酮肟Beckmann重排反應(yīng)在酰胺類化合物合成中的應(yīng)用研究

胡楨靚

（浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100）

酮及其衍生物均可與羥胺作用生成酮肟，其在催化條件下發(fā)生分子內(nèi)重排，生成相應(yīng)酰胺，該反應(yīng)稱為Beckmann重排反應(yīng)。傳統(tǒng)的Beckmann重排反應(yīng)需在強(qiáng)酸、高溫和脫水劑的條件下才能有效進(jìn)行。雖然此條件下選擇性較高，但副產(chǎn)物較多、成本較高、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，易造成環(huán)境污染。因此優(yōu)化Beckmann反應(yīng)催化條件十分重要。

本研究以二苯甲酮肟為底物，分別以PPA、H3PO4-AC2O為催化劑，探究不同溫度、催化劑用量下的Beckmann重排，并進(jìn)行條件優(yōu)化。得到最優(yōu)條件后，選取不同底物，研究反應(yīng)對(duì)各種底物的適用性及各種取代基等對(duì)反應(yīng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑

二苯甲酮（化學(xué)純）、鹽酸羥胺（分析純）、氫氧化鈉（分析純）、乙酸乙酯（分析純）、無水乙醇（分析純）、苯乙酮（分析純）、石油醚（分析純）、鹽酸（分析純）、對(duì)硝基苯已酮（分析純）、對(duì)甲基苯已酮（分析純）、H3PO4-AC2O、PPA（分析純）、氯化鋅（分析純）、DMF（分析純）、環(huán)己烷（分析純）、乙腈（特級(jí)色譜純）等。

1.1.2 儀器

IKA磁力攪拌機(jī)（RH basic2，德國IKA）、數(shù)字熔點(diǎn)儀（WRS-1B，上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司）、電子天平（ME204E，上海光正醫(yī)療儀器有限公司）、鼓風(fēng)電熱恒溫干燥箱（S.C.101-1，嘉興恒泰電熱設(shè)備有限公司）、三用紫外分析儀（WFH-203，上海精科實(shí)業(yè)有限公司）、循環(huán)水式真空泵SHZ-DIII，鞏義市予華儀器有限公司）、紅外光譜儀（470，美國尼高力儀器公司）、核磁共振波譜儀500 Ascend，德國Bruker公司）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 二苯甲酮肟的Beckmann重排

1.2.1.1 二苯甲酮肟的制備

向三口瓶中加入一定量的二苯甲酮、鹽酸羥胺、氫氧化鈉、乙醇-水混合物（體積比3∶2），蒸汽浴下攪拌回流25min，反應(yīng)結(jié)束后在冷水中冷卻10min，抽濾，干燥濾渣，稱重計(jì)算產(chǎn)率。用一定比例乙醇-水混合溶液重結(jié)晶，得產(chǎn)物進(jìn)行表征。

1.2.1.2 二苯甲酮肟的Beckmann重排

向三口瓶中加入一定量的二苯甲酮肟、催化劑、溶劑，加熱至合適溫度?；亓?，用TLC跟蹤反應(yīng)（展開劑V石油醚∶V環(huán)己烷=3∶1），然后倒入適量冰水結(jié)晶。抽濾，干燥濾渣，稱重計(jì)算產(chǎn)率。用一定比例乙醇-水混合溶液重結(jié)晶，得產(chǎn)物進(jìn)行表征。

1.2.2 其他酮肟的Beckmann重排

1.2.2.1 其他酮肟的制備

在250mL三口燒瓶中，將10g苯乙酮溶于30mL乙醇，攪拌加入8.5g鹽酸羥胺、氫氧化鈉-乙醇溶液(將9gNaOH溶于19mL水，再加入19mL95%乙醇)，全部溶解后繼續(xù)攪拌30min，放置2h以上，水浴冷卻，用鹽酸酸化反應(yīng)液至pH為2～3，倒入4倍量的冷水中，生成白色沉淀，過濾，水洗至中性，用少量石油醚洗去油質(zhì)，干燥后重結(jié)晶，即得苯乙酮肟。對(duì)硝基苯乙酮肟、對(duì)甲基苯乙酮肟制備方法同上。

1.2.2.2 其他酮肟的Beckmann重排

在以二苯甲酮肟為底物重排反應(yīng)所得最優(yōu)條件下，進(jìn)行苯乙酮肟、對(duì)硝基苯乙酮肟和對(duì)甲基苯乙酮肟的Beckmann重排反應(yīng)[1]。

2 結(jié)果與分析

2.1 二苯甲酮肟Beckmann重排反應(yīng)研究

以催化劑為主線，改變溫度、催化劑用量，進(jìn)行二苯甲酮肟Beckmann重排反應(yīng)條件優(yōu)化。

2.1.1 H3PO4-AC2O為催化劑[2]

H3PO4-AC2O為液態(tài)，可同時(shí)作催化劑和溶劑反應(yīng)。

2.1.1.1 溫度對(duì)重排反應(yīng)的影響

溫度對(duì)重排反應(yīng)影響結(jié)果如表1所示。當(dāng)T=110℃時(shí)，產(chǎn)率高達(dá)100%，但熔點(diǎn)偏低，純度較低，而T=105℃時(shí)，產(chǎn)率雖僅為91%，但熔點(diǎn)正常。因此認(rèn)為最適溫度為105℃。

表1 溫度對(duì)重排反應(yīng)的影響

2.1.1.2 催化劑用量對(duì)重排反應(yīng)的影響

H3PO4-AC2O為催化劑時(shí)，催化劑用量對(duì)重排反應(yīng)影響結(jié)果如表2所示。當(dāng)催化劑用量增加，反應(yīng)速率增大，但當(dāng)用量超過12mL時(shí)，副反應(yīng)增多，產(chǎn)率減小。因此認(rèn)為最適催化劑用量為10mL/0.5g二苯甲酮肟。

表2 H3PO4-AC2O用量對(duì)重排反應(yīng)的影響

綜上所述，H3PO4-AC2O為催化劑時(shí)，反應(yīng)最佳條件為：T=105℃，H3PO4-AC2O與二苯甲酮肟用量比為20mL/g，反應(yīng)時(shí)間25min，苯基甲酰胺產(chǎn)率可達(dá)92%，產(chǎn)物熔點(diǎn)為163.9～164.0℃。但H3PO4-AC2O混合時(shí)放出大量熱而易揮發(fā)，有強(qiáng)烈刺激性氣味，污染較大，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1.2 PPA為催化劑[3]

PPA能同時(shí)作為催化劑和溶劑反應(yīng)。

2.1.2.1 溫度對(duì)重排反應(yīng)的影響

PPA為催化劑時(shí)，溫度對(duì)重排反應(yīng)影響結(jié)果如表3所示。當(dāng)T=120℃時(shí)，產(chǎn)率達(dá)68%，雖然副反應(yīng)較多，但綜合考慮認(rèn)為最適溫度為120℃。

表3 溫度對(duì)重排反應(yīng)的影響

2.1.2.2 催化劑用量對(duì)重排反應(yīng)的影響

PPA為催化劑時(shí)，催化劑用量對(duì)重排反應(yīng)影響結(jié)果如表4所示。當(dāng)溫度升高，產(chǎn)率增加，但當(dāng)催化劑用量超過20mL時(shí)，產(chǎn)率減小。因此認(rèn)為最適催化劑用量為20mL/0.5g二苯甲酮肟。

表4 PPA用量對(duì)重排反應(yīng)的影響

綜上所述，PPA為催化劑時(shí)，反應(yīng)最佳條件為：T=120℃，PPA與二苯甲酮肟用量比為40mL/g，反應(yīng)時(shí)間25min，重排產(chǎn)物產(chǎn)率為64%。但PPA過于黏稠，難以準(zhǔn)確量取，且難以提純產(chǎn)物；有刺激性氣味，污染較大；加熱情況下?lián)]發(fā)較多，易影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1.3 小結(jié)

綜上可知，H3PO4-AC2O[V(H3PO4)： V(AC2O)=2：1]做催化劑效果更佳，最優(yōu)條件為：反應(yīng)溫度105℃，用量比為20mL/g，反應(yīng)時(shí)間25min，此時(shí)產(chǎn)率最高為92%。

2.2 其他酮肟的Beckmann重排反應(yīng)

將實(shí)驗(yàn)制得的苯乙酮肟、對(duì)硝基苯乙酮肟和對(duì)甲基苯乙酮肟在最優(yōu)條件：H3PO4∶AC2O=1∶2，T=105℃，V(H3PO4-AC2O)=20mL/g下反應(yīng)，探究其他酮肟的Beckmann重排反應(yīng)，結(jié)果如表5。從表5可知，這三種重排產(chǎn)物產(chǎn)率普遍較低，說明二苯甲酮肟為底物所適用的最優(yōu)條件并不適用于所有酮肟。

表5 其他酮肟在最優(yōu)條件下的Beckmann重排反應(yīng)結(jié)果

2.3 表征

苯甲苯酰胺、乙酰苯胺、對(duì)甲基乙酰苯胺和對(duì)硝基乙酰苯胺利用核磁共振波譜儀表征氫譜和碳譜，紅外光譜儀表征紅外譜圖，熔點(diǎn)儀測(cè)熔點(diǎn)進(jìn)行表征。

2.3.1 苯甲酰苯胺

2.3.1.1 苯甲苯酰胺的熔點(diǎn)（℃）：163.9-164.0

2.3.1.2 苯甲苯酰胺氫譜

由圖1可知，從高位移到低位移，各組氫的個(gè)數(shù)比 3：2：1：2：2：1

圖1.苯甲苯酰胺氫譜

標(biāo)記氫化學(xué)位移（ppm）

2.3.1.3 苯甲苯酰胺碳譜

圖2.苯甲苯酰胺碳譜

PPm標(biāo)記碳

2.3.1.4 苯甲苯酰胺紅外光譜

圖3.苯甲苯酰胺紅外光譜

3345.15cm-1，-NH-的振動(dòng)，因氫鍵的形成使電子云密度平均化，從而使伸縮振動(dòng)頻率降低。

3051.13 cm-1，不飽和-C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰。

1655.31cm-1，羰基-C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰。

1600.08cm-1，1578.15cm-1，苯環(huán) C=C 骨架特征吸收峰。

1322.89cm-1，-C-N的伸縮振動(dòng)吸收峰。

751.32cm-1，716.20cm-1，苯的C-H彎曲振動(dòng)（單取代）吸收峰。

2.3.2 乙酰苯胺

2.3.2.1 乙酰苯胺的熔點(diǎn)（℃）：110.1-110.1

2.3.2.2 乙酰苯胺氫譜

由圖4可知，從高位移到低位移，各組氫的個(gè)數(shù)比 1：2：2：1：3

標(biāo)記氫化學(xué)位移（ppm）

圖4.乙酰苯胺氫譜

2.3.2.3 乙酰苯胺碳譜

圖5.乙酰苯胺碳譜

PPm標(biāo)記碳

2.3.2.4 乙酰苯胺紅外光譜

3345.15cm-1，-NH-的振動(dòng)，因氫鍵的形成使電子云密度平均化，從而使伸縮振動(dòng)頻率降低。

3021.10 cm-1，不飽和-C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰。

2801.57cm-1，飽和-C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰。

1663.94cm-1，羰基-C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰。

1598.95cm-1，苯環(huán)C=C骨架特征吸收峰。

1322.81cm-1，-C-N的伸縮振動(dòng)吸收峰。

753.62cm-1，694.16cm-1，苯的C-H彎曲振動(dòng)（單取代）吸收峰。

圖6.乙酰苯胺紅外光譜

2.3.3 對(duì)甲基乙酰苯胺

2.3.3.1 對(duì)甲基乙酰苯胺的熔點(diǎn)（℃）：150.2-150.6

2.3.3.2 對(duì)甲基乙酰苯胺氫譜

由圖7可知，從高位移到低位移，各組氫的個(gè)數(shù)比 1：2：2：3：3

標(biāo)記氫化學(xué)轉(zhuǎn)移（ppm）

圖7.對(duì)甲基乙酰苯胺氫譜

2.3.3.3 對(duì)甲基乙酰苯胺碳譜

圖8 對(duì)甲基乙酰苯胺碳譜

PPm標(biāo)記碳

2.3.3.4 對(duì)甲基乙酰苯胺紅外光譜

圖9.對(duì)甲基乙酰苯胺紅外光譜

3291.72cm-1，-NH-的振動(dòng)，因氫鍵的形成使電子云密度平均化，從而使伸縮振動(dòng)頻率降低。

3066.42cm-1，不飽和-C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰。

2943.19cm-1，飽和-C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰。

1662.43cm-1，羰基-C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰。

1606.27cm-1，苯環(huán)C=C骨架特征吸收峰。

1402.35cm-1-1365.46cm-1，-CH3中C-H彎曲振動(dòng)。

1322.43cm-1，-C-N的伸縮振動(dòng)吸收峰。

821.73cm-1，苯的C-H彎曲振動(dòng)（二取代）吸收峰。

2.3.4對(duì)硝基乙酰苯胺

2.3.4.1 對(duì)硝基乙酰苯胺熔點(diǎn)（℃）：211.2-212.5

2.3.4.2 對(duì)硝基乙酰苯胺氫譜

由圖10可知，從高位移到低位移，各組氫的個(gè)數(shù)比 2：2：3：1

標(biāo)記氫化學(xué)位移（ppm）

圖10.對(duì)硝基乙酰苯胺氫譜

2.3.4.3 對(duì)硝基乙酰苯胺碳譜

圖11.對(duì)硝基乙酰苯胺碳譜

PPm標(biāo)記碳

2.3.4.4 對(duì)硝基乙酰苯胺紅外光譜

圖12.對(duì)硝基乙酰苯胺紅外光譜

3253.17cm-1，-NH-的振動(dòng)，因氫鍵的形成使電子云密度平均化，從而使伸縮振動(dòng)頻率降低。

3078.13 cm-1，不飽和-C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰。

2922.57cm-1，飽和-C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰。

1692.37cm-1，羰基-C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰。

1601.20cm-1，苯環(huán)C=C骨架特征吸收峰。

1339.06cm-1，-C-N的伸縮振動(dòng)吸收峰。

853.97cm-1，苯的C-H彎曲振動(dòng)（雙取代）吸收峰。

3 結(jié)語

根據(jù)上述研究可得，當(dāng)二苯甲酮肟為底物，H3PO4-AC2O的體積比為1∶2，H3PO4-AC2O和二苯甲酮肟的比例為20mL/g，反應(yīng)溫度為105℃，反應(yīng)時(shí)間為25min時(shí)，產(chǎn)率最高為92%。但H3PO4-AC2O的普適性較差，苯乙酮肟、對(duì)硝基苯乙酮肟、對(duì)甲基苯乙酮肟的產(chǎn)率均較低于40%。針對(duì)該實(shí)驗(yàn)可進(jìn)一步計(jì)算底物的轉(zhuǎn)化率與重排反應(yīng)的選擇性，對(duì)應(yīng)增加氣相、液相色譜分析；可在后續(xù)工作中探究其他分離方法來得到產(chǎn)物。