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浙江大学 硕士学位论文 有机反应中的绿色化学 姓名：李玉霞 申请学位级别：硕士 专业：有机化学 指导教师：包伟良 20030101 浙江大学理学硕士学位论文 摘要 本论文共分两个部分：1 ：前言，介绍了绿色化学概念；2 ：正文 部分：有机化学领域中的绿色化学：可分为两章：一：微波无溶剂反 应方法在有机反应中的应用；二：离子液在有机反应中的应用及新型 手性离子液的合成研究。 第一章：i 、概述了微波无溶剂反应方法的发展和在有机合成中的应 用。 2 、研究了利用微波无溶剂方法合成3 ，4 一二氢嘧啶一2 一酮 衍生物，此方法不但速度快，产率高，而且适合于一系列不同的反应 物。 第二章：1 、概述了离子液的组成、性质、制备及在有机合成中的应 用。 2 、研究了在离子液中的迭氮离子和硫氰根离子的亲核取代 反应，快速高效地得到了一系列烷基、酰基、o 【一酮基、磺酰基迭氮 和硫氰化合物。此反应还有操作简便、条件温和、环境友好等优点。 3 、进行了手性离子液的合成研究。由天然氨基酸出发合成 带有一个手性中心的室温离子液，l i 一乙基一3 一( 1 - 羟基一2 。 丙基) 一咪唑溴盐化合物，不但原料易得，操作步骤简便，产率良好， 且得到的手性离子液完全具有普通常用离子液的性质，是一条制备手 性离子液的非常好的途径。 浙江大学理学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e st w op a r t s ：( 1 ) t h ei n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p t i o no f g r e e nc h e m i s t r y ；( 2 ) g r e e nc h e m i s t r yi no r g a n i cc h e m i s t r y t h i si sc o m p o s e do ft w o c h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri sa b o u tm i c r o w a v e - a s s i s t e ds o l v e n t l e s sr e a c t i o n sa n dt h e i r a p p l i c a t i o n si no r g a n i cs y n t h e s i s t h es e c o n do n ei sa b o u tt h ea p p l i c a t i o n so fi o n i c l i q u i d si no r g a n i cc h e m i s t r ya n d t h es y n t h e s i so f n e we h i r a li o n i cl i q u i d s i nc h a p t e r o n e ： w ef i r s t l ys t m a m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o w a v e a s s i s t e ds o l v e n t l e s s r e a c t i o n sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n si no r g a n i cr e a c t i o n s t h e nd i h y d r o p y r i m i d i n o n e sw e r e s y n t h e s i z e db yu s i n gs m c l 3 - d e p o s i t e dm o n t m o r i l l o n i t ec l a yi nt h em i c r o w a v e - a s s i s t e d s o l v e n t - f r e ec o n d i t i o n s t h ea d v a n t a g e so ft h i se n v i r o m e n t l y b e n i g np r o c e d u r ei n c l u d e s i m p l er e a c t i o ns e t u p ，h i 曲p r o d u c ty i e l d s ，s h o r tr e a c t i o nt i m ea n dt h ee l i m i n a t i o no f t h er e a c t i o ns o l v e n t s t h ep r o t o c o lt o l e r a t e st h es t r u c t u r a lv a r i a t i o n si na l lt h et h r e e c o m p o u n d s i nc h a p t e rt w o ： f i r s t l y ，t h ep r o p e r t i e s ，c o m p o s i t i o n s ，p r e p a r a t i o n sa n da p p l i c a t i o n so ft h ei o n i c l i q u i d s w e r er e v i e w e d w ea l s os t u d i e dt h e n u c l e u o p h i l i c s u b s t i t u t i o nr e a c t i o no f h a l i d e s ，a c y lc h l o r i d e s ，t o s y l a t ea n db e z o t r i a z o l y la c y l a t e sb ya z i d ea n dt h i o c y a n i d e a n i o n si nt h er o o mt e m p e r a t u r ei o n i c l i q u i d s t h ei o n i cl i q u i d 【e m i m b f a g a v e s i g n i f i c a n tr e a c t i o nr a t ea n dg o o dy i e l d sf o rt h e s es u b s t i t u t i o nr e a c t i o n s t h ep r o d u c t s w e r e r e a d i l ys e p a r a t e d f r o mt h ei o n i c l i q u i d s v i ae x t r a c t i o n t h er e a c t i o n sw i t h r e c y c l e d i o n i cs o l v e n tw e r ef o u n dn oo b v i o u sd e c r e a s ei n y i e l d s f i n a l l y , w e s y n t h e s i z e dt h ec h i r a li o n i cl i q u i d s f o rt h ef i r s tt i m ec h i r a li m i d a z o l i u m i o n i cl i q u i d s c o n t a i n i n go n ec h i r a lc a r b o nw e r es y n t h e s i z e df r o m t h en a t u r a la m i n oa c i d sb ys i m p l e a n ds t r a i g h t f o r w a r dp r o c e d u r e i tp r o v i d e sav e r yg o o dr o u t et oo b t a i nc h i r a li o n i c l i q u i d s t h ec h a r a c t e r so f t h ee h i r a li l s a l ev e r ys i m i l a rt ot h ep o p u l a ri o n i c l i q u i d s 2 浙江人学理学硕士学位论文 序言 化学，作为自然科学的一个重要领域，在丰富人类的知识宝库和满足人们衣 食住行等各方面需求中曾经发挥了积极和不可替代的重要作用。然而无可违言的 是，由于在化学过程中不适当的使用对人类健康和对环境有害的原料和溶剂以及 污染性废物的大量排放，化学也给人类健康和生存环境带来了严重的不利影响。 为此，人们相继提出了绿色化学概念。所谓绿色化学，是指以绿色意识为指导， 研究和设计没有或尽可能小的环境负作用，并在技术上、经济上可行的化学品与 化学过程。其目标是研究与寻找能充分利用的无毒害材料，最大限度的节约能源， 在各环节都实现净化和无污染的反应途径的工艺。 最近，绿色化学杂志( ( g r e e nc h e m i s t r y ) ) 在它的创刊号提出，绿色化学应着 重从以下几方面进行研究1 ： 1 ) 清洁合成( 如一些重要的包括杂环在内的化学中间体的新路线) 2 ) 提高反应的原子利用率( 如更有效的溴化方法) 3 ) 取代化学计量反应试剂( 如催化氧化过程中只以空气中的氧气作为氧源) 4 ) 新的溶剂币口反应介质( 如在超l 】占界流体和离子液体中的反应) 5 ) 水相过程以及相应的产品( 如在高温水中进行的有机反应) 6 1 替代使用危险陛试剂( 如使用固态酸以取代传统的腐蚀性酸) 7 ) 充分的反应过程( 如应用旋转式圆盘反应器) 8 ) 新型的分离技术( 如使用新型的包括舍氟相的两相体系) 9 、改变反应原料( 如使用植物衍生物作为化学工业原料) 1 0 ) 新的安全化学品和材料( 如新的由天然产物衍生的杀虫剂) 1 1 ) 减少化学反应废弃物的产生( 如应用原子利用率原理和选择性催化剂) 有机化学领域内与绿色化学相关的反应主要为以下几方面： 1 ) 以水为介质的有机反应 2 ) 以超临界流体为溶剂的有机反应 3 ) 以离子液做溶剂的有机反应 4 ) 固态无溶剂反应 5 ) 以含氟相的两相体系为介质的有机反应 我们课题组主要研究了微波无溶剂反应和离子液在有机合成中的应用两个方面。 浙江大学理学硕士学位论文 第一章微波无溶剂方法在有机反应中的应用 第一节微波无溶剂有机反应法综述 微波作用下的有机反应的速率较传统的加热方法快数倍甚至上千倍，且具有 操作简便、产率高及产品易纯化等特点。因此微波有机合成发展迅速，已涉及到 有机化学方方面面，成功地应用于多种有机反应，并展示了广泛的应用前景。 微波有机合成反应技术从1 9 8 6 年发展至今，主要有以下四种：1 ) 微波密闭 合成反应技术；2 ) 微波常压合成反应技术；3 ) 微波干法合成技术；4 ) 微波连续 合成反应技术。 在微波密闭和常压合成技术不断发展的同时，微波干法作为一门新兴的技术 也在迅速发展着。所谓干法，是指以无机固体为栽体的无溶卉0 有机反应，微波辐 射下的干法有机反应即微波无溶剂有机反应是将反应物质浸渍在氧化铝、硅胶、 粘土、硅藻土或高岭石等多孔无机载体上，干燥后放入微波炉内启动微波，而吸 附于固体介质表面的羟基水以及极性有机物质都强烈地吸收微波，从而使这些吸 附着的分子被激活，反应速率大大提高。 最早开展干法研究的英国科学家v i l l e m i n 和他的合作者2 是将吸附在无机载 体上的反应物置于密封的聚四氟乙烯管中，在微波炉内辐射进行反应，从而揭开 了干法技术研究序幕。1 9 9 1 年法国科学家b r a i n 等3 人利用a 1 2 0 3 、f e 3 0 4 ( 1 ：1 ) 作 垫底在玻璃容器上，由酸性粘土作催化剂( 皂土、滑石、蒙脱土) 由邻苯甲酰基 苯甲酸合成恩醌。该方法优点在于利用a 1 2 0 3 和f e 3 0 4 吸收微波能量，然后将热 传给反应物，从而起到均匀加热的目的。1 9 9 2 年，台湾大学h u i m i n g y u 等4 人 设计出一种微波干法反应实验装置。反应容器置于微波炉中心，聚四氟乙烯管从 反应器的底部伸出微波炉外与一氮气源相连。当在微波辐射下发生反应时，氮气 流吸进反应器底起到搅拌作用，当微波辐射停止时( 即反应结束时) ，聚四氟乙 烯管又可与真空泵相连接，将反应生成的液体吸走。h u i m i n gy u 等人用此装置 成功合成了一些常规方法难以合成的多肽。1 9 9 5 年吉林大学李耀先等5 用微波干 法技术合成了l 一四氢噻唑一4 一羧酸，反应达到8 5 的产率，反应速率较常规 方法提高了近2 9 0 倍。微波技术中引入回流装置，避免了有机物发挥到微波炉内， 使反应在较安全的方式t 进g i - ，使微波干法合成技术得到了很大的发展。微波千 浙江大学理学硕上学位论文 法下的有机反应主要有以下几种： 一重排反应 1 p i n a c o l 重排 g u t i e r r e z t l 其他合作者6 研究了金属离子存在下片呐醇重排成片呐酮的微波反 应，发现金属离子对重排有促进作用，反应时间从常规的1 5 h 缩短为1 5 m i n ，产 率也有很大提高。 c h 3 l c h 3 一c c c h t | | 。 o h0 2 炔丙基醇重排反应 取代炔丙醇常温下很难发生重排，即使加热条件下也仅有少量重排产物生 成，然而干反应条件下微波辐射5 m i n 生成9 0 以上的产物7 。 k s f 蒙脱土 h c h 3 仨三c c h o h - c h ，c o c h ，= c p h im w i 2 7 0 w 。 。 古h p h l 孙c c 一 一。崤鼎p h c 一一c p h 2 l p h 二k n o e v e a g e l 反应 在氟化钾催化下把胡椒醛和。【一氰基甲基苯基砜吸附在氧化铝上进行反应，只 生成极少量的缩合产物，但用微波加热时，2 0 m i n 就以9 5 的产率生成缩合产物8 。 c h o ，h s s 0 2 c h 2 c n 等妒c 、c n 叩晶 三r e f o r m a t s k y 反应 b c 如 一 hc l c l o严卜1 叫 一 b c 浙江大学理学硕士学位论文 r l a t o u c h e 等研冤了微波辐射下碱金属氧化物催化下的r e f o r m a t s k y 反应 + s i c c02c2h焉韶phch=chcphcho(ci-13)3sich2c02c2h 0 2 c 2 h 5 + f 1 呖丽宅参矿二一c 0 2 c 2 h 5 6 0 c 嶙i c 删器寻矾n 单一产品 四w i t t i n g 反应 微波技术用于磷叶利德的w i t t i n g 反应的研究最近亦取得较佳的结果1 0 ： 五缩合反应 在庚醛与苯甲醛的缩合反应中，a y o u l i 等“发现，用微渡技术仅用l m i n 就 可得到8 2 的主产物和1 8 的自缩合副产物，且反应装置简单，后处理过程容 易操作。 c 屿( c h 2 ) s c h o 型q + c s h l l v i i i e m i n l 2 利用a 1 2 0 3 一k f 载体与微波辐射结合，仅用了6 m i n 就合成了4 一亚 芳基一1 ，3 一异喹啉二酮，且产率良好。 a r c h o + o + h ，o 6 浙扛大学理学硕上学位论文 巴比妥酸衍生物是一类具有生理活性的含氮杂环化合物，它与醛的缩合反应 在溶剂中很容易发生。王春等人1 3 对微波固相合成5 一亚烃基巴比妥酸进行研究 表明，在无催化剂作用下，巴比妥酸亦表现很高的反应性能，与芳香醛进行固相 缩合反应得到唯一产物，易纯化，产率高，可直接用于合成。 a r c h o o 六氧烷基化反应 微波作用下，羧酸盐与卤代烷发生o 一烷基化几乎定量反应，即使活性不高 的长链卤代烃亦可顺利进行1 41 5 此反应用传统加热法需3 h 才能达到同一产率。 c h 3 c 0 2 k + n c 1 6 h 3 ，b r 苍c h 3 c 0 2 c 6 h 3 3 n 七氮烷基化反应 丁金昌等1 6 用微波干法技术成功地进行了巴比妥酸和卤代烷的n , n 一双烷基 化。反应1 1 6 m i n ，产率为7 4 一9 9 ，反应速度比传统加热法提高了1 5 3 0 0 倍。 c 2 h c 2 h 5 o c n h o + r x n h r 2 p h c h 2 -，- c h 2 c o o c 2 h 5 x = c 卜_ ，b r r + h x 八碳烷基化反应 活泼亚甲基化舍物与卤代烷发生的烃化反应是形成碳碳键的重要方法，微波 技术在这个反应中的应用取得了满意结果。 x 浙江人学理学硕士学位论文 在微波作用下，乙酰乙酸乙酯、苯巯基乙酸乙酯与卤代烷反应只需3 5 m i n 烷基化产物产率可以达到5 8 8 3 1 7 1 8 。 r c h c o o c h ；+ r x 上幽竖赵l 四p 午h c o o c 2 h 5“ m w ii r = c h 3 c o 一，p h s 一 点r r c 6 h s c h 广，p - c i c 6 h 4 c h 2 - - 一 m - c h 3 0 c 6 h 4 一，c h 2 = c h c h 2 一 九选择性反应 1 立体选择性 v i l l e m i n l 9 等利用a 1 2 0 3 - k f 载体催化与微波照射结合，仅用了1 5 m i n 就将苯 基异恶唑啉一5 一酮与噻吩甲醛反应生成了9 2 的e 式构型产物。 n i + 0 + h ，o 2 对映选择性 对映纯的氨基醇和醛在微波无溶剂体系发生缩合，在热力学控制下快速合成 1 3 一恶唑烷烃2 0 产率良好。 r o r + i i f i r r l n 十成环反应 p e t i t l l 等在四氢吡啶下与苯甲醛合成具有人体生化意义的四苯基卟啉的实验 中，采用了微波干反应技术，在1 0 m i n 内合成了9 5 的产品，虽然产率没有明 显提高，但这种技术极大地简化了产品的分离与提纯过程。 8 盯+ 筹 。人。 人 惫 l 浙江人学理学硕士学位论文 + g 蒙脱土用来催化有机反应，已有不少报道，v i l l e m i n 旧等采用这种方法并以微 波辅助进行了f i s c h e r 吲哚的合成，用5 m i n 得到了8 5 的产率。 h 十一脱保护反应 在药物的合成中常常会遇到官能团的保护与脱保护问题，微波可用于加速这 类反应。下面是由a e n h a i m 等1 1 研究的三甲基乙酰的脱保护反应。 o m e o a 1 ，o ，p i = = l m w i o m e o h 十二糖类化合物的某些反应 近几年的研究表明，多糖甚至寡糖不仅仅是一类结构和能量物质，而且是最 重要的信息物质，具有重要的生理功能和药用价值2 1 。 在半乳糖1 , 4 _ 内酯的合成过程中，一般的方法只能得到2 2 3 8 的产率，而 9 浙江人学理学硕士学位论文 选用微波照射来进行，则可得到6 0 6 6 的产率，反应时间仅需1 0 m i n 。 h o o垦里坚竺蓥些圭 m w i h o r 第二节微波无溶剂法合成3 ，4 一二氢嘧啶一2 一酮衍生物 1 8 9 3 年b i g i n e l l i 首次报道了乙酰乙酸乙酯、芳香醛和脲在浓盐酸催化下于乙 醇中加热回流1 8 h 得到了3 ，4 一二氢嘧啶一2 一酮衍生物，这一合成法称为 b i g i n e l l i 反应2 2 。研究发现，3 ，4 一二氢嘧啶一2 一酮类化合物具有与1 ，4 一二氢 吡啶衍生物相似的药理活性，在抗微生物抗病毒抗癌杀菌杀霉等领域具 有广阔的应用前景2 3 ，因此对它的合成研究引起了人们的极大重视。 b i g i n e l l i 在浓盐酸催化下于乙醇中加热回流乙酰乙酸己酯l 芳香醛2 乖脲3 得到了目标物4 ，该反应操作简便，然而产率太低( 2 0 一5 0 ) 。 o o o o h 。e t o h 人八。0r 八fh 2 n 八n h 2 7 r o h 为了改进b i g i n e l l i 反应，a 4 f 作了大量的研究工作。1 9 9 8 年h u 2 4 等报道在 t h f 介质中用b f 3 - e t 2 0 c u c i 作催化剂，加热回流1 5 1 8 h ，得到了3 ，4 一z - 氢嘧啶一2 一酮衍生物，产率比经典的b i g i n e l l i 反应有很大的提高。同年k a p p e 2 5 发现p p e ( 多磷酸酯) 也能高效的催化b i g i n e l l i 反应，产率有很大的提高。路 军等2 6 用镧系金属盐l a c l 3 - 7 h 2 0 作催化剂，可有效的催化b i g i n e l l i 反应，反 应产率有较大的提高，且反应时间缩短为3 5 h ，同时催化剂对环境友好。 凇 r 浙江人学理学硕士学位论文 钱长涛2 7 等人报道镧系金属盐l a ( o t f ) 3 对b i g i h e l l i 反应有很好的催化作用， r a n u 2 8 发现i n c l 3 也具有较好的催化作用。 近年来随着离子液体的飞速发展，在有机反应中的应用越来越广泛。彭家建 等人2 9 利用室温离子液体 b m i m r b f 4 一( 1 一丁基一3 一甲基咪唑氟硼酸盐) 或 b m i m + p f 6 一( 1 一丁基一3 一甲基咪唑氟磷酸盐) ，在无另加溶剂条件下催化芳香 醛、尿素和o 【，b 一二羧基化合物三组分一步缩合制备3 ，4 一二氢嘧啶一2 一酮 衍生物( b i g i n e l l i 反应) 。反应条件温和，时间短，产率高。 氨儿山从o o r 。嚣i ： z h 钐试剂能促进一系列的缩合反应3 0 ，且s m c l 3 和l a ( o t f ) 3 等催化剂相比也比 较便宜。在酶 生反应条件下，蒙脱土是一种非常有效的化学催化剂，而且它可以 通过调节组分的比例以适合不同的反应。鉴于微波干法在有机合成中的广泛应 用，我们尝试在微波无溶剂条件下，用s m c l 3 6 h 2 0 蒙脱土体系催化合成3 , 4 一 二氢嘧啶一2 一酮衍生物( d h p m s ) 。 or oo r c h o + h 3 c u y x + h 2 n 儿n h 2 + h 4 y = o e t , r o r a r ；x = o o rs 我们首先对反应试剂的摩尔量和微波照射时间及功率进行试验研究，发现了 合成d h p m s 的较佳合成条件。我们把1 ：1 ：1 5 比率的醛、二羰基化合物、尿 素( 硫脲) 和s m c l 3 6 h 2 0 蒙脱土混合均匀，在4 0 的最大功率下一共照射3 m i n ， 每照射3 0 4 0 s 冷却一分钟，重复数次，反应温度约为8 0 9 0 “ c ，所得结果见下表： 浙江大学理学硕士学位论文 t a b l e lp r o d u c t sa n dt h ey i e l d s + i s o l a t e dy i e l d s 从表中可以看出，此方法不但速度快，而且适合于一系列不同的反应物。芳 醛和脂肪醛都取得了良好的产率，同样用硫脲也取得了目标产物。而且催化剂可 以重复使用。 小结：用微波无溶剂s m c l 3 - 6 1 1 2 0 蒙脱土体系合成3 , 4 一二氢嘧啶一2 一酮化 合物，不但装置简单，操作条件温和，试剂相对便宜，反应时间短，产率高，而 且避免了反应中大量有机溶剂的使用。催化剂可以回收重复使用。此方法无论在 经济性、环境友好方面都有可取性。 浙江大学理学顿十学位论文 第二章离子液的合成和在有机反应中的应用 第一节离子液的介绍和在有机反应中的应用综述 一介绍 离子液作为一种新的绿色替代溶剂和催化体系，取得了人们越来越多的关 注，它们完善了环境友好溶剂水、超临界流体或全氟化溶剂的使用。离子液最初 是由电化学家们在寻求电池的电解质中发现的，现在被广泛用于分离、电化学、 化学反应等很多方面，尤其在有机反应中的应用有了迅速的发展。 离子液顾名思义就是液体中只有离子存在。通常盐类化合物在熔融状态时就 表现为离子液体状态，例如熔化态的氯化钠。有机化合物中，例如普通的季铵盐， 虽然是离子型化合物，但是其熔点比较高。然而，我们通过选择合适的材料可控 制在室温下或低温下形成离子液体。这些看起来像水扣甘油的无色液体，通常是 有机盐或至少包含一种有机组分的混合物。最常见的由舍氮磷有机阳离子和大的 无机阴离子如b f 4 - p f 6 一等组成。目前我们已经知道许多盐都可形成接近室温的离 子液体，由于以下的一些特性，使它们可以作为有机反应介质使用3 7 ：( 1 ) 它们 对无机和有机材料都表现出良好的溶解能力；( 2 ) 它们通常舍有弱配合离子，所 以它们具有高极化潜力而非配合能力；( 3 ) 它们与一些有机溶剂不互溶，可以提 供一个非水、极性可调的两相体系，憎水离子液体可以作为一个水的非共溶极性 相使用；( 4 ) 离子液体具有非挥发性，因此它们可以用在高真空体系中，同时可 减少因挥发而产生的环境污染问题；( 5 ) 室温离子液通常在3 0 0 “ c 范围内为液体， 有利于动力学控制；( 6 ) 它们表现出b r o n s t e d 、l e w i s 酸酸性，可作为酸催化剂 替代a i c l 3 、h f 、h 2 s 0 4 、h n 0 3 等，用于傅克烷基化、芳烃的硝化等产生大量废 酸的反应过程。( 7 ) 它们的热稳定性可达2 0 0 。c 以上；( 8 ) 它们易于制备且可以 回收再利用。 二制备和性质 离子液体的阳离子一般为体积比较大，低对称性的有机离子。最常用的是带 有不同烷基取代基的咪唑离子( 1 ) 3 8 4 1 、季铵离子( 2 ) 4 2 - 4 4 吡啶离子( 3 ) 4 5 。4 7 磷离子( 4 ) 4 8 ，还有硫离子( 5 ) 4 9 锂离子( 6 ) 5 0 吡咯离子( 7 ) ”，噻唑 浙江大学理学烦士学位论文 离子( 8 ) 5 2 ，三唑离子( 9 ) 5 3 嗯唑离子( 1 0 ) 5 4 和吡唑离子( 1 1 ) 5 5 等。 n r x h ( x ) 】 【s r x h f 3 x 、】 ( 5 ) r l i + ( 6 ) 、r 3 ( 9 ) 2 【p r x h ( 4 一x ) ( 4 ) 、r 3 r 1 ( 1 0 ) r 5 通常认为阳离子中电荷越分散，分子的对称性越低，分子间相互作用力越弱， 生成的化合物熔点越低。分子量对物质的熔点也有影响。然而令人惊奇的是，取 代基为丁基、二戊基、二辛基、二壬烷和二葵烷时，1 ，3 一二烷基咪唑的六氟磷 酸盐都为室温液体5 6 。阳离子不但能影响介质的物理性质，也可能影响反应物的 化学性质。如在n i 的有机金属络舍物催化苯乙烯的氢化反应时，4 一甲基吡啶盐 表现出比l 一乙基一3 一丁基咪唑盐类有更高的对映选择性5 7 。另一方面，作为吲 哚区域选择性烷基化的溶剂时，1 ，3 一二烷基或1 ，2 ，3 一三烷基咪唑盐优于烷 基吡啶盐类5 8 - 5 9 。 阴离子通常为b f 4 一、p f 6 一、c f 3 s 0 3 一、c f 3 c 0 2 一、s b f 6 一、a 1 c h 一、c u c l 2 一、 n t f 2 一、h s 0 4 一。n 0 3 “o “1 等等。阴离子的大小对熔点也有较大的影响。大的阴 离子，与阳离子的作用小，晶体中的晶格能小，因此易生成熔点低的化合物。阴 a b b r e v i a t i o n ：【e m i m ，1 - e t h y l - 3 - m e t h y l i m i d a z o l i u m ； b m i m ，1 - b u t y l 一3 一m e t h y l i m i d a z o l i u m ； h m i r n l ，1 - h e x y l 一3 一m e t h y l i m i d a z o l i u m ；o t s ，t o s y l a t e ；o t f , t r i f l u o r o m e t h a n e s u l f o n a t e ；o c ，o e t y l 1 4 浙 工大学理学硕上学位论文 离子对离子液体物理常数的影响见下表6 1 ： t a b l e 2 阳离子为1 一丁基一3 一甲基眯唑离- 7 - ( b m i m + ) 的不同离子液的物理常数 离子液体分子结构还影响它们对化合物的溶解性能6 2 。比如它们和水的相溶 性取决于阴离子的性质、温度、和阳离子上烷基链的长短。对于1 一丁基一3 一甲 基眯唑阳离子( b m i m + ) ，b f 4 “、c f 3 s 0 3 、c f 3 c 0 2 + 、n 0 3 - 和卤盐在2 5 和水都 完全互溶。然而冷却 b m i m 【b f 4 一，水液到4 。c ，舍水相就会分离出来。同样，改 变 b m i m 】离子为更长链 h m i m ( 1 一己基一3 一甲基咪唑) ，结果它的b f 4 盐在室 温下和水微溶。另一方面，p f 6 一、s b f 6 一、n t f 2 。、b r 4 。盐类都微溶于或不溶于水。 b o n h 4 4 等研究了有机溶剂在离子液体 e m i m + c f 3 s 0 3 一中的溶解性，二氯甲烷、四 氢呋喃可与其互溶，而甲苯、二氧六环是不溶的。正确地选择合适的离子液，对 于多相催化中的产物分离，催化剂溶解和回收等很有价值。 离子液制备的第一步为成季铵盐反应掩，氨或磷通过烷基化试剂得到不同 阴离子形成的离子液盐类。令人惊奇的是，不少熔点在1 0 0 “ c 以下的离子液都可 以通过这个方法得到： t a b l e 3 可以直接由季铵化得到的某些离子液 浙江大学理学硕士学位论文 对于那些不可能直接通过成季铵盐反应得到的离子液，要连续进行第二步反 应。如下图所示， x s t e p i i b 1 + m e t a l ( s a l tm a 】 一m x ( p r e c ! p ao砂一tati 2 + b r o n s t e da c i d1 4 a 】 一h x ( e v a p a r a t i o n ) 3 i o ne x c h a n g er e s i n r 3 n 儿a 从季铵盐开始，有两种不同途径可以改变阴离子种类。第一， r r 3 n + x 一可 以和l e w i s 酸m x y 直接络合，得到 r r 3 n + m x y + 1 一型的离子液( s t e p i i a ) 。在 这条途径中，反应平衡中存在着好几种负离子，“ 朗x g t 5 - 两种化合物 r r 3 n + x 一 和m x 。的种类： 上+ r 。r 3 n x + m x y 5 ；2 2 兰 j r r 3 n 】 m x y + 1 】 当l e w i s a c i d v x y 过量时，已生成的负离子还会继续和l e w i sa c i d 发生进一 步的酸碱平衡。可以由下面氯化铝类来说明： 列r 3 n 4 - a l c l f + a 1 c 1 3 = ；= 暑= r r 3 n 。a 1 2 c 1 7 r r 3 n + a 1 2 c 1 7 一+ a 1 c 1 3 ；2 2 兰【r i r 3 n 】a 1 3 c l l 0 除了氯化铝，还有其它l e w i sa c i d 可以形成此类离子液：( t a b l e4 ) 【a 】c a t i o n = p y r i d i n i n n ，i m i d a z o l i u m i o n 浙江人学理学硕士学位论文 另一条途径是用其它负离子取代暇r 3 n “x 一中的卤离子。这可以通过加入金 属盐m + a 一( 沉淀出m + x 一) 进行离子交换或用强酸h + a 】取代卤离子( 释放出h + x 一) ( s y n t h e s i ss t e p i i b ) 。这个过程中只有一种离子存在( t a b l e 5 ) 。 i o n i cl i q u i d s 【8 【c a t i o n b f 4 【c a t i o n p f 6 【c a t i o n s b f 6 【c a t i o n n 0 3 【c a t i o n c h 3 c 0 2 【c a t i o n h s 0 4 【c a t i o n b ( e t 3 h e x ) 7 2 7 3 7 3 7 4 7 0 7 2 7 2 7 5 7 6 【a c a t i o n 2 p y r i d i n i r m ，i m i d a z o l i u m ，a m m o n i u m i o n 另外，我们还可以把几种不同的离子液混合起来，从而得到新的性质的离子 液”。 在制备离子液时，如果离子液中混入了各种杂质，有可能会改变离子液的物 理化学性质7 8 因此有必要对离子液进行纯化。我们在纯化有机溶剂时，经常用 蒸馏的办法得到，然而对于低挥发性的离子液来说并不合适。而离子液里的杂质 主要是来自没反应完的原料和水里的卤离子或有机碱7 9 卤离子对过渡金属催化 的反应有很大影响。为了避免卤离子的存在，可以改用其它制备方法。如对烷基 咪唑衍生物进行直接的烷基化8 0 , 8 1 , 8 2 即使是疏水性的离子液也会吸湿，水的存 在也会改变离子液的物化性质，如微量的水会使p f 6 一盐类分解生成h f 。因此离 子液一般要在真空下干燥。 三离子液的回收和再利用 离子液的回收和再利用是它的最大的优点之一，也是其作为绿色化溶剂的内 在要求。一般报道的离子液中有机反应的文章都会提到它们的回收和再利用的问 题。美国m o r r i s o n 等8 3 人在这方面所做的工作较为详尽。他们在k n o e v e n a g e l - - r o b i n s o n 环化反应后用甲苯萃取三次，分析结果表明有9 8 的有机物被除掉了。 1 7 浙江大学理学硕士学位论文 也有人用乙醚萃取三次，所得结果也较为理想。用回收离子液做反应时，所得反 应产率因反应类型的不同会有所差异。例如：在叔胺( d a b c o ) 催化的 b a y l i s - - h i l l m a n 反应中8 4 , 由于d a b c o 和未反应的反应原料在回收过程中的积 累等原因，用回收离子液做反应时的反应产率有所提高( 从6 9 到7 6 ) 。在 k n o e v e n a g e l - - r o b i n s o n 环化反应中8 3 用回收离子液做反应时的反应产率却降低 ( 从7 7 到3 6 ) ，原因还有待于进一步研究。 四离子液在有机合成中的应用 由于离子液体对有机物表现出良好的溶解能力，使它作为有机溶剂的替代物 在众多有机反应中得到应用，如d i e l s a l d e r 反应、聚合反应、烷基化反应、酯 基化反应、异构化和氢化反应等等。 1 d i e l s a l d e r 反应 在室温离子液体中进行的d i e l s a l d e r 反应有一些明显的优点：体系有足够 低的蒸气压，可再循环，无爆炸性，热稳定且易于操作，尤其反应中可以使用对 水敏感的反应物。 首先进行研究的是在 e t n 0 3 r i n 0 3 】中环戊二烯与丙烯酸甲酯和甲基酮的反 应8 5 。反应生成内型和外型的混和物，溶剂组成影响着内外型的比例。与非极性 有机溶剂相比，该反应表现出更明显的内型产物选择性和快的反应速率特征。 + 厂卜 + 么上彦c 0 2 c h 3 c 0 2 c h 3 s e d d o n 等研究了在室温离子液如1 一丁基一3 一甲基咪唑三氟甲基磺酸盐( b m i m + o t q 一) 8 6 、 b m i m + p v 6 一、 b m i m + b f 4 一和 b m i m + 1 a c t a t e l 。8 7 中进行的d i e l s a l d e r 反应，发现反应的速率及选择性与在l p d e 中进行的相类似。其高的反应速 率及选择性都符合绿色化学的要求，替代了l p d e 的使用，避免了由于使用二乙 基醚和高压操作而带来的不安全问题。 2 亲电反应 1 ) 芳香族化合物的弗克烷基化反应 s o n g 等8 8 研究了s c ( c f 3 s 0 3 ) 3 在离子液体中催化烯烃与芳烃的烷基化反应。 i 浙江大学理学顿十学位论文 在传统的有机溶剂中，反应不能进行，而在 e m i m + s b f 6 一、p o m i m + p f 6 】、 b m i m + s b f 6 等疏水性离子液中，室温下反应1 2 h ，收率为9 6 ，转化率达到9 9 。 2 0 e 1 2 h 同时值得注意的是在亲水性的离子“ 液 e m i m 】+ 0 3 f 4 一、【e m i m + o t f 一、【b m i m + ( b f 4 】一和 b m i m + o t f 一中，虽然催化剂s c ( o t 0 3 在其中的溶解度远大于在疏水 性离子液中的溶解度，但是反应没有发生。留在离子液里的催化剂可重复使用。 2 ) 弗克酰基化反应 在弗克反应中，酸性离子液 e m i m + c 1 一a 1 c 1 3 既是溶剂又是催化剂。 c h r i s t o p h e r 8 9 等报道了下列五种芳香族化合物在蝴 e m i m 】+ c 1 一a 1 c 1 3 中 的f r i e d e l c r a f t s 酰化反应。芳香族化合物结构为： t a b l e 6 ( 1 2 ) rm e m e ( 1 3 ) r = m e ( 1 4 ) r = c l ( 1 5 ) r = o m e ( 1 6 ) m e 】9 浙江大学理学硕士学位论文 对于化合物2 、3 和4 的酰基化反应，所有的主要产物为4 一位异构体，2 一位异 构体也有生成，但产率均不超过2 ，这样的产率也是至今最好的。当用5 作为 反应物时，得到的单独异构体的产率达到9 9 ，立体化学效应对反应无什么影响。 3 1b e c k m a n n 重排 b e c k m a n n 重排在有机合成中特别在_ v - , _ l k i 合成己内酰胺中占有重要地位， 但是它的缺点也是很显然的：反应需要很高的温度( 1 3 0 “ ( 2 ) 且反应需要大量的 路易斯酸存在。邓友权9 0 和r e x 9 1 在离子；to e 分别用p c i 5 、p 2 0 5 做了环己酮肟的 b e c k m a n n 重排反应，发现离子液中的b e c k m a n n 重排不仅反应温度较低、转化率 高、反应产率良好，而且实现了反应溶剂的绿色化，反应只需催化量的路易斯酸 就可以实现。分析其原因，可能是离子液稳定了在b e c k m a n n 重排的决速步骤中 存在离子型的中间体，因而实现了反应条件温和化。 n o h 0 3 过渡金属催化反应 1 1 氢化反应 碳碳双键的过渡金属络舍物催化氢化是一种广泛研究的均相催化反应，然而 产品与反应试剂的分离仍有问题。1 9 9 5 年，c h a u r i n 等9 2 研究了g - ? - 液体中铑催 化的烯烃氢化反应，他们将催化剂溶解在具有弱配位能力阴离子的离子液里，与 h 2 ， r h ( n b d ) ( p p h 3 ) 2 反应物和产物形成双相催化体系。虽然烯烃在离子液体相溶解度很小，但在 b m i m + s b f 6 一中的氢化反应比在有机溶剂丙酮中快5 倍。这一结果表明，采用离子液 体技术，可有效的将催化剂固定在液相中，而不必设计特殊的配体来完成催化剂 的固定化。而且催化剂可循环使用，产品的分离简单。 羲 旦 舭 浙江人学理学硕士学位论文 r h c l 2 ( p p h 3 ) 3 扣 r h ( c o d ) 2 + 【b f 4 】一( c o d 为环辛二烯) 在 b m i m 】+ 【b f 4 一中也被用 来催化氢化环己烯”。尽管r h c l 2 ( p p h 3 ) 3 可得到高的转化速率，用【r h ( c o d ) 2 + 【b f 4 则可达到环己烯全转化为环己烷。事实证明，不对称氢化也可在离子液体中进 行。d u p o n t 9 4 等报道了手性钌催化剂r u b i n a p ( b i n a p = 2 , 2 一二( 二苯膦) 一1 ，l 。 联萘基) 催化二苯基丙烯酸和2 一( 6 一甲氧基一2 一萘基) 的不对称氢化，光学收 率8 0 e e 。 h 【r u c l u ( s i b i n a p h b m i m b f 4 i - p r o 2 ) 氢甲酰化反应 氢甲酰化又称羰基合成反应，由c o 、h 2 在过渡金属催化剂作用下对烯烃的 加戍反应生成醛。k a r o d i a 9 5