醛肟和酮肟均可发生贝克曼重排反应合成酰胺类化合物。一些金属盐可以催化醛肟进行重排反应^[1]，相对于醛肟贝克曼重排，酮肟发生贝克曼重排条件比较苛刻，从而引起研究者们极大的兴趣。典型的环己酮肟重排产物ε-己内酰胺具有广泛的工业用途，是生产nylon-6单体的前驱体^[2]。它可以聚合并加工成纤维、塑料等，并进一步制成轮胎、电缆、安全带、工业机械、纤维树脂等^[3]，用途十分广泛，是工业上必不可少的化工中间体。传统的生产己内酰胺工艺是以发烟硫酸为催化剂，进行环己酮肟液相贝克曼重排。该过程产生大量的副产物硫酸铵，生产成本高、腐蚀设备、污染环境，不符合绿色化学的要求^[4]。针对此反应，研究者开发了一些新催化剂，取得了一定的反应效果。赵江琨等^[5]以离子液体-氯化锌为催化剂，CHO的转化率高达100%，CPL的选择性高达94.9%。郭强等^[6]用离子液体-氯化铝为催化剂，CHO的转化率为99.7%，CPL选择性为98%。Nedumaran等^[7]用锆介孔固体酸为催化剂，环己酮肟完全转化，CPL的选择性为83%。Kaur等^[8]以磷钨酸为催化剂，CPL的选择性达到89%。You等^[9]以磺酸树脂为催化剂，环己酮肟完全转化，CPL收率97.7%。AnilKumar等^[10]以ZrO₂负载不同的钨为催化剂，CHO的转化率为49.3%，CPL选择性为79.0%。Mitsudome等^[11]以钛交换蒙脱石为催化剂，CHO的转化率为96%，CPL的选择性为74%。Ngamcharussrivichai等^[12]以H-USY作为催化剂，CHO的转化率为84%，CPL的选择性为94%。但这些催化剂存在效果差、成本高或者是反应温度高、时间长等问题。本课题组^[5]和郭强^[6]应用离子液体在重排反应过程中作为路易斯酸的结合体或者是溶剂，在反应中脱颖而出，绿色环保，效果好，但是此类工艺生产的己内酰胺大多数存在离子液体中，分离困难，且获得的己内酰胺色泽较差，不利于产品精制。

近年来，研究者发现超声波可以产生强烈的“空化”效果，使液体形成空化气泡，并经历增长、收缩和崩溃阶段，空化气泡崩溃瞬间，会产生高温高压，使一些条件苛刻的反应能够发生^[13]，且超声波能量能加快反应速率，缩短反应时间，适合催化剂和金属有机化合物的制备^{[14, 15]}，具有广泛的应用前景。本文研究了超声波辐射下，P₂O₅催化环己酮肟液相贝克曼重排反应，该方法仪器设备简单、体系控热良好、反应快、效果好，并且绿色环保。

P₂O₅，分析纯，天津大学科威公司产品；DMF，分析纯，利安隆博华医药化学有限公司；环己酮肟 (含量97%)，A Johnson Matthey Company；其它试剂均为分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司。

在50 mL锥形瓶中加入环己酮肟、DMF和P₂O₅，密封，置于QT20500K型超声波发生器 (天津市瑞普电子仪器公司) 中超声反应一定时间，气相色谱定量分析环己酮肟和己内酰胺的含量，实验装置如图 1所示。装置主要包括超声波信号发生器 (电源)、换能器 (振子) 和清洗槽三部分组成，超声功率600 W，超声功率调节范围20%~100%。

图 1(Fig. 1)

图 1 超声波重排反应实验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic reaction setup for Beckmann rearrangement 1.power 2.transducers 3. power adjustment button 4. reaction solution (CHO, P2O5, DMF) 5. reaction vessel 6. tank 7. cavitation bubbles 8. vibration plate

内标法定量分析各物质含量，氢火焰检测器 (FID)，SE-54毛细管柱 (Φ30 m×Φ0.32 mm)，内标物为正庚醇。采用程序升温：初温50℃，保持0.5 min，升温速率10℃×min^-1，终温250℃，保持3 min；检测器温度250℃；汽化室温度250℃。

FT-IR采用Bruker Vector22型傅里叶变换红外光谱仪，KBr压片，波数范围4000~400 cm^-1；在线红外分析采用React IR IC-10型全自动在线反应红外分析仪，波数范围4000~650 cm^-1

超声功率密度对环己酮肟液相贝克曼重排反应有很大影响，结果如表 1所示。由表 1可以看出，不采用超声波辐射时，室温下，环己酮肟基本上不发生重排，当超声功率密度为0.29 W×cm^-2时，环己酮肟的转化率达到94.6%，己内酰胺的选择性达到99.6%，催化剂表现出较好的反应效果。继续增大超声功率密度，环己酮肟重排反应效果急剧下降。对于解吸过程，吸附相物质脱离吸附剂进入主流体经历吸附物质脱离吸附剂的表面与吸附物质经过吸附剂内外及液膜扩散到主流体，超声波存在的条件下，通过改变吸附等温线，增加传质动力和增强内外扩散和液膜扩散来加速解吸过程，且随着超声功率密度的增大，解吸速率增大，吸附质扩散到主流体的时间缩短^[16]。因此，超声功率密度增大，加快了己内酰胺在P₂O₅上的解吸速率，缩短了己内酰胺进入主流体的时间，可获得好的反应效果，但是较大的超声功率密度会促使环己酮肟较难吸附在P₂O₅上，使其不能发生重排。从表 1中可以看出，在超声功率密度为0.29 W×cm^-2时，已经获得很好的反应效果，从环己酮肟的吸附、经济成本和简化实验装置角度上考虑，选择超声功率密度0.29 W×cm^-2。

表 1(Tab. 1)

表 1 超声功率密度对环己酮肟液相贝克曼重排反应的影响 Table 1 Effects of ultrasound intensity on liquid phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime Ultrasound intensity / W·cm-2 CHO conversion / % CPL selectivity/ % - 0.7 0 0.24 88.2 95.4 0.29 94.6 99.6 0.37 10.8 61.1 Reaction conditions: cyclohexanone oxime 0.01 mol, P2O5 0.2 g, DMF 10 mL, t=1.5 h

表 1 超声功率密度对环己酮肟液相贝克曼重排反应的影响 Table 1 Effects of ultrasound intensity on liquid phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime

环己酮肟的处理条件对液相贝克曼重排反应有很大的影响，结果如表 2所示。从表 2中可以发现，己酮肟和60℃真空干燥的环己酮肟获得很好的效果，100℃深度除水的环己酮肟效果很差。环己酮肟容易吸湿，含有部分的水，而60℃真空干燥的环己酮肟也含有一部分水。在水解和重排的竞争反应中，水的存在会影响重排的反应速率^{[17, 18]}：一方面水的存在会使环己酮肟发生水解，生成环己酮；另一方面，在式 (1) 中可以看出，重排产生的七元环碳正离子 (i) 需要水分子进攻，才能产生己内酰胺，体系水分含量太少，很难接触和进攻七元环碳正离子，从而影响重排反应速率。

(1)

表 2(Tab. 2)

表 2 环己酮肟处理条件对重排反应的影响 Table 2 Effects of processing conditions on liquid phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime Entry CHO conversion/ % CPL selectivity/ % 1 95.3 95.3 2 94.6 99.6 3 96.1 99.6 4 52.4 76.1 Reaction conditions: cyclohexanone oxime 0.01 mol, P2O5 0.2 g, ultrasound intensity 0.29 W·cm-2, 1.5 h, DMF 10 mL. 1. CHO in air 2. CHO 3. CHO dried at 60℃ in vacuum 4. CHO dried at 100 ℃ in vacuum

表 2 环己酮肟处理条件对重排反应的影响 Table 2 Effects of processing conditions on liquid phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime

Chung等^[19]发现溶剂效应是影响环己酮肟贝克曼重排的重要因素，应该考虑溶剂的电离常数和底物、产物的竞争吸附。重排第一步是H⁺进攻带有孤对电子的氮原子，形成氮质子化的肟，然后质子从氮原子上转移到氧原子上，称为1, 2-H转移反应，该过程所需活化能高，被认为是贝克曼重排的速率决定步骤。Williams等^[20]认为，溶剂对重排起到重要的作用，溶剂分子和氮质子化的肟相互作用，形成环状过渡态，溶剂分子和H⁺作用稳定，降低了1, 2-H转移反应的能垒，从而降低反应活化能，高介电常数的溶剂能很好的稳定过渡态或者能降低过渡态的能垒，从而加快1, 2-H转移反应，且极性溶剂能更有效的辅助OH₂⁺从氮原子上迁移到碳原子上。表 3列出了不同介电常数的溶剂对环己酮肟液相贝克曼重排反应的影响。从表 3中可以看出，介电常数大的溶剂比介电常数小的溶剂表现出好的反应结果，但DMSO、乙腈、环丁砜反应效果比DMF差。Williams^[20]认为除了考虑溶剂极性和介电常数外，还应该考虑溶剂的碱度。环己酮肟液相贝克曼重排反应中，催化剂的强酸中心容易使催化剂积碳和形成聚合物，催化剂中等强度的酸中心是形成己内酰胺的活性中心^{[21, 22]}。P₂O₅和具有一定碱性的DMF相互作用，有利于己内酰胺的生成，且DMF较适宜的极性有利于己内酰胺的解吸。DMF介电常数比较大，极性比较高，是较合适的溶剂。

表 3(Tab. 3)

表 3 溶剂对环己酮肟液相贝克曼重排反应的影响 Table 3 Effects of solvents on liquid phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime Solvents Dielectric constant CHO conversion/% CPL selectivity/% DMSO 48.9 48.8 41.0 Sulfolane 43.3 40.2 61.4 Acetonitrile 37.5 28.2 45.4 DMF 36.7 96.1 99.6 Acetone 21.0 40.1 29.4 Dichloromethane 9.1 46.8 24.1 Methylbenzene 2.4 1.1 72.7 Reaction conditions: cyclohexanone oxime 0.01 mol, P2O5 0.2 g, ultrasound intensity 0.29 W·cm-2, 1.5 h, solvent 10 mL.

表 3 溶剂对环己酮肟液相贝克曼重排反应的影响 Table 3 Effects of solvents on liquid phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime

文献[23, 24]指出CHO的转化率、CPL的收率均和溶剂的极性和介电常数有关，具有高介电常数和高极性的物质对1, 2-H转移有利，但却没有提出具体的影响原因。李绍芬等^[25]提出，反应速率随温度、浓度、压力、溶剂以及催化剂的变化而变化。溶剂对反应速率常数有很大的影响^[26]，①经典静电理论得出介电常数ε_r与反应速率常数k之间的关系为式 (2)：同号离子之间反应，ε_r增大，反应速率加快，异号离子反应，ε_r增大，反应速率减慢；②溶剂极性的大小对反应速率常数的影响，可用过渡状态理论说明，如式 (3)：反应物极性小，则偶遇对极性大，产物的极性也大，极性大的溶剂和偶遇对的作用力强，与反应物作用力小，有利于偶遇对的稳定存在，速率常数增大，有助于生成目标产物。反应物极性大，影响结果则相反；③溶质分子与溶剂分子、活性中间体之间也发生相互作用，不同程度的形成溶剂化物的配合物，即溶剂化作用：溶剂与反应物产生弱的溶剂化作用，则与偶遇对产生强的溶剂化作用，形成稳定的溶剂化物，降低反应的活化能，反应速率常数增加。溶剂与反应物产生强的溶剂化作用，则活化能增加，反应速率常数减少。

式中，k-反应速率常数；k₀-不受溶剂影响的常数；E_A、E_B-电荷数；e-电荷量 (C)；π-圆周率；ε₀-真空绝对介电常数，F×m^-1；ε-介电常数，F×m^-1；R-气体常数，J×(k×mol)^-1；T-温度，K。

式中，A、B-反应物；k₁、k_-1-正逆反应速率常数；A:B-偶遇对；P-产物。

环己酮肟在反应体系中的浓度对环己酮肟液相贝克曼重排反应有很大的影响，其结果如图 2。由图 2可以看出，随着肟浓度的降低，环己酮肟的转化率逐渐降低，但降低趋势比较缓慢，己内酰胺的收率和选择性先增加后减少，在环己酮肟浓度为1.0 mol×L^-1的条件下，CHO的转化率为96.1%，且CPL的选择性为99.6%。吴素芳等^{[27, 28]}认为重排反应速率与环己酮肟的浓度有关，反应速率方程式可用式 (4) 表示，可以看出环己酮肟浓度越高，反应速率越快，相同时间内生成的己内酰胺就越多，因此肟浓度从0.67mol×L^-1增大到1.0 mol×L^-1时，CHO的转化率和CPL的收率呈现上升的趋势，继续增加CHO的浓度，CPL的选择性表现出下降的趋势。在超声波辐射条件下，环己酮肟浓度增加，可能会影响空化效果，不利于分子间的碰撞和传质。另外，由3.3知道，溶剂化作用会影响反应的活化能。环己酮肟浓度增加，影响溶剂化作用，改变反应的活化能，影响反应速率常数的大小。因此选择环己酮肟适宜的浓度为1.0 mol×L^-1。

图 2(Fig. 2)

图 2 环己酮肟浓度对重排反应的影响 Fig.2 Effects of CHO concentration on liquid phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime Reaction conditions: cyclohexanone oxime 0.01 mol, P2O5 0.2 g, ultrasound intensity 0.29 W·cm-2, 1.5 h

式中：c₁-环已酮肟的摩尔浓度；c₂-H⁺的摩尔浓度；a、b-反应级数。

催化剂用量是影响催化反应进行的一个重要因素，图 3是P₂O₅用量对环己酮肟Beckmann重排反应的影响。从图 3中可以看出，随着催化剂用量的增加，环己酮肟转化率、己内酰胺选择性逐渐升高。当P₂O₅的用量为0.25 g，在此反应条件下，反应效果最好，CHO转化率为99.1%，CPL的选择性为99.4%。催化剂量太少时，活性位太少，不能有效催化环己酮肟进行重排，环己酮肟转化率较低，并且副反应多，导致CPL的选择性低。由图 3说明，在一定的催化反应条件下，催化剂的用量达到0.25 g时，可有效催化环己酮肟进行贝克曼重排，生成己内酰胺。

图 3(Fig. 3)

图 3 催化剂用量对环己酮肟液相贝克曼重排反应的影响 Fig.3 Effects of P2O5 amount on liquid phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime Reaction conditions: cyclohexanone oxime 0.01 mol, ultrasound intensity 0.29 W·cm-2, 1.5 h, DMF 10 mL

超声辐射时间对重排反应的影响如图 4所示。超声辐射时间对反应的影响不大，超声辐射时间从30 min到90 min时，环己酮肟转化率、己内酰胺选择性均发生较小的变化，并且在30 min内就能达到较好的反应效果，此时CHO转化率95.6%，CPL选择性达到99.7%，超声辐射90 min时，CHO转化率达到99.1%、CPL的选择性为99.4%。由图 4看出，超声波辐射P₂O₅催化环己酮肟贝克曼重排合成己内酰胺能在较短的时间内获得较好的反应效果。原因是超声波具有强烈搅拌和混合均匀的作用，能有效促进有机合成反应，减少催化剂用量，加快反应速率和提高反应产率^{[29, 30]}。超声波可以有效平衡底物的吸附和产物的解吸，在不改变环己酮肟吸附的基础上，可以很快的促进己内酰胺从活性位点上解吸下来，加快反应速率、减少催化剂用量，在短时间内就能获得较好的效果。

图 4(Fig. 4)

图 4 超声辐射时间对环己酮肟液相贝克曼重排反应的影响 Fig.4 Effects of ultrasonic radiation time on liquid phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime Reaction conditions: cyclohexanone oxime 0.01 mol, P2O5 0.25 g, DMF 10 mL, ultrasound intensity 0.29 W·cm-2

在环己酮肟液相贝克曼重排反应的研究中，发现溶剂和催化剂在己内酰胺的形成中发挥了很大的作用。溶剂和催化剂不同，反应机理不同。通过分析红外谱图，可以观察各物质官能团的变化，判断它们之间的相互作用。图 5是DMF、CHO、DMF-CHO、DMF-P₂O₅、DMF-P₂O₅-CHO的FT-IR谱图。DMF的C-N较强的伸缩振动吸收峰位于1099 cm^-1波数处；DMF的C=O伸缩振动吸收峰位于1675 cm^-1波数处，当-CH₃与氮原子直接相连时，反对称和对称伸缩振动吸收峰分别位于2936和2863 cm^-1波数处；环己酮肟中的-CH₂的反对称和对称伸缩振动吸收峰分别位于2928和2856 cm^-1波数左右，与文献[31]中各类官能团谱图信息相吻合。DMF、DMF-P₂O₅和DMF-P₂O₅-CHO的FT-IR谱图如图 5(a、d、e)。通过d、e与a对比可知，DMF中C=O，DMF中N连接的两个-CH₃和C-N电子云密度都降低了，说明P₂O₅和DMF中的C-N或者是-HC=O上的氢发生了相互作用。CHO、DMF-CHO、DMF-CHO-P₂O₅的FT-IR谱图如图 5 (b、c、e)。通过a、c对比可知，DMF中N连接的两个-CH₃和C-N电子云密度没有发生变化，说明环己酮肟不与DMF中的N相互作用。通过a、c、e对比可知，C=O电子云密度降低，使得C=O伸缩振动向低波数移动，说明DMF中的C=O和CHO发生了作用。

图 5(Fig. 5)

图 5 样品的FT-IR谱图 Fig.5 FT-IR spectra of samples a. DMF b.CHO c.DMF-CHO d. DMF-P2O5 e. DMF-P2O5-CHO

利用React IR跟踪环己酮肟液相贝克曼重排反应，观察C=O、C-N、-CH₃等官能团随时间的变化情况，如图 6所示。超声条件下，在线红外光谱的三维立体图如6a、6b所示，无超声条件下，在线红外光谱的三维立体图如6c、6d所示。图 6a中，超声条件下，在DMF中加入CHO后，发现C=O振动吸收峰随着时间的变化有所降低，而C-N振动吸收峰随时间不发生改变，说明CHO和DMF中的C=O发生了相互作用，在30 min左右加入P₂O₅后，C=O振动吸收峰随时间进一步降低，-CH₃和C-N振动吸收峰随时间有所降低，在980 cm^-1出现P-OH的振动吸收峰，说明P₂O₅和DMF中C-N或者是-HC=O的氢原子发生了相互作用；图 6b中，超声条件下，在DMF中加入P₂O₅，C=O、-CH₃、C-N振动吸收峰随时间逐渐降低，并且在980 cm^-1出现P-OH的振动吸收峰，说明五氧化二磷和DMF中C-N或者是-CHO的氢原子发生了相互作用，在1 h左右加入CHO时，C=O、C-N振动吸收峰随时间进一步降低，在980 cm^-1也出现P-OH的振动吸收峰；图 6c中，无超声条件下，在DMF中加入CHO后，再加入P₂O₅，没有产生P-OH的振动吸收峰；图 6d中，无超声条件下，在DMF中加入P₂O₅，再加CHO，发现反应体系产生P-OH，并且在很长的一段时间内保持较强的振动吸收，没有进一步转化为最终产物。研究发现，超声辐射有利于P₂O₅、DMF和CHO之间相互作用形成的P-OH的生成和转化，可短时间高效率生成己内酰胺。

图 6(Fig. 6)

图 6 在线红外光谱的三维立体图 Fig.6 Three-dimensional IR spectra of React IR IC reaction a. adding CHO into DMF before P2O5 under ultrasonic radiation b. adding P2O5 into DMF before CHO under ultrasonic radiation c. adding CHO into DMF before P2O5 without ultrasonic radiation d. adding P2O5 into DMF before CHO without ultrasonic radiation

红外光谱和在线红外光谱都很好的说明了超声波下DMF、P₂O₅和CHO之间存在相互作用。Beckmann重排反应本质是分子内的基团迁移反应，氮原子的孤对电子成为反应的动力^[32]，属于亲核重排。该重排一般为反式重排，即处于羟基反式的基团迁移到N原子上，迁移基团携带电子对进攻氮正离子，迁移基团可以认为是亲核试剂^[33]。在40℃，DMF能和P₂O₅形成一种稳定的络合物^[34]，并且N具有孤对电子，P具有空轨道，可以形成配位键，DMF与HMX的八元环中的-CH₂能形成氢键^[35]，且可以促进SN2反应。因此猜测P和DMF中N形成配位键，使C-N和-CH₃电子云密度降低。P₂O₅中的氧和C=O碳上的氢形成氢键，诱导效应使得C=O电子云密度降低。C=O和环己酮肟上-CH₂形成氢键，致使C=O电子云密度降低。结合谱图及文献^{[8, 23]}，推测机理可能如图 7：首先H⁺进攻带有孤对电子的N，形成氮正离子；DMF的羰基和CHO中处于羟基反式的-CH₂形成氢键；P₂O₅中P和O原子分别与DMF中的N、羰基碳上的H形成配位键和氢键，共同作用形成一种五元环结构使得DMF吸附在CHO上；CHO吸附在P₂O₅上通过P₂O₅中的氧和磷分别和CHO中N⁺OH₂、NOH的氢和氧形成氢键和P-OH；氢质子从氮原子转移到氧上，同时脱除一分子的水，羰基和环己酮肟中处于羟基反式-CH₂形成的氢键，使-CH₂电子云密度增大，有利于亲核进攻N正离子，这也论证了DMF有利于SN2反应，最后水进攻碳正离子、失去质子、异构化形成己内酰胺。

图 7(Fig. 7)

图 7 环己酮肟液相贝克曼重排反应机理 Fig.7 Reaction mechanism of liquid-phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime

(1) 以DMF为溶剂，P₂O₅为催化剂，超声波辐射P₂O₅催化环己酮肟液相贝克曼重排合成己内酰胺，得出了较优的反应条件：在常温、0.01 mol环己酮肟、0.25 g P₂O₅、10 mL DMF，超声功率密度0.29 w×cm^-2，超声辐射1.5 h的条件下，环己酮肟的转化率为99.1%，己内酰胺的选择性为99.4%。该方法绿色环保，常温常压下反应、条件温和、体系控热良好、反应时间短、操作简单，具有很好的工业应用前景。

(2) 利用在线红外光谱对DMF、环己酮肟和P₂O₅之间的相互作用进行了研究，推测了可能的反应机理：在超声波辐射下，DMF的羰基和处于C=N-OH邻位的亚甲基形成氢键；P₂O₅中P和O原子分别与DMF中的N、羰基碳上的H形成配位键和氢键，共同作用形成一种五元环结构使得DMF吸附在P₂O₅上；CHO吸附在P₂O₅上通过P₂O₅中的氧和磷分别和CHO中N⁺OH₂、NOH的氢和氧形成氢键和P-OH；氢质子从氮原子转移到氧上，同时脱除一分子的水；羰基和环己酮肟中处于羟基反式的-CH₂形成的氢键，使-CH₂电子云密度增大，有利于亲核进攻氮正离子；随后水进攻碳正离子、失去质子、异构化形成己内酰胺。