超聲波輻射法快速制備芳香雙酰胺化合物*

黃林偉，陳連清

(中南民族大學(xué) 催化材料科學(xué)國家民委-教育部共建重點實驗室，湖北 武漢 430074)

酰胺類化合物是重要的有機(jī)合成中間體，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、潤滑劑等化工原料的生產(chǎn)[1-4]。其中，芳基雙酰胺化合物主要用于新型農(nóng)藥的開發(fā)[5-6]，氟蟲雙酰胺是日本農(nóng)藥株式會社和德國拜耳公司于2005年聯(lián)合開發(fā)的新型殺蟲劑，是首次報道的雙酰胺殺蟲劑。2006年，杜邦公司開發(fā)了氯蟲苯甲酰胺，也是一種高效、低毒的雙酰胺殺蟲劑。對于芳基雙酰胺化合物，其結(jié)構(gòu)修飾與新化合物的開發(fā)在新藥開發(fā)領(lǐng)域會有很大的價值。

目前，合成雙酰胺的方法很少，趙東江等人對傳統(tǒng)的氟蟲雙酰胺合成方法進(jìn)行了優(yōu)化[7-8]，采用3-碘代鄰苯二甲酸酐與1,1-二甲基-2-甲硫基乙胺反應(yīng)，經(jīng)轉(zhuǎn)位，再與2-甲基-4-七氟異丙基苯胺反應(yīng)的工藝路線，優(yōu)化路線避免了昂貴試劑的使用，并使反應(yīng)選擇性提高，但依舊無法克服使用催化劑和需要加熱回流等缺點。李選等人采用微波輻射法[9]，由草酸與苯胺類化合物縮合反應(yīng)合成了四種N,N′-二取代草酸二酰胺化合物。微波輻射的使用，有效地縮短了反應(yīng)時間，操作與后處理簡便，但該反應(yīng)輻射功率大，需要達(dá)到反應(yīng)物的熔點才能有效反應(yīng)；在輻射功率800W條件下，產(chǎn)率最高僅達(dá)到74%，能源消耗大，不適合高溫易分解化合物的合成。雙酰胺化合物的合成方法各異，一般都需要分步構(gòu)建酰胺鍵，合成步驟復(fù)雜，急切需要找到一種快速簡便合成雙酰胺化合物的方法來解決這個難題。

近年來，將超聲波引入化學(xué)反應(yīng)中而興起的“聲化學(xué)”，引起人們廣泛關(guān)注[10-13]。超聲波在有機(jī)合成中因具有反應(yīng)條件溫和、能源清潔、操作簡便等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于各類反應(yīng)中。超聲輻射在25 ℃條件下對反應(yīng)物產(chǎn)生的“空化作用”和次級效應(yīng)[14]，可產(chǎn)生足以引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的瞬時高溫高壓，形成了局部的高能中心，促使反應(yīng)液劇烈攪拌，全方位混合均勻，并誘導(dǎo)碳-鹵鍵的斷裂[15]，使得胺的親核進(jìn)攻更加容易，反應(yīng)速度加快，常溫下產(chǎn)率大幅度提高。作者嘗試用超聲波輻射的方法來快速簡便合成雙酰胺化合物。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

苯胺、苯甲胺、對甲苯胺、對氟苯胺、對硝基苯胺、丙二酰氯、間苯二甲酰氯、對苯二甲酰氯、二氯甲烷、氫氧化鈉：均為市售分析純，使用前均未進(jìn)一步純化。

超聲波清洗儀：KQ3200E，功率150 W，頻率40 kHz，昆山超聲儀器有限公司；質(zhì)譜儀：ZAB3F-HF，英國VG公司；核磁共振譜儀：Avance Ⅲ 400，DMSO為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)，德國Bruker公司；傅立葉紅外光譜儀：NeXUS 470 FTIR，日本島津公司；元素分析儀：Vario-EL Ⅲ CHNS，美國Elementar公司；氣相色譜儀：Agilent 7820A，美國安捷倫公司。

1.2 反應(yīng)機(jī)理

在目前的雙酰胺合成手段中，難以直接構(gòu)建兩個酰胺鍵，要么分步反應(yīng)，要么經(jīng)過活化基團(tuán)等一系列處理，使合成路線更為復(fù)雜，后處理困難。作者采用活性很高的雙酰氯作為底物，使之在與芳胺反應(yīng)時，不需要三乙胺、氫氧化鈉或吡啶等堿性物質(zhì)用作縛酸劑，大大簡化了實驗步驟與成本；實驗操作過程中不需要加入催化劑，不需要冷凝回流，產(chǎn)物直接從二氯甲烷中析出，避免了復(fù)雜的后續(xù)處理，后處理非常簡單；在超聲波輻射“空化作用”和次級效應(yīng)的作用下，在25 ℃條件下對反應(yīng)物產(chǎn)生了誘導(dǎo)碳-鹵鍵斷裂的瞬時高溫高壓，形成了小范圍的高能中心，促使反應(yīng)液劇烈攪拌，全方位混合均勻[12]，反應(yīng)速度加快，在溫和條件下即可合成芳香雙酰胺化合物。其反應(yīng)機(jī)理見圖1。

圖1 雙酰胺合成反應(yīng)機(jī)理

1.3 合成路線

超聲波輻射法制備雙酰胺的合成路線見圖2。

圖2 超聲波輻射法制備雙酰胺的合成路線

十五種雙酰胺產(chǎn)率數(shù)據(jù)見表1。

表1 十五種雙酰胺產(chǎn)率數(shù)據(jù)1)

1) 產(chǎn)率1：磁力攪拌15 min，產(chǎn)率2：超聲輻射15 min。

1.4 實驗步驟

稱取一定量苯胺和對苯二甲酰氯于100 mL燒瓶中，用適量二氯甲烷溶解，將燒瓶放入KQ3200E型超聲波水洗儀中，超聲反應(yīng)15 min，抽濾，用20 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%氫氧化鈉溶液多次洗滌濾餅，除去酸性物質(zhì)，使酰胺更易析出，所得白色固體為產(chǎn)物。其它雙酰胺均按此法合成。

2 結(jié)果與討論

2.1 投料比對產(chǎn)率的影響

以苯胺和對苯二甲酰氯為基本反應(yīng)，25 ℃下超聲反應(yīng)15 min、二氯甲烷50 mL(40 mL溶解苯胺，10 mL溶解對苯二甲酰氯)、0.25 mmol對苯二甲酰氯(0.51 g)，操作條件不變，改變n(苯胺)∶n(對苯二甲酰氯)(以下簡稱投料比)，考查投料比對制備雙酰胺產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表2。

表2 投料比對產(chǎn)率的影響

由表2可知，隨著投料比增加，雙酰胺反應(yīng)產(chǎn)率變化不太明顯，考慮反應(yīng)中有氯化氫氣體產(chǎn)生，選擇2.05∶1的投料比，使胺稍微過量，因此，最佳n(苯胺)∶n(對苯二甲酰氯)=2.05∶1。

2.2 溶劑用量對產(chǎn)率的影響

以苯胺和對苯二甲酰氯為基本反應(yīng)，苯胺0.48 g、對苯二甲酰氯0.51 g(投料比為2.05∶1)，25 ℃下超聲反應(yīng)15 min，改變二氯甲烷用量(溶解酰氯的溶劑均為總體積用量的20%)，考查溶劑用量對制備雙酰胺產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表3。

表3 溶劑用量對產(chǎn)率的影響

由表3可知，隨著二氯甲烷用量增加，雙酰胺反應(yīng)產(chǎn)率變大，當(dāng)溶劑用量超過50 mL時，對產(chǎn)率影響不明顯，所以選擇苯胺與對苯二甲酰氯反應(yīng)的二氯甲烷用量為50 mL。

2.3 超聲輻射時間對產(chǎn)率的影響

以苯胺和對苯二甲酰氯為基本反應(yīng)，保持苯胺0.48 g、對苯二甲酰氯0.51 g(投料比為2.05∶1，對苯二甲酰氯0.25 mmol)、二氯甲烷50 mL不變，25 ℃下超聲反應(yīng)，考查反應(yīng)時間對超聲波輻射法制備雙酰胺的影響，結(jié)果見表4。

表4 超聲時間對雙酰胺產(chǎn)率的影響

由表4可知，隨著超聲反應(yīng)時間的延長，雙酰胺反應(yīng)產(chǎn)率先升高后保持恒定，在15～30 min之間達(dá)到最高，考慮到能耗以及反應(yīng)時間增長，鹽酸增多，容易產(chǎn)生副反應(yīng)，而且堿化用料增多，成本增加，因此選擇15 min作為苯胺與對苯二甲酰氯的最佳反應(yīng)時間。

2.4 產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征

選擇二氯甲烷50 mL，投料比為2.05∶1，25 ℃下超聲反應(yīng)15 min，抽濾洗滌，對產(chǎn)物進(jìn)行表征，15種雙酰胺物性常數(shù)見表5。

表5 15種雙酰胺物性常數(shù)

由表5外觀數(shù)據(jù)可見，比較特殊的是帶有硝基的三種雙酰胺3e，3j，3o顯黃色，而其它雙酰胺顯白色，這是由于取代基的電負(fù)性對產(chǎn)物顏色有所影響，硝基的強(qiáng)吸電子誘導(dǎo)作用，導(dǎo)致化合物吸光紅移，呈黃色晶體；從元素分析數(shù)據(jù)可見，實測值與理論值接近，所合成產(chǎn)物較為純凈。

15種雙酰胺的質(zhì)譜和紅外吸收峰數(shù)據(jù)見表6。

表6 15種雙酰胺的紅外和質(zhì)譜數(shù)據(jù)

表7 15種雙酰胺的核磁氫譜

表7為15種雙酰胺的核磁氫譜歸屬數(shù)據(jù)。15種雙酰胺都具有酰胺鍵和苯環(huán)，從15種雙酰胺的核磁譜峰歸屬數(shù)據(jù)可以看到，酰胺鍵上的氫的化學(xué)位移值在約9～10，苯環(huán)上的氫的化學(xué)位移值在約7～8；化學(xué)位移值在約3.27～3.72歸屬為化合物3a～3e中酰基亞甲基中氫的化學(xué)位移；化學(xué)位移值為4.22、4.50、4.49歸屬為化合物3a、3f、3k中芐基亞甲基中氫的化學(xué)位移；化學(xué)位移值為2.32、2.37、2.29歸屬為化合物3b、3g、3l中甲基氫的化學(xué)位移。

根據(jù)化合物各自的紅外、質(zhì)譜、核磁共振氫譜和元素分析的數(shù)據(jù)，可知所合成的15種雙酰胺與目標(biāo)化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)相符。

3 結(jié) 論

(1) 提供一種合成雙酰胺化合物的新方法，并采用超聲波輻射法，縮短反應(yīng)時間，提高反應(yīng)產(chǎn)率，是合成雙酰胺化合物一種新的有效途徑；

(2) 采用超聲波輻射法，用3種雙酰氯與5種芳胺作為底物，二氯甲烷作溶劑，在25 ℃下合成了15種芳香雙酰胺化合物；

(3) 超聲波輻射法(苯胺與對苯二甲酰氯反應(yīng))制備芳基雙酰胺的最佳條件是：胺與酰氯的投料比2.05∶1，25 ℃下超聲反應(yīng)15 min，當(dāng)酰氯用量為0.25 mmol時，二氯甲烷用量為50 mL。

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