酸性多孔ZSM-5沸石催化二苯甲醇與酰胺的N-烷基化反應

白恩慧, 葛平金

（溫州大學化學與材料工程學院，浙江 溫州 325027）

酰胺的N-烷基化反應不僅是構建C-N鍵的重要途徑之一[1]，其反應產物在合成各種相關藥物、新穎生物活性化合物和精細化學品等方面也有重要作用[2]。因此，在綠色環保、簡便溫和的條件下實現酰胺類化合物的N-烷基化反應成為現在化學家研究的熱點和難點。在之前的文獻報道中，作者使用各種Lewis酸作為催化劑來實現酰胺類化合物的N-烷基化反應，例如三氟甲磺酸鹽[3]，和等。然而，這些催化劑在催化酰胺N-烷基化反應中在反應活性和選擇性上都有一定局限性，而且不能重復使用，對環境會造成一定的污染，違背現在提倡的綠色環保理念。雖然固體催化劑的使用可以實現催化劑的重復利用，例如雜多酸[7]，質子交換的蒙脫土[8]，在離子液體中的Amberlyst-15酸性樹脂[9]。但是，這些固體催化劑在反應活性上的結果都不太理想，產物選擇性不高，不能夠使原子經濟型發揮至極致。因此，開發一種合成成本低、對環境無污染并且能夠在溫和的反應條件下高效催化酰胺的N-烷基化反應的催化劑是現在研究的關鍵。本文以二苯甲醇1和對甲基苯磺酰胺2為底物，研究了不同酸性沸石如多孔ZSM-5、MOR和Beta作為催化劑對酰胺的N-烷基化反應的催化性能影響，篩選出該反應的最佳反應條件(式1)。

式1 對甲基苯磺酰胺的N-烷基化反應

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

所用試劑：反應中所用藥品除特殊標明均為商業來源，分析純。所用酸性沸石 HZSM-5-M，HZSM-5，HBeta和 HMOR催化劑的具體合成方法見文獻[10-12]。

所用儀器：具有FID檢測器的Agilent 7890B 氣相色譜，美國Micromeritics ASAP 2020M吸附儀，ZF-7型(254 nm)紫外分析儀，Bruker Avance 400MHz核磁共振儀，TGL-16C型離心機，IKA磁力加熱攪拌器，旋轉蒸發儀。

1.2 實驗過程

本文采用二苯甲醇和對甲基苯磺酰胺的反應為模板，從反應所用催化劑的種類和質量、反應環境、反應溫度、反應溶劑等方面進行磺酰胺N-烷基化反應條件的篩選。常規實驗步驟如下：0.3 mmol二苯甲醇、0.6 mmol對甲基苯磺酰胺和一定量的催化劑加入到10 mL反應管中，然后加入2 mL溶劑，在設定溫度下的油浴中反應。反應結束后，反應體系在離心管中離心分離，取上層清液用具有FID檢測器的Agilent 7890B氣相色譜分析，計算反應體系中二苯甲醇轉化率和產物選擇性。離心得到的上層清液用旋轉蒸發儀去除溶劑后以石油醚和乙酸乙酯的混合溶液為洗脫劑通過硅膠柱層析獲得目標產物，目標產物的結構通過核磁數據來確定。

1.3 實驗結果與討論

表1給出的是各種沸石材料的N2吸附數據，由表征結果可知，HZSM-5-M，HZSM-5，HBeta和HMOR 4種樣品的 BET表面積相差不大，HZSM-5-M和HBeta稍大于另外兩種樣品。然而，HZSM-5-M的外表面積和介孔孔容都遠大于其他材料，微孔孔容反而較小。

表1 不同樣品的N2吸附數據

圖1 不同沸石樣品的XRD譜圖

用這4種沸石材料作為催化劑研究了其對二苯甲醇與酰胺的N-烷基化反應的催化性能影響。圖1給出的是以1,2-二氯乙烷為溶劑，氮氣氛圍中80 °C下，對甲基苯磺酰胺的N-烷基化反應中，在四種酸性多孔沸石上二苯甲醇的轉化率和產物的選擇性隨時間的變化曲線。由圖1可知，在反應進行6 h時，HZSM-5-M作為催化劑的反應活性最好，二苯甲醇轉化率和產物選擇性分別是 100%和 97%，獲得最好的收率。相對而言，HZSM-5、HBeta和 HMOR的催化活性都不太理想。這可能是因為HZSM-5-M的外表面積和介孔孔容較大，反應物分子能夠進入其骨架孔道中與其酸性位點充分接觸，從而具有較高的催化活性。HBeta的酸性高于 HZSM-5和HMOR，這可能就是HBeta的催化活性高于HZSM-5和HMOR的原因。實驗結果表明，HZSM-5-M催化劑不管是對二苯甲醇的轉化率還是產物的選擇性都有最好的催化性能。

表2 反應條件篩選

然后，研究了以HZSM-5-M為催化劑，1,2-二氯乙烷為溶劑，催化劑質量，反應體系所處氣體環境和溫度對二苯甲醇轉化率和產物選擇性的影響(表 2)。由表 2可知，在氮氣氛圍中催化劑質量為10 mg時反應產物的選擇性(70%)明顯低于20 mg催化劑(97%)。相同質量催化劑下，反應環境對反應活性也有一定的影響，氮氣氛圍中反應產物的選擇性稍高。反應溫度對實驗結果的影響非常明顯，在60°C下，無論是二苯甲醇的轉化率(85%)還是產物的選擇性(46%)都明顯低于80 °C下的反應結果。綜上所述，該反應使用20 mg催化劑，在氮氣氛圍和80°C下反應活性最好。

表4 不同溶劑對反應活性的影響

最后，在上述最好的反應條件(20 mg HZSM-5-M為催化劑，氮氣氛圍中80 °C下反應6 h)下做了反應溶劑的篩選(見表3)。由實驗結果可知，用1,2-二氯乙烷做溶劑，二苯甲醇轉化率和產物的選擇性(100%和97%)皆有較高的活性。N,N-二甲基甲酰胺和1,4-二氧六環作為溶劑時，二苯甲醇轉化率(12%和 14%)均不太理想，但是N,N-二甲基甲酰胺作為溶劑時產物的選擇性(92%)相對較高，1,4-二氧六環(64%)相對較低。乙腈和甲苯溶劑對二苯甲醇的轉化率(89%和97%)比1,2-二氯乙烷稍差，而產物選擇性(36%和61%)遠遠低于1,2-二氯乙烷。

研究結果表明，二苯甲醇與對甲基苯磺酰胺的N-烷基化反應的最佳反應條件是以 HZSM-5-M為催化劑，1,2-二氯乙烷為溶劑，N2氛圍中，80 °C下反應6 h。在最優實驗條件下做了二苯甲醇1和對甲基苯甲酰胺 4的反應(式 2)，以 80%的收率獲得目標產物N-二苯甲基-4-甲基苯甲酰胺5。

式2 對甲基苯甲酰胺的N-烷基化反應

3 結 論

由于酸性多孔沸石 HZSM-5-M獨特的骨架結構和酸性，使其在酰胺N-烷基化反應中展現了較高的催化活性，在較溫和的實驗條件下實現了二苯甲醇與酰胺N-烷基化反應。通過對二苯甲醇與對甲基苯磺酰胺反應條件的篩選，確定了該反應的最佳反應條件。酸性多孔沸石HZSM-5-M作為催化劑不管是磺酰胺還是甲酰胺的 N-烷基化都有較好的實驗結果，反應底物應用范圍較廣。

［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 Br?nsted 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.