1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯鹽離子液體載體的合成

來婧娟，劉永文，鄭保忠

(1.山西大同大學(xué)綜合分析與測試中心，山西大同 037009；2.云南大學(xué)材料科學(xué)與工程系，云南昆明 650091)

離子液體由于其低揮發(fā)性，已成為近年來綠色化學(xué)的新興研究領(lǐng)域之一[1]，特別是離子液體可通過結(jié)構(gòu)修飾、調(diào)節(jié)陰陽離子等方式改變其極性，因此又被稱為“可設(shè)計(jì)的溶劑”[2]。最近，法國科學(xué)家Bazurea J.P.提出了以功能化離子液體為可溶性載體的新型液相組合的有機(jī)合成新方法，即“離子液體相有機(jī)合成”(ionic liquid phase organic synthesis，IoLiPOS)方法[3-4]。該方法由于采用功能化的離子液體作為載體，憑借離子液體本身分子量極小的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)極高的上載率；而且離子液體的特殊溶解性能使反應(yīng)過程中及反應(yīng)后處理兼具液相、固相合成的優(yōu)點(diǎn)，因此是一類適用反應(yīng)范圍寬、分離純化簡便、結(jié)構(gòu)檢測容易，同時(shí)可回收重復(fù)使用的新型組合合成方法[5]。目前已有采用功能化離子液體作為可溶性載體成功合成多肽、蛋白質(zhì)、寡聚糖、寡聚肽[6-11]等天然聚合物的報(bào)道。

鑒于離子液體作為載體的以上優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)不同需要設(shè)計(jì)滿足專一性要求的功能化離子液體載體的合成變得很重要。目前功能化離子液體載體均存在結(jié)構(gòu)單一的缺點(diǎn)，同時(shí)離子液體部分與反應(yīng)位點(diǎn)之間的連接基團(tuán)很短，導(dǎo)致反應(yīng)位點(diǎn)的反應(yīng)性質(zhì)和反應(yīng)種類受到離子液體部分的電荷影響大。為研究這樣一種影響，同時(shí)開發(fā)適用范圍更廣的功能化離子液體載體，基于羥基、鹵代功能基在有機(jī)合成反應(yīng)中的重要應(yīng)用價(jià)值，本文開展了帶有羥基、鹵基的長碳鏈新型功能化離子液體載體的合成研究。研究發(fā)現(xiàn)1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽或1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯鹽在室溫下呈液態(tài)且對于空氣和水穩(wěn)定，是非常好的離子液體載體，本文報(bào)道其合成及表征方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)儀器采用通常的恒溫加熱磁力攪拌器和美國CEM微波化學(xué)反應(yīng)合成儀。分析儀器采用美國Thermo Nicolet TF-IR AVATAR 360紅外光譜儀，瑞士BRUKER AV-DRX500核磁共振儀。

N-甲基咪唑 (99%)，Alfa Aesar A Johnson Matthey Company；吡啶(分析純)，6-氯-1-己醇(分析純)，2-氯乙醇(化學(xué)純)，中國醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司；氯化亞砜 (分析純)，天津市永大化學(xué)試劑開發(fā)中心；其他試劑及溶劑均為國產(chǎn)的分析純或化學(xué)純市售品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 含羥基的功能化離子液體中間體的制備

1.2.1.1 常規(guī)方法

在一個(gè)裝有回流冷凝管、溫度計(jì)的100 mL三口燒瓶中分別加入N-甲基咪唑1(或吡啶3)和氯取代醇，在N2保護(hù)下，攪拌回流反應(yīng)24 h。冷卻后，依次用乙醚(5 mL×3)和乙腈(5 mL×3)洗滌，除出上層乙醚或乙腈洗液后，不溶物在真空干燥箱中(25℃)干燥24 h，經(jīng)純化后得含羥基的功能化離子液體中間體 1－(2－羥乙基)－3－甲基咪唑氯鹽 1、1－(6－羥己基)－3－甲基咪唑氯鹽 2、1－(2－羥乙基) 吡啶氯鹽3和1－(6－羥己基)吡啶氯鹽4。

1－(2－羥乙基)－3－甲基咪唑氯鹽 1：產(chǎn)率 88%，1H NMR(D2O，500 MHz)δH：3.91(s，3H，CH3N)，3.89～ 3.92(m，2H，CH2OH)，4.32(t，2H，J ＝ 4.95 Hz，CH2N)，7.49(s，1H，H－4 或 H－5)，7.55(s，1H，H－4或 H－5)，8.80(s，1H，H－2)；IR(KBr) ν：1 168.0，1 339.7，1 427.9，1 451.8，1 572.8，1 641.4，2 884.5，2 959.6，3 387.7 cm－1。

1－(6－羥己基)－3－甲基咪唑氯鹽 2：產(chǎn)率 87% ，1H NMR(D2O，500 MHz)δH：1.25～1.33(m，4H，2CH2)，1.43～1.48(m，2H，H－5’)，1.78～1.84(m，2H，H－2’)，3.50(t，2H，J ＝ 6.55 Hz，CH2OH)，3.84(s，3H，CH3N)，4.14(t，2H，J ＝ 7.1Hz，CH2N)，7.39(s，1H，Ar，H－4 或 H－5)，7.44(s，1H，H－4 或 H－5)，8.69(s，1H，H－2)；IR(KBr)ν：623.5，758.3，1 169.6，1 337.8，1 430.4，1 462.1，1 572.2，1 641.1，2 862.1，2 937.7，3 270.7 cm－1。

1－(2－羥乙基)吡啶氯鹽 3：產(chǎn)率 83%，1H NMR(D2O，500 MHz)δH：3.99(s，2H，CH2OH)，4.00(s，2H，CH2N)，8.01(s，2H，H－3，H－5)，8.50(t，1H，J ＝ 6.9，H－4)，8.78(s，2H，H－2，H－6)；IR(KBr)ν：684.3，778.0，1 075.7，1 175.4，1 489.3，1 635.0，2 877.6，2 944.2 cm－1。

1－(6－羥己基)吡啶氯鹽 4：產(chǎn)率 86%，1H NMR(D2O，500 MHz)δH：1.26(s，4H，2CH2)，1.39(s，1H，H －5’)，1.94(s，1H，H －2’)，3.42(s，2H，CH2OH)，4.57(s，2H，CH2N)，8.03(s，2H，H－3，H－5)，8.50(s，1H，H－4)，8.86(s，2H，H－2，H－6)；IR(KBr) ν：686.9，776.1，1 175.2，1 463.1，1 634.9，1 859.5，2 861.6，2 935.8，3 059.3，3 261.0 cm－1。1.2.1.2 微波加熱方法

在一個(gè)50 mL圓底燒瓶中分別加入N－甲基咪唑(或吡啶)和氯醇，將其置于微波反應(yīng)器(功率160 W)中，回流加熱10～15 min。冷卻后，依次用乙醚(5 mL×3)和乙腈(5 mL×3)洗滌，除去上層乙醚或乙腈洗液后，在25℃真空干燥箱中干燥24 h，經(jīng)純化得一系列含羥基的功能化離子液體載體中間體：1－(2－羥乙基)－3－甲基咪唑氯鹽 1，94%；1－(6－羥己基)－3－甲基咪唑氯鹽 2，93%；1－(2－羥乙基)吡啶氯鹽3，90%；1－(6－羥己基)吡啶氯鹽 4，91%。

1.2.2 含氯的功能化離子液體載體的制備

在一個(gè)裝有回流冷凝管、溫度計(jì)的100 mL三口燒瓶中加入制得的一定量含羥基的功能化離子液體中間體1－(2－羥乙基)－3－甲基咪唑氯鹽和過量的氯化亞砜，在60℃下反應(yīng)至無氣體生成時(shí)，終止反應(yīng)。蒸發(fā)除去過量的氯化亞砜，25℃真空干燥后得到深黃色黏稠狀液體，經(jīng)純化得目標(biāo)產(chǎn)物1－(6－氯己基)－3－甲基咪唑氯鹽5，產(chǎn)率91%。1H－NMR(D2O，500 MHz) δH：0.78～0.89(m，4H，2CH2)，1.17～1.19(m，2H，H－5’)，1.33～1.36(m，2H，H－2’)，3.04(t，2H，J ＝ 6.55 Hz，CH2OH)，3.41(s，3H，CH3N)，3.71(t，2H，J ＝ 7.05 Hz，CH2N)，7.02(s，1H，Ar，H－4 或 H－5)，7.04(s，1H，H－4 或 H－5)，8.37(s，1H，H－2)；IR(KBr)ν：741.0，1 169.2，1 378.2，1 431.3，1 461.4，1 572.4，2 862.8，2 940.0 cm－1。

2 結(jié)果與討論

2.1 含羥基的功能化離子液體

首先分別采用雜環(huán)化合物(N－甲基咪唑、吡啶)與氯醇為原料，合成了一系列不同碳鏈長度連接基團(tuán)的含羥基的功能化咪唑類離子液體載體 (圖1)，即 1－(2－羥乙基)－3－甲基咪唑氯鹽 1 和 1－(6－羥己基)－3－甲基咪唑氯鹽2以及吡啶類離子液體載體(圖 2)，1－(2－羥乙基) 吡啶氯鹽 3 和 1－(6－羥己基)吡啶氯鹽4。

圖1 含羥基的功能化咪唑類離子液體的合成

圖2 含羥基的功能化吡啶類離子液體的合成

研究發(fā)現(xiàn)所合成的4種含羥基的功能化離子液體在室溫下的狀態(tài)和其結(jié)構(gòu)類型及二取代基的對稱性有很大的關(guān)系。其中吡啶類的1－(2－羥乙基)吡啶氯鹽3與1－(6－羥己基)吡啶氯鹽4在室溫下均為白色晶體；咪唑類二取代基對稱性小的1－(6－羥己基)－3－甲基咪唑氯鹽2在室溫下為液態(tài)，而對稱性高的1－(2－羥乙基)－3－甲基咪唑氯鹽1在室溫下呈淡黃色針狀晶體。通常情況下，離子液體，特別是吡啶類離子液體或陰離子為氯的離子液體很容易吸濕，在空氣下很不穩(wěn)定，所以文獻(xiàn)報(bào)道無法準(zhǔn)確測定熔點(diǎn)，經(jīng)努力，對于熔點(diǎn)的測定也未能成功。最近，Carrera等報(bào)道了一個(gè)預(yù)測吡啶離子液體的熔點(diǎn)的方法[12]，考慮到吡啶類離子液體熔點(diǎn)高，在室溫下為固態(tài)，以及在水和空氣環(huán)境中的穩(wěn)定性不好[13]，容易吸潮，不方便使用，所以后續(xù)的研究采用了對水和空氣穩(wěn)定性較好的咪唑類離子液體2作為含氯功能基的離子液體載體合成的前體，見圖3。

圖3 含氯的咪唑離子液體載體5的合成

微波輻射加熱技術(shù)能顯著提高有機(jī)合成反應(yīng)速率，特別是近年來發(fā)現(xiàn)對離子液體負(fù)載的合成反應(yīng)有顯著的促進(jìn)作用[14]，它可以極大地提高反應(yīng)速率，產(chǎn)率和選擇性[15]。為此，在其他條件相同的情況下，我們分別考察了常規(guī)加熱和微波輻射條件下(功率為160 W)離子液體載體1，2和3，4的合成反應(yīng)條件。經(jīng)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在常規(guī)加熱條件下合成至少需要24 h，而采用微波加熱只需10～15 min，有效地提高了反應(yīng)速率，產(chǎn)率從常規(guī)條件下的83%～88%提高到90%～94%，見表1。

表1 含羥基功能化離子液體的常規(guī)和微波合成比較

2.2 含氯的功能化離子液體載體

在含羥基的功能化的離子液體中加入氯化亞砜，經(jīng)分子內(nèi)親核取代反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)羥基與氯功能基間的簡便轉(zhuǎn)換，可得到高產(chǎn)率純的含氯基的功能化離子液體載體目標(biāo)產(chǎn)物5，該反應(yīng)后處理非常簡單，僅通過常規(guī)的蒸發(fā)過程即可實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)得到的1－(6－氯己基)－3－甲基咪唑氯鹽在室溫呈液態(tài)，且對空氣和水穩(wěn)定，方便使用。

2.3 相關(guān)化合物的譜圖分析

2.3.1 核磁譜圖分析

與含羥基功能基的離子液體載體2的1H NMR譜(圖4)相比較，含氯離子液體載體5(圖5)的峰形和峰強(qiáng)度基本一致；所不同的是，由于受到氯基的影響，所有的峰位置都整體向高場偏移。

圖4 1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽2的核磁共振譜圖

圖5 1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯鹽5的核磁共振譜圖

2.3.2 紅外譜圖分析

圖6是含羥基功能基的離子液體載體1的紅外譜圖，在 758.3，1 430.4，2 862.1 及 2 937.7 cm－1處有亞甲基的特征峰，在 1 169.6，1 337.8 cm－1處有 C－O 的伸縮振動峰，而在 1 642.1，1 572.2 cm－1處出現(xiàn)咪唑類化合物的特征峰，羥基的氫鍵在3 270.7 cm－1出現(xiàn)寬峰。

圖6 1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽2的紅外譜圖

圖7 是含氯離子液體載體5的譜圖，與含羥基的離子液體中間體2比較，前者圖中3 270.7 cm－1處氫鍵寬峰明顯消失，而在7 41.0 cm－1處出現(xiàn)了很強(qiáng)的來源于氯取代的峰。

3 結(jié)論

本文合成了新型的含羥基的連接基團(tuán)全部為碳鏈的咪唑類或吡啶類離子液體載體，經(jīng)采用常規(guī)加熱方法和微波加熱方法比較，在微波輻射條件下，可大幅提高反應(yīng)效率，反應(yīng)時(shí)間縮短至只需10～15 min，而產(chǎn)率從83% ～88%提高到90%～ 94%。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)新型 1－(6－羥己基)－3－甲基咪唑氯鹽2或其氯代咪唑類離子液體載體5，在室溫下呈液態(tài)，且對空氣和水穩(wěn)定，有望成為離子液體負(fù)載的有機(jī)合成或液相組合化學(xué)用的新型載體。

圖7 1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯鹽5的紅外譜圖

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