强酸性阳离子交换树脂催化的Beckmann重排反应

金建青

(浙江昌海制药有限公司，浙江 绍兴 312000)

0 引言

Beckmann重排反应是指醛肟或酮肟在酸催化下生成N-取代酰胺的亲核反应，该反应是由德国化学家Beckmann发现的.该反应在工业上有重要应用，如环己酮与羟胺反应得到环己酮肟后可重排得到己内酰胺，此为尼龙-6的单体，目前广泛的应用于医疗、汽车、机械、纺织等行业[1].但传统强酸催化Beckmann反应不仅成本高、副产物多，同时会引起环境污染问题.所以寻找绿色、高效、温和的催化剂来提高反应的产率，降低对环境的污染就成为了当下不可避免的问题.目前，有许多新型的催化剂被开发和应用，如多组分氧化物[2-3]、分子筛[4-5]、新型路易斯酸[6-8]、离子液体[9]、介孔材料[10]等，但仍存在着成本高、设备专用性强等问题.若使用固体酸代替传统路易斯酸进行催化，则对目前已有的工业生产装置改造要求不高，成本相较上述催化剂更为经济，其中更以强酸性阳离子交换树脂为佼佼者.

离子交换树脂是指带有官能团、具有网状结构、不溶性的高分子化合物，通常是球形颗粒物，且具有高活性、可反复使用，反应条件温和，反应器不会被腐蚀，不污染环境等优点，可代替常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应[11-13].其中，强酸性阳离子树脂因为含有大量的强酸性基团，在溶液中容易分离出氢离子，从而呈现酸性，且酸性可达85%的硫酸的特性，被广泛应用于有机合成中[14-15].本文研究芳香酮经肟化，再在酸性树脂催化下经Beckmann重排生成相应的酰胺(图1).

图1 芳香酮经肟化和Beckmann重排生成酰胺

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

试剂：所用试剂均为市售化学纯或分析纯，强酸性阳离子交换树脂(732、D-72、全氟磺酸树脂)为廊坊津南树脂有限公司生产.

仪器：9200型熔点测定仪，RE52-3旋转蒸发仪，AVANCEⅢ傅立叶变换核磁共振波谱仪，上海天美7890气相色谱分析仪.

1.2 酮肟制备[16]

在三口瓶中加入0.07 mol原料酮，0.10 mol盐酸羟胺，0.12 mol乙酸钠，12 mL无水乙醇，回流反应一段时间，气相跟踪反应进行，直到原料转化率大于97%，停止反应，降温，反应液减压蒸干乙醇，加入30 mL氯仿，30 mL水，分层萃取，有机层干燥除去溶剂，得产品肟，并进行熔点和NMR结构确认.

1.3 Beckmann重排制备酰胺

在三口瓶中加入2 g原料肟，适量催化剂和溶剂，回流反应，气相跟踪，过滤除去催化剂，滤液经减压蒸馏回收溶剂，得到产物酰胺粗品，用乙醇重结晶，再熔点和核磁结构确认.

1.4 催化剂回收实验

将得到的固体离子交换树脂用丙酮浸泡、清洗,烘干后置于新的反应液中继续催化重排反应.

部分中间体和产物的表征：

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 结果与讨论

2.1 反应条件的筛选

首先，以二苯甲酮肟为底物对Beckmann重排反应条件进行了优化选择.将2 g二苯甲酮肟加入三颈瓶中，10 mL溶剂，一定质量的酸性树脂作催化剂，反应一段时间，TLC跟踪，计算收率.结果如表1.

首先，对三种酸性树脂的催化效果作了考察，分别是(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂，D-72磺酸树脂和全氟磺酸树脂(投料1～3)，可看出(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂对反应的促进效果较好.其次，对(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂的用量作了考察(投料4～6)，当使用和肟等量的树脂时，效果较好.然后，对反应溶剂(投料7～9)和反应温度(投料10～11)做了考察对比，当以乙腈为溶剂，回流温度下(投料9)搅拌3 h，即可较好地完成重排反应.

表1 不同条件对反应的影响

投料酸性树脂种类树脂用量/g溶剂温度/℃时间/h收率/%a1(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂1.5乙腈503792D-72磺酸树脂1.5乙腈503763全氟磺酸树脂1.5乙腈503384(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂1.5乙腈503795(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂2.0乙腈503836(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂2.5乙腈503837(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂2甲苯1103318(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂2DMSO1203799(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂2乙腈8138910(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂2乙腈2555011(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂2乙腈50465

a根据所得粗产品的质量计算收率.

2.2 优化条件下底物拓展的实验结果

经过上述的条件选择优化，得到了较佳的反应工艺：以10 mL乙腈为溶剂，反应物(2 g)与(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂催化剂(2 g)以1∶1的用量投入，在81oC下加热回流3 h.然后，以其他的酮肟为底物，在上述条件下进行了Beckmann重排，所得结果如表2.

在上述经过实验优化得到的反应条件下，即在乙腈中，以等量的强酸性阳离子交换树脂为催化剂，考察了不同底物肟的重排反应情况.由表2可看出， 重排产物的收率都比较高.二苯甲酮由于两个取代基都是苯环，所以只生成了一种结构的肟和酰胺(投料1).苯乙酮由于苯环和乙基的空间结构和电子效应相差较大，从GC-MS和核磁谱图可以看出肟和酰胺都比较纯净.但当两个芳香环不同时(投料3～5)，则生成的肟有顺反两种异构体，相应的重排得到的酰胺也有两种异构体.但两种酰胺的总收率仍然比较高.

表2 底物拓展的实验结果

投料肟产 物 收率/%a

a根据所得粗产品的质量计算收率.

2.3 催化剂回收使用情况

用乙腈做溶剂，(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂催化剂与反应物为1∶1的用量，且在81 ℃下，加热回流3 h.用过后的离子交换树脂与产物进行过滤分离，将得到的固体离子交换树脂用丙酮浸泡、清洗,烘干后置于新的反应液中继续催化重排反应.如此重复使用此催化剂得到以下数据.

表3 催化剂的回收使用情况

使用次数收率/%a189288387

a根据所得粗产品的质量计算收率.

即使重复使用(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂催化剂，反应的转化率仍高于80%以上，可看出催化剂的稳定性.

3 结论与展望

综上所述，本文对Beckmann重排反应工艺做了研究，发现以(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂作催化剂(用量与酮肟质量投料相当)，乙腈为溶剂，81 ℃下回流搅拌3 h，反应即可顺利完成.(732)强酸性苯乙烯离子交换树脂催化剂具有不溶于水、酸、碱和各种有机溶剂，回收重复使用三次活性基本不变.但是在以不同取代基的二芳基甲酮做成相应的肟，再重排成酰胺时，得到的都是顺反异构混合的肟，以及不同芳环迁移而得到两种酰胺.希望今后能通过进一步研究催化机理以及考察其他的提纯方式，得到单一异构体的产物酰胺.