離子液體在有機(jī)合成反應(yīng)中的應(yīng)用(I)

崔　艷，李　敏，張　茹

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京　100081)

?

離子液體在有機(jī)合成反應(yīng)中的應(yīng)用(I)

崔艷，李敏，張茹

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京100081)

離子液體因其不易揮發(fā)、穩(wěn)定性好、溶解范圍廣、易分離等優(yōu)點(diǎn)成為21世紀(jì)最有希望的綠色溶劑和催化劑之一，被廣泛地應(yīng)用于有機(jī)合成領(lǐng)域，引起人們足夠的興趣。離子液體的開發(fā)和應(yīng)用對(duì)緩解大量有毒化學(xué)品的使用導(dǎo)致的環(huán)境污染具有重要意義，符合當(dāng)前社會(huì)節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展理念。本文對(duì)離子液體作為反應(yīng)介質(zhì)或催化劑在有機(jī)傳統(tǒng)反應(yīng)(包括氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、烷基化反應(yīng))中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

離子液體； 氧化； 還原； 烷基化

傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)及相關(guān)化學(xué)工業(yè)使用大量的易揮發(fā)、有毒有機(jī)溶劑，例如苯、氯代烷烴、酮、醚等，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，危害著人類的健康。因此，多年來人們一直在尋求綠色替代溶劑。離子液體因其不易揮發(fā)、穩(wěn)定性好、溶解范圍廣、易分離等優(yōu)點(diǎn)，成為綠色化學(xué)中最具前景的反應(yīng)溶劑和催化劑。

首先，離子液體與典型的有機(jī)溶劑不一樣，由于離子液體完全由陰離子和陽離子組成，沒有電中性的分子，所以其具有良好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，能溶解大多數(shù)無機(jī)物、有機(jī)物和高分子材料。其次，離子液體作為溶劑可以改變某些反應(yīng)的機(jī)理，使催化劑的活性、穩(wěn)定性更好，選擇性、轉(zhuǎn)化率更高，并且具有易回收、可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)[1]。另外，通過改變陰、陽離子中烷基取代基的長(zhǎng)度和對(duì)稱性等途徑可以設(shè)計(jì)合成不同性質(zhì)的離子液體，離子液體組成的這種可設(shè)計(jì)性，進(jìn)一步拓寬了其在有機(jī)合成中的應(yīng)用范圍[2]，使得其不僅可以作為溶劑使用，而且還可以作為某些反應(yīng)的催化劑使用。因此，對(duì)離子液體的應(yīng)用研究正在越來越多地受到人們的關(guān)注。本文綜述了離子液體在有機(jī)合成中的應(yīng)用，包括氧化、還原反應(yīng)、烷基化反應(yīng)。

1　氧化反應(yīng)

催化氧化反應(yīng)是有機(jī)合成中的一類重要反應(yīng)，在該類反應(yīng)中使用離子液體作溶劑或者催化劑，一方面可以避免使用有機(jī)溶劑對(duì)環(huán)境造成的污染，另一方面可以提高某些反應(yīng)的收率和選擇性。Shen 等[3]首次研究了離子液體作溶劑，氧氣作為氧化劑的基于雙異喹啉銅的選擇性氧化醇為相應(yīng)的醛和酮的反應(yīng)，結(jié)果顯示催化劑在離子液體中的催化活性比在普通有機(jī)溶劑中的催化活性高，氧化各類醇(包括一級(jí)醇、二級(jí)醇、烯丙醇和芐醇)的選擇性和收率均在80%以上。

臧樹良等[4]將四烷基銨高錸酸鹽與烷基咪唑硫酸氫鹽離子液體按一定比例混合，形成復(fù)合的相轉(zhuǎn)移催化劑，同時(shí)以烷基咪唑硫酸氫鹽離子液體作為反應(yīng)溶劑，以雙氧水溶液作氧化劑，對(duì)環(huán)辛烯進(jìn)行催化氧化反應(yīng)，將環(huán)辛烯的轉(zhuǎn)化率提升到90%以上，辛二酸產(chǎn)率達(dá)60%以上，有效地提高了反應(yīng)的選擇性，取得了令人滿意的效果。

Fadini等[5]研究了三價(jià)錳絡(luò)合物催化的鄰二醇的氧化斷裂，結(jié)果表明在該反應(yīng)中使用離子液體作溶劑比使用普通溶劑產(chǎn)率提高10%～60%。當(dāng)使用濃度為5mol%的[Mn(salen)(Py)·(OAc)]為催化劑，在60 ℃時(shí)，1,1,2,2-四苯基-1,2-乙二醇的碳碳鍵在氧氣氧化下斷裂生成相應(yīng)的酮，產(chǎn)率高達(dá)99%。

梁棟等[6]以苯乙烯為原料，采用低毒無害的磷鎢酸手性離子液體為催化劑、H2O2為綠色氧化劑，通過直接催化氧化法以67%～82%的產(chǎn)率得到(R)-苯基乙二醇，其中對(duì)映體純度為96%～100%ee.。

岳爽等[7]公開了烯烴和氧化劑在甲基三氧化錸和錸離子液體的協(xié)同催化作用下進(jìn)行環(huán)氧化反應(yīng)，可以有效地提高了環(huán)氧化物產(chǎn)品的選擇性，提高了反應(yīng)效率，其中的錸離子液體為1-烷基-3-甲基-咪唑高錸酸鹽，結(jié)構(gòu)如下：

劉春等[8]在一個(gè)大氣壓的氧氣條件下，將芳香醛、堿和甲氧基封端的聚乙二醇修飾的咪唑鹽催化劑按摩爾比為0.5:0.505:0.025加入乙醇水溶液中，于30～60 ℃反應(yīng)10 min～12 h得到芳香羧酸化合物。其中的咪唑鹽催化劑結(jié)構(gòu)如下：

臧樹良等[9]將四烷基銨高錸酸鹽與烷基咪唑硫酸氫鹽離子液體按一定比例混合，形成復(fù)合的相轉(zhuǎn)移催化劑，同時(shí)以烷基咪唑硫酸氫鹽離子液體作為反應(yīng)溶劑，以雙氧水溶液作氧化劑，對(duì)環(huán)辛烯進(jìn)行催化氧化反應(yīng)，以60%以上的產(chǎn)率得到辛二酸。

Safaei-Ghomi 等[10]研究了用高錳酸鉀氧化肟，在催化量的[bmim]Br、無溶劑條件下，高錳酸鉀可以高效、選擇性地氧化斷裂肟為相應(yīng)的羰基化合物，而不會(huì)進(jìn)一步氧化羰基化合物為羧酸?？梢姡x子液體可以降低高錳酸鉀的氧化性，提高氧化反應(yīng)的選擇性。該反應(yīng)的最佳反應(yīng)條件為室溫，其中肟、離子液體和高錳酸鉀的摩爾比為1:0.7:0.4。

2　還原反應(yīng)

離子液體或作為溶劑或用作催化劑在各類還原反應(yīng)中均有應(yīng)用。例如：用三烷基硼還原醛是一類重要的有機(jī)反應(yīng)，然而，用簡(jiǎn)單的三烷基硼化物還原通常需要超過150 ℃的高溫，kabalka等[11]報(bào)道了在bmimBF4,emimBF4和emimPF6溶劑中，用三烷基硼化物實(shí)施還原反應(yīng)。例如當(dāng)苯甲醛在emimPF6中用三叔丁基硼烷還原時(shí)，反應(yīng)在100 ℃快速進(jìn)行，并以96%的產(chǎn)率得到芐醇。

John L.Reynolds等[12]研究了胺介導(dǎo)的二苯甲酮在室溫下離子液體中的光還原反應(yīng)，不同于有機(jī)溶劑中的該類反應(yīng)，在多數(shù)情況下光還原主要生成相應(yīng)的二苯甲醇。由于該反應(yīng)僅消耗1當(dāng)量胺，且溶劑容易回收，所以光還原是一種清潔的轉(zhuǎn)化二苯甲酮為二苯甲醇的方法。

Xinzhi Chen等[13]報(bào)道了雷尼鎳催化的以甲酸鹽作氫供體的腈的轉(zhuǎn)移氫化。與先前使用的氫供體例如肼和單甲酸肼相比，甲酸鹽更便宜和安全。制備了三種離子液體包括[DBUH+][C2H5COO-]、[DBUH+][C3H7COO-]和[DBUH+][C4H9COO-]用作反應(yīng)介質(zhì)，基于DBU的離子液體能明顯促進(jìn)轉(zhuǎn)移氫化，其中[DBUH+][C4H9COO-]表現(xiàn)最好。與通常的有機(jī)或無機(jī)溶劑相比，基于DBU的離子液體顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)，其制備簡(jiǎn)單，并可重復(fù)使用至少6次。

薛偉等[14]在離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([bimim]BF4)-水混合介質(zhì)中，以NaBH4為還原劑制備了Ru-[bimim]BF4催化劑，并用于苯選擇性加氫反應(yīng)。結(jié)果表明，相對(duì)于N2H4·H2O還原制備的催化劑，該催化劑具有明顯較高的環(huán)己烯選擇性，當(dāng)苯轉(zhuǎn)化率為49.5%時(shí)，環(huán)己烯選擇性可達(dá)34.1%，這是由于硼的作用所致。重復(fù)使用時(shí)，由于離子液體的流失，暴露的Ru活性中心增多，因而苯轉(zhuǎn)化率升高，但環(huán)己烯選擇性下降。

Wolfson等[15]將離子液體與過渡金屬絡(luò)合物負(fù)載在聚合物上，形成穩(wěn)定的兩相催化劑(催化劑既可以充分利用又不能因與有機(jī)溶劑接觸而被有機(jī)溶劑溶解)，進(jìn)行系列還原催化實(shí)驗(yàn)(包括2-環(huán)己烯-1-酮、1,3-環(huán)辛二烯的還原以及乙酰乙酸甲酯的不對(duì)稱還原)后發(fā)現(xiàn)，在聚合物載體下反應(yīng)速度及選擇性方法較離子液體形成的兩相系統(tǒng)均有所提高，但反應(yīng)速率及產(chǎn)率較均相催化尚有一定的差距。

Yves Chauvin等[16]在1995年首次成功實(shí)施Rh催化的環(huán)己烯的加氫還原，采用[bmim]+(BF4)-、[bmim]+(PF6)-等弱配位的離子液體作反應(yīng)介質(zhì)都很有效。

此外，離子液體還被廣泛地應(yīng)用于各種不對(duì)稱催化氫化反應(yīng)中。例如： Dupont等報(bào)道了(E)乙酰氨基肉桂酸甲酯的不對(duì)稱催化氫化反應(yīng),該研究組用手性銠催化劑在離子液體[bmim][PF6]和[bmim][BF4]中進(jìn)行反應(yīng)。研究表明氫分子濃縮在離子液體中,而不依靠氫氣的壓力,這樣對(duì)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和對(duì)映選擇性都有一個(gè)戲劇性的影響,氫分子在無水的離子液體[bmim][PF6]中的溶解度比在[bmim][BF4]中的溶解度小四倍,在無水離子液體[bmim][BF4]中得到的結(jié)果最好(73% conv., 93%ee)。產(chǎn)物被簡(jiǎn)單地萃取之后,包含手性銠催化劑的離子液體可以繼續(xù)使用4次,而產(chǎn)物的對(duì)映選擇性保持不變,只是在第4次時(shí)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率由73%下降到35%[17]。

3　烷基化反應(yīng)

3.1烷烴與烯烴的烷基化

異丁烷與丁烯的烷基化是石油煉制工業(yè)中的一類重要反應(yīng)，其是將催化裂化產(chǎn)物C4烴組分轉(zhuǎn)化為C8支鏈異丁烷(烷基化油)的催化反應(yīng)過程。目前工業(yè)上使用的反應(yīng)工藝主要有兩種：氫氟酸法和硫酸法。然而，這兩種催化劑存在嚴(yán)重的設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染問題，發(fā)展環(huán)境友好的烷基化反應(yīng)工藝替代目前的液體酸烷基化工藝成為改進(jìn)現(xiàn)行烷基化技術(shù)的主要方向。1994年，Chauvin等[18]首次將[bmim]Cl/AlCl3類離子液體運(yùn)用于異丁烷/丁烯的烷基化反應(yīng)，在優(yōu)化反應(yīng)條件下，得到了與硫酸法工藝質(zhì)量相當(dāng)?shù)耐榛汀?003年，石油大學(xué)(北京)[19-20]陸續(xù)報(bào)道了利用非改性或改性的Et3NHCl/AlCl3離子液體催化此類烷基化反應(yīng)。黃英蕾等[21]研究了酸性離子液體[C4mim]HSO4、[C6mim]HSO4、 [C8mim]HSO4催化異丁烷和丁烯烷基化反應(yīng)，結(jié)果表明，用[C6mim]HSO4離子液體催化的效果最好，[C4mim]HSO4次之，[C8mim]HSO4催化效果略差。

3.2芳香烴的烷基化反應(yīng)

傳統(tǒng)的用于苯與烯烴反應(yīng)制備烷基苯的催化劑包括HF和AlCl3，然而HF和AlCl3存在操作成本高以及后處理中分離困難的缺陷。孫學(xué)文等[22]研究了離子液體[bmim]Cl/[FeCl3]催化苯與十八烯烷基化合成烷基苯，結(jié)果顯示反應(yīng)溫度、苯與十八烯的摩爾比以及催化劑的用量相對(duì)傳統(tǒng)反應(yīng)工藝更低，影響烯烴轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)物選擇性的最重要的因素是反應(yīng)溫度。離子液體在30 ℃有更高的活性，當(dāng)苯與十八烯烴摩爾比為10，F(xiàn)eCl3離子液體相對(duì)于十八烯的摩爾比為0.08時(shí)，單烷基苯的選擇性超過98%，烯烴的轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%。

劉曉飛等[23]研究了嗎啉基磺酸功能化離子液體催化苯酚與叔丁醇的烷基化反應(yīng)，表明離子液體用量為20%苯酚時(shí)，在最佳優(yōu)化條件下苯酚的轉(zhuǎn)化率和生成2,4-二叔丁基苯酚的選擇性分別為92.4%和64.1%，離子液體重復(fù)使用三次，其催化活性不變。

3.3其它烷基化反應(yīng)

Yi Hu等[24]報(bào)道了在基于1-丁基-3-甲基咪唑6-氟磷酸鹽的離子液體中進(jìn)行的氟化鉀催化的環(huán)狀酰亞胺與鹵代烷的N-烷基化反應(yīng)，該方法相對(duì)傳統(tǒng)方法操作簡(jiǎn)便，產(chǎn)物易于分離而且產(chǎn)率高。

西門子醫(yī)療保健診斷公司(WO2014011762 A1 20140116)通過將9,10-二氫吖啶化合物與3-溴丙磺酸鈉等磺酸鹽類烷基化劑在離子液體溶劑中反應(yīng)的方法將9,10-二氫吖啶化合物轉(zhuǎn)化成N-烷基9,10-二氫吖啶，其中離子液體包括[BMIM][PF6]和[BMIM][BF4][25]。

Hu Yi等[26]研究了在離子液體[BMIM][PF6]或者[BMIM][BF4]中，堿K2CO3作用下，2-巰基苯并噻唑可以和不同鹵代烴高選擇性的進(jìn)行S-烷基化反應(yīng)。另外，他們還報(bào)道了在[BMIM][BF4]和水配合的反應(yīng)體系中，芳基亞磺酸鹽和不同鹵代烴可順利發(fā)生S-烷基化反應(yīng)，得到烷基芳基砜。

4　結(jié)　語

在全球能源危機(jī)和環(huán)境問題日趨嚴(yán)重的背景下，建立節(jié)能、環(huán)保、安全的生產(chǎn)模式逐漸成為各行業(yè)的共識(shí)。離子液體作為一類新型綠色介質(zhì)，有著巨大的科學(xué)探索價(jià)值和應(yīng)用潛力。通過對(duì)離子液體在有機(jī)合成反應(yīng)中的綜述，掌握離子液體發(fā)展的前沿技術(shù)，可以促進(jìn)清潔生產(chǎn)的推廣，符合國(guó)際環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念。相信，隨著研究的不斷深入，離子液體的類型和在有機(jī)合成領(lǐng)域中的應(yīng)用會(huì)被不斷拓寬。

[1]韓燕.離子液體在綠色有機(jī)合成中的應(yīng)用[J].材料科學(xué),2007(01):36-37.

[2]張磊.離子液體在有機(jī)合成中的應(yīng)用[D].蘭州:蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[3]Hao-Yu Shen, Li-Yan Ying, Hai-Liang Jiang,et al.Efficient Copper-bisisoquinoline-based Catalysts for Selective Aerobic Oxidation of Alcohols to Aldehydes and Ketones[J]. Int. J. Mol. Sci.,2007,8 (6):505-512.

[4]臧樹良,周明東,孟文葉,等. 一種環(huán)辛烯氧化制備辛二酸的方法[P]. CN103539654A,2014-01-29.

[5]S Riano,D Fernández，L Fadini. Oxidative cleavage of vic-diols catalyzed by manganese(Ⅲ) complexes in ionic liquids[J].Catal. Commun.,2008,9(6):1282-1285.

[6]梁棟,胡志勇,朱海林,等. (R)-苯基乙二醇的一種綠色不對(duì)稱合成方法[P]. CN104649865A,2015-05-27.

[7]岳爽,臧樹良,李俊,等. 一種烯烴環(huán)氧化的方法[P].CN104387343A,2015-03-04.

[8]劉春,卜慶青. 一種芳香羧酸化合物的制備方法[P].CN103613479A, 2014-03-05.

[9]臧樹良,周明東,孟文葉,等. 一種環(huán)辛烯氧化制備辛二酸的方法[P]. CN103539654A,2014-01-29.

[10]J Safaei-Ghomi, A R Hajipour M Esmaeili, et al. Mild Oxidation of Oxime Derivatives with KMnO4in ionic liquid Media[J].Journal of the Chinese Society,2009,56:416-418.

[11]G W Kabalka G W, Malladi R R.Reduction of aldehydes using trialkylboranes in ionic liquids[J]. Chem. Commun,2000,22:2191.

[12]J L Reynolds,K R Erdner, P B Jones.Photoreduction of benzophenones by Amines in Room-Temperature Ionic Liquids[J]. Org. Lett.,2002,4:917.

[13]Xinzhi Chen, Shaodong Zhou,Chao Qian.Hydrogen transfer reduction of nitriles in DBU based ionic liquids[J].Arkivoc, 2012(Ⅷ):128-136.

[14]薛偉, 秦燕飛, 李芳,等.NaBH4還原制備Ru-[bmim]BF4及催化苯選擇加氫反應(yīng)性能[J].催化學(xué)報(bào),2012(12):1913-1918.

[15]Adi Wolfson, Ivo F J Vankelecom, Pierre A Jacobs.Co-immobilization of transition-metal complexes and ionic liquids in a polymeric support for liquid-phase hydrogenations[J].Tetrahedron Letters,2003,44：1195-1198.

[16]Yves Chauvin, Lothar Mussmann,Hélène Olivier. A Novel Class of Versatile Solvents for Two-Phase Catalysis:Hydrogenation, Isomerization, and Hydroformylation of Alkenes Catalyzed by Rhodium Complexes in Liquid 1,3-dialkylimidazolium Salts[J]. Angew. Chem. Int. Ed., 1995, 34:2698-2700.

[17]郭海明, 牛紅英，蔣耀忠.離子液體在不對(duì)稱催化反應(yīng)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].合成化學(xué),2005(13):6-15.

[18]Chauvin,André Hirschauer, Hélène Olivier. Alkylation of isobutene with 2-Butene using 1-butyl-3-methylimidazolium Chloride-Aluminium Chloride Molten Salts as Catalyst[J]. J. Mol. Catal.,1994,92:155-165.

[19]黃崇品, 劉植昌, 史權(quán),等.離子液體中異丁烷與丁烯的烷基化反應(yīng)[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,27(4):120-122.

[20]黃崇品,劉植昌,史權(quán),等.改性離子液體中異丁烷與丁烯的烷基化反應(yīng)[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2003,31(5):462-465.

[21]黃英蕾, 于長(zhǎng)順,王巖,等.酸性離子液體中異丁烷和丁烯的烷基化反應(yīng)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(1):33-35.

[22]Sun Xuewen, ZHAO Suoqi. [bmin]Cl/[FeCl3] Ionic Liquid as catalyst for Alkylation of Benzene with 1-Octadecene[J].Chinese J.Chem.Eng.,2006,14(3):289-293.

[23]劉曉飛, 陳靜,夏春谷.嗎啉基功能化酸性離子液體催化苯酚-叔丁醇選擇性烷基化反應(yīng)[J].分子催化,2008,22(5):392-397.

[24]Y Hu, ZC Chen，ZG Le，et al.Organic reaction in ionic liquids:N-alkylation of cyclic imides with alkyl halides promoted by potassium fluoride[J]. Journal of chemical research,2004(4)：276-278.

[25]MATRAJAN A,NATRAJAN A,WEN D. 吖啶化合物的N-烷基化 [P]. CN103539654A,2014-01-29.

[26]Yi Hu, Chen Zhenchu,Le Zhang Gao,et al.Organic Reactions in Ionic Liquids:An Efficient method for selective S-Alkylation of 2-mercaptobenzothia(xa)zole with alkyl halides[J].Synth.Commun.,2004,34:2039.

Application of Ionic Liquids in Organic Syntheses

CUIYan,LIMin,ZHANGRu

(Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office, State Intellectual Property Office, Beijing 100081, China)

Ionic liquids are considered as one of the most promising green solvents and catalysts in 21st century for their excellent properties of non-volatility, good stability, good dissolubility and easily separated. Nowadays, they are widely applied in the field of organic syntheses and have attracted considerable interest. The development and application of ionic liquids are significance for alleviating the environmental pollution caused by toxic chemicals, and in accord with the development concept of energy saving, environmental protection. The study on the application of ionic liquids as reaction solvents or catalysts in traditional organic synthetic reactions including oxidation reaction, reduction reaction and alkylation reaction were reviewed.

ionic liquids; oxidation; reduction; alkylation

崔艷(1983-)，女，碩士，專利審查員，主要從事有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查。

李敏(1980-)，女，碩士，專利審查員，主要從事有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查。

O621.3

A

1001-9677(2016)07-0044-03