黄言吉，刘斌阳，余敏，林敏，周金梅,＊，林丽榕,＊
1厦门大学化学化工学院，福建 厦门 361005
2厦门大学化学国家级实验教学示范中心，福建 厦门 361005
香豆素是邻羟基肉桂酸的内酯，含有苯并吡喃的基本骨架。香豆素及其衍生物在自然界中广泛存在并具有许多应用，例如作为抗凝剂、抗氧化剂、荧光探针、抑制剂、抗生素等等，具有广阔的研究前景[1,2]。Knoevenagel缩合反应是羰基化合物与活性亚甲基化合物的脱水缩合反应，广泛用于碳碳双键的形成，是合成香豆素骨架的有效方法之一[3]。
香豆素-3-羧酸的制备是一个经典的实验，国内许多高校实验教科书均有涉及[4,5]。一般是以水杨醛和丙二酸二乙酯为原料，在哌啶催化下加热回流2 h，先得到香豆素-3-羧酸乙酯，再经碱水解15 min、酸化后得到香豆素-3-羧酸。该方法须经两步反应才能得到目标产物，且使用了易制毒、气味大、腐蚀性强的哌啶为催化剂，不符合绿色化学理念；
内容仅包含“制备、分离纯化”两个步骤，缺乏产物应用的相关实验，对学生科学素养、应用能力与创新能力的培养不够，难以满足现代有机化学实验教学的要求[6-8]。
基于这些问题与要求，我们通过文献调研发现，用水杨醛和米氏酸为原料，在水相中加热回流10 h，一步反应可得到香豆素-3-羧酸，产率93%[9]。另有文献[10]报道，用同样的方法于75 °C反应2 h，产率84%。我们对文献报道的反应条件进行探索，发现在90 °C水浴下搅拌反应30 min，产率即可达到82%。通过改变底物，以相似的方法合成了7-(二乙氨基)香豆素-3-羧酸。基于香豆素-3-羧酸与其衍生物的配位性质和荧光性质，设想香豆素-3-羧酸与7-(二乙氨基)香豆素-3-羧酸能够与稀土离子配位，通过“天线效应”将吸收的能量传递给稀土离子，诱导稀土离子的特征荧光[11]。因此，对香豆素-3-羧酸和7-(二乙氨基)香豆素-3-羧酸与Eu3+的能量转移进行定性分析、定量分析与计算验证。实验涵盖有机化学、配位化学、分析化学、计算化学等多个二级学科知识，具有较强的学科交叉性质，可以培养学生的综合应用能力与绿色化学理念。
1.1 实验原理
改进后的实验反应示意图如图1所示。
图1 反应示意图
反应机理[12]如图2所示。
米氏酸的pKa为4.97[13]，具有较强的酸性，在水中可以电离出质子，形成碳负离子。碳负离子进攻水杨醛的羰基，经Knoevenagel缩合反应得到含碳碳双键的中间体，该中间体的羟基氧进攻分子内酯基，消除一分子丙酮并经过质子转移得到最终产物香豆素-3-羧酸。
图2 反应机理示意图
在稀土离子的激发光谱中，其f-f跃迁通常为宇称禁阻，导致紫外光区消光系数小。有机配体(如芳香羧酸)在紫外光区有较强的吸收，与稀土离子配位可有效传递能量，使稀土配合物发射稀土离子的特征荧光。该现象称为天线效应(稀土敏化发光)[10]。以密度泛函理论(DFT)方法采用B3LYP/6-311+G(d,p)泛函和基组优化香豆素-3-羧酸与7-(二乙氨基)香豆素-3-羧酸的结构至收敛无虚频，而后采用相同的方法用含时密度泛函理论(TD-DFT)分别计算香豆素-3-羧酸与7-(二乙氨基)香豆素-3-羧酸的激发态能量，找出其最低三重态能级(T1)能量，与Eu3+(5D0)的发射能级能量比较[14]。
1.2 实验试剂
实验所用试剂如表1所示。
表1 实验所用试剂信息
1.3 实验仪器
实验所用仪器如表2所示。
表2 实验所用仪器信息
1.4 实验步骤
1.4.1 制备部分
1.4.1.1 香豆素-3-羧酸的制备
在25 mL圆底烧瓶中加入0.75 g米氏酸(5.2 mmol)、0.50 mL水杨醛(4.7 mmol)、4 mL水与磁搅拌子，安装球形冷凝管，于90 °C水浴中搅拌反应30 min，有白色沉淀析出。冷却至室温，抽滤，用少量体积比为1 : 1乙醇-水溶液洗涤，干燥。产量0.73 g，产率82%，熔点190-191 °C。
1.4.1.27-(二乙氨基)香豆素-3-羧酸的制备
在25 mL圆底烧瓶中加入0.75 g米氏酸(5.2 mmol)、0.90 g 4-(二乙氨基)水杨醛(4.7 mmol)、2 mL无水乙醇、2 mL水与磁搅拌子，安装球形冷凝管，于90 °C水浴中搅拌反应30 min，有橙色沉淀析出。冷却至室温，抽滤，用少量体积比为1 : 1乙醇-水溶液洗涤，干燥。产量0.94 g，产率77%，熔点225-226 °C。
1.4.2 性质探索
1.4.2.1 溶液的配制
溶液配制：溶液1 (5 ×10-5mol·L-1EuCl3)；
溶液2 (5 ×10-5mol·L-1香豆素-3-羧酸(coumarin-3-carboxylic acid，C3CA))；
溶液3 (5 × 10-5mol·L-17-(二乙氨基)香豆素-3-羧酸(7-(diethylamino)coumarin-3-carboxylic acid，7-DCCA))；
溶液4 (1.5 × 10-4mol·L-1C3CA与5 × 10-5mol·L-1EuCl3混合液)；
溶液5 (1.5 × 10-4mol·L-17-DCCA与5 × 10-5mol·L-1EuCl3混合液)；
以上溶液均使用乙醇配制。
1.4.2.2 荧光定性分析
在365 nm紫外灯下，观察以上溶液荧光，观察并记录现象。
1.4.2.3 荧光定量分析
设置荧光光谱仪仪器参数如下：
Data mode：Fluorescence；
Scan time：1200 s；
EX WL：365.0 nm；
EM WL：365.0-700.0 nm；
Delay：0.0 s；
EX Slit：2.5 nm；
EM Slit：5.0 nm；
PMT Voltage：700 V；
Response：0.002 s。
移取3.0 mL混合液于荧光池中，测量光强随波长变化的曲线。测量完毕后保存，并用Origin软件处理数据。
1.4.2.4 计算化学验证
分子结构初始模型可以在英国剑桥晶体结构数据库(https://www.ccdc.cam.ac.uk/structures/)下载cif文件，也可以用Chemdraw创建分子结构，用Chem3D运行选择能量最低的构象后，用Gaussview写输入文件。使用Gaussian 09软件中密度泛函理论B3LYP/6-311+G(d,p)方法优化C3CA与7-DCCA在乙醇溶剂中的结构。溶剂模型使用软件默认的连续极化介质模型(PCM)，同时计算它们的频率，至收敛无虚频可确定结构处于最低能量；
用含时密度泛函理论采用相同的泛函和基组分别计算二者在乙醇溶剂中前50个激发态的能量，找出最低第一激发单重态(S1)与第一激发三重态(T1)能级的能量，并与Eu3+离子的5D0能级能量进行对比。
2.1 实验结果
我们在文献[9,10]的基础上对反应条件进行探索，结果见表3。从表3可以看出，水浴温度固定90 °C，随反应时间增加，产率明显提高，30 min即可达到82%。再延长反应时间，产率提高不明显，因此以反应30 min为宜；
反应时间固定30 min，温度过低，反应无法进行；
当水浴温度升至60 °C时，反应速度明显加快，并且随着反应温度的升高产率明显提高。综合考虑，我们认为合成香豆素-3-羧酸比较适宜的条件是以水杨醛和米氏酸为原料，水为溶剂，90 °C水浴中搅拌反应30 min。
另外通过改变底物，以相似的方法合成了7-(二乙氨基)香豆素-3-羧酸，产率77%。
表3 反应条件优化
2.2 光谱表征
C3CA：1H NMR (400 MHz, CDCl3)：δ 12.24 (bs, 1H), 8.95 (s, 1H), 7.85-7.72 (m, 2H), 7.55-7.43(m, 2H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 164.22, 162.53, 154.72, 151.63, 135.90, 130.64, 126.40, 118.61,117.35, 115.04。FT-IR (KBr, cm-1)：3421 (m, O―H), 3056 (w, ArH), 2928, 2780 (C―H), 1744, 1683 (s,C＝O), 1609, 1568 (s, C＝C), 1420 (s, C―O), 1373 (m, C―C), 882, 831, 801, 770 (m, Ph-H)。
7-DCCA：1H NMR (500 MHz, DMSO-d6)：δ 12.50 (bs, 1H), 8.57 (s, 1H), 7.62 (d, J = 9.0 Hz, 1H),6.78 (dd, J = 9.0 Hz, 2.4 Hz, 1H), 6.55 (d, J = 2.2 Hz, 1H), 3.47 (d, J = 7.1 Hz, 4H), 1.13 (t, J = 4.0 Hz,6H)。13C NMR (125 MHz, DMSO-d6) δ 164.46, 159.58, 157.86, 152.89, 149.41, 131.82, 110.03, 107.37,107.11, 95.90, 44.38, 12.29。FT-IR (KBr, cm-1)：3450 (m, O―H), 3096 (w, ArH), 2976, 2936 (C―H),1737, 1665 (s, C＝O), 1619, 1577, 1513 (s, C＝C), 1450 (s, C―O), 1404, 1266 (m, C―C), 830, 804, 774(m, Ph―H)。
2.3 荧光定性分析
在365 nm紫外灯下，溶液1基本不发光、溶液2呈蓝紫光、溶液3呈蓝光、溶液4呈红光、溶液5呈黄绿色光，如图3所示。
图3 5种溶液在365 nm紫外光下的发射情况
2.4 荧光定量分析
固定Eu3+的浓度为5 × 10-5mol·L-1，改变C3CA与7-DCCA的浓度，得到的发射曲线如图4所示。随着体系中C3CA与7-DCCA浓度的增加，发射强度均显著增大。在C3CA与Eu3+的混合溶液中，在590 nm与615 nm处出现了明显的Eu3+5D0→7F1、5D0→7F2特征发射峰，表明C3CA可以与Eu3+发生有效的能量转移。而7-DCCA与Eu3+的混合溶液中，没有出现Eu3+的特征发射峰，仅出现配体7-DCCA因稀土离子配位作用而红移的发射峰，表明7-DCCA难以与Eu3+发生有效的能量转移。
2.5 计算化学验证
根据TD-DFT的B3LYP/6-311+G(d,p)计算结果，C3CA在乙醇溶液中的最低三重态能级(T1)为22156 cm-1，高于Eu3+(17286 cm-1)的发射能级(5D0)，其能级差为4870 cm-1，处于稀土离子最佳天线效应配体的能级差值内(2500-5000 cm-1)，因此C3CA可以有效传递能量，敏化Eu3+发光，使溶液4在590 nm和615 nm处分别发射出Eu3+的5D0→7F1和5D0→7F2的荧光。由于C3CA不能发生完全的能量转移，在410 nm处仍残留部分荧光发射，因此溶液的实际颜色为混合后“品红”色的荧光[14]。而7-DCCA的最低三重态能级(T1)为17691 cm-1，与Eu3+发射能级能量几乎相等，因此难以发生有效的能量转移，且7-DCCA与稀土离子的配位导致其发射波长发生红移，因此溶液5只发射7-DCCA的荧光。
图4 C3CA (左)和7-DCCA (右)与Eu3+的混合溶液在365 nm紫外光下的发射情况
图5 C3CA、7-DCCA与Eu3+能级比较示意图
我们对香豆素-3-羧酸的制备实验进行了改进和拓展：用米氏酸代替丙二酸二乙酯，以水为溶剂，反应时间短、步骤少，无需使用哌啶，符合绿色化学理念；
探究制备香豆素-3-羧酸的最优条件，改变底物实现了7-(二乙氨基)香豆素-3-羧酸的合成；
多色荧光现象直观明了，提高实验趣味性，激发学生进一步探索的兴趣；
综合配位与荧光性质，培养学生知识综合运用能力。可以根据学时、学生实验能力以及学校所具有的设备条件，对实验内容进行调整。例如，只安排制备实验与可视化荧光定性分析，即可在4学时内完成相关内容；
有条件的学校可以再增加荧光定量分析，计算验证可以安排在课外自行完成，即可在12学时内完成实验。
本实验涉及Knoevenagel缩合反应、羰基α-H酸性、稀土元素化学、荧光性质等多个不同学科的重要知识点，内容具有创新性、设计性、综合性，具有很好的教学意义；
通过教师引导学生学习、思考、探究，改变传统“照方抓药”的教学方式；
实验模块性强，教师可根据实际需要选择组合，既可以作为基础有机化学实验，也可以作为基础型综合化学实验，适合各层次、各专业学生的本科实验教学；
制备与定性分析不需要昂贵的药品、复杂的仪器设备与繁琐的操作，具有较强的教学可行性与较高的推广价值。
致谢：感谢厦门大学化学化工学院任艳平教授、张慧君教授等老师和厦门大学化学国家级实验教学示范中心技术人员的帮助和指导。
猜你喜欢香豆素羧酸能级“拼、抢、快、优”，展现钱塘“高能级”担当杭州(2023年3期)2023-04-03吡啶-2-羧酸铬的制备研究云南化工(2021年10期)2021-12-21搅拌对聚羧酸减水剂分散性的影响建材发展导向(2021年24期)2021-02-12提升医学教育能级 培养拔尖创新人才复旦学报(医学版)(2020年3期)2020-06-18纠缠Ξ-型三能级原子与纠缠腔场相互作用熵的纠缠演化原子与分子物理学报(2020年5期)2020-03-171-［(2-甲氧基-4-乙氧基)-苯基］-3-(3-(4-氧香豆素基)苯基)硫脲的合成农药科学与管理(2019年8期)2019-11-23枳中异戊烯基化的黄酮及香豆素类成分天然产物研究与开发(2018年10期)2018-11-06GPR35受体香豆素类激动剂三维定量构效关系研究天然产物研究与开发(2018年6期)2018-07-09香豆素类化合物的抑菌活性研究天然产物研究与开发(2018年2期)2018-04-04复合羧酸镧对PVC热稳定作用研究中国塑料(2014年1期)2014-10-17