（有机化学专业论文）离子液中硫脲衍生物及杂环化合物的合成.pdf

摘要 伴随着绿色化学概念的提出，离子液的研究掀起热潮，离子液体是一种新开 发的可代替传统溶剂的绿色反应介质，它克服传统溶剂挥发性、毒性、易燃性、 难以保存和回收的缺点，从源头上解决了一般有机溶剂的排放对环境造成污染的 问题，因此离子液作为溶剂在有机合成反应成为了近年来的新兴研究领域之一。 硫脲衍生物在化学的每个分支都有应用，特别在医药、农业、工业、生物分 子、分析化学等方面。硫脲衍生物作为一种重要的有机合成中间体，如何改进方 法更有效，更工业化的合成硫脲衍生物也成为了化学研究中的重点之一。 噻唑啉酮杂环化合物不仅具有较好的生物活性，还具有广泛的药物活性，已 成为新农药创制的热点课题之一。 本文探讨以离子液代替传统溶剂，研究在离子液中硫脲衍生物和噻唑啉酮的 合成。论文主要包括两个方面： 文献综述了离子液的发展、组成、制各和应用方面的研究。 实验部分主要包括三部分：( 1 ) 在离子液 b m i m 】 s c n 中卤代烃被s c n 取代 后，加热异构化，然后加入胺类合成硫脲衍生物，反应时间短，条件温和，产率 达8 0 左右，且离子液不仅作为溶剂，还作为反应物，是一种从卤代烃出发合 成硫脲衍生物的新方法；( 2 ) 通过比较在不同离子液中酰基硫脲的合成，发现在 【b m i m 】 b f 4 】中酰氯和硫氰酸铵反应然后加入胺类合成酰基硫脲的反应，在室温 下进行，具有时间短，产率高几乎无副反应产物的特点，离子液可多次回收后再 利用，是一种绿色、高效的合成酰基硫脲的新方法；( 3 ) 在离子液 b m i m s c n 中加入氯乙酸乙酯生成a - 硫氰酸基一乙酸乙酯，然后在乙酸的催化下与胺作用生 成噻唑啉酮，离子液不仅作为溶剂，也作为反应物，反应在室温下进行，时间短， 操作简单，产率在7 3 左右。为噻唑啉酮的合成提供了一种新的绿色合成方法。 关键词：离子液、硫脲衍生物、酰基硫脲、噻唑啉酮。 a b s t r a c t i o n i c1 j qu i d sh a v er e c e n t l y 抛a c t e dm u c ha n e n t i o na se n v j r o 啪e n t 疗i e n d l ym e d i af o r o 培a n i cr e a c t i o n s i nc o n 打a s tt ot r a d i t i o n a lo 唱a n i cs o l v e n t s ，t h e ye x h i b no b v i o u sa d v a n t a g e o u s p r o p e r 【i e si n c l u d i n g w i d e l i q u i dr 柚g e ，9 0 0 dt i l e 皿a l a n dc h e m i c a ls t a b i l i 吼h i g l lj o n c c o n d u c t j v i t y n e g l i g i b l ev 印o rp r e s s u r ea n dp o t e m i a lf o rr e c y c l i n g b e c a u s eo ft h e s ep r o p e r t i e s ， i o n i c1 i q u i d se m e 唱ea s an e wf e e na l t e m a t i v et ot r a d i t i o n a lo 唱a i l i cs o l v e n t si nt h ea p p l i c a t i o n s o f o r g a n i cs y 也e s i s t h i o l l r e aa n d 皓d e r i v a t j v e sh a v eb e e nf b u n dt h e i rw a y si n t oa l m o s te v e r yb r a l l c ho f c h e m i s n 孓c o m m e r c i a l l y ，t h e ya r eu s e di nd y e s ，p h o t o g r 叩m cf i l m ，e l a s t o m e r s ，p l a s t i c sa 1 1 d a n d t e x 付l e s ，c e r t a i nm i o m e ad e r i i v e sa r ei n s e c t i c i d e s ，p r e s e r v a t i v e s ，r o d e n t i c i d e s ，a n d p h 蛐a c e u t i c a 王s i nt h ea c a d e m i cf i e l d 也i o u r e a sa r eo f g r e a tv a l u ei nm ec h a r a c t e f i z 撕o no f o 唱a n l cc o m p o u n d s t h i st h e s i sh a sb e e nu t i l i z e di o n i cl i q u i d sa ss 0 1 v e n t sf o rs y n t h e s i so f 血i a z o l o n - 4 - o n e s ， t l i o u r e a sa n di t sd e 扪v a a v e sa c y l t h i o u r e a s t h et h e s i sm a i n l yi n c l u d e st w op a r t s ： t h ep a no f t h er e v i e wi n 廿o d u c e st h ed e v e l o p m e n t c o m p o s i t i o n ，p r e p a r a t i o na n d 印p l i c a n o n o f i o n i c1 i q u j d s t h ea t h e rp a no f t h ee x p e r h e n ti n c l u d e st h r e es e c t i o n s ： ( 1 ) t h e 也i o u r e a sa r es y n t h e s z e d i ni o n i c1 j q u i d 【b m i 删 s c n v i ai t sr e a c t i o nw i l hh a l i d e sa n da m i n e s i nt h ep r o c e s so ft h e r e a c n o n s ，t h ei o n i cl i q u i d sn o to n l va c ta ss o l v e mb u ta l s or e a c t a n t t h er e a c t i o n sa r ef o u n dt o p r o c e e du n d e rr e l 撕v em i l dc o n d j t j o n s i ti s ae f n c i e n t ，t i m e - s a v i n ga n de n v i r o m e n t 仔i e n d l y m e t h o d ( 2 ) a c y it h i o u r e a sa r es y n t l l e s i z e du s j n ga c y lc h l o r i d e s ，n h 4 s c na n da m j n e si n s e v e r a ik 抽d so fi o n ci i q u i d s i ti sf o u n d 血a t 血er e a c t i o n si n 【b m i m 】 b f 4 g e tt 1 1 eb e s tr e s u l tw i 血 t h ea d v a n t 8 9 eo fs h o nr e a c t i o nt i m e 柚dh i g hy i e 】d s i t i sa l s of o u n dt h a ti o n i cl i q “dc a nb e r e c y c l e d a n dr e u s e de f f e c t j v e l yt h i sp r o v j d e san e w ，e f 托c t i v em e m o dt os y n t h e s i z ea c y l t h i o u r e a s ( 3 ) t h i a z 0 1 0 n - 4 o n e sa r ep r e p a r e db yu s i n gi o n i cl i q u i d s b m i 稠【s c n a ss o l v e n ta n d r e a c t a n tt h er e a c t i o n so f b m i 丌l s c n lw j t l le 出y l2 一c h l o r o a c e t a t ea n da m i n e si sr a p i da 1 1 d e a s y t h ey i e l d sa r ea b o u t7 3 1 tp f o v i d e san e wm e l h o dt os y n 血e s i z et h et h i a z o l o n 4 o n e s k e yw o r d s ：i o n i c1 i q u i d s ，t h i o l l r e a t 1 1 i a z o l o n 4 一o n e 浙江大学理学硕士学位论文 第一章文献综述 第一节离子液的研究发展概况 1 1 离子液的发展 社会发展至今，人们对环境的呼声越来越高，伴随着绿色化学概念得提出， 离子液的研究掀起热潮，离子液作为溶剂在有机合成反应是近年来的新兴研究领 域之一。传统的有机溶剂的挥发性、毒性、易燃性、难以保存和回收，巨大的使 用量使之成为对环境有害的因素，因此，在化学方面对于寻找一种好的溶剂就显 得尤为重要。离子液体是一种新开发的绿色反应介质，由于其具有蒸汽压低、不 易燃烧、可循环再利用等特点，可代替传统溶剂，克服传统溶剂的缺点，而且可 以多次重复使用，这就可能从源头上解决一般有机溶剂的排放对环境造成污染的 问题l 】j 。 离子液体具有异于传统有机溶剂和电解质的一系列突出优点【2 】：对大多数 的无机、有机以及高分子材料表现出良好的溶解能力；通常是弱配合离子，所 以具有高极化潜力而非配合能力；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；具 有非挥发性特征，几乎没有蒸气压，无色、无臭，因此它们可以用于高真空体系 中，同时也可减少因挥发而产生的环境污染问题；在3 0 0 范围内多数仍为液 体，有利于动力学控制；表现出b r o n s t e d ，k w i s ，f r a n k j i n 酸以及超强酸酸性； 具有较大的稳定温度范围，在低于2 0 0 下热稳定，化学性稳定，电化学稳定， 并且电位窗口也较宽；通过阴阳离子的设计可获得“需求特定”、“量体裁衣”的 离子液体，既可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性，也可调节酸度。 1 2 离子液的组成 离子液或者熔化的盐通常是这样定义的吼完全由离子组成的液态电解质。 最近，以熔点的不同来区分它们，离子液通常是熔点低于1 0 0 并且粘性相对较 浙江大学理学硕士学位论文2 小；熔化的盐通常是有较高的熔点，较高的粘性，和腐蚀性。 当前研究的离子液体按阳离子来分可分为普通的烷基季胺盐类、烷基季磷盐 类、n 一烷基吡啶类和烷基咪唑等几类【3 】；按阴离子来分可分为金属类f 如：c 1 4 。、 c u a 2 一) 和非金属类( 如：b f 4 。、p f 6 、n 0 3 、c 1 0 4 、c h 3 c o o 、c f 3c o o 等) ，按 k 谢s 酸性，可分为可调酸碱性的离子液体，如a l c l 。和中性的离子液体，如b f 4 、 p f 6 、n 0 3 。、c 1 0 4 一等特点是阳离子较大且不对称，阴离子较小( 如图i ) 。 硼们小4 n f m 洮尸协、m 怵锹尸 烷基吡啶类 季胺盐类 烷基咪唑类季磷盐类 离子液具有一些独特的性能，其物理化学性质可以通过对阳离子的修饰或改 变阴离子进行调节【4 】 如r t i l 四氟硼酸1 甲基3 乙基咪唑可与水混溶【5 】，而六氟 磷酸1 甲基3 乙基咪唑则不与水混溶【6 】。 等绿色溶剂应具备的性质门。 对室温离子液体的研究主要集中在以下几个方面：( 1 ) 研究它们的组成、结构 及热力学性质。( 2 ) 力图合成一些热力学稳定、对水稳定、熔点更低具有特殊用 途的室温离子液体。( 3 ) 研究它们对各种物质的萃取能力。( 4 ) 研究它们的电化学 性，主要研究各种氧化还原电对在离子液体中的电化学行为。( 5 ) 研究室温离子液 体在有机合成中的作用。( 6 ) 用它们作为溶剂，研究许多过渡金属卤化物、金属 1 3 离子液制备 制备室温离子液体的方法，主要有复分解反应法和酸碱中和法。这两种方法 大都需要咀咪唑锚盐为原料。这种盐多是用n 一烷基咪唑与烷基盐或卤代烃在合适 的有机溶剂中反应。例如盐 e m i m b r 和【b m i m 】b r 的制备吼 浙江大学理学硕士学位论文 + 呲e r g + 1 ，1 ，1 三氯乙烷 c 4 h 9 b r a r 斛 囝一 ( a ) 夏分解法将制备的眯噬舔益与_ l j r 焉阴禺于酮尢毛| l 盐，征遭当裕刑及气氛甲 发生复分解反应，可得到需用的室温离子液体。 ，囝、r t ，囝、r 其中r 为短链烷烃，x 为c 1 ，b r ，i 等卤素负离子，x 为需用的阴离子。 例1 ：通过a r 盐制备【b m i m 】 b f 4 f 9 1 。 ，囝一r 。一 ，囝一仙c i 例2 ：张青山，刘爱霞等合成的新型吗啡啉季胺盐离子液【1 0 。 5 一q 一 ( b ) 酸碱中和法将咪唑鼢盐或烷基咪唑与所需阴离子的酸，在一定溶剂中发生 中和反应，亦可得到设计的室温离子液体。 例如：由咪唑蝓盐制备【e m i m p f 6 【6 【e m i m 】c l +h p f 6 e m i m j p f 6 + h c l 还可以直接把卤化盐和金属卤化物化合合成离子液，这可以制备卤化铝盐和 氯铜酸盐离子液。 微波辐射具有缩短有机反应时间、提高产率等优点，已得到了广泛的研究和 应用。v a 皿a 等【1 1 】和k h a d l k e r 等利用微波辐射在无溶剂条件下制备了含卤化烷基 吡啶和n 烷基n 1 - 甲基咪唑离子液体。最近，v 锄b o o d i r i 等用同样的方法制备了 n ，n 一二烷基咪唑四氟化硼离子液体。该法快速，高效，对环境友好。 为了能够制备纯净的室温离子液体，烷基咪唑或咪唑鼢盐的选择、合适阴离 子的选择，以及制备方法的选择都是尤为重要的。纯化离子液，通常是把它溶于 丙酮或四氢呋喃里，然后加入活性炭放置2 4 小时，最后把有机溶剂蒸除。 浙江大学理学硕士学位论文 4 1 4 离子液的应用 室温离子液体作为一种新型的溶剂和电解液，它具有溶解性好、不挥发、导 电性好、电化学窗口大等优点，它能有效地减少传统分子溶剂对溶质的溶剂化、 溶剂解等现象，因而在有机合成、电化学、萃取分离、无机物溶液化学方面具有 广阔的应用前景，此外它也有望为绿色无污染工业开辟新的道路。 离子液体在室温下处于无色透明的液体状态，作为溶剂有其独到之处【1 2 】： 1 _ 保持液体状态的温度范围宽，通常在3 0 0 范围内，有利于动力学控制；2 溶 解能力强，对无机和有机材料均能表现出良好的溶解性能，且种类多、选择余地 大；3 性质可调，从疏水性到亲水性，从对水敏感到空气中稳定，与有机溶剂不 互溶时，可提供一个非水、极性可调的两相体系，憎水离子液体可作为水的非共 溶极性相；4 具有非挥发性，用于高真空体系，可减小因挥发而产生的环境污染。 由于以上特点，故被认为是理想的绿色、高效溶剂，应用于分离萃取过程和有机 合成反应【1 3 】。 1 4 1 在有机合成方面的应用： ( 1 ) d i e l s 舢d e r 反应 d i e l s - a l d e r 反应在有机合成化学上是一个非常有用的碳一碳结合反应。比较 典型的反应是环戊二烯与甲基丙烯酸甲酯的反应如图，往往得到的是外型和内型 产品的混合物。 + 拭0 2 c h 3冯+ 如c 叩h 。 c 0 2 c h 3 研究证实，溶剂的极性影响产品的内型外型选择性，在极性溶剂中容易得到内 型产品【1 。这被解释为非极性反应物与极性溶剂之间的憎溶剂相互作用产生“内 压”，促使反应物在“溶剂空腔”中充分接触，从而活化了生成更具极性的内型 产品的反应【1 5 j 。离子液体作为极性溶剂，对d i e l s a l d e r 反应必定有显著的影响。 f i s c h e r 等”5j 在 b m i m 】b f 4 和 b m i m 】【c f 3 s 0 3 】等离子液体中研究了这个反应，反应 的确趋向于得到内型产物，而且反应速度较快。l e e 使用氯铝酸盐离子液体为溶 浙江大学理学硕士学位论文 剂和催化剂研究了d i e l s a l d e r 反应，反应速率、立体选择性和产率都远远优于在 传统的极性和非极性溶剂中的反应【1 ”。尽管速度的增加和反应选择性的提高比 不上水做溶剂，但离子液可以用于那些对水敏感的反应物。相同的反应已经在不 同的离子液中研究过了，如： e m i m 】 b f 4 ，【e m i m c 1 0 4 】， e m i m 】【c f 3 s 0 3 ， e m i m n 0 3 】，和 e m i m 【p f 6 】，它们都显示了相同的趋势【i 5 】。但这几种离子液对 反应的影响要小于用【e t n h 3 n 0 3 】的离子液，这是因为在【e t n h 3 n 0 3 】中有n - h 的氢键影响使憎溶剂效应增强了。 ( 2 ) b 一萘酚钠的烷基化 烷基化反应中两可亲核试剂吲哚或6 一萘酚的烷基化反应通常是先用碱进行 处理，然后与卤代烃反应如图。 回涨一 r 的。i r 杂原子上的区域选择性烷基化反应即0 一烷基化反应与所用的溶剂有关，通常使用 偶极非质子溶剂如d m f 、d m s o 等【1 7 j 。尽管这类溶剂能加速碳原子上的亲核取 代反应，但它们沸点高、热稳定性差、气味大，而且与水和有机相混溶使产物难 以分离。反应的区域选择性主要依赖于b 萘酚和溶剂中带相反电荷的离子的性 质。在偶极的非质子溶剂中，主要在氧上发生烷基化。用n b u 4 p b r ，n b u 。n b r ， e m i m b r ，和n - b u 。p c i 做溶剂时，主要在氧上的烷基化，表现了很高的区域选择 性( 9 3 9 7 ) ，这显示了离子液的极性性质。分析了1 h 和3 1 pn m r 显示了离 子液在反应后没有什么变化，可以再次被使用而对反应结果没有影响。在 b m i m 【p f 6 】离子液中2 一萘酚的烷基化得到了几乎相同的结果【1 8 】，而用吲哚却得到 了独有的n 烷基化【1 9 】。 ( 3 ) f r i e d e l c m f c s 反应 w i k e r 等【2 0 j 利用【e m i m c 1 趾a 3 ( e m i m 表示卜乙基一3 一甲基咪唑) 组成的离子 液体作溶剂考察了蒽和乙酞氯的酰基化反应。结果表明：酰基化产物的异构体分 布与反应时问以及反应物的投料摩尔比有关。1 hn m r 证实：f r i e d e l c r a f c s 反应是 通过先形成酰基化正离子形成的。 浙江大学理学硕士学位论文 c h 3 c o c l + 【a 1 2 c 1 7 】一【c h 3 c o 】+ + 2 【a j c l 4 】 此外，对 e m i m a c 1 3 离子液体体系的f f j e d c l c r a f ；【s 烷基化、氯代和硝化反应 机理研究也表明，上述反应都是通过正碳离子机理进行的1 3 l 。 举例如下： 烷基化：p h 3 c a + 【a j 2 a 7 一一【p h 3 q + + 2 d u c 埘 氯代：c 1 2 + 【舢2 a 7 】一c 1 + + 2 趾c 1 4 1 _ 硝化：n 0 3 + 【a 1 2 c 1 7 。一n 0 2 + + a j o c l 3 2 _ + 【c 1 4 汪显阳用氯化甲基丁基眯唑一三氯化铁( f b m i m 】c l f e c l 3 ) 作为催化剂 催化苯与1 一十二烯烷基化反应，在离子液体f e c l 3 f b m i i n c 1 摩尔比为2 ：1 ， f e c l 3 1 一十二烯摩尔比为0 2 ：1 、苯1 十二烯摩尔比为1 0 ：1 、反应温度8 0 、反应 时间6 0m i l l 的条件下，1 十二烯转化率为1 0 0 。 y i n gx i a o ，s a n j a yv m a l h o t r a 【矧用酸酐分别与苯、甲基苯、溴代苯在离子液 【e t p y 】+ 【c f 3 c o o 丁和【e t p y 】+ 【b f 4 】一中进行反应，结果表明在5 0 下的转化率和选择 性都比传统方法制各酰基化产物高，并且 e t p y 】+ 【c f 3 c o o - 的反应效果比 e t p y 】+ b f 4 。好，这两种离子液是f r i e d e l - c r a f t s 的优良溶剂。 离子液体尽管目前在f r i e d e l c r a f t s 烷基化和酰基化反应领域中显示出极大 的工业化潜力，但离真正实现大规模的工业化应用还有一定的距离。这主要是因 为含a 1 c l 。组成的离子液体在潮湿的空气中极易水解，并且造价昂贵。因此，研 制和开发抗湿气的廉价离子液体将是今后该领域的主要研究方向。 ( 4 ) 环加成反应 告【b m i n 】b r 、 李福伟，肖林飞，夏春谷【2 3 】利用催化剂量的锌离子液体【b m i l l 】b f 4 复合催化 剂体系在没有使用任何溶剂的情况下，较温和高效地实现了c 0 2 和环氧环己烷的 环加成反应，得到全顺式的环状碳酸酯。其催化体系优势在于：( 1 ) 反应条件温 和( 1 0 0 ，1 5 m p a ) ；( 2 ) 催化活性和选择性高，用环氧丙烷作为反应底物，t o f 最 高可达5 5 8 0 h ；( 3 ) 催化剂便宜易得，并且对水和空气不敏感；( 4 ) 催化剂经过5 次 浙江大学理学硕士学位论文 重复循环使用后活性和选择性不变；( 5 ) 反应过程中不使用任何有毒的有机溶剂， 并且该反应几乎不产生副产物，是一个典型的对环境友好的原子经济反应，具有 很好的工业应用前景。 ( 5 ) 过渡金属催化反应 a 氢化反应 用过渡金属配合物对碳碳双键进行催化氢化是一种最广泛研究的均相催化 反应，但从反应物中分离出产物依旧是一个问题。最初的实验 r h ( n b d ) p p h 3 【p f 6 】 ( n b d = 降莰二烯烷) 做催化剂在各种离子液中催化氢化戊烯，显示了用离子液孤 立催化剂的可能性【2 4 1 。用【s b f 6 】一和 p f 6 】一离子液催化氢化比用丙酮在反应速率 方面有了显著的提高。大概是由于稳定了r h ( i i i 忡间体。当用1 ，3 环己二烯时， 在 e m i m 【s b f 6 离子液中，生成环己烯选择性9 8 ，转化率为9 6 。但是用 【b m i m 】【b f 4 】离子液却得到令人失望的结果。这可能是由于有氯离子的存在，它 和催化剂的中心金属配合使催化剂失活。和铑的催化剂一样，在此反应条件下产 生了卜戊烯的异构化产物2 一戊烯。不像传统的均相体系，对于异构化产物的顺反 选择性几乎没有什么影响，影响主要是由于阴离子产生的。在离子液中正电的催 化剂和联接的阴离子被溶剂分离。这可能和产物的分配于阴离子有关的原因。 r h c l ( p p h 3 ) 3 和【r h ( c o d ) 2 b f 4 】( c o d = 环辛二烯) 已经被用作在 b m i m b f 4 条 件下催化氢化环己烯。尽管用r h c l ( p p h 3 ) 3 得到比用 鼬( c o d ) 2 b f 4 有更高的 转化率，但后者环己烯转化成环己烷的转化率高于前者。值得注意的是 r h ( c o d ) 2 【b f 4 显示了在离子液中有更高的溶解度。r u c l 2 ( p p h 3 ) 3 是另一种离子液 中有效的催化剂i2 6 1 。1 己烯，环己烯和1 3 丁二烯，生成了1 丁烯，2 丁烯和丁 烷。手性催化剂【r u a 2 一( s ) 一b i n a p 】2 m 丑3 用来不对称催化氢化2 一苯基丙烯酸和 2 一( 6 一甲氧基2 萘基) 丙烯酸 矧，如图 | | c o o h 【r u c l 2 - ( s ) b l n a p 】，h 2 b m im b f 卅- p r o h h 洲 p d ( ) a 2 在熔化的四丁基氯化胺中氢化四氯化碳而得到c 1 一c 5 的烷烃和c 2 c 4 浙江大学理学硕士学位论文 8 的烯烃以及少量的加氢产物【捌。催化剂很快就失活了，但是如果在反应物中加 入c o a 2 或c l l c l 2 就可以延长催化剂的生命。在p d ( i i ) c 1 2 溶解于四丁基氯化胺中在 最初生成了【p d c l 4 r 。 在2 2 0 和4 3 0 个大气压下氢化氧化碳，在四种1 5 族的卤化物中i 凹3 0 1 。加入 钌( ) 氧化物或钌( i i i ) 的已酰丙酮化物，它会催化这个反应生成乙烯基已二醇， 它的烷基醚，甲醇和乙醇的混合物。最好的结果是用季膦盐。有证据暗示溶液中 的活性催化物是【h r u 3 ( c o ) l l 】阴离子丛，经过多次循环生成 h 3 r i l 4 ( c o ) 1 2 】。， 【h r u 3 ( c o ) 1 3 _ 最有可能的活性催化物是 h r u 3 ( c o ) 1 1 】。 b 氧化反应 s o n 叠e t a l 等报道了离子液体中锰配合物催化的氧化反应。结果表明，疏 水的离子液体 b m i m p f 6 在o c l 水溶液作为氧化剂对能稳定存在。加入c h 2 c 1 2 以防止离子液体在0 时发生固化，反应物和锰催化剂溶解在【b m i m 】p f 6 c h 2 a 2 中，与其他反应介质中的反应相比，反应速率加快，产率和立体选择性均得到提 高，分别为8 6 、9 6 。 孑盖鬻糍 t b u 、o 8 6 9 6 e e t - b ut b u o w e n s 等研究了甲基氧化铼在离子液体中催化过氧化氢对烯烃和烯丙醇类 化合物的环氧化反应，催化剂和氧化剂都溶在离子液体中，环氧化反应以均相进 行，得到的产率较高。 c 亲电取代反应 s o n ge ta l _ 等【3 i j 报道了s c f 3 s 0 3 ) 3 在离子液体中催化烯烃和芳烃的烷基化 反应。在传统的有机溶剂中反应不能进行。但在 b m i m 】p f 6 中，室温下反应1 2 h ， 浙江大学理学硕士学位论文 转化率可达9 9 ，收率为9 6 ，在离子液体中的催化剂也可以重复使用。 + 厂 + 9 、 d 羰基化作用 r h ( a c a c ) ( c o ) 2 和p p h 3 在各种各样的离子液中( p f 6 】。， s b f 6 。，【缸f 6 】，【b f 4 - ) 形成了一种溶液，这种溶液会把烯烃催化羰基化【3 2 3 3 1 。利用高熔点离子液体在室 温下从固态催化剂介质中“倾倒出”有机产品，然后在离子液体熔点以上重新加 热，催化剂能被重新利用且有相同活性。尽管这种溶液显示了高的活性并且它可 以重复利用，但是每经过一次反应，就有一些催化剂丢失了。为了避免这种情况 的发生，用磺化的三苯基膦衍生物来代替磷化氢；但是这会降低反应的速率。这 很大的可能性是这些配合物去溶解过渡金属配合物，在离子液中用这些也是出于 类似的原因。溶解钌在季胺和季膦盐中可以做为羰基化的催化剂【3 4 ，3 5 】。在用了双 齿的n 或p 给电子配体加入到反应混合物中，会提高反应的产率，可能的主要催 化物是【h r u 3 ( c o ) 9 一( l - l ) - ( ( l 广l ) = 双齿配体) 。 o 彬+ c 。朋z 篇卜一八+ 一 7 r ，r p + o t s 。 几 郑宏杰，李敏等【3 6 】对离子液体1 一甲基3 正丁基眯唑四氟硼酸盐( 【b m i n lb f 41 ) 中t p p t s 为配体的铑一膦络合物催化1 己烯氢甲酰化反应进行了研究，实验结果 表明，该催化体系不但具有极好的催化活性，同时还具有很好的选择性。催化活 性具有高活性的主要原因是少量的卤素离子都会影响反应活性，在离子液的制备 过程中有效的除去了卤素离子，从而消除了卤素离子对反应的不良影响。其次， 氢气在 b m i m 】b f 4 溶解度大，加快了反应速度。 m o n t e j r o 等在离子液体中研究了钯催化的苯乙烯及其衍生物酯化反应。在 b m i m b f 4 环己烷双相系统中，苯乙烯、异丙醇和一氧化碳反应生成2 一异丙基丙 酸苯酯，所得产品产率高，区域选择性好，分离简便。 k 浙江大学理学硕士学位论文 1 0 e 丁二烯的二聚 在 b m i m 】 b f 4 】或 b m i m 】 p f 6 】的离子液中，钯的二氯化物、醋酸化物和己酰 丙酮化物，催化二丁烯生成2 7 二烯1 辛醇为主产物，副产物为1 3 6 辛三烯【3 7 ，8 1 。 在这种反应条件下( 7 0 ) ，反应的混合物是均相的，但是产物在把体系冷却到 5 以下很容易分离出来。同样离子液和催化剂可以重复利用。在这个反应体系 中，在没有c 0 2 下，完成了羟化二聚。二氧化碳是必要的对于使用通常的分子溶 剂此反应。尽管加入= 氧化碳会提高反应的转化率。在这种情况下，活性催化剂 是中性的反一二甲基咪唑钯( i i ) 的二氯化物，它从离子液的前体 b m i m p d c 形成，当水加入它就溶解在离子液中。用f e ( n o ) 2 溶于 b m i m 】 a f 6 ( a = p 或s b ) 的离子液来催化丁二烯环化二聚成4 乙烯基环己烯，此反应显示了显著的溶剂效 应。如图 汹+ 蝴篇哥一儿 f h e c k 反应 h e c k 反应也是有机合成化学上重要的碳，碳结合反应，通常是在少量钯催化 剂作用下，由烯烃与卤代芳烃或芳香酐反应生成芳香烯烃。二氯化钯和醋酸钯在 各种四烷基溴化胺、瞵盐中用于做催化剂p d ( 0 ) 的前体催化c c 偶合【3 9 】。因为 反应在l o o 下发生，就不用考虑溶剂在室温下是不是液体。在h e c k 反应中芳香 的和烯炳基碳的c c 偶和也能发生。用钯催化溴苯和丙烯酸丁酯的反应在1 0 0 、 膦盐的存在下生成了反式的肉桂酸丁酯，产率很高：当草酸钠加入到反应体系中 只有5 的顺式异构体生成。如图： r 膨x + 一咄b u p d r c 0 2 b u w h e r er = h ，0 c h 3 ，n 0 2a n dx = b r ，c l 当用二氯- 二( 三苯基膦) 钯和醋酸钯做催化剂前体稳定的溶液形成了，它 可以在反应后重复利用，催化剂催化活性不会消失，并且至少可以再用两次。产 物可以用蒸馏的方法从反应溶液中蒸溜出来。并观察到高的反应转化率( 有的甚 盯 浙江大学理学硕士学位论文 至超过9 9 ) 。当用二氯化钯，仓卒生成钯丛，在催化过程中几个小时后很容易 失活。 离子液体对p d 催化剂有稳定化作用，反应过程中无活性p d 原子沉淀出来， 产物可从不挥发的离子液体中蒸馏出来。h 哪m a 衄e ta 1 等 4 0 】用离子液体 n b u 4 b r 作为反应介质，研究了溴苯和苯乙烯生成二苯乙烯的偶合反应，收率从 在d m f 中反应的2 0 提高至9 9 。催化剂和离子液体重复使用1 3 次后收率仍然 保持不变，且反应物与产物在体系中的溶解度较高，因而可用较便宜的无机碱代 替目前使用的有机碱。c a m n i c h a e le ta 1 等利用三相溶剂体系( b m i m + p f 6 - 水 己烷) 进行h e c k 反应，将催化剂【b m i m 】2 p d a 4 溶解在离子液体中，产物在己烷相 中，而副产物碱萃取到水中，取得较好效果。 g s u z u k i 反应 s u z u k i 反应是有机合成化学上重要的碳碳结合反应。m a t h e w se ta 1 等【4 2 】研究 了卤代芳烃与芳基硼酸的s u z u k i 偶合反应。用原来的s u z u k i 反应条件，产率只有 3 0 且催化剂分解。将反应条件进行改进，先在高温下把催化剂溶于离子液体中， 然后将反应在室温下进行，产率为9 3 。反应速率为原来的十倍，而催化剂用量 仅为原来的十分之一。 r 口x + - e ( o 忆老鬻慧黑r 髓 c h e n g h s i e ny a n g 等合成【4 3 】 h o b ，。h a 十幻 传统以甲苯做溶剂要反应2 4 h ，产率5 7 8 ，加入【e m i m b f 4 后反应时间 1 0 m i i l ，产率8 2 。离子液的加入大大的缩短了反应时间，提高了产率。 浙江大学理学硕士学位论文 1 4 2 离子液体在生物催化反应中应用 生物催化的有机反应具有反应条件温和、无环境污染、速度快、选择性高等 优点。尽管非水相生物催化反应后处理方便，但传统的有机溶剂通常限制了酶的 活性和选择性。多年来，人们一直试图解决酶的固定化和在有机溶剂中失活的问 题。最近发现，用离子液体代替传统的有机溶剂作为生物催化反应的介质，就是 一个很好的解决办法。 早在1 9 8 4 年，m a g u s s o n 等就发现，在硝酸三乙基铁水( 4 ：1 ，v m 体系中， 碱性磷酸酶能相当稳定地存在。l y e 和其合作者【4 5 1 首次报道了离子液体双相体系 b m i m p f 6 他o 中的生物转换反应：用生物催化剂r h o d o c o c c u si 己3 1 2 催化 1 ，3 二氰基苯合成3 氰基苯胺和3 氰基苯甲酸。在该体系中，离子液体作为反应 基质的“储存仓库”，而生物催化剂存在于水相中。最近，离子液体中酶催化反 应的研究异常活跃，离子液体广泛用于酶催化的氨解反应酒旨基转换反应、环 氧化反应和还原反应等。 a 离子液体中的酶催化氨解反应 e r b e l d i n g e r 等【4 7 】首次报道了以离子液体替代有机溶剂的酶催化合成反应，即 在离子液体体系 b m i m 】【p f 6 脚2 0 ( 5 ，v v ) 中用嗜热菌蛋白酶( t h e m l o l y s i n ) 催化 合成z 天冬氨酰苯丙氨酸甲酯。悬浮在离子液体中的酶表现出很好的稳定性，其 活性与在醋酸乙醋一水体系中相当，用去离子水漂洗离子液体即可将产物分离， 产物收率高达9 5 。与此相似，离子液体中其他的氨解反应也有报道4 引。如辛 酸与氨的反应，在离子液体 b m i l l l 】 b f 4 】中进行时，4 d 就可以完全转化为辛酸胺， 而在有机溶剂甲基异丁基酮中，1 7 d 才能达到相同的转化率 4 ”。离子液体中正丁 酸与氨的反应也能定量地转化为丁酰胺【6 5 。 b 离子液体中的酶催化酯基转换反应 脂肪酶在工业上广泛用于催化酯化反应和转酯化反应，例如用于药物和农用 化学品中间体的合成、香料和保健品的生产等。l a u 等研究发现，脂肪酶c a l l d i d a a n t 盯c t i c a 在离子液体 b m i i l l b f 4 或 b m i m 【p f 6 】中能催化多种转换反应，如酯基 转换反应和氨解反应等。酶在离子液体中相当稳定，反应速率可与在传统的有机 溶剂中相比拟，甚至更高。目前，该研究小组在研究离子液体中其他酶催化的重 浙江大学理学硕士学位论文 要合成反应，如水解反应、碳碳键形成反应、氧化反应等。最近，n a r a 等【5 0 1 研究 比较了在两种离子液体 b m i m 】 b f 4 】、 b m i m p f 6 以及在不同的有机溶剂中的酶 催化醋基转换反应。结果表明，离子液体和有机溶剂的亲水、憎水性影响着酶的 活性，离子液体和酶能同时反复利用几次，且活性无损失。离子液体作为酶反应 介质，不但可以提高酶的催化活性和稳定性，还能提高反应的选择性。 离子液体中手性醇的对映体选择性酯基转换反应己做了大量的研究。融a 卫1 等【5 1 】研究了在1 0 种不同的离子液体中1 苯基乙醇和脂肪酯的酯基转换反应。结果 表明，以离子液体为介质的反应，与在甲基异丁基醚中进行的同一反应相比，酶 的活性和对映体选择性有所提高。i t o h 等【5 2 发现，反应速率和对映体选择性取决 于组成离子液体的阴离子，反应产物能用醚萃取分离，含有酶的离子液体可反复 使用。相似地，瞄m 等| 5 3 j 研究了在离子液体 b m i i l l 】 b f 4 或【b m i m 【p f 6 】中c a n d i d a a m t a r c t i c a 和p s e u d o m o n a sc a p a c i a 脂肪酶催化手性醇的酯基转换反应，其对映体 选择性提高2 5 倍以上。 r 群h + 沁o a c 酶，离子液 r 1 ：a 。 h 2 离子液体也可作为难溶于传统有机溶剂的极性基质的酶反应的介质。极性有 机溶剂能使脂肪酶失活，尽管离子液体与有机溶剂有相似的极性，但不使脂肪酶 失活。为了在离子液体中能进行稳定脂肪酶催化反应。p a r k 等【5 4 】对离子液体的制 备作了改进，使那些以前不能在离子液体中进行的酶催化反应可以顺利进行，而 且其反应速率和对映体选择性可与在非极性溶荆( 如甲苯) 中的反应相比拟。由 c a n d i d aa n t a i t i c a 脂肪酶b ( c a l b ) 催化的葡萄糖乙酰化反应有很高的区域选择 性，在有机溶剂中，不溶性葡萄糖经乙酰化反应生成可溶性的6 一o 乙酰基葡萄糖， 进一步酰化可得3 6 - o - 二乙酰基葡萄糖( 2 3 ：1 ，n n ) 。然而，由于葡萄糖在离子液体 中的溶解度比在一般有机溶剂中大1 0 0 倍，使离子液体中葡萄糖的酰化反应能高 选择性地生成6 0 乙酰基葡萄糖( 1 3 ：1 甚至高达5 0 ：1 以上，n n ) 。 h 岛釜涛。一+ 殄叭c b 有机溶剂中2 到3 ：1 离子液体中1 3 ：1 h o = 3 ov ) ，可和许多物质混溶，故它在合 成及电化学研究方面有较好的应用，但它的最大的缺点就是极易被水破坏，合成 和使用时需在严格无水的条件下，而且许多反应底物能与其中的舢c 1 3 反应，这 使得它的应用范围受到很大的限制，而 b m i m 】b f 4 、 b m i m a c 不易于水结合，且 他们的熔点更低，电化学窗口也很大，对热稳定，不易与反应底物反应，是一种 很好的溶剂和电解液，使用起来也较方便，无须隔绝空气。 f u l e r j ，b r e d a a c 等 7 0 】分别把亲水的【锄i m 】b f 4 ，和疏水的 e m i m p f 6 掺入到 聚四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物 p v d f ( 玎叩) 中，制得离子液体凝胶电极，在室 温下电导 1 0 。s c m ，在1 0 0 时电导率 1 0 也s a n 若将【b m i i n p f 6 p v d f ( 甲) 凝胶 掺入到电化学电池中，阴极、阳极都用石墨作电极构成单极或双极电池，断路电 压分别为3 7 7v 和7 8 6v 。 1 4 5 在仪器分析领域的应用： 离子液体被用作气相色谱的固定相【7 1 】、毛细管电泳流动相的添加剂和荧光 分析等【7 2 ，7 3 】。例如，将1 烷基3 甲基咪唑基离子液体用于h p l c 中，作为新型流动 相添加剂，能成功实现对碱性化合物麻黄碱的分离；在毛细管电泳技术中将离 子液体动态涂敷后，电渗流反转，抑制了碱性蛋白的柱壁吸附，改善了碱性蛋白 的分离1 7 ”。利用疏水性强的离子液体【o m i i l l 】p f 6 ( 六氟磷酸1 甲基3 辛基咪唑离 浙江大学理学硕士学位论文1 7 子液体) 作为萃取溶剂在液相微萃取技术中，分离稠环芳烃也获得很好的结果 【7 6 。近期有特色