苯并噻唑離子液體的合成及其在間氯苯甲醛乙二醇縮醛反應(yīng)中的應(yīng)用

梁秋月 王 楠 戎有明 馬全紅 周建成， 李乃旭，*

(1. 東南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 211189； 2. 中微納米功能材料研究院有限公司，江蘇 南京 210044)

縮醛是一類(lèi)重要的有機(jī)化合物，除了用作有機(jī)溶劑，還因其特殊的化學(xué)穩(wěn)定性常常被用作羰基保護(hù)劑，用于如糖類(lèi)、脂類(lèi)、甾類(lèi)化合物以及復(fù)雜的天然產(chǎn)物全合成等過(guò)程[1]。此外，縮醛類(lèi)化合物還是一類(lèi)非常重要的有機(jī)化工原料，廣泛用于香料、醫(yī)藥、食品加工、煙草、涂料和化妝品等化工生產(chǎn)領(lǐng)域[2]。

以間氯苯甲醛和乙二醇為原料通過(guò)縮醛反應(yīng)得到的乙二醇縮間氯苯甲醛是一類(lèi)重要的化工中間體，可以與金屬鹽化合物反應(yīng)生成多種重要化工原料。例如，與甲醇鈉反應(yīng)生成的乙二醇縮間甲氧基苯甲醛是合成新型抗心血管類(lèi)藥物鹽酸可樂(lè)定關(guān)鍵性中間體甲氧基苯甲醇的原料[3]；與苯酚鈉反應(yīng)得到的間苯氧基苯甲醛是合成新型環(huán)保農(nóng)藥擬除蟲(chóng)菊酯的重要中間體[4]。因此，提高乙二醇縮間氯苯甲醛的收率對(duì)下游眾多化工中間體的合成具有極大意義。

縮醛反應(yīng)是典型的酸催化反應(yīng)，在Br?nsted酸和Lewis酸的酸位點(diǎn)上均能夠進(jìn)行。目前工業(yè)上常見(jiàn)的催化劑多為均相催化劑，包括硫酸、鹽酸、對(duì)甲苯磺酸等[5-8]。雖然傳統(tǒng)均相催化劑價(jià)格低廉，使用方便。但是該類(lèi)催化劑腐蝕性很強(qiáng)，且很難回收再利用，在后處理過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生廢水，對(duì)環(huán)境造成污染。目前，間氯苯甲醛乙二醇縮醛較為成熟的生產(chǎn)工藝采用的多為硫酸、對(duì)甲苯磺酸等均相催化劑。雖然催化劑成本低廉、催化效果好，但不可避免地需要在反應(yīng)結(jié)束后中和催化劑，增加了生產(chǎn)工序和三廢[9]。因此，成本低、條件溫和、適用范圍廣泛的簡(jiǎn)單催化體系成為縮醛反應(yīng)的研究重點(diǎn)。目前已經(jīng)報(bào)道的催化劑有固體超強(qiáng)酸[10]、分子篩[11]、蒙脫土[12]、離子交換樹(shù)脂[13]等，均取得了一定效果。

離子液體是一種新型環(huán)境友好的液體酸催化劑，同時(shí)擁有液體酸的高活性和固體酸不揮發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。此外，離子液體具有高度的結(jié)構(gòu)可調(diào)性、熱穩(wěn)定性高以及可在反應(yīng)后和產(chǎn)物自動(dòng)分離等優(yōu)勢(shì)，因此在電化學(xué)、催化劑、有機(jī)合成、材料等領(lǐng)域得到重點(diǎn)的關(guān)注和研究[14-17]。傳統(tǒng)的咪唑基[18]、吡啶基類(lèi)離子液體雖然催化效果好，但存在著催化劑用量大、價(jià)格昂貴、有毒等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)制約了離子液體催化劑在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[19]。苯并噻唑與咪唑、吡啶結(jié)構(gòu)相似，但其成本低廉，具有開(kāi)發(fā)意義。

本文以苯并噻唑與硫酸為原料制備離子液體催化劑，并將其應(yīng)用于縮醛反應(yīng)。通過(guò)一系列單因素實(shí)驗(yàn)考查其在間氯苯甲醛與過(guò)量的乙二醇反應(yīng)合成乙二醇縮間氯苯甲醛的催化效果，確定反應(yīng)的最佳操作條件，并驗(yàn)證離子液體的重復(fù)使用性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

試劑：甲苯、硫酸，南京試劑公司；乙二醇，上海凌峰化學(xué)試劑公司;苯并噻唑、間氯苯甲醛,化學(xué)純，中國(guó)國(guó)藥集團(tuán)。

儀器：FTIR360，美國(guó)Nicolet公司；AVANE400NMR(600 MHz)核磁共振儀，瑞士Brucker公司；AGILENT6820GC型氣相色譜儀，美國(guó)Agilent公司；DTG-60AH型熱重分析儀，日本Shimadzu公司。

1.2 苯并噻唑離子液體的制備

苯并噻唑離子液體[HBth]-HSO4的制備反應(yīng)如圖1所示。

圖1 苯并噻唑離子液體的合成

具體操作步驟為：在帶有機(jī)械攪拌的250 mL三口燒瓶中加入13.5 g(0.10 mol)苯并噻唑和50 mL無(wú)水乙醇,將三口燒瓶置于冰水浴中，冷卻至0～5 ℃，在劇烈攪拌下于30 min內(nèi)緩慢滴加11.0 g(0.11 mol)濃硫酸，滴畢，室溫下攪拌3 h。減壓蒸餾除去溶劑，殘余物用乙酸乙酯洗滌三次,并用無(wú)水乙醇重結(jié)晶，冷卻到0 ℃,用布氏漏斗過(guò)濾，濾餅真空干燥一定時(shí)間后即得離子液體苯并噻唑硫酸氫鹽([HBth]-HSO4)，產(chǎn)品為白色針狀晶體，產(chǎn)率91%。1H NMR (600 MHz, DMSO-d6)δ：9.43 (s, 1H), 8.24～8.14 (m, 1H), 8.09 (ddd,J=8.1, 1.3, 0.6 Hz, 1H), 7.55(ddd,J=8.3, 7.2, 1.3 Hz, 1H), 7.49 (ddd,J=7.8, 7.2, 1.2 Hz, 1H)。

1.3 間氯苯甲醛乙二醇縮醛的合成

以間氯苯甲醛和乙二醇為原料得到乙二醇縮間氯苯甲醛，方程式如圖2所示。

圖2 縮醛反應(yīng)方程式

反應(yīng)具體流程如下：在裝有分水器、溫度計(jì)和回流冷凝器的100 mL三口燒瓶中按比例加入間氯苯甲醛、乙二醇、酸性離子液體催化劑及帶水劑甲苯，加熱攪拌，使反應(yīng)體系保持回流，不再有水生成時(shí)結(jié)束反應(yīng)。此時(shí)離子液體與反應(yīng)體系分層，待溫度降至50 ℃ 以下，分出上層液體，用氫氧化鈉溶液、半飽和食鹽水依次水洗、常壓蒸餾、得到具有果香味的無(wú)色透明液體，即為產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子液體催化劑的表征

2.1.1 離子液體的FT-IR圖譜表征

[HBth]-HSO4離子液體催化劑的FT-IR譜圖如圖3(a)所示。1 055 cm-1處為C-N伸縮振動(dòng)吸收峰，592 cm-1的吸收峰代表C-S的伸縮振動(dòng)。而1 430 和1 222 cm-1分別為O=S=O的非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，3 500 cm-1附近的寬峰則是O-H的伸縮振動(dòng)峰。這些特征峰說(shuō)明了[HBth]-HSO4離子液體催化劑的成功制備。

圖3 (a)[HBth]-HSO4的FT-IR譜圖，(b)[HBth]-HSO4的實(shí)物圖

2.1.2 催化劑酸性

縮醛反應(yīng)作為酸催化的可逆反應(yīng)，其反應(yīng)進(jìn)行的程度與催化劑酸性的強(qiáng)弱有直接關(guān)系。將離子液體與硫酸兩種催化劑配制成不同濃度的水溶液，通過(guò)pH計(jì)進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如表1所示。

從表1可知，隨著濃度的增加，體系的pH值隨之減小。與濃硫酸相比，[HBth]-HSO4的pH值略高，但整體上較為接近。

表1 離子液體的pH值

2.1.3 離子液體的溶解性分析

分別以甲醇、乙醇、乙醚、甲苯、氯仿、正己烷、丙酮及水為溶劑，考察離子液體的溶解性。溶解度標(biāo)準(zhǔn)參照《中國(guó)藥典》，并以易溶、溶解、略溶、微溶、幾乎不溶或不溶來(lái)描述其溶解性[20]。離子液體的溶解性分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 離子液體的溶解性

由表2可知，離子液體催化劑在非極性溶劑中溶解性較差，而在極性較大的溶劑中溶解性較好。與濃硫酸相比，[HBth]-HSO4與縮醛不相溶，因此在反應(yīng)結(jié)束后，能夠與產(chǎn)物自動(dòng)分離，通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾就能夠回收催化劑。在生產(chǎn)中能夠簡(jiǎn)化產(chǎn)物后處理這個(gè)步驟，提高生產(chǎn)效率。

2.1.4 熱重分析

通過(guò)DTG-60AH型熱重分析儀測(cè)試[HBth]-HSO4離子液體的熱穩(wěn)定性，在氮?dú)夥諊?0 ℃/min的升溫速率從30 ℃升溫至600 ℃進(jìn)行測(cè)試，TG及DTG結(jié)果如圖4所示。

離子液體的分解溫度主要取決于其陰、陽(yáng)離子之間的作用力及其本身含水量,作用力越大含水量越小,離子液體越穩(wěn)定。如在失重過(guò)程中沒(méi)有原料及其它雜質(zhì)峰出現(xiàn)，則說(shuō)明制備的離子液體幾乎不揮發(fā)，同時(shí)純度較高。

由圖4可知，[HBth]-HSO4離子液體在180 ℃之前基本沒(méi)有損失，說(shuō)明在該溫度下催化劑非常穩(wěn)定。在250～400 ℃出現(xiàn)明顯質(zhì)量損失(質(zhì)量損失率為62%)，說(shuō)明樣品開(kāi)始分解，且在320 ℃左右達(dá)到最大分解速率，這可能是由于苯并噻唑環(huán)和陰離子的結(jié)構(gòu)遭到破壞。

圖4 離子液體催化劑的TGA曲線

縮醛反應(yīng)在110 ℃左右條件下進(jìn)行,故合成的催化劑能夠在反應(yīng)體系中穩(wěn)定存在,并發(fā)揮催化作用,同時(shí)為反應(yīng)提供一個(gè)較大的可操作溫度范圍。

2.2 離子液體催化劑在縮醛反應(yīng)中的應(yīng)用

2.2.1 催化劑用量的影響

在間氯苯甲醛用量0.1 mol、乙二醇用量 0.15 mol、帶水劑甲苯用量0.2 mol和回流反應(yīng)時(shí)間3 h的條件下，考察[HBth]-HSO4催化劑用量對(duì)縮醛反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 催化劑用量對(duì)收率的影響

從圖5可以看出，催化劑用量對(duì)產(chǎn)物收率影響較大。在催化劑用量較低時(shí)，收率隨著催化劑用量的增加而提高，這主要是由于催化劑用量增加能提供更多活性中心。當(dāng)催化劑用量為間氯苯甲醛物質(zhì)的量的2%時(shí)，收率達(dá)到最高(97.7%)。但隨著催化劑用量的進(jìn)一步增加，產(chǎn)物的收率卻呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這可能是由于縮醛反應(yīng)為可逆反應(yīng)，催化劑用量增加，促進(jìn)主反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)也促進(jìn)了逆反應(yīng)的發(fā)生[21]。因此該反應(yīng)較適宜的[HBth]-HSO4催化劑用量為間氯苯甲醛的2%。

2.2.2 原料配比的影響

在間氯苯甲醛用量0.1 mol，[HBth]-HSO4離子液體催化劑用量為間氯苯甲醛的物質(zhì)的量的2%，帶水劑甲苯用量0.2 mol和回流反應(yīng)時(shí)間3 h的條件下，考察原料配比對(duì)縮醛反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 原料配比對(duì)收率的影響

當(dāng)乙二醇用量較小時(shí)，收率隨著乙二醇用量增大而提高。這是因?yàn)榭s醛反應(yīng)是可逆反應(yīng)，增加乙二醇用量有利于反應(yīng)向正方向進(jìn)行。當(dāng)乙二醇用量為間氯苯甲醛用量的1.4倍時(shí)，收率達(dá)到最高(97.6%)，繼續(xù)增大乙二醇用量，收率增加不明顯，還可能加劇乙二醇分子間脫水的副反應(yīng)，同時(shí)乙二醇的過(guò)量投入，勢(shì)必造成資源浪費(fèi)和成本的增加，因此，乙二醇和間氯苯甲醛較適宜的摩爾比為1.4∶1。

2.2.3 帶水劑用量的影響

甲苯作為帶水劑具有沸點(diǎn)較高、在水中溶解度較小等優(yōu)勢(shì)。在間氯苯甲醛用量0.1 mol、乙二醇用量0.14 mol、[HBth]-HSO4離子液體催化劑用量為間氯苯甲醛物質(zhì)的量的2%和回流反應(yīng)時(shí)間3 h的條件下，考察帶水劑甲苯用量對(duì)間氯苯甲醛與乙二醇縮醛化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，隨著甲苯用量的增加，收率也相應(yīng)提高。當(dāng)帶水劑用量為間氯苯甲醛用量的2倍時(shí)，收率達(dá)到96.5%，但隨著帶水劑用量的繼續(xù)增加，收率略降。這可能是由于帶水劑增加導(dǎo)致催化劑及反應(yīng)原料在體系中的含量降低，原料分子之間的碰撞減少，發(fā)生反應(yīng)的幾率減小，收率降低，因此帶水劑甲苯適宜的用量為0.2 mol。

圖7 甲苯用量對(duì)收率的影響

2.2.4 反應(yīng)時(shí)間

縮醛反應(yīng)在反應(yīng)過(guò)程中不斷生成水，通過(guò)帶水劑將水從體系中分離，因此分水速度決定了反應(yīng)時(shí)間。在間氯苯甲醛用量0.1 mol、乙二醇用量 0.14 mol、催化劑用量為間氯苯甲醛物質(zhì)的量的2%和帶水劑甲苯用量0.2 mol的條件下，考察回流反應(yīng)時(shí)間對(duì)縮醛反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響

從圖8可以看出，隨著回流反應(yīng)時(shí)間的增加，產(chǎn)物收率明顯提高。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到2 h，收率就已經(jīng)超過(guò)90%。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過(guò)3 h，收率達(dá)到97%。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，收率變化不大，因此適宜的反應(yīng)時(shí)間為3 h。

2.2.5 催化劑重復(fù)使用性能

離子液體較傳統(tǒng)催化劑的顯著優(yōu)點(diǎn)是可以循環(huán)使用。由于溶解性的原因，在反應(yīng)結(jié)束后離子液體與產(chǎn)物自動(dòng)分層,通過(guò)簡(jiǎn)單的操作即可實(shí)現(xiàn)催化劑的回收再利用。在間氯苯甲醛用量0.1 mol、乙二醇用量 0.14 mol、催化劑用量為間氯苯甲醛物質(zhì)的量的2%、帶水劑甲苯用量0.2 mol、反應(yīng)時(shí)間3 h的條件下,考察離子液體的重復(fù)使用性能,結(jié)果如圖9所示。

圖9 催化劑的重復(fù)使用性能

從圖9可以看出,通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾回收的催化劑仍具備較好的反應(yīng)活性。隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，間氯苯甲醛與乙二醇反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率只是略有下降。但整體上看,在循環(huán)五次后仍然能夠保持較高的催化性能(收率大于95%)，說(shuō)明該催化劑能夠在一定程度上進(jìn)行循環(huán)使用，具有良好的工業(yè)化潛力。

2.3 反應(yīng)機(jī)理分析

乙二醇和間氯苯甲醛的反應(yīng)機(jī)理可能為：[HBth]-HSO4的酸性位點(diǎn)活化間氯苯甲醛上的羰基，隨后乙二醇上的羥基進(jìn)攻間氯苯甲醛上的羰基碳得到中間體，緊接著乙二醇上另一個(gè)羥基繼續(xù)進(jìn)攻該羰基碳并脫水生成間氯苯甲醛乙二醇縮醛，具體過(guò)程如圖10所示[22]。

圖10 縮醛化反應(yīng)機(jī)理

3 結(jié)論

苯并噻唑與硫酸通過(guò)簡(jiǎn)單反應(yīng)制備了酸性離子液體催化劑[HBth]-HSO4。TGA結(jié)果表明，[HBth]-HSO4催化劑具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在200 ℃ 下能夠穩(wěn)定存在。該催化劑在乙二醇縮間氯苯甲醛的合成中表現(xiàn)出良好的催化活性。優(yōu)化后的最佳反應(yīng)條件為：[HBth]-HSO4用量為間氯苯甲醛的物質(zhì)的量的2%，醇醛比1.4∶1，帶水劑甲苯的物質(zhì)的量為醛的2倍，反應(yīng)時(shí)間3 h，該條件下產(chǎn)物收率達(dá)97.7%。

此外，該催化劑在反應(yīng)后通過(guò)簡(jiǎn)單過(guò)濾即可實(shí)現(xiàn)分離，無(wú)需進(jìn)一步處理，并且回收得到的催化劑可重復(fù)使用多次。[HBth]-HSO4催化劑具有原料成本低、制備過(guò)程簡(jiǎn)單、催化活性高、后處理簡(jiǎn)便、可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色化學(xué)的發(fā)展目標(biāo)，具有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。