新型DABCO離子液體催化氮雜Michael加成反應(yīng)

馮子娟，侯海亮，李志峰，胡雪亞，毛穎穎，應(yīng)安國＊

（1.臺州學(xué)院 醫(yī)藥化工學(xué)院，浙江 臺州318000； 2.天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津300072）

Michael加成反應(yīng)是活潑亞甲基化合物形成的碳負(fù)離子對α，β－不飽和羰基化合物的碳碳雙鍵的親核加成，是活潑亞甲基化合物烷基化的一種重要方法，也是有機(jī)化學(xué)中實現(xiàn)碳鏈增長的一類非常重要的反應(yīng).傳統(tǒng) Michael加成反應(yīng)以強(qiáng)堿為催化劑［1］，近年來也有以相轉(zhuǎn)移催化劑［2］、酶類［3］、過渡金屬催化劑［4］等作為催化劑的報道，轉(zhuǎn)化率均比傳統(tǒng)催化劑高，但反應(yīng)條件苛刻，操作復(fù)雜，并且對環(huán)境有一定的污染.因此，開發(fā)一類簡單、綠色的Michael加成反應(yīng)催化劑成為研究的焦點.

離子液體是一類在室溫或低溫下呈液體狀態(tài)的鹽，具有熔點低［5］、溶解性好［6］、不揮發(fā)［7］、熱穩(wěn)定性好［8］等優(yōu)點，并且通過在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上連接不同的功能團(tuán)［9］，能夠得到性質(zhì)不同可滿足不同需要的離子液體.近年來，離子液體作為綠色催化劑或溶劑不僅可應(yīng)用于氧化還原反應(yīng)［10］、Knoevenagel縮合反應(yīng)［11］、Heck反應(yīng)［12］和 Michael加成反應(yīng)［13］等，還可應(yīng)用于電化學(xué)［14］、染料合成［15］、材料學(xué)［16］等諸多領(lǐng)域.

三乙烯二胺（DABCO）是一類重要的有機(jī)堿，它不但可形成多種離子液體，還可與金屬離子形成對交叉偶聯(lián)反應(yīng)具有高催化活性的配位化合物［17］.結(jié)合我們課題組對離子液體催化有機(jī)反應(yīng)的多年研究經(jīng)驗［18－19］，本文作者以 DABCO 和3－氯－1，2－丙二醇為原料，通過兩步反應(yīng)制備了離子液體［DABCO－PDO］［BF4］，并將其應(yīng)用于Michael加成反應(yīng)中.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker 400型核磁共振儀；HK－2A型超級恒溫水浴鍋；Mettler Doledo型電子天平.實驗中所用試劑全部購買于阿拉丁試劑（上海）公司，純度為分析純.

1.2 離子液體［DABCO－PDO］［BF4］的制備

實驗中通過兩步法制備離子液體［DABCO－PDO］［BF4］.

圖1 離子液體［DABCO－PDO］［BF4］的合成路線Fig.1 The synthesis route of［DABCO－PDO］［BF4］

將10.15g（90.5mmol）DABCO和10g（7.57mL，90.5mmol）3－氯－1，2－丙二醇加入100mL圓底燒瓶中，加入50mL乙醇為溶劑.磁力攪拌下，80℃加熱回流反應(yīng)24h.旋蒸得到［DABCO－PDO］［Cl］.向3g（13.5mmol）［DABCO－PDO］［Cl］中加入等物質(zhì)的量的 NaBF4（1.30g），加入15mL甲醇，65℃下，加熱回流反應(yīng)8h，真空干燥得到淡黃色液體，即為離子液體［DABCO－PDO］［BF4］.

1.3 Michael加成反應(yīng)

將亞胺與丙烯酸衍生物或丙烯腈以物質(zhì)的量之比為1∶1加入到50mL圓底燒瓶中，加入離子液體［DABCO－PDO］［BF4］，室溫下磁力攪拌.用TLC監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)行程度.反應(yīng)結(jié)束后用等體積的水與乙酸乙酯混合溶劑進(jìn)行常溫萃取，收集有機(jī)相，柱層析法分離目標(biāo)產(chǎn)物，洗脫劑為乙酸乙酯，將收集的目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行真空干燥，純度達(dá)99%.使用1H NMR與13C NMR對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.

圖2 離子液體［DABCO－PDO］［BF4］催化 Aza－Michael加成反應(yīng)Fig.2 Aza－Michael addition reaction catalyzed by ionic liquid［DABCO－PDO］［BF4］

1.4 部分代表產(chǎn)物核磁表征數(shù)據(jù)

Methyl－3－（1H－imidazol－1－yl）propanoate（modelreaction）：1H NMR （400MHz，CDCl3）δ：2.72 （t，2H，J＝6Hz），3.62（s，3H），4.20（t，2H，J＝2.4Hz），6.86（d，1H，J＝4.4Hz），6.95（d，1H，J＝6Hz），7.43（d，1H，J＝4.8Hz）；13C NMR （100MHz，CDCl3）δ：170.84，137.10，129.17，118.75，51.77，42.00，35.46.

Methyl－3－morpholinopropanoate（Table3，Entry4）：1H NMR（400MHz，CDCl3）δ：2.42（t，4H，J＝4.8Hz），2.48（t，2H，J＝6.4Hz），2.65（t，2H，J＝7.2Hz），3.66（t，7H，J＝2.8Hz）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ：31.62，51.47，53.15，53.69，66.65，172.62.

Butyl－3－morpholinopropanoate（Table3，Entry6）：1H NMR（400MHz，CDCl3）δ：0.94（t，3H，J＝7.6Hz）1.34～1.43（m，2H），1.58～1.65（m，2H），2.45～2.48（m，4H），2.50（d，2H，J＝7.2Hz），2.67～2.70（m，2H），3.70（t，4H，J＝4.8Hz），4.10（t，2H，J＝6.8Hz）.13C NMR（100MHz，CDCl3）δ：13.7，19.1，30.6，32.1，53.3，54.0，64.3，66.9，172.5.

3－（1H－imidazol－1－yl）propanenitrile（Table3，Entry8）：1H NMR （400MHz，CDCl3）δ：2.72～2.75（m，2H），4.13～4.16 （m，2H），6.94 （d，2H，J＝4.4Hz），7.49 （s，1H）；13C NMR （100MHz，CDCl3）δ：20.5，42.5，116.8，118.7，130.1，137.0.

3－（1－Morpholinyl）－propionitrile（Table3，Entry10）：1H NMR （400MHz，CDCl3）δ：2.49～2.54（m，6H），2.68（t，2H，J＝7.2Hz，CH2），3.72（t，4H，J＝4.4Hz）；13C NMR（100MHz，CDCl3）δ：15.6，52.9，53.4，66.5，118.5.

3－（4－（2－Hydroxyethyl）piperazin－1－yl）propanenitrile（Table3，Entry12）：1H NMR（400MHz，CDCl3）δ：2.52（t，2H，J＝7.2Hz），2.57（t，8H，J＝5.2Hz），2.71（t，2H，J＝6.8Hz），2.95（d，2H，J＝12.8Hz），3.63（t，2H，J＝4.6Hz）；13C NMR （100MHz，CDCl3）δ：15.9，52.6，52.7，53.2，57.7，59.3，118.7.

2 結(jié)果與討論

2.1 離子液體的催化效果

以咪唑和丙烯酸甲酯為底物，分別以無催化劑、DABCO及離子液體作為催化劑，研究新型離子液體［DABCO－PDO］［BF4］對氮雜Michael加成反應(yīng)的影響.由表1可以看出，堿性的三乙烯二胺可作為催化劑對氮雜Michael加成反應(yīng)進(jìn)行催化，但是由于它既不能形成離子氛圍又不能與酯基或者氰基形成氫鍵，因而催化效率不高（產(chǎn)率為70%）.新型離子液體［DABCO－PDO］［BF4］既能形成離子氛圍，又能與酯基或者氰基形成氫鍵，能夠很好地催化氮雜Michael加成反應(yīng)，產(chǎn)率為91%，并且反應(yīng)時間也短.

表1 催化劑對咪唑與丙烯酸甲酯Michael加成反應(yīng)的影響Table 1 The effect of catalyst on the Michael addition of imidazole with methyl acrylate

2.2 離子液體［DABCO－PDO］［BF4］用量對 Michael加成反應(yīng)的影響

合適的催化劑用量既能避免催化劑的浪費，又能產(chǎn)生較好的催化效果，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率較高.本文作者在室溫下考察了不同的離子液體［DABCO－PDO］［BF4］用量對以咪唑和丙烯酸甲酯為底物的氮雜Michael加成反應(yīng)的影響.從圖3可以看出沒有催化劑下，反應(yīng)12 h僅有7%產(chǎn)率，而加入反應(yīng)物總量5mol%的離子液體，僅需5h反應(yīng)收率便提高至60%，可見離子液體催化劑的高效性.通過實驗，確定離子液體最佳用量為20mol%（圖3），繼續(xù)增加離子液體用量反應(yīng)收率增加不明顯，不利于反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性，甚至可能由于對反應(yīng)物的稀釋作用減慢反應(yīng)的進(jìn)行.

圖3 離子液體［DABCO－PDO］［BF4］用量對咪唑與丙烯酸甲酯的Michael加成反應(yīng)的影響Fig.3 The effect of［DABCO－PDO］［BF4］amount on the Michael addition of imidazole with methyl acrylate

2.3 溶劑對Michael加成反應(yīng)的影響

以咪唑和丙烯酸甲酯為底物，離子液體［DABCOPDO］［BF4］用量為20mol%，研究了溶劑對 Michael加成反應(yīng)的影響.由表2可以看出，乙酸乙酯和甲苯作為溶劑時，由于離子液體溶解性較差，不能很好地與反應(yīng)物進(jìn)行充分的接觸，進(jìn)而影響了離子液體催化劑的催化活性；由于丙烯酸甲酯不溶于水，水作為溶劑時會與丙烯酸甲酯分層，也導(dǎo)致了反應(yīng)物不能很好的混合，使得反應(yīng)效果降低；無溶劑條件下與乙醇條件下，咪唑和丙烯酸甲酯反應(yīng)收率相近，高達(dá)90%，但采用乙醇作為溶劑時離子液體的回收存在困難，且浪費溶劑.故本文采用無溶劑的方法進(jìn)行氮雜Michael加成實驗.

表2 溶劑對咪唑與丙烯酸甲酯Michael加成反應(yīng)的影響Table 2 The effect of solvent on the Michael addition of imidazole with methyl acrylate

2.4 催化劑的底物適用性研究

以咪唑和丙烯酸甲酯為底物確定了最佳反應(yīng)條件為無溶劑，室溫，20mol%［DABCO－PDO］［BF4］用量.為了驗證該催化劑的適用性，進(jìn)行了一系列亞氨基化合物與丙烯腈、丙烯酸衍生物的Michael加成反應(yīng)的研究，結(jié)果見表3.

由表3可以看出，脂肪族的胺類反應(yīng)速度比芳香族的快.這是由于芳香胺的電子離域性較強(qiáng)，不易形成具有親核能力的碳負(fù)離子，進(jìn)而影響了反應(yīng)速度.再由咪唑衍生物（Table 3，Entry 1－3）與丙烯酸甲酯的反應(yīng)可以看出，由于吸電子作用加強(qiáng)，使得碳負(fù)離子更容易形成，反應(yīng)效果增強(qiáng).當(dāng)Michael受體為丙烯酸正丁酯時，反應(yīng)時間不變的情況下，收率略有降低，可能是由于脂肪鏈的延長使電子云密度升高進(jìn)而影響到末端碳的正電性的緣故.但總體來說，所有丙烯酸酯類的Michael加成反應(yīng)的收率均在85%以上，催化體系具有較好的底物適用性.

以丙烯腈為Michael受體.對比丙烯酸酯類的實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)丙烯腈的反應(yīng)活性較丙烯酸酯類高，這是由于丙烯腈的氰基對碳碳雙鍵的電子有吸引作用，導(dǎo)致碳核更加暴露，進(jìn)而使得碳負(fù)離子對受體的攻擊性加強(qiáng)，反應(yīng)速度加快，反應(yīng)收率較高，均在85%以上.另外，Michael受體為丙烯酰胺時，反應(yīng)也能順利進(jìn)行，收率為90%.

綜上所述，該催化體系具有很強(qiáng)的底物適用性.

表3 亞胺類化合物與丙烯酸衍生物、丙烯腈的氮雜Michael加成反應(yīng)Table 3 Aza－Michael addition reaction of cyclic secondary amines andα，β－ethylenic compounds

續(xù)表3

2.5 反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)我們提出了可能的催化反應(yīng)機(jī)理（圖4）：離子液體［DABCO－PDO］［BF4］中兩個羰基可與丙烯酯類的羰基或者丙烯腈的氰基形成氫鍵，使得α，β－不飽和化合物的另一端的電子云密度降低，正電性增強(qiáng)；同時DABCO中未呈離子狀態(tài)的N可奪取亞胺的氫，使亞胺形成氮負(fù)離子，從而進(jìn)攻α，β－不飽和化合物的顯正電性的碳原子.可以看出，離子液體［DABCO－PDO］［BF4］對氮雜Michael加成反應(yīng)具有雙重催化功能.

圖4 亞胺類與αβ－不飽和化合物的氮雜Michael加成反應(yīng)機(jī)理Fig.4 Proposed mechanism for the aza－Michael addition reaction of imines andαβ－unsaturated compounds

2.6 離子液體的重復(fù)使用性

以咪唑和丙烯酸甲酯反應(yīng)為例，考察了離子液體［DABCO－PDO］［BF4］的重復(fù)使用性能.由于該離子液體不溶于乙酸乙酯，可用乙酸乙酯和水萃取上一次的反應(yīng)液，水層經(jīng)真空干燥，而后重新投放于下一次的咪唑和丙烯酸甲酯的Michael加成反應(yīng)中，反應(yīng)收率結(jié)果見圖5.數(shù)據(jù)表明，離子液體［DABCO－PDO］［BF4］可循環(huán)使用6次，反應(yīng)產(chǎn)率變化很小.

圖5 離子液體循環(huán)使用情況Fig.5 Reuse of catalyst for Michael addition

3 結(jié)論

制備了新型離子液體［DABCO－PDO］［BF4］，并且用于催化亞胺類化合物與多種α，β－不飽和化合物的氮雜Michael加成反應(yīng)，取得了良好的催化效果.考察了反應(yīng)溶劑、催化劑用量對反應(yīng)的影響，以及催化劑的底物適用性，并提出了［DABCO－PDO］［BF4］可能的催化機(jī)理.研究表明，該催化劑可在室溫下催化氮雜Michael加成反應(yīng)，并且無需任何溶劑，收率高，底物適用性強(qiáng)，后處理簡單，催化劑連續(xù)使用6次無明顯活性損失，具有很好的工業(yè)化前景.

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