1、 ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023 一锅煮分步方法合成 N-苯基苯甲酰胺赵新筠,胡雪琪,谭金铨,贺庆伟,吴腊梅,张 展(中南民族大学 化学与材料科学学院,湖北 武汉 430074)摘 要:以苯甲醛和苯胺为原料,通过一锅煮的分步方法先形成亚胺,然后利用过氧化二苯甲酰/二甲亚砜体系,高效合成出 N-苯基苯甲酰胺。该合成操作采用一锅煮的方法且简单,反应条件温和,适合本科生的有机化学综合性实验教学。本实验包含有机化合物的制备、分离纯化和结构表征为一
2、体的综合性实验过程,有利于学生理解形成亚胺可以对氨基进行保护从而高效氧化合成酰胺的过程。关键词:有机化学综合性实验;N-苯基苯甲酰胺合成;一锅煮的方法;苯甲醛;苯胺中图分类号:G642.0 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.010One-pot tandem method for synthesis of N-phenylbenzamideZHAO Xinyun,HU Xueqi,TAN Jinquan,HE Qingwei,WU Lamei,ZHANG Zhan(College of Chemistry&Materials Scienc
3、e,South-Central University for Nationalities,Wuhan 430074,China)Abstract:One pot two-step method was used to synthesize N-phenylbenzamide with higher yield.Firstly benzaldehyde reacts with aniline to give an imine and then the imine is oxidized by benzoyl per-oxide in dimethyl sulfoxide to give an a
4、mide.This one pot two-step experiment is easy to be operated under mild reaction conditions which is available for undergraduate organic chemistry comprehensive experimental teaching.This experiment provides preparation of an organic compound,separation,pur-ification and structure determination whic
5、h are benefit for undergraduate students to understand highly efficient amide formation owing to imine formation from protection of amino group.Key words:comprehensive organic chemistry experiment;synthesis of N-phenylbenzamide;one-pot tandem method;benzaldehyde;aniline 收稿日期:2021-09-06 修改日期:2022-04-
6、08作者简介:赵新筠,博士,讲师,主要研究方向为有机化学。E-mail:ccnuzhao 基金项目:中南民族大学教学研究项目(项目编号:JYX19085;JYX19087)。酰胺类化合物广泛存在于自然界以及重要的药物中,具有很重要的应用价值,也是高校有机化学教学中重要的内容。经典的合成方法可以通过含各种官能团的原料进行转化,如通过羧酸及其衍生物与胺的亲核酰基取代反应,也可以通过醇、羰基化合物、芳基卤代烃,末端炔烃等与胺反应转化 而来1-2。从原料来源便宜的苯甲醛和苯胺出发合成N-苯基苯甲酰胺的方法,目前文献报道的有镧系金属 Nd-Li 复合物催化过程,产物形成涉及到 N-H 键的脱质子重排过程
7、,收率可以达到 92%3。镧系金属氯化物 YCl3也能高效催化该 Cannizzaro 反应。但是反应需要在零下 78 下进行,同时需要氨基锂试剂参与,额外的一分子苯甲醛被还原成苯甲醇,原子经济性受限 4。这两种方法尽管效率很高,但是催化剂制备过程复杂,需要超低温的反应条件,同时需要使用危险试剂正丁基锂,不适宜作为本科生综合实验的开设。过渡金属也能催化该反应,如在CuI-TBHP 反应体系中,可以得到收率为 65%的酰胺产物 5。也有无金属参与的制备反应被报道,如采用 N-羟基邻苯二甲酰亚胺作为脱氢偶联试剂,经历了 自 由 基 的 反 应 机 理,产 物 收 率 可 以 达 到92%6。利用二
8、溴异氰尿酸(DBI)等特殊试剂参与的反应,可以获得 82%的产物收率 7。这些反应中要么需要过渡金属或镧系金属或特殊的活化试剂的参与,要么催化剂制备复杂,反应条件苛刻。因此,寻找反应条件温和,操作简单的新型高效酰胺合赵新筠,等:一锅煮分步方法合成 N-苯基苯甲酰胺成方法用于本科生的综合实验教学势在必行。本实验采用未经文献报道的过氧化二苯甲酰/二甲亚砜(BPO/DMSO)体系作为氧化体系,设计开发了一个大学有机化学综合性实验。从原料来源价格较低的苯甲醛和苯胺出发,利用一锅煮的分步方法,先对苯胺进行活化,形成亚胺中间体,然后再与过氧化二苯甲酰反应,对反应体系进行后处理以及柱层析分离纯化,高效合成
9、N-苯基苯甲酰胺。并对化合物的结构进行核磁共振氢谱和碳谱的结构表征。该实验是集制备、分离纯化以及结构表征为一体的综合性、创新性、连贯性的有机化学实验。1 实验部分1.1 实验目的(1)了解薄层层析(TLC)监测化学反应进行的原理;(2)熟悉萃取、过滤等实验操作技能;(3)掌握柱层析分离纯化有机化合物的技术;(4)掌握从亚胺出发制备 N-苯基苯甲酰胺的原理;(5)掌握核磁共振氢谱和碳谱技术分析有机化合物结构的方法。1.2 实验原理在二甲亚砜溶剂中,采用一锅煮的分步方法,即利用苯甲醛和苯胺为原料,25下发生反应,薄层层析(TLC)跟踪反应生成中间体苄叉苯胺后,加入过氧化二苯甲酰进行反应得到 N-苯
10、基苯甲酰胺(如图 1 所示)。图 1 一锅煮的分步方法合成 N-苯基苯甲酰胺1.3 试剂或材料试剂:苯甲醛、苯胺、二甲基亚砜(DMSO)、Na2CO3、Na2S2O3、氘代氯仿、无水 Na2SO4、二氯甲烷、石油醚、苄叉苯胺、石英砂、棉花、柱层析硅胶(200400 目)等。材料:烧杯(50mL)、量筒、圆底烧瓶或者梨形瓶(25mL)、分液漏斗、玻璃塞、锥形瓶、磁子、层析柱等,所用试剂和材料等均来自上海国药集团有限公司。1.4 实验仪器分析天平(上海天平仪器厂)、磁力加热搅拌器(RCT Basic,德国 IKA)、旋转蒸发仪(SENCO,上海申生科技有限公司)、三用紫外分析仪(ZF-6,上海嘉鹏
11、 科 技 有 限 公 司)、400 MHz 核 磁 共 振 仪(AVANCE 400)等。1.5 实验步骤1.5.1 一锅煮的分步方法制备 N-苯基苯甲酰胺苯甲醛(106mg,1mmol)和苯胺(93 mg,1 mmol)放入到 25mL 圆底烧瓶中,加入二甲亚砜(8 mL)中,25下磁力搅拌反应,10 分钟后用 TLC 薄层层析跟踪原料苯胺消失。加入过氧化二苯甲酰(484.4 mg,2 mmol)接着在同样的温度下反应 10 小时。停止反应后,加入 10mL 二氯甲烷,分别用 20 mL 10%的Na2S2O3溶液、10%Na2CO3溶液以及蒸馏水洗涤。有机层用无水 Na2SO4干燥后浓缩,
12、然后进行柱层析。淋洗剂为二氯甲烷石油醚=13(VV)。得到白色固体,三次实验的平均收率 95%。熔点:163164。1H NMR(400 MHz,CDCl3),7.93(bs,1H),7.877.85(m,2H),7.667.64(m,2H),7.567.45(m,3H),7.38 7.34(m,2H),7.17 7.13(m,2H)。13C NMR(101 MHz,CDCl3),165.8,137.9,135.0,131.9,129.1,128.8,127.1,124.6,120.3。1.5.2 过氧化二苯甲酰氧化苄叉苯胺制备 N-苯基苯甲酰胺苄叉苯胺(PhCH=NPh,181.1mg,1
13、mmol)和过氧化二苯甲酰(484.4 mg,2 mmol)加入到 25 mL 圆底烧瓶中,加入二甲亚砜(8 mL)中,25 磁力搅拌下反应 10 小时。后处理同实验 1.5.1 部分。得到白色固体,三次实验的平均收率 72%。1.5.3 苯胺与过氧化二苯甲酰反应制备 N-苯基苯甲酰胺苯胺(93 mg,1 mmol)和 过 氧 化 二 苯 甲 酰(484.4 mg,2 mmol)放入到25 mL 圆底烧瓶中,加入二甲亚砜(8 mL)中,25 下反应 10 小时。后处理同实验 1.5.1 部分。得到白色固体,三次实验的平均收率 79%。1.5.4 中间体苄叉苯胺的分离纯化苯甲 醛(106 mg,
14、1 mmol)和 苯 胺(93 mg,1 mmol)放入到 25 mL 圆底烧瓶中,加入二甲亚砜(8 mL)中,25 下反应 10 分钟。后处理加 20 mL 93蒸馏水后,用 20 mL 二氯甲烷萃取,有机层用无水Na2SO4后干燥后浓缩。得到淡黄色固体,三次实验的平均收率为 79%。熔点:5152。1H NMR(400 MHz,CDCl3),8.45(s,1H),7.897.92(m,2H),7.457.48(m,3H),7.39(t,2H,J=7.6Hz),7.23(t,3H,J=8.4Hz).13C NMR(101 MHz,CDCl3),160.5,152.1,136.2,131.4,
15、129.2,128.9,128.8,126.0,120.9.1.6 柱层析分离纯化产物采用干法装柱的方法对反应体系进行常规的柱层析,得到产物。2 结果与讨论本实验采用一锅煮的分步方法,即以苯甲醛和苯胺为原料,在二甲亚砜中 25 下反应,薄层层析(TLC)检测原料消失后,接着加入 2 当量的过氧化二苯甲酰(BPO),继续反应。经过简单的后处理以及柱层析,得到产物 N-苯基苯甲酰胺。平均收率为 95%。产物结构得到核磁共振氢谱和碳谱的确证,在核磁共振氢谱中,7.93 ppm 处显示出了 NH 中活泼氢的特征峰,芳环上的氢的化学位移在 7.13 7.87 ppm 之间。在核磁共振碳谱中,160.46
16、 ppm 处显示出了羰基(C=O)的特征峰。同时在 120140 ppm 之间出现特征芳香化合物的碳的特征峰(见图2 和图 3 所示),和文献报道的数据一致 8。尽管也有文献报道以醋酸钴和复杂的有机配体协助过氧化二苯甲酰催化氧化苯胺。产物收率只有 24%9。但是如果采用苯胺和过氧化二苯甲酰直接在 DMSO中反应,同样可以制备 N-苯基苯甲酰胺。但是收率从一锅煮的分步方法的 95%降低到 79%。原因是苯胺容易被过氧化二苯甲酰氧化而导致产物收率降低。因此,利用苯甲醛和苯胺先形成亚胺,对氨基进行保护,然后利用亚胺形成的可逆反应特点,缓慢释放的苯胺与过氧化物反应得到酰胺,从而提高了收率。这种一锅煮的
17、分步方法在制备苯甲酰基类型的酰胺方面具有很多的优势:反应操作简单,反应条件温和,无需分离中间体苄叉苯胺(PhCH=NPh),而且产物的收率很高。为了验证反应的关键中间体是苄叉苯胺(PhCH=NPh),对苯甲醛和苯胺反应的产物对进行了核磁共振氢谱和碳谱的结构表征。8.45ppm 处显示出了亚胺 CH=N 中氢的特征峰。芳环上的氢的化学位移在 7.207.92 ppm 之间;在 120.92152.10 ppm图 2 N-苯基苯甲酰胺的 1H NMR 图图 3 N-苯基苯甲酰胺的13C NMR 图之间出现特征芳香化合物的碳的特征峰,在 160.46 ppm 处显示出了羰基(C=N)的特征峰。说明形
18、成的产物是苄叉苯胺。把市售的苄叉苯胺直接与过氧化二苯甲酰在同样的反应条件下反应,也得到了 N-苯基苯甲酰胺产物。说明在该一锅煮的分步反应中,苯甲醛与苯胺反应先形成亚胺中间体,相当于是对苯胺中的氨基进行了活化,防止被氧化剂氧化,从而提高了收率。3 结语本文开发了一种从苯甲醛与苯胺出发,绿色高效制备 N-苯基苯甲酰胺的反应体系:过氧化二苯甲酰/二甲亚砜(BPO/DMSO)体系。即采用一锅煮的分步方法,先利用价格较低的苯甲醛与苯胺在 DM-SO 中反应形成亚胺中间体,无需分离,直接与过氧化二苯甲酰反应生成产物。苯甲醛与苯胺反应形成亚胺,相当于对氨基进行了保护,避免了苯胺被直接氧化,利用亚胺形成的可逆
19、反应特点,释放的苯胺与过氧化物反应,从而提高了产物的收率。该方法操作简单,反应条件温和。无金属催化剂和额外有机配体参与,减少了环境污染,是一种绿色环保的酰胺制备方法。同时有利于学生理解亚胺中间体的形成是对氨基的保护以及亚胺转变成酰胺产物的机理,丰富了高校有机化学综合实验教学内容。(下转第 44 页)04 图 6 心电图显示器界面运行情况(正常)图 7 心电图显示器界面运行情况(异常)图 6 显示 QRS 间期为 0.07018s,在 60ms 100ms 的正常区间之内,心电图数据指标正常;而图7 QRS 间期为 0.1276s,大于 110ms,超出了正常范围,提示患者可能存在心室传导阻滞的
20、疾病,而具体疾病可由专业医师结合波形与数据指标进行进一步综合诊断。可见,该心电图显示系统对临床诊断具有一定的参考价值。5 结语本实验学生将 MATLAB 软件和 FPGA 硬件相结合,在完成基本实验要求的基础上,将项目应用于心电检测中,进行深入探索和实践,取得了令人满意的效果。通过教学实践,将以项目为导向的课内设计题目应用到生活实践中,激发了学生兴趣,培养了学生解决复杂工程问题的能力,促进了学生知识综合应用能力的提升。参考文献(References):1 孙敏,金印彬,宁改娣,等.OBE 理念下数字电子技术实验教学改革与实践J.中国教育信息化,2020(2):41-43.2 罗春梅,肖顺文,王
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