酸性多孔ZSM-5沸石催化二苯甲醇与酰胺的N-烷基化反应

白恩慧, 葛平金

（温州大学化学与材料工程学院，浙江 温州 325027）

酰胺的N-烷基化反应不仅是构建C-N键的重要途径之一[1]，其反应产物在合成各种相关药物、新颖生物活性化合物和精细化学品等方面也有重要作用[2]。因此，在绿色环保、简便温和的条件下实现酰胺类化合物的N-烷基化反应成为现在化学家研究的热点和难点。在之前的文献报道中，作者使用各种Lewis酸作为催化剂来实现酰胺类化合物的N-烷基化反应，例如三氟甲磺酸盐[3]，和等。然而，这些催化剂在催化酰胺N-烷基化反应中在反应活性和选择性上都有一定局限性，而且不能重复使用，对环境会造成一定的污染，违背现在提倡的绿色环保理念。虽然固体催化剂的使用可以实现催化剂的重复利用，例如杂多酸[7]，质子交换的蒙脱土[8]，在离子液体中的Amberlyst-15酸性树脂[9]。但是，这些固体催化剂在反应活性上的结果都不太理想，产物选择性不高，不能够使原子经济型发挥至极致。因此，开发一种合成成本低、对环境无污染并且能够在温和的反应条件下高效催化酰胺的N-烷基化反应的催化剂是现在研究的关键。本文以二苯甲醇1和对甲基苯磺酰胺2为底物，研究了不同酸性沸石如多孔ZSM-5、MOR和Beta作为催化剂对酰胺的N-烷基化反应的催化性能影响，筛选出该反应的最佳反应条件(式1)。

式1 对甲基苯磺酰胺的N-烷基化反应

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

所用试剂：反应中所用药品除特殊标明均为商业来源，分析纯。所用酸性沸石 HZSM-5-M，HZSM-5，HBeta和 HMOR催化剂的具体合成方法见文献[10-12]。

所用仪器：具有FID检测器的Agilent 7890B 气相色谱，美国Micromeritics ASAP 2020M吸附仪，ZF-7型(254 nm)紫外分析仪，Bruker Avance 400MHz核磁共振仪，TGL-16C型离心机，IKA磁力加热搅拌器，旋转蒸发仪。

1.2 实验过程

本文采用二苯甲醇和对甲基苯磺酰胺的反应为模板，从反应所用催化剂的种类和质量、反应环境、反应温度、反应溶剂等方面进行磺酰胺N-烷基化反应条件的筛选。常规实验步骤如下：0.3 mmol二苯甲醇、0.6 mmol对甲基苯磺酰胺和一定量的催化剂加入到10 mL反应管中，然后加入2 mL溶剂，在设定温度下的油浴中反应。反应结束后，反应体系在离心管中离心分离，取上层清液用具有FID检测器的Agilent 7890B气相色谱分析，计算反应体系中二苯甲醇转化率和产物选择性。离心得到的上层清液用旋转蒸发仪去除溶剂后以石油醚和乙酸乙酯的混合溶液为洗脱剂通过硅胶柱层析获得目标产物，目标产物的结构通过核磁数据来确定。

1.3 实验结果与讨论

表1给出的是各种沸石材料的N2吸附数据，由表征结果可知，HZSM-5-M，HZSM-5，HBeta和HMOR 4种样品的 BET表面积相差不大，HZSM-5-M和HBeta稍大于另外两种样品。然而，HZSM-5-M的外表面积和介孔孔容都远大于其他材料，微孔孔容反而较小。

表1 不同样品的N2吸附数据

图1 不同沸石样品的XRD谱图

用这4种沸石材料作为催化剂研究了其对二苯甲醇与酰胺的N-烷基化反应的催化性能影响。图1给出的是以1,2-二氯乙烷为溶剂，氮气氛围中80 °C下，对甲基苯磺酰胺的N-烷基化反应中，在四种酸性多孔沸石上二苯甲醇的转化率和产物的选择性随时间的变化曲线。由图1可知，在反应进行6 h时，HZSM-5-M作为催化剂的反应活性最好，二苯甲醇转化率和产物选择性分别是 100%和 97%，获得最好的收率。相对而言，HZSM-5、HBeta和 HMOR的催化活性都不太理想。这可能是因为HZSM-5-M的外表面积和介孔孔容较大，反应物分子能够进入其骨架孔道中与其酸性位点充分接触，从而具有较高的催化活性。HBeta的酸性高于 HZSM-5和HMOR，这可能就是HBeta的催化活性高于HZSM-5和HMOR的原因。实验结果表明，HZSM-5-M催化剂不管是对二苯甲醇的转化率还是产物的选择性都有最好的催化性能。

表2 反应条件筛选

然后，研究了以HZSM-5-M为催化剂，1,2-二氯乙烷为溶剂，催化剂质量，反应体系所处气体环境和温度对二苯甲醇转化率和产物选择性的影响(表 2)。由表 2可知，在氮气氛围中催化剂质量为10 mg时反应产物的选择性(70%)明显低于20 mg催化剂(97%)。相同质量催化剂下，反应环境对反应活性也有一定的影响，氮气氛围中反应产物的选择性稍高。反应温度对实验结果的影响非常明显，在60°C下，无论是二苯甲醇的转化率(85%)还是产物的选择性(46%)都明显低于80 °C下的反应结果。综上所述，该反应使用20 mg催化剂，在氮气氛围和80°C下反应活性最好。

表4 不同溶剂对反应活性的影响

最后，在上述最好的反应条件(20 mg HZSM-5-M为催化剂，氮气氛围中80 °C下反应6 h)下做了反应溶剂的筛选(见表3)。由实验结果可知，用1,2-二氯乙烷做溶剂，二苯甲醇转化率和产物的选择性(100%和97%)皆有较高的活性。N,N-二甲基甲酰胺和1,4-二氧六环作为溶剂时，二苯甲醇转化率(12%和 14%)均不太理想，但是N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂时产物的选择性(92%)相对较高，1,4-二氧六环(64%)相对较低。乙腈和甲苯溶剂对二苯甲醇的转化率(89%和97%)比1,2-二氯乙烷稍差，而产物选择性(36%和61%)远远低于1,2-二氯乙烷。

研究结果表明，二苯甲醇与对甲基苯磺酰胺的N-烷基化反应的最佳反应条件是以 HZSM-5-M为催化剂，1,2-二氯乙烷为溶剂，N2氛围中，80 °C下反应6 h。在最优实验条件下做了二苯甲醇1和对甲基苯甲酰胺 4的反应(式 2)，以 80%的收率获得目标产物N-二苯甲基-4-甲基苯甲酰胺5。

式2 对甲基苯甲酰胺的N-烷基化反应

3 结 论

由于酸性多孔沸石 HZSM-5-M独特的骨架结构和酸性，使其在酰胺N-烷基化反应中展现了较高的催化活性，在较温和的实验条件下实现了二苯甲醇与酰胺N-烷基化反应。通过对二苯甲醇与对甲基苯磺酰胺反应条件的筛选，确定了该反应的最佳反应条件。酸性多孔沸石HZSM-5-M作为催化剂不管是磺酰胺还是甲酰胺的 N-烷基化都有较好的实验结果，反应底物应用范围较广。

［1］Fan X, Fu L A, Li N, et al. Iron-catalyzed N-alkylation using π-activated ethers as electrophiles[J]. Organic & biomolecular chemistry, 2013,11(13): 2147-2153.

［2］Banerjee M, Poddar A, Mitra G, et al. Sulfonamide drugs binding to the colchicine site of tubulin: thermodynamic analysis of the drug-tubulin interactions by isothermal titration calorimetry[J]. Journal of medicinal chemistry, 2005, 48(2): 547-555.

［3］Qin H, Yamagiwa N, Matsunaga S, et al. Bismuth-Catalyzed Direct Substitution of the Hydroxy Group in Alcohols with Sulfonamides,Carbamates, and Carboxamides[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2007, 46(3): 409-413.

［4］Terrasson V, Marque S, Georgy M, et al. Lewis Acid-Catalyzed Direct Amination of Benzhydryl Alcohols[J]. Advanced Synthesis & Catalysis,2006, 348(15): 2063-2067.

［5］Reddy C R, Madhavi P P, Reddy A S. Molybdenum (V) chloridecatalyzed amidation of secondary benzyl alcohols with sulfonamides and carbamates[J]. Tetrahedron Letters, 2007, 48(40): 7169-7172.

［6］Shi F, Tse M K, Cui X, et al. Copper‐Catalyzed Alkylation of Sulfonamides with Alcohols[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2009, 48(32): 5912-5915.

［7］Wang G W, Shen Y B, Wu X L. Phosphotungstic acid catalyzed amidation of alcohols[J]. European Journal of Organic Chemistry, 2008,(25): 4367-4371.

［8］Motokura K, Nakagiri N, Mori K, et al. Efficient CN Bond Formations Catalyzed by a Proton-Exchanged Montmorillonite as a Heterogeneous Brønsted Acid[J]. Organic letters, 2006, 8(20): 4617-4620.

［9］Qureshi Z S, Deshmukh K M, Tambade P J, et al. Amberlyst-15 in Ionic Liquid: An Efficient and Recyclable Reagent for Nucleophilic Substitution of Alcohols and Hydroamination of Alkenes[J]. European Journal of Organic Chemistry, 2010, (32): 6233-6238.

［10］Fu W, Zhang L, Tang T, et al. Extraordinarily high activity in the hydrodesulfurization of 4, 6-dimethyldibenzothiophene over Pd supported on mesoporous zeolite Y[J]. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(39): 15346-15349.

［11］Fu W, Zhang L, Tang T, et al. Mesoporous zeolite-supported metal sulfide catalysts with high activities in the deep hydrogenation of phenanthrene[J]. Journal of Catalysis, 2015, 330: 423-433.

［12］Zhang L, Fu W, Tang T, et al. Ni 2 P clusters on zeolite nanosheet assemblies with high activity and good stability in the hydrodesulfurization of 4, 6-dimethyldibenzothiophene[J]. Journal of Catalysis, 2016, 338: 210-221.