室溫離子液體在有機(jī)合成中的應(yīng)用研究進(jìn)展

洪 哲

（太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030024）

室溫離子液體(RTILs)通常是由有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子構(gòu)成的一種室溫熔鹽。與傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑相比，RTILs 具有電化學(xué)窗口寬、固有導(dǎo)電性高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、不易揮發(fā)、溶解度大、極性可控等優(yōu)良物理化學(xué)性能及優(yōu)點(diǎn)，其可作為揮發(fā)性有機(jī)溶劑的綠色替代品，用于化學(xué)合成、生物溶解、電化學(xué)裝置等領(lǐng)域[1]。RTILs 用作有機(jī)合成反應(yīng)溶劑，同時(shí)還有催化功能，其反應(yīng)速度快，區(qū)域選擇性好，目標(biāo)產(chǎn)率高，后處理簡(jiǎn)單，溶劑可以重復(fù)使用，具有綠色應(yīng)用大好前景，相關(guān)研究具有一定應(yīng)用價(jià)值。

1 Friedel-Crafts 反應(yīng)

1.1 Friedel-Crafts 烷基化反應(yīng)

Friedel-Crafts 反應(yīng)是一類芳香族親電取代反應(yīng)，是制備烷基烴和芳香酮的方法。RTILs 中苯與1-氯丁烷的Friedel-Crafts 烷基化反應(yīng)如式（1），由于中間碳正離子親電性增強(qiáng)，所以反應(yīng)選擇性和產(chǎn)率較好，催化活性穩(wěn)定，可重復(fù)使用[2]。在溶有Sc(OTf)3的[Bmim][PF6]、[Emim][SbF6]、[Emim][BF4]等離子溶液中，苯和多種烯烴發(fā)生的Friedel-Crafts 烷基化反應(yīng)，其單烷基化目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性較好，轉(zhuǎn)化率較高[3]，如十二碳烯和苯的烷基化反應(yīng)。在通過微波輔助路易斯酸離子液體催化合成輔酶Q10 中間體的Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)中，一般隨[Etpy][BF4]路易斯酸離子增強(qiáng)（[Etpy][BF4]/AlCl3除外），其反應(yīng)的催化活性增加，[Etpy][BF4]/ZnCl2催化活性最好，反應(yīng)僅150 s，收率達(dá)89%[4]。在[Bmim][PF6]中吲哚的N-烷基化、2-萘酚的O-烷基化，其雜原子的烷基化目標(biāo)產(chǎn)物選擇性較好[5-6]。若將RTILs 負(fù)載于硅、碳等載體上進(jìn)行反應(yīng)，更有利于產(chǎn)物與催化劑分離。

1.2 Friedel-Crafts ?；磻?yīng)

Friedel-Crafts 酰基化反應(yīng)通常是在路易斯酸催化下，讓酰氯與苯環(huán)進(jìn)行酰化的反應(yīng)，與傳統(tǒng)工業(yè)合成相比，RTILs 中的Friedel-Crafts ?；磻?yīng)轉(zhuǎn)化率高、選擇性好，易于回收、環(huán)境污染小，如苯甲醚、氯苯、甲苯在RTILs 中的酰基化反應(yīng)。在[Bmim][Tf2N]/CO2均勻相中二茂鐵進(jìn)行酰化反應(yīng)生成乙?；F是可行的[7]。在[Emim][AlCl3]/甲苯中二茂鐵的?；磻?yīng)，單?；a(chǎn)物的產(chǎn)率很高。在[Bmim][dca]中多種醇、酚和糖類的O-?；磻?yīng)，產(chǎn)率較高。

2 偶聯(lián)反應(yīng)

2.1 Heck 反應(yīng)

Heck 反應(yīng)是合成具有高選擇性和高分子量共軛聚合物的有效方法。單齒亞磷酸酯如亞磷酸三苯酯等是Heck 交叉耦合反應(yīng)良好和有效的配體[8]。與普通有機(jī)溶劑相比較，RTILs 中的Heck 反應(yīng)時(shí)間縮短、催化劑穩(wěn)定、溶劑和催化劑能循環(huán)使用，如鈀催化烯烴與鹵代芳烴或芳香酐生成芳香烯烴，如式（2）[9]；而如溴化四烷基磷離子液體對(duì)鈀催化劑有穩(wěn)定作用，使鈀原子在反應(yīng)過程中不失活，不沉淀[10]。在三相系統(tǒng)[Bmim][PF6]/水/己烷中的Heck 反應(yīng)，產(chǎn)物易于分離，反應(yīng)體系可重復(fù)使用。

2.2 Suzuki 交叉偶聯(lián)反應(yīng)

Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)是碳-碳鍵結(jié)合反應(yīng)，如二苯偶聯(lián)、鹵代物與有機(jī)硼酸偶聯(lián)等。RTILs 中的Suzuki 反應(yīng)避免了傳統(tǒng)反應(yīng)溫度高、催化劑用量較大、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。用[Bmim][PF6]介入固載于氧化鋁上的Pd(OAc)2催化芳鹵與芳硼酸的耦合反應(yīng)，可以防止催化劑流失，增強(qiáng)活性和穩(wěn)定性，利于多次重復(fù)使用。在[Emim][BF4]中萘硼酸與氯代喹啉或異喹啉的Suzuki 反應(yīng)，交叉偶聯(lián)選擇性好，產(chǎn)物收率較高。

2.3 Trost-Tsuji 反應(yīng)

Trost-Tsuji 反應(yīng)主要是碳-碳鍵、碳-氮鍵、碳-氧鍵的偶聯(lián)，具有很好的區(qū)域選擇性，如甲基環(huán)己烷/[Bmim]Cl 中鈀催化亞甲基化合物烯丙基化反應(yīng)，其反應(yīng)速度明顯提高[11]。

2.4 其他偶聯(lián)反應(yīng)

Stille 交叉偶聯(lián)反應(yīng)，如鈀催化下有機(jī)錫化合物和不含β-氫的鹵代烴的交叉偶聯(lián)；碳-雜原子交叉偶聯(lián)反應(yīng)，如RTILs 中鹵代芳烴與苯等取代磷化物的偶聯(lián)；其他還有Rosenmund-von Braun反應(yīng)、Sonogashira 反應(yīng)、烯烴關(guān)環(huán)歧化等。

3 加成反應(yīng)

3.1 環(huán)加成反應(yīng)

3.1.1 Diels-Alder 反應(yīng)

Diels-Alder 反應(yīng)是合成橋環(huán)化合物的重要方法，如環(huán)戊二烯和甲基丙烯酸甲酯的Diels-Alder 反應(yīng)，在極性RTILs 中主要生成內(nèi)型產(chǎn)物，如式（3）。在丙氨酸甲酯硝酸鹽([AME][NO3])催化的環(huán)戊二烯和甲基丙烯酸甲酯的Diels-Alder 反應(yīng)中，[AME][NO3]起路易斯酸作用，其催化活性主要來源于[AME]陽離子[12]。固定化氧化鋯納米粉體在RTILs 中作為路易斯酸用于包含吡喃基骨架的多環(huán)雜環(huán)化合物的合成反應(yīng)，經(jīng)在不同溶劑中試驗(yàn)比較，用氧化鎬（20%）作催化劑，在[Bmim][NO3]中的反應(yīng)時(shí)間短，產(chǎn)率最高[13]；[Bmim][NO3]具有水溶性，可用水洗滌分離，干燥后重復(fù)使用。RTILs 中用稀土金屬三氟甲磺酸酯催化Diels–Alder 反應(yīng)，可有效促進(jìn)產(chǎn)品高收益和內(nèi)/外立體選擇性，而且Sc(OTf)3循環(huán)使用六次后其活性基本不變[14]，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Ce(OTf)4·5H2O 在[HMI][BF4]中效果更好。

3.1.2 其他環(huán)加成反應(yīng)

CO2同環(huán)氧丙烷的環(huán)加成反應(yīng)，如[Bmim][BF4]對(duì)CO2和環(huán)氧丙烷加成生成環(huán)狀碳酸酯起很好催化作用；自由基環(huán)化加成反應(yīng)，如在[Bmim][BF4]的CH2Cl2溶液中，用Mn(OAc)3催化α-甲基苯乙烯與1,3-二酮類化合物環(huán)加成，目標(biāo)產(chǎn)率較高；還有1,3-二偶極環(huán)加成，苯醌類與乙烯衍生物的加成等。

3.2 非環(huán)加成反應(yīng)

3.2.1 Michael 加成反應(yīng)

Michael 加成是由一個(gè)親電的共軛體系和一個(gè)親核的碳負(fù)離子進(jìn)行的共軛加成反應(yīng)。與傳統(tǒng)加成相比，RTILs 中的Michael 加成反應(yīng)無需強(qiáng)堿催化，避免大量副反應(yīng)，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)選擇性，如[Bmim][OH]中活性亞甲基化合物與共軛酮、酯和腈化物的加成反應(yīng)，時(shí)間縮短，產(chǎn)率提高，離子液體能重復(fù)使用[15]。用苯磺酸鈉改性硅膠吸附[DBIM][SbF6]形成的催化體系，為在水中進(jìn)行的吲哚衍生物和α,β-不飽和羰基化合物的反應(yīng)提供疏水環(huán)境，從而提高催化劑性能[16]。

3.2.2 其他非環(huán)加成反應(yīng)

氫化反應(yīng)，如在[Bmim][BF4]中錸催化的環(huán)己烯氫化，再如[Bmim][PF6]中炔烴的鋯氫化反應(yīng)，(E)-烯基鋯化合物的區(qū)域選擇性和立體選擇性高，若在Pd（PPh3）4存在下經(jīng)與芳基鹵化物交叉偶聯(lián)反應(yīng)，（E）-1,2-二取代乙烯收率高[17]；氫胺化反應(yīng)，如鈀催化苯乙烯和苯胺的氫胺化加成等。

4 縮合反應(yīng)

4.1 羥醛縮合

羥醛縮合反應(yīng)較多用于藥物及藥物中間體等的合成。L-脯氨酸催化各種離子液相中結(jié)合醛與各種如丙酮、環(huán)戊酮等酮的非對(duì)稱交叉羥醛縮合反應(yīng)，產(chǎn)率范圍從81%到99%[18]。將脯氨酸溶于改性[Bmim][BF4]中并固化到硅膠上，來催化羥醛縮合反應(yīng)，比用[Bmim][PF6]的產(chǎn)率更高，活性更穩(wěn)定。

4.2 Knoevenagel 縮合

Knoevenagel 縮合是醛或酮在弱堿催化下，與具有活潑α-氫原子的化合物縮合的反應(yīng)，如與活性亞甲基化合物反應(yīng)，如式（4）。用[Bmim][OH]催化脂肪醛或酮類與丙二酸二乙酯的Knoevenagel縮合，反應(yīng)時(shí)間短，產(chǎn)率高。

4.3 縮醛反應(yīng)

縮醛是有機(jī)合成中重要的中間體、香料等，縮醛作用是要保護(hù)羰基，如丁醛和乙二醇反應(yīng)合成丁醛乙二醇縮醛。用BrΦnsted 酸性離子液體BAIL(1)催化醛或酮與醇反應(yīng)，其選擇性100%，轉(zhuǎn)化率很高[19]。

5 氧化還原反應(yīng)

5.1 氧化反應(yīng)

在RTILs 中的氧化反應(yīng)避免了許多傳統(tǒng)氧化反應(yīng)中如反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、酸性強(qiáng)、毒性高、不穩(wěn)定和收率低等弊端。用過氧化氫對(duì)烯烴和烯丙醇類化合物進(jìn)行環(huán)氧化反應(yīng)，速度較快，立體選擇性好。

5.2 還原反應(yīng)

RTILs 中不飽和烴如1-戊烯等的催化氫化，其反應(yīng)速度比傳統(tǒng)反應(yīng)快幾倍；在[Bmim][BF4]、[Bmim][PF6]等中用硼烷或硼氫化物把醛或酮還原到醇，其反應(yīng)速度隨反應(yīng)溫度提升而提高,活性不變[20]。

6 羰基化反應(yīng)

6.1 氫甲?；磻?yīng)

氫甲酰化反應(yīng)用于烯烴與氫氣及一氧化碳在催化和高壓下制備醛類，如在含有[AsF6]、[BF4]、[PF6]等陰離子溶液中錸催化烯烴（如1-戊烯）進(jìn)行的氫甲?；c傳統(tǒng)反應(yīng)相比，其選擇性和產(chǎn)率都有所提高。固載化的離子液體[Rh(acac)(CO)2]催化劑在氫甲酰化反應(yīng)中性能更穩(wěn)定。

6.2 其他羰基化反應(yīng)

烯烴和醇的氫酯基化，如在[Bmim][BF4]中用鈀催化叔丁醇?xì)漉セ@得異戊酸酯產(chǎn)物的反應(yīng)，無須加入強(qiáng)酸；還有鹵代芳烴的羰化反應(yīng)、烷烴的羰化、苯胺的氧化羰化、炔醇的羰化等。

7 RTILs 在其他有機(jī)反應(yīng)中的應(yīng)用

疊氮反應(yīng)，如短寡核苷酸功能化咪唑陽離子液體的烷基鹵化物疊氮[21]；Beckmann 重排，如環(huán)己酮肟在含磷化合物/RTILs 中重排制己內(nèi)酰胺的反應(yīng)；Baylis-Hillman 反應(yīng)，如在[Bmim][BF4]中的反應(yīng)速度是傳統(tǒng)方法的三十倍；?；磻?yīng)，如在酶/RTILs 中黃酮類化合物與長(zhǎng)鏈脂肪酸生成酯的反應(yīng)[22]；以及[Bmim][BF4]中乙?；茄苌锱c硫醇合成硫代糖苷[23]，雙酸性離子液體的催化氧化噻吩脫硫反應(yīng)等[24]。

8 結(jié)語

RTILs 在有機(jī)合成及催化等領(lǐng)域的應(yīng)用是近年來新興的綠色化學(xué)研究。RTILs 在溶解、催化、分離、回收等方面性能優(yōu)越，用在有機(jī)合成反應(yīng)上，克服了傳統(tǒng)的固相、液相合成反應(yīng)中存在的不足，使反應(yīng)速度加快、區(qū)域選擇理想、產(chǎn)物分離簡(jiǎn)便、催化劑活性基本不變、RTILs/催化劑可重復(fù)使用、成本降低、產(chǎn)率提高、污染減小。因此，有關(guān)多功能化RTILs 的許多反應(yīng)理論及RTILs 綠色有機(jī)合成應(yīng)用研究等更待進(jìn)一步深入。

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