4-羟基香豆素的合成及晶体结构

聂迎芳， 史久洲， 孙 露， 卢 雯

（南京林业大学 理学院，江苏 南京 210037）

香豆素是广泛存在于自然界中的一种苯并吡喃酮为骨架的内脂类化合物[1]。由于香豆素母体上常常带有羟基、烷氧基、羰基等活性官能团，这就使得香豆素能够通过化学反应获得多种结构的衍生物[2]。香豆素作为天然产物的一种，具有较好的药理活性，例如抗癌[3]、抑菌[4]、抗炎[5]、抗氧化[6]等重要的生物活性。同时，由于香豆素具有较好的光稳定性好，Stokes位移大及光量子产率高等特点[7]，因此香豆素作为发色团而被应用在荧光传感器中[8]。

晶体结构解析是晶体学中的一个重要领域，它研究晶态物质内部在原子尺度下的微观结构。它为固体物理学、材料科学、结构化学、分子生物学、矿物学、医药学等许多学科的基础研究和应用研究提供必不可少的实验资料，使人们有可能从分子、原子以及电子分布的水平上去理解有关物质的行为规律。杂原子上含有孤对电子，不仅能够与金属离子发生配位作用，同时也是形成氢键的重要组成部分，因此关于香豆素类化合物研究大都集中在香豆素母体上引入杂环或者带有杂原子的官能团，探讨这些化合物的生物活性及荧光性质等[9]。虽然4-羟基香豆素的合成已有文献报道[10]，但是仅仅通过红外光谱、核磁共振光谱对结构进行了简单的解析，并没有通过晶体结构解析对化合物的结构进行进一步的确证。本文参照文献的方法，以2-羟基苯乙酮、碳酸二乙酯及NaH为原料合成了4-羟基香豆素，并且利用X-射线单晶衍生对其分子结构进行了分析，从而进一步拓展香豆素类化合物的晶体化学研究。

1 实验

1.1 主要仪器及试剂

Bruker AVANCE Ⅲ 600 MHz超导核磁共振光谱仪，Burker VERTEX 80V红外光谱仪，Nonius CAD4单晶衍射仪。

2-羟基苯乙酮（99%，阿拉丁试剂公司），碳酸二乙酯（99%，阿拉丁试剂公司），NaH（60%，阿拉丁试剂公司），甲苯（南京化学试剂股份有限公司，重蒸除水），HCl（分析纯，南京化学试剂股份有限公司），无水乙醇（分析纯，南京化学试剂股份有限公司）。

1.2 标题化合物的合成

参照文献[10]，将2-羟基苯乙酮（156.57 mg, 1.15 mmol）和NaH（138.00 mg, 5.75 mmol）溶解于无水甲苯中，在0℃下，缓慢滴加溶解于无水甲苯的碳酸二乙酯（135.85, 1.15 mmol），反应30 min后加热至回流，继续反应5 h。在冰浴条件下加入20 mL的去离子水，用2N的HCl调节pH至中性。沉淀物过滤，洗涤，干燥得到白色固体0.177 2 g（产率95%）。经核磁共振氢谱及红表征。1H-NMR（600 MHz, DMSO-d6）δ 12.53（s, 1H），7.83（d, J＝7.2 Hz, 1H），7.65（d, J＝7.8 Hz, 1H），7.38～7.34（m, 2H），5.60（s, 1H）。IR（KBr）：3224（O-H），3036（Ar-H），1699（C=O），1253（C-O）。

1.3 晶体结构的测定

在Nonius CAD4 X-射线单晶衍射仪上对标题化合物进行数据收集，采用经石墨单色化的MoKα（λ＝0. 071 073 nm）射线作为光源，结构用SHELXS-1997程序解析，并用SHELXL-1997程序进行校正[11]。非氢原子的坐标以及各向异性热参数均利用全矩阵最小二乘法进行最后的修正，氢原子坐标由理论加氢后，再进行各向同性修正得到。

2 结果与讨论

2.1 4-羟基香豆素晶体的培养

将4-羟基香豆素的粗产品溶解在无水乙醇中，在乙醚的氛围中，室温下通过溶剂扩散的方法培养单晶，一周后就可以得到适合单晶测试的无色透明块状晶体。

2.2 晶体结构数据

以Φ-ω方式在2.66°≤θ ≤25.37°范围内扫描，在293(2)K温度下共收集了1418个衍射点，其中独立衍射点819个。表1为标题化合物的晶体学数据，表2为标题化合物的主要键长以及键角。

表1 标题化合物的晶体学数据

（续表1）

表2 标题化合物的主要键长和键角

2.3 标题化合物的晶体结构

标题化合物的晶体结构如图1所示，该化合物结晶在单斜晶系的C2/C空间群，每个晶胞里含有8个4-羟基香豆素分子。从分子结构图可以看出，分子中香豆素母核上的碳碳键和碳氧键与文献报道的4-氨基香豆素是一致的[12]。环外的C7-O1的键长为1.346 8(39)Å，介于正常C-O（1.43 Å）单键和C=O（1.20 Å）双键之间，具有一定的双键性质。香豆素母核结构近乎理想的平面结构，其苯环与内酯环的二面角为1.434(90)°。4-位上的羟基平面C7、O1、H(1A)与香豆素母核平面的二面角为4.054(188)°。这表明4-羟基香豆素与传统的香豆素分子类似，整个分子具有很好的共轭平面性质。

图1 标题化合物的晶体结构图

由于氢键具有稳定性、方向性和饱和性，分子间氢键相互作用在材料科学和生命科学倍受关注，基于氢键自组装超分子体系是超分子体系中相对较新颖和引人注意的领域，它在化学和生物体系中都占据非常重要的位置。氢键作用力是标题化合物分子自组装的重要弱相互作用。在标题化合物的晶体结构中，存在着以H1A和H5A为受体与O2形成的双叉氢键相互作用（表3），并且通过双叉氢键形成一维链状结构（图2a）。链与链之间再进一步通过经典的O-H···O双重氢键自组装成二维网络结构（图2b）。氢键的键长键角见表3。

表3 标题化合物中的氢键相互作用

3 结论

以2-羟基苯乙酮、碳酸二乙酯为原料，先将2-羟基苯乙酮和NaH溶解于经过重蒸的甲苯中，在0℃下将溶解于甲苯的碳酸二乙酯缓慢滴加入并反应30 min，后回流反应5 h，以95%的较高产率合成了标题化合物4-羟基香豆素，利用溶液扩散的方法培养了标题化合物的单晶，并通过X-射线单晶衍射解析了该化合物的晶体结构。实验结果表明：从晶体结构可知，标题化合物分子与传统的香豆素衍生物类似，香豆素母体部分中的苯环和吡喃环基本共平面性。氢键相互作用在该化合物的超分子组装中发挥着十分重要的作用，促使该化合物分子从单分子组装成二维网络结构。

图2 标题化合物通过氢键作用沿着c轴方向形成一维链状结构（a），标题化合物的二维网络结构图（b）