金建青

(浙江昌海制藥有限公司，浙江 紹興 312000)

0 引言

Beckmann重排反應是指醛肟或酮肟在酸催化下生成N-取代酰胺的親核反應，該反應是由德國化學家Beckmann發(fā)現(xiàn)的.該反應在工業(yè)上有重要應用，如環(huán)己酮與羥胺反應得到環(huán)己酮肟后可重排得到己內(nèi)酰胺，此為尼龍-6的單體，目前廣泛的應用于醫(yī)療、汽車、機械、紡織等行業(yè)[1].但傳統(tǒng)強酸催化Beckmann反應不僅成本高、副產(chǎn)物多，同時會引起環(huán)境污染問題.所以尋找綠色、高效、溫和的催化劑來提高反應的產(chǎn)率，降低對環(huán)境的污染就成為了當下不可避免的問題.目前，有許多新型的催化劑被開發(fā)和應用，如多組分氧化物[2-3]、分子篩[4-5]、新型路易斯酸[6-8]、離子液體[9]、介孔材料[10]等，但仍存在著成本高、設備專用性強等問題.若使用固體酸代替?zhèn)鹘y(tǒng)路易斯酸進行催化，則對目前已有的工業(yè)生產(chǎn)裝置改造要求不高，成本相較上述催化劑更為經(jīng)濟，其中更以強酸性陽離子交換樹脂為佼佼者.

離子交換樹脂是指帶有官能團、具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、不溶性的高分子化合物，通常是球形顆粒物，且具有高活性、可反復使用，反應條件溫和，反應器不會被腐蝕，不污染環(huán)境等優(yōu)點，可代替常用酸和堿作催化劑進行酯化、水解、酯交換、水合等反應[11-13].其中，強酸性陽離子樹脂因為含有大量的強酸性基團，在溶液中容易分離出氫離子，從而呈現(xiàn)酸性，且酸性可達85%的硫酸的特性，被廣泛應用于有機合成中[14-15].本文研究芳香酮經(jīng)肟化，再在酸性樹脂催化下經(jīng)Beckmann重排生成相應的酰胺(圖1).

圖1 芳香酮經(jīng)肟化和Beckmann重排生成酰胺

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

試劑：所用試劑均為市售化學純或分析純，強酸性陽離子交換樹脂(732、D-72、全氟磺酸樹脂)為廊坊津南樹脂有限公司生產(chǎn).

儀器：9200型熔點測定儀，RE52-3旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，AVANCEⅢ傅立葉變換核磁共振波譜儀，上海天美7890氣相色譜分析儀.

1.2 酮肟制備[16]

在三口瓶中加入0.07 mol原料酮，0.10 mol鹽酸羥胺，0.12 mol乙酸鈉，12 mL無水乙醇，回流反應一段時間，氣相跟蹤反應進行，直到原料轉(zhuǎn)化率大于97%，停止反應，降溫，反應液減壓蒸干乙醇，加入30 mL氯仿，30 mL水，分層萃取，有機層干燥除去溶劑，得產(chǎn)品肟，并進行熔點和NMR結(jié)構(gòu)確認.

1.3 Beckmann重排制備酰胺

在三口瓶中加入2 g原料肟，適量催化劑和溶劑，回流反應，氣相跟蹤，過濾除去催化劑，濾液經(jīng)減壓蒸餾回收溶劑，得到產(chǎn)物酰胺粗品，用乙醇重結(jié)晶，再熔點和核磁結(jié)構(gòu)確認.

1.4 催化劑回收實驗

將得到的固體離子交換樹脂用丙酮浸泡、清洗,烘干后置于新的反應液中繼續(xù)催化重排反應.

部分中間體和產(chǎn)物的表征：

二苯甲酮：M.p.:144 ℃(lit.[17]mp143～144 ℃).1HNMR(400 MHz,DMSO):δ=7.27～7.47(m,10 H,ArH),11.36(s,1 H,NOH).13CNMR(100 MHz,DMSO):δ=127.4,128.6,128.7,128.8,129.2,129.3,133.9,137.2,155.6,172.5.GC-MS:m/z(%)=197,180(100),165,152,119,104,94,77,51.IR(KBr):3238,3044,2887,1491,1444,1328,1158,1078,996,933,919,766,731.

N-苯基-苯甲酰胺:M.p.:163～165 ℃(lit.[18]mp165～166 ℃).1HNMR(400 MHz,DMSO):δ=7.10(m,1 H,ArH),7.36(m,2 H,ArH),7.56(m,3 H,ArH),7.79(m,2 H,ArH),7.97(m,2 H,ArH),10.27(s,1 H,NH).13CNMR(100 MHz,DMSO):δ=120.8,124.1,128.1,128.8,129.1,131.9,135.4,139.6,166.0.GC-MS:m/z(%)=197,105(100),77,65,51,39.IR(KBr):3339,3047,1655,1599,1529,1437,1321,1260,1173,1078,879,749,715.

苯乙酮肟:M.p.:60 ℃(lit.[17]mp60～61 ℃).1HNMR(400 MHz,DMSO):δ=2.16(s,3 H,CH3),7.36～7.41(m,3 H,ArH),7.64～7.67(m,2 H,ArH),11.21(s,1 H,NOH).13CNMR(100 MHz,DMSO):δ=12.0,125.9,128.8,129.0,137.4,153.3.GC-MS:m/z(%)=135,118(100),103,94,77,66,51,39.IR(KBr):3250,3080,2920,1445,1370,1300,1006,925,760.

N-苯基乙酰胺:M.p.:114～115 ℃(lit.[19]mp115 ℃).1HNMR(400MHz,DMSO):δ=7.02(dd,H,J=7.2Hz,J=7.6Hz,ArH),7.28(m,2H,ArH),7.57(d,2H,J=7.6Hz,ArH),9.92(s,1H,NH).13CNMR(100MHz,DMSO):δ=24.5,119.4,123.4,129.1,139.8,168.7.GC-MS:m/z(%)=135,93(100),77,66,51,43,39,28.IR(KBr):3293,1663,1599,1557,1500,1488,1369,1323,1264,1036,1009,902,752.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應條件的篩選

首先，以二苯甲酮肟為底物對Beckmann重排反應條件進行了優(yōu)化選擇.將2 g二苯甲酮肟加入三頸瓶中，10 mL溶劑，一定質(zhì)量的酸性樹脂作催化劑，反應一段時間，TLC跟蹤，計算收率.結(jié)果如表1.

首先，對三種酸性樹脂的催化效果作了考察，分別是(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂，D-72磺酸樹脂和全氟磺酸樹脂(投料1～3)，可看出(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂對反應的促進效果較好.其次，對(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂的用量作了考察(投料4～6)，當使用和肟等量的樹脂時，效果較好.然后，對反應溶劑(投料7～9)和反應溫度(投料10～11)做了考察對比，當以乙腈為溶劑，回流溫度下(投料9)攪拌3 h，即可較好地完成重排反應.

表1 不同條件對反應的影響

投料酸性樹脂種類樹脂用量/g溶劑溫度/℃時間/h收率/%a1(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂1.5乙腈503792D-72磺酸樹脂1.5乙腈503763全氟磺酸樹脂1.5乙腈503384(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂1.5乙腈503795(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂2.0乙腈503836(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂2.5乙腈503837(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂2甲苯1103318(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂2DMSO1203799(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂2乙腈8138910(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂2乙腈2555011(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂2乙腈50465

a根據(jù)所得粗產(chǎn)品的質(zhì)量計算收率.

2.2 優(yōu)化條件下底物拓展的實驗結(jié)果

經(jīng)過上述的條件選擇優(yōu)化，得到了較佳的反應工藝：以10 mL乙腈為溶劑，反應物(2 g)與(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂催化劑(2 g)以1∶1的用量投入，在81oC下加熱回流3 h.然后，以其他的酮肟為底物，在上述條件下進行了Beckmann重排，所得結(jié)果如表2.

在上述經(jīng)過實驗優(yōu)化得到的反應條件下，即在乙腈中，以等量的強酸性陽離子交換樹脂為催化劑，考察了不同底物肟的重排反應情況.由表2可看出， 重排產(chǎn)物的收率都比較高.二苯甲酮由于兩個取代基都是苯環(huán)，所以只生成了一種結(jié)構(gòu)的肟和酰胺(投料1).苯乙酮由于苯環(huán)和乙基的空間結(jié)構(gòu)和電子效應相差較大，從GC-MS和核磁譜圖可以看出肟和酰胺都比較純凈.但當兩個芳香環(huán)不同時(投料3～5)，則生成的肟有順反兩種異構(gòu)體，相應的重排得到的酰胺也有兩種異構(gòu)體.但兩種酰胺的總收率仍然比較高.

表2 底物拓展的實驗結(jié)果

投料肟產(chǎn) 物 收率/%a

a根據(jù)所得粗產(chǎn)品的質(zhì)量計算收率.

2.3 催化劑回收使用情況

用乙腈做溶劑，(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂催化劑與反應物為1∶1的用量，且在81 ℃下，加熱回流3 h.用過后的離子交換樹脂與產(chǎn)物進行過濾分離，將得到的固體離子交換樹脂用丙酮浸泡、清洗,烘干后置于新的反應液中繼續(xù)催化重排反應.如此重復使用此催化劑得到以下數(shù)據(jù).

表3 催化劑的回收使用情況

使用次數(shù)收率/%a189288387

a根據(jù)所得粗產(chǎn)品的質(zhì)量計算收率.

即使重復使用(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂催化劑，反應的轉(zhuǎn)化率仍高于80%以上，可看出催化劑的穩(wěn)定性.

3 結(jié)論與展望

綜上所述，本文對Beckmann重排反應工藝做了研究，發(fā)現(xiàn)以(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂作催化劑(用量與酮肟質(zhì)量投料相當)，乙腈為溶劑，81 ℃下回流攪拌3 h，反應即可順利完成.(732)強酸性苯乙烯離子交換樹脂催化劑具有不溶于水、酸、堿和各種有機溶劑，回收重復使用三次活性基本不變.但是在以不同取代基的二芳基甲酮做成相應的肟，再重排成酰胺時，得到的都是順反異構(gòu)混合的肟，以及不同芳環(huán)遷移而得到兩種酰胺.希望今后能通過進一步研究催化機理以及考察其他的提純方式，得到單一異構(gòu)體的產(chǎn)物酰胺.