氨基磺酸催化合成类辣椒碱N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺

岳金方，周月芹，王雪源，罗志臣，雍达明，呙茗婕，侯海超

(1.扬州工业职业技术学院化学工程学院，江苏 扬州 225127；2.吉林省吉林市江北机械厂中学化学教研室，吉林 吉林 132021)

辣椒碱也称辣椒素或辣素，是一种结构稳定含香草酰胺的生物碱，最早于1876年由Thresh从辣椒中提取出来的具有辣味的物质[1-2]。辣椒碱具有消炎、镇痛、杀菌、止痒等多种药理作用，在医药、农药、食品添加剂等领域具有很好的应用前景，同时还可以用于船舶防腐涂漆添加剂等[3-5]。其制备方法主要有天然产物提取法、生物细胞培养制取法和化学合成法3种。从辣椒等辛辣天然植物中提取辣椒碱具有原料易得和生产成本较低等优点，但同时也存在产品分离困难、纯度不高等缺点；生物细胞培养法的缺点是对于细胞培养、培养液提取分离等技术要求严格，不适合大规模生产使用；化学合成法因具有原料易得、产品收率和纯度较高等特点而备受研究者关注[5]。N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺是一种新型合成辣椒碱[6]，通常以邻苯二酚和N-羟甲基丙烯酰胺发生Friedel-Crafts反应来制备。本工作在文献[6-7]的基础上采用氨基磺酸为催化剂合成N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺，由于氨基磺酸对设备的腐蚀性和环境破坏性较小，所以该路线更适合工业化生产选用。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

邻苯二酚，分析纯，阿拉丁试剂有限公司；N-羟甲基丙烯酰胺、无水乙醇，分析纯，成都艾科达化学试剂有限公司；氨基磺酸，分析纯，上海国药集团。

DF-1型集热式磁力加热搅拌器，上海红星仪器有限公司;AVANCE Ⅲ 400M核磁共振波谱仪(DMSO-d6为溶剂，600 Hz，TMS)，瑞士Bruker公司；670-IR+610-IR型傅里叶变换红外吸收光谱仪，美国Varian公司。

1.2 实验方法

将一定比例的邻苯二酚和N-羟甲基丙烯酰胺分别溶于无水乙醇中，完全溶解后,转移到100 mL四口烧瓶中。在搅拌下，向四口烧瓶置中分批加入一定质量的催化剂，缓慢加热到设定温度后反应一定时间。将反应液冷却到15 ℃以下，减压过滤，用乙醇洗涤固体3次，50 ℃下真空干燥2～3 h得白色固体，即为目标产物类辣椒碱N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺。称重、计算产率。

2 结果与讨论

2.1 产物表征

2.1.1 IR

图1为产物的红外光谱(KBr压片法)。

由图1可以看出，3 402.74 cm-1是羟基O—H伸缩振动峰，3 289.77 cm-1处为N—H伸缩振动峰，3 89.85 cm-1为烯烃C=C—H弯曲振动峰，1 657.73 cm-1为C=O伸缩振动峰，1 609.95、1 561.73、1 528.27、1 458.97 cm-1为苯环骨架C=C伸缩振动峰，1 289.45 cm-1为酚羟基C—O伸缩振动峰，966.21 cm-1为端烯烃特征峰。

图1 产物的IR谱

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 催化剂的选择

该反应为邻苯二酚芳环上发生Friedel-Crafts烷基化反应，以醇为烷基化试剂时，常用HF、H2SO4、H3PO4等质子酸为催化剂[8]。在前期探索工作基础上，固定邻苯二酚用量11.0 g(0.1 mol)，N-羟甲基丙烯酰胺用量25.3 g(0.25 mol)，催化剂用量0.3 g，40 ℃下反应11 d，考察不同催化剂对产物收率的影响,结果见表1。

表1 不同催化剂对产品收率的影响

从表1可知：AlCl3催化性能较低，这可能是由于AlCl3可与反应物邻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，以下实验选择NH2SO3H催化剂。

2.3 反应条件对产物收率的影响

2.3.1 反应物摩尔比

固定条件：邻苯二酚11.0 g(0.1 mol)，NH2SO3H 0.3 g，40 ℃下反应11 d。改变N-羟甲基丙烯酰胺的用量，考察反应物摩尔比对产物收率的影响，结果见图2。

从图2可以看出，随着N-羟甲基丙烯酰胺用量的增加，产物收率逐渐升高，当N-羟甲基丙烯酰胺与邻苯二酚摩尔比超过2.25后，产物收率提高不显著，故选取较佳摩尔比为2.25。

图2 反应物摩尔比对产物收率的影响

2.3.2 催化剂用量

固定条件：邻苯二酚11.0 g(0.1 mol)，N-羟甲基丙烯酰胺22.7 g(0.225 mol)，40 ℃下反应11 d。改变NH2SO3H用量，考察催化剂用量对产品收率的影响，结果见图3。

图3 NH2SO3H用量对产品收率的影响

由图3可以看出，氨基磺酸对于本反应具有较好的催化活性，加大催化剂用量，产物收率显著提高，当催化剂与邻苯二酚的质量比超过0.03(即催化剂用量为邻苯二酚质量的3%)以后，产物收率不再提高。所以，选择催化剂适宜用量为邻苯二酚质量的3%。

2.3.3 反应温度

固定条件：邻苯二酚11.0 g(0.1 mol)，N-羟甲基丙烯酰胺22.7 g(0.225 mol)，催化剂NH2SO3H用量0.33 g，反应时间11 d。改变反应温度，考察不同反应温度对产品收率的影响，结果见表2。

表2 反应温度对产品收率的影响

从表2可知，随着反应温度放热升高，产物收率明显增加，但当温度达到45 ℃后，收率反而下降，这可能是由于提高反应温度，不仅提高了主反应的速率，同时也增加了邻苯二酚被氧化等副反应的速率。在35 ℃和40 ℃下，产物收率相近，但40 ℃下产物颜色略有黄色，故选择适宜反应温度为35 ℃。

2.3.4 反应时间

固定条件：邻苯二酚11.0 g(0.1 mol)，N-羟甲基丙烯酰胺22.7 g(0.225 mol)，催化剂NH2SO3H用量0.33 g，反应温度35 ℃。改变反应时间，考察反应时间对产品收率的影响，结果见图4。

图4 反应时间对产品收率的影响

从图4可以看出，产物收率随反应时间的延长而升高，但当超过10 d以后，收率提高不显著，而超过14 d时，收率不升反降，这可能是副反应增加的缘故。故选取适宜反应时间为10 d。

2.4 验证实验

综上可知，氨基磺酸催化下由邻苯二酚与N-羟甲基丙烯酰胺制备类辣椒素N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺较佳工艺条件为：邻苯二酚11.0 g(0.1 mol)，n(邻苯二酚)∶n(N-羟甲基丙烯酰胺)=1∶2.25，氨基磺酸用量为邻苯二酚质量的3%，35 ℃下反应10 d。为验证此工艺条件，进行5次平行实验，结果见表3。

表3 较佳工艺条件验证实验

从表3可知，所得较佳工艺条件具有良好的重复性和可靠性，产物平均收率超过74%。

3 结 论

a.以邻苯二酚和N-羟甲基丙烯酰胺为原料、无水乙醇为溶剂、氨基磺酸为催化剂合成类辣椒素N-(3,4-二羟基-6-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺，较优工艺条件为：邻苯二酚11.0 g(0.1 mol)，n(邻苯二酚)∶n(N-羟甲基丙烯酰胺)=1∶2.25，氨基磺酸用量为邻苯二酚质量的3%，35 ℃下反应10 d。产物收率超过74%。

b.氨基磺酸酸性与硫酸相当，在催化邻苯二酚与N-羟甲基丙烯酰胺反应中具有良好的催化活性，且对设备无腐蚀，对原料及产品无氧化、碳化作用，环境友好。