發(fā)現(xiàn)靛紅和苯乙酮在堿性條件下回流16 h，然后酸化，可以較高的產(chǎn)率(87%)得到辛可芬，該方法稱為Pfitzinger反應，如圖3所示。Pfitzinger反應與D?bner反應相比，產(chǎn)率更高，然而反應時間較長(回流16 h)，不適合作為本科生實驗。

圖3 Pfitzinger反應合成辛可芬

喹啉環(huán)的構建方法是有機化學實驗和藥物化學實驗的重要學習內容。目前，大學合成化學教材所講授的喹啉構建方法是Skraup喹啉合成法，以鄰氨基苯酚、甘油和濃硫酸為原料，以硝基苯為氧化劑，制備8-羥基喹啉[13]。該反應需要使用大量濃硫酸，反應較劇烈，對本科生實驗而言存在一定的安全風險；而且產(chǎn)率受甘油的含水量影響，重現(xiàn)性較差。D?bner反應可以簡單高效合成喹啉類藥物辛可芬，反應溫和，并且原料廉價易得。我們在文獻的基礎上[14-15]，優(yōu)化了D?bner反應條件，改進了分離提純方法，以適用于本科生實驗。本實驗以廉價易得的苯甲醛、丙酮酸和苯胺為原料，在乙醇溶液中加熱回流 3 h，通過簡單萃取即可純化產(chǎn)品。本實驗可以引入到本科生化學實驗課中，替代傳統(tǒng)的Skraup反應。其有助于鞏固喹啉環(huán)構建的理論知識，提升學生喹啉化合物合成、表征和分析的能力，訓練學生利用不同化合物理化性質的差異優(yōu)化分離提純的科學思維，激發(fā)學生對化學研究的興趣。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

D?bner反應的可能機理為，如圖4所示。首先，苯甲醛1a與苯胺2a進行縮合反應，脫去一分子水生成亞胺中間體I。然后，質子化的亞胺I與丙酮酸3a發(fā)生曼尼希反應得到中間體II，隨后，通過親電取代實現(xiàn)關環(huán)。中間體III經(jīng)歷脫水和氧化可以得到最終的產(chǎn)物4a。

1.2 試劑或材料

苯甲醛(AR, ≥98.5%)，上海滬試;丙酮酸(≥96%)，上海畢得醫(yī)藥;苯胺(AR, ≥99.5%)，麥克林;三氟甲磺酸(99%)，安耐吉;(±)-10-樟腦磺酸(98%), Alfa Aesar;磷酸(AR)，成都科隆化學;濃硫酸(AR)，成都科隆化學;氫氧化鉀(AR)，恒興試劑;三氟乙酸(≥99%)，Sigma-Aldrich;對甲基苯磺酸水合物(≥99%)，安耐吉;氘代DMSO(99.8 atom%D), 寧波萃英化學技術有限公司;無水乙醇(AR)，上海滬試;石油醚，乙酸乙酯，二氯甲烷均為分析純，北京沃海環(huán)球科技有限公司;薄層色譜硅膠板(HPTLC Silica Gel 60 GF254，樂研)，柱層析硅膠(200～300目)，樂研。所有試劑均直接使用，無需進一步處理。

圖4 D?bner反應可能的反應路徑

1.3 儀 器

主要儀器有：移液槍、電子分析天平、紅外光譜儀、紫外分析儀、核磁共振儀波譜儀、真空干燥槽、磁力攪拌加熱器、旋轉蒸發(fā)儀、微波合成工作臺。

1.4 實驗步驟

1.4.1 配制溶液

1 mol/L KOH溶液：稱取5.6 g的KOH (分子量56.1， 0.1 mol)，溶解于100 mL水中，冷卻至室溫后轉移到橡膠塞的細口瓶中儲存。

1 mol/L H2SO4溶液：量取10 mL質量分數(shù)為98%的濃硫酸，在攪拌下緩慢加入到90 mL水中，配制成濃度為1 M H2SO4溶液，冷卻到室溫后轉移到細口瓶中儲存。

0.1 mol/L對甲基苯磺酸的乙醇溶液：準確稱取1.90 g一水合對甲苯磺酸(分子量190.2，0.01 mol)，在燒杯中用無水乙醇稀釋，轉移到100 mL容量瓶中，用無水乙醇定容至刻度線，轉移至具塞錐形瓶儲存。

1.4.2 預實驗

(1)D?bner反應條件優(yōu)化

25 mL圓底燒瓶中加入1.0 mmol苯甲醛、1.2 mmol苯胺、0.05 mmol催化劑(0.5 mL 配置好的對甲苯磺酸乙醇溶液)、5.0 mL乙醇，攪拌均勻后加入1.0 mmol丙酮酸，常溫下攪拌并逐漸升溫至80 ℃，回流攪拌約3 h。反應過程中通過薄層色譜監(jiān)測，展開劑選擇石油醚/乙酸乙酯(V/V=1:1)。反應完成后，冷卻到室溫后，溶液旋轉蒸發(fā)濃縮至干，以備純化?；谖墨I調研[14-15]，對反應條件進行了優(yōu)化，以適用于本科化學教學實驗。

(2)微波合成方法

微波合成是以微波能量對反應體系加熱來進行有機化學合成反應的技術，具有加熱快速、受熱均勻等優(yōu)點。本實驗對比了傳統(tǒng)加熱和微波加熱條件，可供教師選擇開展。向10 mL微波合成封管內加入1.0 mmol苯甲醛、1.2 mmol苯胺、 0.05 mmol催化劑、3 mL乙醇，攪拌均勻后加入1.0 mmol丙酮酸，常溫攪拌3 min，封口，然后將封管置于150 W微波輻射下反應6～8 min。每隔2 min使用TLC板監(jiān)測反應進程，使用石油醚/乙酸乙酯(V/V=1∶1)作為展開劑。待冷卻后，旋蒸濃縮至干，以備純化。

(3)分離純化方法

對比不同的分離純化方法：柱色譜、萃取分離和重結晶。結果表明，柱色譜和重結晶法耗時較長，并且在基礎有機化學實驗中已經(jīng)有相關的教學環(huán)節(jié)。分析反應體系中各物質pKa和溶解性的差異，可發(fā)現(xiàn)通過簡單的萃取操作應該可以實現(xiàn)較好的分離提純。萃取操作流程的設計不僅可幫助學生理解化合物理化性質的差異，鍛煉學生的科學思維，從而提高學生分析問題和解決問題的能力。萃取操作流程：將濃縮后所得粘稠油狀物或固體溶于乙酸乙酯，轉移到分液漏斗，用堿性水溶液萃取，合并水層用1 mol/L的H2SO4酸化至pH為3～4，乙酸乙酯萃取三次，合并有機相置于錐形瓶。有機相用無水硫酸鈉干燥、轉移到燒瓶內，旋蒸濃縮至干，計算產(chǎn)率。

1.4.3 實驗內容

(1)制備反應

向干燥的100 mL三口燒瓶中用移液槍加入苯甲醛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對甲基苯磺酸的乙醇溶液，隨后加入20 mL乙醇，攪拌均勻，若未溶解可適當加熱促進溶解。將0.25 mL (3.0 mmol)丙酮酸加入5.0 mL無水乙醇，通過恒壓滴液漏斗緩慢加入反應體系。在水浴或油浴加熱攪拌下先緩慢滴入約0.5 mL。升溫至80 ℃，待反應體系開始回流后，將恒壓滴液漏斗中剩余丙酮酸溶液緩慢滴入三口瓶，約10 min滴完。反應過程中，用薄層色譜每隔30 min 監(jiān)測反應進程，展開劑為石油醚∶乙酸乙酯 (V/V=1∶1)，反應產(chǎn)物Rf值為～0.6。反應過程中，溶液的顏色逐漸由淡黃變?yōu)樯铧S。反應大約3 h 后，TLC監(jiān)測顯示反應已經(jīng)進行完全，將反應體系自然冷卻至室溫。反應液旋轉蒸發(fā)濃縮至干，得到橘黃色粘稠油狀物，記錄粗產(chǎn)物重量。

(2)分離純化

粗產(chǎn)物溶解于15 mL乙酸乙酯中，轉移至分液漏斗中。用KOH水溶液(1 mol/L)萃取三次，每次約10 mL。合并水相，用H2SO4水溶液(1 mol/L)酸化至pH為3～4，然后用乙酸乙酯萃取三次，每次15 mL。合并有機相到錐形瓶，加入無水硫酸鈉干燥，然后將有機相旋轉蒸發(fā)濃縮至干，稱重，計算產(chǎn)率(如產(chǎn)物中含有少量雜質，可將所得產(chǎn)物通過乙醇-水混合溶劑體系進行重結晶，進一步純化以提高產(chǎn)物的純度)。

(3)結構表征

取約20 mg產(chǎn)物用氘代DMSO溶解，將所得產(chǎn)物進行核磁共振氫譜表征，分析氫譜數(shù)據(jù)，解析化合物結構。測定結束后加入10 μL重水進行質子交換，然后再測定核磁共振氫譜以確定活潑氫位置。取少量研磨后的固體粉末和溴化鉀混合均勻，壓片，測定所得產(chǎn)物的紅外吸收光譜。

2 結果與討論

2.1 條件優(yōu)化

基于文獻調研結果，我們對常用的有機酸和無機酸進行了篩選，最終確定對甲苯磺酸作為該反應的催化劑(表1，條件 1～6)。降低溫度，反應產(chǎn)率明顯降低(條件7)。當溫度降低至40 ℃時，則反應基本沒有發(fā)生(條件8)。由于提高反應物的濃度，可以減小萃取過程中的損失，因此在3.0 mmol規(guī)模反應時，產(chǎn)物產(chǎn)率可提高至84%(條件9)。最終，確定的最優(yōu)反應條件為：丙酮酸 (3.0 mmol)、苯胺 (1.2當量)和苯甲醛 (1.0當量)溶解于20 mL乙醇中，在80 ℃加熱回流3 h。值得注意的是，在微波條件下，反應時間可縮短至6 min，而反應產(chǎn)率并沒有明顯損失(條件10)。微波合成實驗可以作為演示實驗，幫助學生了解前沿的合成技術。

表1 反應條件優(yōu)化a

2.2 微波合成方法

對于微波反應，反應時長從3 h縮短到了6 min，并且產(chǎn)率沒有明顯的降低，因此微波反應可以大大縮短反應時長。由于微波合成儀造價較為高昂，部分學校可能并不具備開展本科生微波實驗的條件。因而，在教學過程中建議作為演示實驗開設，或者分組實驗一人做回流反應，一人做微波反應，有利于讓學生熟悉現(xiàn)代合成方法。

2.3 分離純化方法

由于辛可芬的羧酸基團與硅膠有較強的結合能力，柱層析分離對于本科生而言具有較大的難度。當溶液中雜質含量高時，重結晶方法并不適用，而多次重結晶往往造成收率降低。分析反應混合物中各物質的理化性質可知，丙酮酸、對甲苯磺酸、辛可芬為酸，而苯胺為堿。將反應混合物濃縮后溶于乙酸乙酯，用堿性水溶液萃取，可以使苯胺和苯甲醛留在有機相，而丙酮酸、對甲苯磺酸、和辛可芬以鹽的形式存在于水相，如表2所示。由于三種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，而對甲苯磺酸和丙酮酸則仍然主要以離子的形式存在。在pH為3～4時，辛可芬?guī)缀醪蝗苡谒?，因此用乙酸乙酯萃取可以實現(xiàn)辛可芬與丙酮酸、對甲苯磺酸的分離。

表2 萃取方案設計

2.4 結構表征

表征結果如下：產(chǎn)物為白色至淺黃色固體。產(chǎn)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，如圖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)，如圖6所示。核磁和紅外光譜與標準譜圖進行對照[14-15]，特征峰吻合較好，表明所得化合物為預期的產(chǎn)物。

圖5 紅外表征譜圖

圖6 核磁共振氫譜

3 結 語

本實驗總用時約6 h，可作為應用化學、制藥工程、藥學等相關專業(yè)三年級本科生的綜合性實驗。本實驗所制備的產(chǎn)物為獸用藥物辛可芬，具有較好的生物活性和應用價值。本教學實驗具有以下優(yōu)點：(1) 實驗過程操作簡單、產(chǎn)率高、反應選擇性好、原子經(jīng)濟性高，符合綠色化學的發(fā)展理念；(2)試劑廉價易得，以安全環(huán)保的乙醇為溶劑體系；(3)集有機合成和儀器分析于一體，鍛煉學生的科研創(chuàng)新能力。本教學實驗有助于學生學習和鞏固喹啉骨架的構建知識，拓展學生的知識面，訓練學生跟蹤監(jiān)測反應過程和根據(jù)化合物性質設計分離提純方法的能力，從而提高學生的科研創(chuàng)新能力。

4 創(chuàng)新性聲明

(1)反應區(qū)域選擇性好、原子經(jīng)濟性高、溶劑體系環(huán)境友好，符合綠色化學的發(fā)展理念；

(2)微波合成實驗作為演示實驗，有助于學生了解合成化學前沿技術；

(3)實驗內容豐富，集有機合成和儀器分析于一體的研究探索型實驗；

(4)踐行科教融合，引領學生瞄準科研前沿，拓展科研思維，激發(fā)化學研究興趣。