DABCO類離子液體的合成及其在Baylis-Hillman反應(yīng)中的應(yīng)用

汪晨光，馮菊紅，張恒宜，羅文濤，王喻華，胡學(xué)雷

(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院 綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

離子液體(ionic liquids)是完全由離子組成的液體，是低溫(<100 ℃)下呈液態(tài)的鹽，也稱為低溫熔融鹽[1]，一般由有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子組成，離子液體并不等同于離子溶液(如氯化鈉的水溶液)。通常把熔點(diǎn)低于100 ℃的有機(jī)鹽統(tǒng)稱為室溫離子液體；相比于固態(tài)物質(zhì)它是液態(tài)，相比于傳統(tǒng)的液態(tài)物質(zhì)它是離子[2]。離子液體發(fā)展至今，在倡導(dǎo)綠色化學(xué)的大環(huán)境下，已然成為一種新型綠色材料，由于具有低熔點(diǎn)、不可燃、不揮發(fā)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性及溶解性、無毒、無污染等特點(diǎn)，離子液體在有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、電化學(xué)等眾多領(lǐng)域中都成為了研究熱點(diǎn)[3]。

Baylis-Hillman反應(yīng)亦稱為Morita-Baylis-Hillman反應(yīng)[4](圖1)，是一個(gè)缺電子烯烴和一個(gè)親電的碳之間的C-C成鍵反應(yīng)，一般以叔胺為催化劑。該反應(yīng)的產(chǎn)物具有多個(gè)可以進(jìn)一步反應(yīng)并轉(zhuǎn)換的官能團(tuán)，反應(yīng)條件溫和，所有的原料都參加反應(yīng)，是一個(gè)典型的原子經(jīng)濟(jì)型的反應(yīng)。但是該反應(yīng)存在反應(yīng)時(shí)間長、收率低等缺點(diǎn)，近年來許多學(xué)者對Baylis-Hillman反應(yīng)進(jìn)行了探索[5-6]。早在2001年，Rosa等[7]將咪唑類離子液體[Bmim][BF4]首次應(yīng)用于丙烯酸甲酯與苯甲醛的反應(yīng)中，縮短了反應(yīng)時(shí)間，但收率低的問題沒有得到改善。近幾年，Hu等[8]通過吡咯烷-2-基咪唑修飾的手性離子液體與TiO2負(fù)載的金屬有機(jī)骨架制備出復(fù)合雙功能催化劑，用于苯甲醛與丙烯酸甲酯的反應(yīng)，提高了反應(yīng)收率(87%～96%)，但反應(yīng)仍需要48 h。Fallek等[9]通過在雙咪唑有機(jī)催化劑的骨架中添加二亞氨基或二氨基吡啶，用于丁烯酮與芳香醛的反應(yīng)，并改善了其化學(xué)選擇性，使反應(yīng)時(shí)間縮短到18 h以內(nèi)，收率為78%?，F(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，離子液體在Baylis-Hillman反應(yīng)中起到了很好的作用，但如何提高該反應(yīng)的收率，縮短其反應(yīng)時(shí)間，仍需要進(jìn)一步探索和研究。

圖1 Morita-Baylis-Hillman反應(yīng)Fig.1 Morita-Baylis-Hillman reactions

1,4-二氮雜二環(huán)[2.2.2]辛烷(DABCO)亦稱三乙烯二胺，1972年，德國科學(xué)家Baylis和Hillman將這種三級胺首次用到催化醛和丙烯酸乙酯的反應(yīng)中。2010年，Xu等[10]將DABCO與鹵代烷反應(yīng)，使其季銨化，得到一系列DABCO類離子液體，并將該系列離子液體作為催化劑應(yīng)用于Knoevenagel縮合反應(yīng)中，取得了良好的催化效果。因此，作者以三乙烯二胺、溴代烷烴和四氟硼酸鈉為原料，合成了4種離子液體(圖2)，這4種DABCO類離子液體的結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)叔胺和一個(gè)季銨鹽，叔胺結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的堿性，季銨結(jié)構(gòu)使得該離子液體的水溶性較好[11-12]。并首次將該系列離子液體應(yīng)用到Baylis-Hillman反應(yīng)中，考察不同烷基鏈的DABCO類離子液體在Baylis-Hillman反應(yīng)中的催化效果，同時(shí)探索反應(yīng)溶劑、催化劑烷基鏈鏈長、催化劑用量(Z，摩爾分?jǐn)?shù)，以芳香醛計(jì))和循環(huán)使用次數(shù)對反應(yīng)速率及收率的影響。

圖2 DABCO類離子液體的合成Fig.2 Synthesis of DABCO-based ionic liquids

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

1,4-二氮雜二環(huán)[2.2.2]辛烷(DABCO)、溴代正丁烷、溴乙烷、4-氯苯甲醛、2-硝基苯甲醛、3-硝基苯甲醛、4-硝基苯甲醛、苯甲醛、丙烯酸甲酯、石油醚、乙酸乙酯、丙酮，均為分析純。

AB204-N型電子天平，Metter-Toedo Group；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、ZF-20D型暗箱式紫外分析儀，鞏義予華儀器有限責(zé)任公司；RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；400MHz型核磁共振儀，瑞士Bruker公司。

1.2 DABCO類離子液體的合成

1.2.1 溴化1-丁基-4-氮雜-1-氮雜雙環(huán)[2.2.2]辛烷([C4dabco]Br)的合成

在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將DABCO溶解到乙腈中，滴入等物質(zhì)的量的溴代正丁烷；滴加完畢后，升溫至50 ℃，反應(yīng)24 h；減壓蒸除溶劑，得到淡黃色粗品；以乙酸乙酯洗滌多次，干燥，得到白色固體[C4dabco]Br，收率94.8%。

1.2.2 溴化1-乙基-4-氮雜-1-氮雜雙環(huán)[2.2.2]辛烷([C2dabco]Br)的合成

以溴乙烷替代溴代正丁烷，按1.2.1方法合成白色固體[C2dabco]Br，收率95.3%。

1.2.3 1-丁基-4-氮雜-1-氮雜雙環(huán)[2.2.2]辛烷四氟硼酸鹽([C4dabco][BF4])的合成

在燒瓶中加入等物質(zhì)的量的[C4dabco]Br和NaBF4，再加入適量的丙酮為溶劑，在室溫下攪拌反應(yīng)24 h，過濾，濾液減壓蒸除溶劑，將粗產(chǎn)物以乙酸乙酯洗滌多次，干燥，得到白色固體[C4dabco][BF4]，收率90%，m.p.67～69 ℃(文獻(xiàn)值[10]：收率95%，m.p.66～69 ℃)。1HNMR(400 MHz,D2O),δ:0.82(t,3H,J=7.5 Hz),1.21～1.38(m，2H),1.55～1.66(m,2H),3.05～3.15(m,8H),3.27(t,6H,J=7.6 Hz)。

1.2.4 1-乙基-4-氮雜-1-氮雜雙環(huán)[2.2.2]辛烷四氟硼酸鹽([C2dabco][BF4])的合成

以[C2dabco]Br替代[C4dabco]Br，按1.2.3方法合成白色固體[C2dabco][BF4]，收率89.4%。1HNMR(400 MHz，D2O),δ:1.19～1.26(m，3H),3.1(t,6H,J=7.6 Hz),3.19～3.29(m,8H)。

1.3 DABCO類離子液體催化Baylis-Hillman反應(yīng)

以4-硝基苯甲醛和丙烯酸甲酯的反應(yīng)為例，具體步驟如下：將3.02 g(20 mmol)4-硝基苯甲醛、3.6 mL(40 mmol)丙烯酸甲酯、一定比例的DABCO類離子液體及溶劑投入圓底燒瓶中，攪拌，TLC監(jiān)測反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后，加入水和乙酸乙酯，分層后，有機(jī)層以無水硫酸鈉干燥，抽濾得到粗產(chǎn)物。粗產(chǎn)物用硅膠柱色譜(洗脫劑為石油醚∶乙酸乙酯=6∶1)純化，得到淺黃色固體3-羥基-2-烯-3-(4-硝基苯基)丙酸甲酯。

分別以2-硝基苯甲醛、3-硝基苯甲醛、4-氯苯甲醛、苯甲醛替代4-硝基苯甲醛，同法合成目標(biāo)產(chǎn)物3-羥基-2-烯-3-(2-硝基苯基)丙酸甲酯、3-羥基-2-烯-3-(3-硝基苯基)丙酸甲酯、3-羥基-2-烯-3-(4-氯苯基)丙酸甲酯、3-羥基-2-烯-3-苯基-丙酸甲酯。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑與催化劑的選擇

用合成的4種DABCO類離子液體催化4-硝基苯甲醛與丙烯酸甲酯的Baylis-Hillman反應(yīng)(圖3)，考察DABCO類離子液體在不同溶劑中的催化作用，結(jié)果如表1所示。

圖3 DABCO類離子液體催化Baylis-Hillman反應(yīng)Fig.3 Baylis-Hillman reaction catalyzed by DABCO-based ionic liquids

從表1可以看出，在無溶劑的條件下，以[C2dabco]Br或[C4dabco]Br為催化劑，反應(yīng)時(shí)間大大縮短，但收率較低，只有65%左右。這是因?yàn)?，?dāng)反應(yīng)底物及催化劑加入后，整個(gè)反應(yīng)體系呈黏稠狀，反應(yīng)原料不能很好地溶解，反應(yīng)過程中攪拌不夠均勻充分，導(dǎo)致反應(yīng)不能完全進(jìn)行。以水或乙腈為反應(yīng)溶劑，以[C2dabco][BF4]或[C4dabco][BF4]為催化劑，催化效果較好，收率都達(dá)到了80%以上，而且反應(yīng)時(shí)間大大縮短。其中以水為溶劑時(shí)的反應(yīng)收率較乙腈的略高。

表1不同溶劑對DABCO類離子液體催化Baylis-Hillman反應(yīng)的影響

Tab.1 Effect of different solvents on Baylis-Hillman reaction catalyzed by DABCO-based ionic liquids

注：所有反應(yīng)均在室溫下進(jìn)行；4-硝基苯甲醛用量為20 mmol，丙烯酸甲酯用量為40 mmol，溶劑用量為1 mL，催化劑用量(Z，摩爾分?jǐn)?shù)，以4-硝基苯甲醛計(jì)，下同)為100%。

通過比較不同鏈長烷基鏈的DABCO類離子液體在反應(yīng)中的催化效率，發(fā)現(xiàn)無論烷基鏈長短，催化效率都比較好，帶乙基與丁基鏈的DABCO類離子液體在水中催化反應(yīng)的收率分別為89.4%和90.2%；但是比較反應(yīng)時(shí)間可以看出，長烷基鏈催化反應(yīng)要比短烷基鏈花費(fèi)的時(shí)間多?？赡苁且?yàn)椋榛溤介L，空間位阻越大，阻礙了反應(yīng)中兩性離子化合物的形成。

本著減少催化劑用量、提高反應(yīng)速率的原則，以4-硝基苯甲醛與丙烯酸甲酯為例，以[C2dabco][BF4]或[C4dabco][BF4]為催化劑、在水為溶劑的條件下，探究DABCO類離子液體用量對Baylis-Hillman反應(yīng)的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 DABCO類離子液體用量對Baylis-Hillman反應(yīng)的影響

Tab.2 Effect of amount of DABCO-based ionic liquids on Baylis-Hillman reaction

注： 4-硝基苯甲醛用量為20 mmol，丙烯酸甲酯用量為40 mmol，溶劑為1 mL水。

從表2可以看出，當(dāng)不使用離子液體作催化劑時(shí)，反應(yīng)基本不發(fā)生(entry1)，隨著催化劑用量的增加，反應(yīng)收率逐漸升高，反應(yīng)時(shí)間逐漸縮短。催化劑用量為100%和80%時(shí)，反應(yīng)收率接近。

通過溶劑和催化劑篩選，最優(yōu)反應(yīng)條件為：在室溫條件下，以水為溶劑，以[C4dabco][BF4](用量80%)催化4-硝基苯甲醛(20 mmol)和丙烯酸甲酯(40 mmol)的Baylis-Hillman反應(yīng)。

2.2 反應(yīng)底物的拓展

在最優(yōu)反應(yīng)條件下，對醛類底物進(jìn)行拓展。以[C4dabco][BF4](用量80%)催化醛類(2-硝基苯甲醛、3-硝基苯甲醛、4-硝基苯甲醛、4-氯苯甲醛、苯甲醛)和丙烯酸甲酯的Baylis-Hillman反應(yīng)，結(jié)果如表3所示。

表3不同醛類底物對Baylis-Hillman反應(yīng)的影響

Tab.3 Effect of different aldehyde substrates on Baylis-Hillman reaction

注：所有反應(yīng)均在室溫下進(jìn)行；芳香醛用量為20 mmol,丙烯酸甲酯用量為40 mmol，溶劑為1 mL水。

從表3可以看出，當(dāng)?shù)孜餅橄趸郊兹r(shí)，反應(yīng)時(shí)間為7.0～7.5 h左右，收率在88.2%～89.1%，硝基取代基位置改變，反應(yīng)收率相差不大。以4-氯苯甲醛或苯甲醛為反應(yīng)底物時(shí)，催化劑也表現(xiàn)出較為理想的催化效果(entry4、5)，但反應(yīng)收率較硝基苯甲醛的低。表明，帶有吸電子基團(tuán)的芳香醛類作反應(yīng)底物時(shí)，催化效果要高于不帶基團(tuán)或給電子基團(tuán)的芳香醛。

2.3 目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

3-羥基-2-烯-3-(4-硝基苯基)丙酸甲酯：淺黃色固體；1HNMR(400 MHz,CDCl3),δ:8.23(d,J=8.40 Hz,2H,Ar),7.59(d,J=8.32 Hz,2H,Ar)，6.42(s,1H)，5.88(s,1H)，5.65(d,J=5.56 Hz,1H,CHOH),3.77(s,3H,CH3)，3.26(brs，1H,OH)。

3-羥基-2-烯-3-(2-硝基苯基)丙酸甲酯：黃色液體；1HNMR(400 MHz,CDCl3),δ：8.21(d,J=8.40 Hz,1H,Ar),7.57(d,1H,J=8.36 Hz,Ar),7.26(s,1H,Ar),6.40(s,1H),5.86(s,1H)，5.63(d,J=6.04 Hz,1H,CHOH),3.75(s,3H,CH3),3.26(brs,1H,OH)。

3-羥基-2-烯-3-(3-硝基苯基)丙酸甲酯：黃色液體；1HNMR (400 MHz,CDCl3),δ：8.26(s,1H),8.15(d,J=7.68 Hz,1H),7.75(d,J=7.36 Hz,1H),7.53(t,J=7.86 Hz,1H),6.41(s,1H)，5.90(s,1H),5.63(s,1H),3.75(s,3H),3.25(brs,1H,OH)。

3-羥基-2-烯-3-(4-氯苯基)丙酸甲酯：白色針狀固體；1HNMR (400 MHz,CDCl3),δ：3.32(s,1H),3.72(s,3H),5.50(s,1H),5.85(s,1H),6.33(s,1H),7.30(s,4H)。

3-羥基-2-烯-3-苯基-丙酸甲酯，淺黃色油狀液體；1HNMR(400 MHz,CDCl3),δ：7.38～7.26(m,5H),6.34(s,1H),5.83(s,1H),5.57(s,1H),3.73(s,3H),3.15(s,1H)。

2.4 催化劑的循環(huán)使用

以[C4dabco][BF4]為例，考察DABCO類離子液體催化劑的循環(huán)使用情況。以4-硝基苯甲醛和丙烯酸甲酯為Baylis-Hillman反應(yīng)的底物，待反應(yīng)結(jié)束后，過濾出反應(yīng)產(chǎn)物，將殘余部分除去水后，再加入4-硝基苯甲醛、丙烯酸甲酯和1 mL水，繼續(xù)下一次反應(yīng)，結(jié)果如表4所示。

表4DABCO類離子液體的循環(huán)使用

Tab.4 Recycling of DABCO-based ionic liquid

注：所有反應(yīng)均在室溫下進(jìn)行；4-硝基苯甲醛用量20 mmol,丙烯酸甲酯用量為40 mmol，催化劑用量為100%，溶劑為1 mL水。

從表4可以看出，DABCO類離子液體在循環(huán)使用多次后，對反應(yīng)仍有較好的催化效果。簡單回收后連續(xù)重復(fù)使用6次，催化活性基本不變，反應(yīng)在6.0～6.5 h內(nèi)完成，收率在90.2%～88.4%。

3 結(jié)論

以三乙烯二胺、溴代烷烴和四氟硼酸鈉為原料合成了4種DABCO類離子液體，并將其用于催化芳香醛類與丙烯酸酯類的Baylis-Hillman反應(yīng)，考察了反應(yīng)溶劑、催化劑的烷基鏈鏈長、催化劑用量對反應(yīng)速率及收率的影響，并對DABCO類離子液體進(jìn)行回收利用實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，[C4dabco][BF4]的催化效果要優(yōu)于另外3種離子液體；催化劑在水中的催化效果要優(yōu)于在有機(jī)溶劑中的，在[C4dabco][BF4]用量為100%、以1 mL水為溶劑的條件下， Baylis-Hillman反應(yīng)收率高達(dá)90.2%。與DABCO單獨(dú)作催化劑相比，DABCO類離子液體參與的催化反應(yīng)可以取代有機(jī)溶劑，在水中就可以達(dá)到理想的收率，且反應(yīng)時(shí)間大大縮短。離子液體經(jīng)簡單的回收后仍可以循環(huán)使用6次，且催化活性基本不變，收率在90.2%～88.4%之間，反應(yīng)時(shí)間隨催化劑的循環(huán)使用次數(shù)增多沒有發(fā)生太大的改變。DABCO類離子液體作為催化劑能夠循環(huán)使用，并且可以以水為溶劑，符合綠色化學(xué)的發(fā)展方向。