Beckmann重排反應的綜合性實驗設計與教學應用

周建鐘，郭明，陶厚璜，鄭澤濤

浙江農(nóng)林大學化學與材料工程學院，杭州 311300

脂肪酮和芳香酮都可以與羥胺作用生成肟，肟在酸性催化劑如硫酸、五氯化磷或多聚磷酸作用下發(fā)生分子重排生成酰胺的反應稱為Beckmann重排。反應通過缺電子的氮原子進行，反應過程如圖1所示，首先酸活化酮肟中的羥基使其形成易離去基，接著，處于羥基反側(cè)的烷基帶著一對電子遷移到氮原子上，得到亞胺碳正離子(和氰基氮正離子為共振式)，水進攻碳正離子再互變異構(gòu)得到酰胺。在這個重排反應中，R的遷移與離去基團的脫離是協(xié)同進行的，重排結(jié)果是：羥基和它處于反位的基團對調(diào)位置(反式位移)[1,2]。Beckmann重排不僅可以用來測定酮的結(jié)構(gòu)，而且在有機合成，上也有實用價值。例如，環(huán)己酮肟經(jīng)Beckmann重排生成己內(nèi)酰胺，己內(nèi)酰胺開環(huán)聚合可得到聚己內(nèi)酰胺樹脂(尼龍6)，是一種性能優(yōu)良的高分子材料[1–4]。

圖1 Beckmann重排反應機理

Beckmann重排反應是有機化學的典型實驗，查閱有關(guān)文獻[4–7]以及國內(nèi)外實驗教程，其不足之處一是綜合性不夠；二是實驗細節(jié)因條件不同而產(chǎn)生不同產(chǎn)物；三是實驗過程中氣味大。通過設計改進，減少合成反應中氣味大的缺點的同時，綜合應用了有機物表征分析手段，甄別產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與特性，達到Beckmann重排反應實驗原理直觀、機理佐證完善的結(jié)果。本綜合實驗設計與實施對學生理解Beckmann重排反應理論知識和提升創(chuàng)新思維能力具有重要促進作用，顯著提高了實驗教學效果。

1 方案設計與實驗

1.1 主要試劑和儀器

采用二苯甲酮與鹽酸羥胺反應生產(chǎn)二苯甲酮肟；二苯甲酮肟在多聚磷酸催化作用下發(fā)生分子重排，生成苯甲?；桨穂4]。所用化學試劑見表1。

表1 Beckmann重排反應化學試劑

為比對原料二苯甲酮、產(chǎn)品二苯甲酮肟與重排產(chǎn)物苯甲?；桨方Y(jié)構(gòu)區(qū)別，對原料與產(chǎn)品進行表征，使用儀器見表2。

表2 實驗與表征儀器一覽

1.2 二苯甲酮肟Beckmann重排，理化性能與結(jié)構(gòu)表征

利用乙醇為溶媒，二苯甲酮與鹽酸羥胺作用生成二苯甲酮肟；二苯甲酮肟在多聚磷酸(PPA)催化作用下發(fā)生分子重排，生成苯甲?；桨穂1–4]，化學反應方程式如圖2所示。

圖2 二苯甲酮肟與苯甲?；桨返闹嘏欧磻匠淌?/p>

在該重排反應中，二苯甲酮肟在多聚磷酸催化作用下苯基遷移到缺電子的氮原子上，形成缺電子的―N＝C+―，與水締合，失去氫質(zhì)子，形成苯甲?；桨?。

1.3 原料與產(chǎn)品制備

二苯甲酮肟的制備[4]：在125 mL錐形瓶中，將2.5 g二苯甲酮及1.5 g羥胺鹽酸鹽溶解在5 mL乙醇和1 mL水中，劇烈振蕩下加入2.0 g固體氫氧化鈉，繼續(xù)震蕩5 min后，回流15 min，此時尚有少許氫氧化鈉固體存在。稍冷后，轉(zhuǎn)入一個事先裝有8 mL濃鹽酸和50 mL水的燒杯中，二苯甲酮肟即以白色粉狀結(jié)晶析出。冷卻后抽濾，用少量冷水(或冰水)洗滌，并用約20 mL乙醇重結(jié)晶。抽濾，并在濾紙上壓干，測定熔點，其余產(chǎn)品供下一步重排反應用。

二苯甲酮肟的重排：在100 mL燒杯中放入25 mL PPA和余下的二苯甲酮肟(可用未經(jīng)干燥的產(chǎn)品)，裝上回流裝置，在油浴中加熱，慢慢升溫到100 °C，重排按預期發(fā)生(小心加熱)。回流20 min后，充分攪拌下升溫至125–130 °C，保持溫度繼續(xù)回流10 min后，將黏稠液小心倒入350 mL左右冰水中，不斷攪拌，立即析出大量白色固體，抽濾，用少量冷水洗滌，并用約20 mL乙醇重結(jié)晶。所得苯甲?；桨窞榘咨槧罱Y(jié)晶。

2 結(jié)果與討論

采用熔點測定儀測定原料二苯甲酮、產(chǎn)品二苯甲酮肟、重排產(chǎn)物苯甲酰基苯胺的熔點，用Nicolet6700傅里葉紅外分光光度計測紅外光譜，Bruker 400M核磁共振波譜1H NMR測定核磁共振譜圖，將紅外光譜和核磁譜圖數(shù)據(jù)導入Origin軟件繪制譜圖，并對光譜進行解析[1,5,6]。

2.1 二苯甲酮、二苯甲酮肟、苯甲酰基苯胺產(chǎn)品形狀與熔點

二苯甲酮、二苯甲酮肟、苯甲酰基苯胺產(chǎn)品性狀與熔點見表3。

表3 原料與產(chǎn)品物理性狀一覽

由表3可見，二苯甲酮、產(chǎn)品二苯甲酮肟、重排產(chǎn)物苯甲酰基苯胺熔點有明顯差異。

2.2 二苯甲酮、二苯甲酮肟、苯甲?；桨芳t外吸收光譜表征

二苯甲酮、二苯甲酮肟的紅外光譜見圖3、圖4。觀察到在3252.99、1749.32、1440.52 cm?1處歸結(jié)為二苯甲酮芳香環(huán)內(nèi)C―H、C＝O、C＝C伸縮振動峰，而1618.26 cm?1出現(xiàn)新的峰歸結(jié)于二苯甲酮肟C＝N伸縮振動峰，同時1749.32 cm?1的峰消失，綜上所述，可以證明二苯甲酮肟復合成功。

圖3 二苯甲酮的紅外光譜圖

圖4 二苯甲酮肟的紅外光譜圖

二苯甲酮肟Beckmann重排成苯甲?；桨?，紅外光譜見圖5。3410.43、1487.83、1453.91 cm?1分別是芳香環(huán)內(nèi)C―H、C＝C、C―N伸縮振動峰，在3189.57 cm?1處出現(xiàn)新的峰歸因于―NH伸縮振動，同時1618.26 cm?1處的C＝N―特征峰消失，3233.04 cm?1出現(xiàn)新的特征峰歸結(jié)于二苯甲酮肟在多聚磷酸(PPA)催化作用下發(fā)生分子重排產(chǎn)生C＝O伸縮振動。綜上所述，可以證明苯甲基酰胺復合成功。此外，峰的吸收頻率與基團振動形式見表4。

表4 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)不同紅外峰值變化

圖5 苯甲?；桨芳t外光譜

由表4可知，―NH、―C＝N―、C＝O等為特征基團，這些基團均與二苯甲酮肟和苯甲?；桨返慕Y(jié)構(gòu)相對應。通過吸收頻率與化合物基團振動的關(guān)系，對比文獻推定結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學生判斷推理能力，以培養(yǎng)學生的科學實踐能力。

2.3 二苯甲酮、二苯甲酮肟、苯甲?；桨返暮舜挪ㄗV表征

Bruker 400 M核磁共振波譜1H NMR測定二苯甲酮的核磁共振譜圖，結(jié)果見圖6。

圖6 二苯甲酮chemdraw模擬譜圖與實驗合成的氫譜和碳譜圖

二苯甲酮肟的1H NMR和13C NMR見圖7。1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ7.78–7.71 (m, 2H)，化學位移在7.78–7.71范圍，可以推斷為相鄰的芳香環(huán)上的氫原子。而7.71–7.65 (m, 1H), 7.61–7.53 (m,2H)；為芳香環(huán)上的氫原子；此外根據(jù)13C NMR (101 MHz，DMSO)，δ：195.74 (s)，表明δ195.74可能是酮基的碳原子。136.98 (s), 132.59 (s)，129.59–129.41 (m), 128.55–128.44 (m)為芳香環(huán)上的碳原子，因此可以推斷成功合成二苯甲酮肟。

圖7 二苯甲酮肟chemdraw模擬譜圖與實驗合成的氫譜和碳譜圖

苯甲酰基苯胺的1H NMR和13C NMR見圖8。1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ7.76–7.71 (m, 2H)，表明在化學位移7.76出現(xiàn)新的峰，可以歸為苯甲酰基苯胺上的單氫原子。苯甲?；桨诽甲V13C NMR(101 MHz，DMSO)，δ：195.73 (s)，136.98 (s), 132.58 (s), 129.50 (s), 128.48 (d，J= 12.8 Hz)表明碳譜中酮基的碳原子的化學位移為195.73，與二苯甲酮肟δ195.74十分相近，表明苯甲酰基苯胺和二苯甲酮肟在結(jié)構(gòu)上存在差異，因此證實成功合成苯甲?；桨?。

圖8 苯甲酰苯胺chemdraw模擬譜圖與實驗合成的氫譜和碳譜圖

3 教學探討與實踐

3.1 Beckmann重排的課堂教學設計

在教學中，實驗室提供十余種催化劑，供學生在實驗設計中選擇，學生設計的方案通過PPT演示，在教師主導下班級同學相互進行評審、修改，然后實施實驗方案，我們在教學中收集實驗數(shù)據(jù)，匯總于表5。

表5 二苯甲酮肟Beckmann重排催化劑選擇與反應條件

采用乙腈做溶劑的方案，反應完成后，用乙酸乙酯萃取3次，合并有機層，加入飽和氯化鈉溶液洗滌，分液后，有機層用無水硫酸鈉干燥，過濾，將濾液放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸餾回收溶劑，產(chǎn)品晾干稱重，計算得率。

3.2 實驗指導中的幾個關(guān)鍵因素

采用不同催化劑，會使用不同溶劑，產(chǎn)物分離、結(jié)晶手段不同。用水或乙醇做溶劑，采用結(jié)晶的方法析出，如果溶液沒有達到過飽和狀態(tài)，產(chǎn)率會下降很多，或者得不到結(jié)晶，可采用濃縮后結(jié)晶或加入氯化鈉鹽析結(jié)晶的方式。無機催化劑采用乙腈做溶劑，反應完成后通過乙酸乙酯萃取，用無水硫酸鈉干燥，通過減壓蒸餾裝置或旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸餾溶劑[2,5]，得到產(chǎn)物，這時要重點關(guān)注壓力與蒸餾溫度。

3.3 鼓勵前沿路線設計合成

除了二苯甲酮肟與苯甲酰苯胺間的重排，也可以根據(jù)重排反應的機理，布置學生在查閱文獻的基礎(chǔ)上設計其它的Beckmann重排反應，為不同年級段本科生、研究生提出合適的教學課題。

案例1：環(huán)己酮肟與己內(nèi)酰胺的重排，重排反應方程式見圖9，通過不同的Beckmann重排反應[3,7]，以達到熟練掌握Beckmann重排反應機理，提高產(chǎn)品設計能力。

圖9 環(huán)己酮肟與己內(nèi)酰胺的Beckmann重排

案例2：阿奇霉素是由紅霉素肟經(jīng)貝克曼重排反應、還原反應和甲基化反應得到。紅霉素肟的貝克曼重排反應是阿奇霉素合成的標志性反應，通過此反應，將紅霉素的十四元環(huán)擴大為十五元環(huán)。紅霉素肟有E、Z兩種構(gòu)型，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化而達到平衡，E肟和Z肟Beckmann重排反應方程式見圖10，所用的肟都是E肟與Z肟的混合物。由于在貝克曼重排過程中，構(gòu)型不會發(fā)生變化，因此，反應后E肟重排產(chǎn)物和Z肟重排產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù)應當分別與原料中E肟和Z肟的質(zhì)量分數(shù)保持一致[7–9]。

圖10 E肟和Z肟Beckmann重排

案例3：通過文獻查閱，指導本科畢業(yè)生、鼓勵研究生設計新型的Beckmann重排反應新路線[7,8]，前沿Beckmann重排路線見表6。

表6 Beckmann重排反應前沿路線

案例1中己內(nèi)酰胺是尼龍66的主要成分，作為本科綜合設計性實驗，為適應社會現(xiàn)實需要而提出；案例2阿奇霉素醫(yī)學上用于敏感細菌所引起的感染，通過紅霉素肟的分子重排反應取得藥物分子；案例3包含多種雜環(huán)分子重排，本科畢業(yè)生或研究生選擇其中某一熱點問題進行研究，通過選題，設計路線，開展實驗研究，找出創(chuàng)新性點和應用價值，撰寫畢業(yè)論文或創(chuàng)新性論文。

不同專業(yè)不同層次的學生，在查閱文獻基礎(chǔ)上，設計合成路線，形成實驗方案， 在教師的審核后開展綜合性創(chuàng)新性實驗，視學生合成與表征的情況，指導學生寫成論文報告，其中優(yōu)質(zhì)的論文指導發(fā)表。