Beckmann重排反应的综合性实验设计与教学应用

周建钟，郭明，陶厚璜，郑泽涛

浙江农林大学化学与材料工程学院，杭州 311300

脂肪酮和芳香酮都可以与羟胺作用生成肟，肟在酸性催化剂如硫酸、五氯化磷或多聚磷酸作用下发生分子重排生成酰胺的反应称为Beckmann重排。反应通过缺电子的氮原子进行，反应过程如图1所示，首先酸活化酮肟中的羟基使其形成易离去基，接着，处于羟基反侧的烷基带着一对电子迁移到氮原子上，得到亚胺碳正离子(和氰基氮正离子为共振式)，水进攻碳正离子再互变异构得到酰胺。在这个重排反应中，R的迁移与离去基团的脱离是协同进行的，重排结果是：羟基和它处于反位的基团对调位置(反式位移)[1,2]。Beckmann重排不仅可以用来测定酮的结构，而且在有机合成，上也有实用价值。例如，环己酮肟经Beckmann重排生成己内酰胺，己内酰胺开环聚合可得到聚己内酰胺树脂(尼龙6)，是一种性能优良的高分子材料[1–4]。

图1 Beckmann重排反应机理

Beckmann重排反应是有机化学的典型实验，查阅有关文献[4–7]以及国内外实验教程，其不足之处一是综合性不够；二是实验细节因条件不同而产生不同产物；三是实验过程中气味大。通过设计改进，减少合成反应中气味大的缺点的同时，综合应用了有机物表征分析手段，甄别产物结构与特性，达到Beckmann重排反应实验原理直观、机理佐证完善的结果。本综合实验设计与实施对学生理解Beckmann重排反应理论知识和提升创新思维能力具有重要促进作用，显著提高了实验教学效果。

1 方案设计与实验

1.1 主要试剂和仪器

采用二苯甲酮与盐酸羟胺反应生产二苯甲酮肟；二苯甲酮肟在多聚磷酸催化作用下发生分子重排，生成苯甲酰基苯胺[4]。所用化学试剂见表1。

表1 Beckmann重排反应化学试剂

为比对原料二苯甲酮、产品二苯甲酮肟与重排产物苯甲酰基苯胺结构区别，对原料与产品进行表征，使用仪器见表2。

表2 实验与表征仪器一览

1.2 二苯甲酮肟Beckmann重排，理化性能与结构表征

利用乙醇为溶媒，二苯甲酮与盐酸羟胺作用生成二苯甲酮肟；二苯甲酮肟在多聚磷酸(PPA)催化作用下发生分子重排，生成苯甲酰基苯胺[1–4]，化学反应方程式如图2所示。

图2 二苯甲酮肟与苯甲酰基苯胺的重排反应方程式

在该重排反应中，二苯甲酮肟在多聚磷酸催化作用下苯基迁移到缺电子的氮原子上，形成缺电子的―N＝C+―，与水缔合，失去氢质子，形成苯甲酰基苯胺。

1.3 原料与产品制备

二苯甲酮肟的制备[4]：在125 mL锥形瓶中，将2.5 g二苯甲酮及1.5 g羟胺盐酸盐溶解在5 mL乙醇和1 mL水中，剧烈振荡下加入2.0 g固体氢氧化钠，继续震荡5 min后，回流15 min，此时尚有少许氢氧化钠固体存在。稍冷后，转入一个事先装有8 mL浓盐酸和50 mL水的烧杯中，二苯甲酮肟即以白色粉状结晶析出。冷却后抽滤，用少量冷水(或冰水)洗涤，并用约20 mL乙醇重结晶。抽滤，并在滤纸上压干，测定熔点，其余产品供下一步重排反应用。

二苯甲酮肟的重排：在100 mL烧杯中放入25 mL PPA和余下的二苯甲酮肟(可用未经干燥的产品)，装上回流装置，在油浴中加热，慢慢升温到100 °C，重排按预期发生(小心加热)。回流20 min后，充分搅拌下升温至125–130 °C，保持温度继续回流10 min后，将黏稠液小心倒入350 mL左右冰水中，不断搅拌，立即析出大量白色固体，抽滤，用少量冷水洗涤，并用约20 mL乙醇重结晶。所得苯甲酰基苯胺为白色针状结晶。

2 结果与讨论

采用熔点测定仪测定原料二苯甲酮、产品二苯甲酮肟、重排产物苯甲酰基苯胺的熔点，用Nicolet6700傅里叶红外分光光度计测红外光谱，Bruker 400M核磁共振波谱1H NMR测定核磁共振谱图，将红外光谱和核磁谱图数据导入Origin软件绘制谱图，并对光谱进行解析[1,5,6]。

2.1 二苯甲酮、二苯甲酮肟、苯甲酰基苯胺产品形状与熔点

二苯甲酮、二苯甲酮肟、苯甲酰基苯胺产品性状与熔点见表3。

表3 原料与产品物理性状一览

由表3可见，二苯甲酮、产品二苯甲酮肟、重排产物苯甲酰基苯胺熔点有明显差异。

2.2 二苯甲酮、二苯甲酮肟、苯甲酰基苯胺红外吸收光谱表征

二苯甲酮、二苯甲酮肟的红外光谱见图3、图4。观察到在3252.99、1749.32、1440.52 cm−1处归结为二苯甲酮芳香环内C―H、C＝O、C＝C伸缩振动峰，而1618.26 cm−1出现新的峰归结于二苯甲酮肟C＝N伸缩振动峰，同时1749.32 cm−1的峰消失，综上所述，可以证明二苯甲酮肟复合成功。

图3 二苯甲酮的红外光谱图

图4 二苯甲酮肟的红外光谱图

二苯甲酮肟Beckmann重排成苯甲酰基苯胺，红外光谱见图5。3410.43、1487.83、1453.91 cm−1分别是芳香环内C―H、C＝C、C―N伸缩振动峰，在3189.57 cm−1处出现新的峰归因于―NH伸缩振动，同时1618.26 cm−1处的C＝N―特征峰消失，3233.04 cm−1出现新的特征峰归结于二苯甲酮肟在多聚磷酸(PPA)催化作用下发生分子重排产生C＝O伸缩振动。综上所述，可以证明苯甲基酰胺复合成功。此外，峰的吸收频率与基团振动形式见表4。

表4 产物结构不同红外峰值变化

图5 苯甲酰基苯胺红外光谱

由表4可知，―NH、―C＝N―、C＝O等为特征基团，这些基团均与二苯甲酮肟和苯甲酰基苯胺的结构相对应。通过吸收频率与化合物基团振动的关系，对比文献推定结构，培养学生判断推理能力，以培养学生的科学实践能力。

2.3 二苯甲酮、二苯甲酮肟、苯甲酰基苯胺的核磁波谱表征

Bruker 400 M核磁共振波谱1H NMR测定二苯甲酮的核磁共振谱图，结果见图6。

图6 二苯甲酮chemdraw模拟谱图与实验合成的氢谱和碳谱图

二苯甲酮肟的1H NMR和13C NMR见图7。1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ7.78–7.71 (m, 2H)，化学位移在7.78–7.71范围，可以推断为相邻的芳香环上的氢原子。而7.71–7.65 (m, 1H), 7.61–7.53 (m,2H)；为芳香环上的氢原子；此外根据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)为芳香环上的碳原子，因此可以推断成功合成二苯甲酮肟。

图7 二苯甲酮肟chemdraw模拟谱图与实验合成的氢谱和碳谱图

苯甲酰基苯胺的1H NMR和13C NMR见图8。1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ7.76–7.71 (m, 2H)，表明在化学位移7.76出现新的峰，可以归为苯甲酰基苯胺上的单氢原子。苯甲酰基苯胺碳谱13C NMR(101 MHz，DMSO)，δ：195.73 (s)，136.98 (s), 132.58 (s), 129.50 (s), 128.48 (d，J= 12.8 Hz)表明碳谱中酮基的碳原子的化学位移为195.73，与二苯甲酮肟δ195.74十分相近，表明苯甲酰基苯胺和二苯甲酮肟在结构上存在差异，因此证实成功合成苯甲酰基苯胺。

图8 苯甲酰苯胺chemdraw模拟谱图与实验合成的氢谱和碳谱图

3 教学探讨与实践

3.1 Beckmann重排的课堂教学设计

在教学中，实验室提供十余种催化剂，供学生在实验设计中选择，学生设计的方案通过PPT演示，在教师主导下班级同学相互进行评审、修改，然后实施实验方案，我们在教学中收集实验数据，汇总于表5。

表5 二苯甲酮肟Beckmann重排催化剂选择与反应条件

采用乙腈做溶剂的方案，反应完成后，用乙酸乙酯萃取3次，合并有机层，加入饱和氯化钠溶液洗涤，分液后，有机层用无水硫酸钠干燥，过滤，将滤液放入旋转蒸发仪蒸馏回收溶剂，产品晾干称重，计算得率。

3.2 实验指导中的几个关键因素

采用不同催化剂，会使用不同溶剂，产物分离、结晶手段不同。用水或乙醇做溶剂，采用结晶的方法析出，如果溶液没有达到过饱和状态，产率会下降很多，或者得不到结晶，可采用浓缩后结晶或加入氯化钠盐析结晶的方式。无机催化剂采用乙腈做溶剂，反应完成后通过乙酸乙酯萃取，用无水硫酸钠干燥，通过减压蒸馏装置或旋转蒸发仪蒸馏溶剂[2,5]，得到产物，这时要重点关注压力与蒸馏温度。

3.3 鼓励前沿路线设计合成

除了二苯甲酮肟与苯甲酰苯胺间的重排，也可以根据重排反应的机理，布置学生在查阅文献的基础上设计其它的Beckmann重排反应，为不同年级段本科生、研究生提出合适的教学课题。

案例1：环己酮肟与己内酰胺的重排，重排反应方程式见图9，通过不同的Beckmann重排反应[3,7]，以达到熟练掌握Beckmann重排反应机理，提高产品设计能力。

图9 环己酮肟与己内酰胺的Beckmann重排

案例2：阿奇霉素是由红霉素肟经贝克曼重排反应、还原反应和甲基化反应得到。红霉素肟的贝克曼重排反应是阿奇霉素合成的标志性反应，通过此反应，将红霉素的十四元环扩大为十五元环。红霉素肟有E、Z两种构型，它们之间可以相互转化而达到平衡，E肟和Z肟Beckmann重排反应方程式见图10，所用的肟都是E肟与Z肟的混合物。由于在贝克曼重排过程中，构型不会发生变化，因此，反应后E肟重排产物和Z肟重排产物的质量分数应当分别与原料中E肟和Z肟的质量分数保持一致[7–9]。

图10 E肟和Z肟Beckmann重排

案例3：通过文献查阅，指导本科毕业生、鼓励研究生设计新型的Beckmann重排反应新路线[7,8]，前沿Beckmann重排路线见表6。

表6 Beckmann重排反应前沿路线

案例1中己内酰胺是尼龙66的主要成分，作为本科综合设计性实验，为适应社会现实需要而提出；案例2阿奇霉素医学上用于敏感细菌所引起的感染，通过红霉素肟的分子重排反应取得药物分子；案例3包含多种杂环分子重排，本科毕业生或研究生选择其中某一热点问题进行研究，通过选题，设计路线，开展实验研究，找出创新性点和应用价值，撰写毕业论文或创新性论文。

不同专业不同层次的学生，在查阅文献基础上，设计合成路线，形成实验方案， 在教师的审核后开展综合性创新性实验，视学生合成与表征的情况，指导学生写成论文报告，其中优质的论文指导发表。