幾種金屬鹽催化劑對(duì)苯甲醛肟重排生成苯甲酰胺的催化作用

楊 華，盧瓊瓊，馬榮萱

(延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 延安 716000)

酰胺可看作是羧酸分子羧基中的羥基被氨基或烴氨基(-NHR或-NR2)取代而成的化合物；也可看作是氨或胺分子中氮原子上的氫被?；〈傻幕衔颷1]. 酰胺有多種制備方法，可以通過(guò)羧酸銨鹽的部分失水，或從酰鹵、酸酐、酯的氨解來(lái)制??；腈也可部分水解，停留在酰胺階段. 實(shí)驗(yàn)室通過(guò)醛(或酮)肟貝克曼反應(yīng)得到酰胺，其機(jī)理[2]是在酸作用下，肟首先發(fā)生質(zhì)子化，然后脫去一分子水，同時(shí)與羥基處于反位的基團(tuán)遷移到缺電子的氮原子上，所形成的碳正離子與水反應(yīng)得到酰胺. 然而傳統(tǒng)的貝克曼重排需要在大量的強(qiáng)酸 (如硫酸，多聚磷酸等)、高溫和脫水劑存在下才能有效地進(jìn)行. 此法反應(yīng)條件苛刻，其產(chǎn)物僅限于得到仲酰胺和叔酰胺. 最近報(bào)道的金屬催化醛肟重排則是一種有效的生成伯酰胺的合成方法. 其重排機(jī)理可解釋為首先是肟取代金屬配合物的一個(gè)陰離子，然后氧遷移、氫化、異構(gòu)形成酰胺.

目前已報(bào)道過(guò)一些用過(guò)渡金屬催化此反應(yīng)，其中包括后過(guò)渡金屬I(mǎi)n[3], Ir[3],Ag/Au[4]等,以及前過(guò)渡金屬Zn[5], Cu[6],Ni[7]等. 這些金屬催化劑中，雖已有幾種可以在溫和的條件下進(jìn)行有效的催化，然而反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題. 因此，找到一種反應(yīng)條件溫和、高效、時(shí)間短且廉價(jià)的催化劑來(lái)合成酰胺是很迫切的. 本研究以SnCl2，CdCl2，Cr(CH3COO)3，Cr(NO3)3四種金屬鹽為催化劑催化苯甲醛肟重排生成苯甲酰胺，以達(dá)到縮短反應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)產(chǎn)率的目的.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

苯甲醛(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，鹽酸羥胺(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)，氯化亞錫，乙酸鉻，硝酸鉻，氯化鎘(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)，以上試劑均為分析純. 78HW-1型恒溫磁力攪拌器(杭州儀表電機(jī)廠)， XT-4雙目顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀(北京泰克儀器有限公司)，電子分析天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)，IR Prestige-21型傅立葉紅外光譜儀(日本島津).

1.2 合成方法

1.2.1 苯甲醛肟的合成[8]

將0.1 mol苯甲醛與10 mL乙醇混合均勻，與0.15 mol鹽酸羥胺的20 mL水溶液混勻. 用飽和碳酸鈉溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液至中性，冷卻，生成油狀苯甲醛肟，用乙酸乙酯30 mL萃取三次，用無(wú)水硫酸鈉干燥，回收溶劑，得到淡黃色苯甲醛肟0.074 mol，產(chǎn)率74.2%.

1.2.2 苯甲酰胺的合成

將10 mmol苯甲醛肟和1 mmol SnCl2放入50 mL三頸瓶中，再加入20 mL甲苯溶液，加熱攪拌回流17 h，以石油醚/乙酸乙酯(體積比3∶1)為展開(kāi)劑，苯甲酰胺為對(duì)照，TLC檢測(cè)反應(yīng)，反應(yīng)完畢，用乙酸乙酯萃取，無(wú)水硫酸鈉干燥，蒸餾除去溶劑，減壓抽濾，重結(jié)晶后得到白色晶體.

合成線路如圖1所示.

圖1 苯甲酰胺的合成路線Fig.1 Synthetic route of benzamide

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)品分析

2.1.1 苯甲醛肟分析

采用紅外光譜儀測(cè)定產(chǎn)品的IR譜圖，測(cè)試條件：波數(shù)范圍500～4 000 cm-1，分辨率小于0.5 cm-1. 產(chǎn)物的IR譜圖見(jiàn)圖2.

圖2 苯甲醛肟的紅外譜圖Fig.2 Infrared spectrum of benzaldoxime

2.1.2 苯甲酰胺分析

熔點(diǎn)：125～126 ℃. 采用紅外光譜儀測(cè)定產(chǎn)品的IR譜圖，測(cè)試條件：波數(shù)范圍500～4 000 cm-1，分辨率小于0.5 cm-1. 產(chǎn)物的IR譜圖見(jiàn)圖3.

圖3 苯甲酰胺的紅外譜圖Fig.3 Infrared spectrum of benzamide

2.2 不同催化劑的選擇

按照1.2.2的實(shí)驗(yàn)方法，分別稱取1 mmol SnCl2，CdCl2，Cr(CH3COO)3，Cr(NO3)3催化苯甲醛肟重排生成苯甲酰胺，在20 h內(nèi)，以甲苯為溶劑，在110 ℃下各催化劑的催化產(chǎn)率見(jiàn)表1.

表1 催化劑的選擇Table 1 The choice of catalysts

由表1可知在相同條件下，各催化劑的催化效率不同，其中SnCl2的催化效率最高，產(chǎn)率達(dá)到22.6%，故選擇SnCl2作為催化劑進(jìn)行反應(yīng)條件的探索.

2.3 溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

按照1.2.2的實(shí)驗(yàn)方法，稱取1 mmol SnCl2催化劑，10 mmol苯甲醛肟，以甲苯為溶劑，反應(yīng)溫度分別為70 ℃，90 ℃，110 ℃，130 ℃，反應(yīng)20 h，得到的結(jié)果列于表2.

表2 溫度對(duì)產(chǎn)率的影響Table 2 Effect of temperature on the yield

由表2可知，在相同條件下，反應(yīng)溫度在110 ℃時(shí)，產(chǎn)率最高，可達(dá)到22.6 %，故選擇110 ℃為最佳反應(yīng)溫度進(jìn)行進(jìn)一步探索.

2.4 催化劑的量對(duì)產(chǎn)率的影響

按照1.2.2的實(shí)驗(yàn)方法，在110 ℃下，以甲苯為溶劑，苯甲醛肟的量為10 mmol，SnCl2的量分別為1 mmol，2 mmol，3 mmol，4 mmol，5 mmol，反應(yīng)20 h. 結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 SnCl2的量對(duì)產(chǎn)率的影響Table 3 Effect of the amount of SnCl2 on the yield

由表3可知，在110 ℃下，以甲苯為溶劑，4 mmol SnCl2催化10 mmol苯甲醛肟，產(chǎn)率最高是51.7 %，故選擇最佳催化劑的量為4 mmol.

2.5 反應(yīng)時(shí)間的確定

按照1.2.2的實(shí)驗(yàn)方法，在110 ℃，甲苯為溶劑，SnCl2的量為4 mmol，苯甲醛肟量為10 mmol的條件下，反應(yīng)分別進(jìn)行7 h，10 h，13 h，16 h，19 h，22 h，25 h. 結(jié)果如表4所示.

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響Table 4 Effect of reaction time on the yield

由表4可知在110 ℃下，以甲苯為溶劑，4 mmol SnCl2，10 mmol苯甲醛肟反應(yīng)合成苯甲酰胺，反應(yīng)進(jìn)行19 h時(shí)，產(chǎn)率最高,產(chǎn)率為57.8%，故反應(yīng)最佳時(shí)間可確定為19 h.

2.6 重復(fù)實(shí)驗(yàn)

在較適宜反應(yīng)條件下重復(fù)5次實(shí)驗(yàn)：以SnCl2催化劑4 mmol，苯甲醛肟10 mmol，反應(yīng)溫度在110 ℃，反應(yīng)進(jìn)行19 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 The experiment results of repeat reaction process

由表5中的數(shù)據(jù)可以看出，重復(fù)5次實(shí)驗(yàn)，苯甲酰胺的平均產(chǎn)率為57.6%，實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性比較好.

3 結(jié)論

(1)簡(jiǎn)單的錫鹽是醛肟轉(zhuǎn)化為一級(jí)酰胺的高效經(jīng)濟(jì)的重排反應(yīng)的常用催化劑，本研究應(yīng)用了SnCl2，CdCl2，Cr(CH3COO)3，Cr(NO3)3四種金屬鹽作為催化劑催化苯甲醛肟合成苯甲酰胺，結(jié)果表明，SnCl2具有最高的催化效率.

(2)研究進(jìn)一步以SnCl2為催化劑，分別對(duì)反應(yīng)的溫度、催化劑的量，反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行探索，確定反應(yīng)最佳條件為：n(SnCl2)∶n(苯甲醛肟) = 2∶5，在110 ℃下反應(yīng)19 h生成苯甲酰胺，產(chǎn)率達(dá)到57.6 %.

參考文獻(xiàn)：

[1] GOWDA R R, CHAKRABORTY D. FeIII-catalyzed synthesis of primary amides from aldehydes[J]. Eu J Org Chem，2011: 2226-2229.

[2] 李 倩, 嚴(yán)羅一, 夏 定.貝克曼重排反應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 有機(jī)化學(xué)，2011, 31 (12): 2034-2042.

[3] ALLEN L, WILLIAMS J M J. Metal-catalyzed approaches to amide bond formation[J]. Chem Soc Rev, 2011, 40: 3405-3415.

[4] RAMON R S, BOSSON J, GONZALE S D, et al. Au/Ag-cocatalyzed aldoximes to amides rearrangement under solvent- and acid-free conditions[J]. J Org Chem，2010, 75: 1197-1202.

[5] ALLEN L, BUREL C, WILLIAM J M J. Cost efficient synthesis of amides from oximes with indium or zinc[J]. Tetrahedr Lett, 2010, 51: 2724-2726.

[6] SHARMA S K, BISHOPP S D, LAWRENCE R, et al. Copper-catalyzed rearrangement of oximes into primary amides[J]. Tetrahedr Lett, 2011, 52: 4252-4255.

[7] ALLEN L, DAVULCU S, WILLIAMS J M J. Catalytic acylation of amines with aldehydes or aldoximes[J]. Org Lett, 2010, 22(12): 5096-5099.

[8] 樊能廷.具有給電子取代基的芳基三硝基甲烷[J]. 兵工學(xué)報(bào), 火化工分冊(cè),1983(3/4): 12.

[9] 孟令芝, 龔淑玲, 何永炳. 有機(jī)波譜分析[M]. 武漢大學(xué)出版社, 2004.

[10] 張 華. 現(xiàn)代有機(jī)波譜分析[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.