离子液体在有机合成中的应用摘要:室温下的离子液体作为一种绿色、环保、可替代传统有机溶剂的新型溶剂受到了极大关注。

总结了近年来离子液体在有机合成反应中的研究新进展, 包括氧化反应、还原反应、Fr iedel Crafts 应、Diels Alder 反应、H eck 反应、硝化反应及其它合成反应。

关键词:绿色化学; 离子液体; 有机合成引言：离子液体离子液体由带正电的离子和带负电的离子构成,在- 100~ 200 之间均呈液体状态。

与典型的有机溶剂相比, 离子液体具有无味、无恶臭、无污染、不易燃、易与产物分离、使用方便、易回收、可多次循环使用等优点, 此外还具有优良的可设计性, 可以通过分子设计获得具有特殊功能的离子液体。

因此, 离子液体是传统挥发性溶剂的理想替代品, 能有效地避免使用传统有机溶剂所造成的环境、健康、安全以及设备腐蚀等问题, 是名副其实的、环境友好的绿色溶剂, 适合于清洁技术和可持续发展的要求, 已经被人们广泛认可和接受。

1 含有手性阳离子的手性离子液体1.1 咪唑盐类CIL利用手性试剂作为反应底物立体选择性地合成手性产物的不对称诱导反应已被很多研究者关注. 早在1975 年, Seebach 和Oei[1]首次将手性的氨基醚作为反应介质, 应用于酮的电化学还原反应中, 尽管产量很低,但是该方法促进了手性溶剂的进一步发展和研究.近些年来, 由于天然氨基酸易得、种类多等优点,它作为手性源并将手性中心引入到阳离子来合成CIL 已经引起了人们广泛的兴趣. 该方法可以克服手性试剂价格昂贵、难以合成等缺点, 而且合成出的离子液体种类比较多. 2003 年, Bao 等[2]首次报道了用天然手性氨基酸合成带有侧链的咪唑类手性离子液体(Scheme 1). 首先是利用氨基酸1 与醛反应生成咪唑环后酯化得到酯2,接着用四氢铝锂还原酯得到咪唑类的醇3, 3 与溴乙烷发生烷基化反应得到咪唑类手性离子液体4, 总产率为30%～33%. 这些手性离子液体的熔点为5～16 ℃, 它们可作为溶剂应用于不对称反应中.Luo 等[3]利用L-脯氨酸为原料合成了含四氢吡咯的咪唑类手性离子液体(Scheme 2). 首先用LiAlH4 还原L-脯氨酸5, 然后用叔丁氧羰基保护氮得到相应的脯氨醇6, 6 在甲苯磺酰氯作用下引入一个咪唑环得到7, 7 依次与溴丁烷进行烷基化反应、与NaX 进行阴离子交换得到含有叔丁氧羰基的咪唑盐离子液体8, 8 通过脱保护基得到四氢吡咯取代的咪唑类手性离子液体9. 其中阴离子Br－和BF4−咪唑类CIL 产率较高, 且具有很高的非对映异构选择性(syn∶anti＝99∶1)和对映选择性(98%ee). 利用天然手性氨基化合物作为起始物合成咪唑类手性离子液体还见很多报道[4～9].2008 年, Siyutkin 研究小组[10]报道了合成(S)-脯氨酸修饰的含四氢吡咯的咪唑类手性离子液体(Scheme 3).合成分为四步: 首先以(2S,4S)-N-Cbz-4-羟脯氨酸苯甲酯10 为原料, 与溴戊酸发生酯化反应生成相应的酯11; 然后11 与十二烷基咪唑反应生成12; 12 脱去保护基团得到13; 13 分别与四氟硼酸根和六氟硼酸根发生阴离子交换分别得到亲水和疏水性的手性离子液体14a 和14b.这两种具有不同水溶性的CIL 可作为催化剂, 应用于对硝基苯甲醛与环己酮的不对称羟醛缩合反应, 其中带有疏水性六氟硼酸根阴离子的手性离子液体14b的PF6−盐有着很高的转化率和选择性, 而且循环使用五次其催化活性和选择性不受影响.2008 年, Zhang 等[11]报道了合成一种手性中心位于四氢吡咯环上的咪唑类功能化CIL (Scheme 4). 该合成反应分为三步: 第一步, 氯代丙磺酰氯(15)与(S)-2-氨基-1-N-叔丁氧羰基吡咯烷(16)反应生成17; 第二步, 在CH3CN 溶液中17 与碘化钠先发生碘化反应后再与1-甲基咪唑发生烷基化反应得到手性离子液体18, 产率为86%; 第三步, 18 脱去保护基BOC 再与NTf2−发生阴离子交换得到目标手性离子液体19, 产率为66%. 用类似方法以(S)-2-氨基-1-N-叔丁氧羰基吡咯烷(16)与氯代丙磺酰氯(20)为原料可合成手性离子液体23, 产率为66%.19 和23 在室温下均为粘性液体, 19 可溶于一般溶剂中,但不溶于乙醚和己烷; 23 溶于极性溶剂中. 在不同溶剂中, 19 和23 可催化剂异丁醛与反-β-硝基苯乙烯的不对称Michael 加成反应, 产率高达99%, ee 高达85%, syn∶anti 高达97∶3. 这两种CIL 循环使用5 次对映选择性不发生改变.Scheme 42009 年, 该研究小组[12]又报道了合成离子液体固载的(S)-四氢吡咯磺胺咪唑类手性离子液体(Scheme 5).首先在三甲基胺和二氯甲烷里(S)-2-氨基-1-N-叔丁氧羰基(24)与N-甲基-2-咪唑磺酰氯(24)反应生成26, 在乙酸乙酯溶剂中26 与Me3OBF4 反应生成手性离子液体27,27 脱保护基BOC 得到目标手性离子液体28, 产率为82%. 目标手性离子液体28 可以催化环己酮与反-β-硝2 离子液体的合成离子液体种类繁多，改变阳离子和阴离子的不同组合，可以设计合成出不同的离子液体。

一般阳离子为有机成分，并根据阳离子的不同来分类。

离子液体中常见的阳离子类型有烷基铵阳离子、烷基铃阳离子、Ⅳ烷基吡啶阳离子和Ⅳ，Ⅳ’一二烷基咪唑阳离子等(如图1)，其中最常见的为Ⅳ，Ⅳ’一二烷基咪唑阳离子。

离子液体合成大体上有2种基本方法：直接合成法和两步合成法。

2．1 直接合成法就是通过酸碱中和反应或季铵化反应一步合成离子液体，操作经济简便，没有副产物，产品易纯化。

例如硝基乙胺离子液体就是由乙胺的水溶液与硝酸中和反应制备。

具体制备过程是：中和反应后真空除去多余的水，为了确保离子液体的纯净，再将其溶解在乙腈或四氢呋喃等有机溶剂中，用活性炭处理，最后真空除去有机溶剂得到产物离子液体。

最近，Hirao等用此法合成了一系列不同阳离子的四氟硼酸盐离子液体。

另外通过季铵化反应也可以一步制备出多种离子液体，如1一丁基一3一甲基咪唑镐盐[bmim][CF，SO，]、[bmim]CI等。

2．2 两步合成法如果直接法难以得到目标离子液体，就必须使用两步合成法。

首先通过季铵化反应制备出含目标阳离子的卤盐([阳离子]x型离子液体)；然后用目标阴离子Y一置换出x一离子或加人Lewis酸MX 来得到目标离子液体。

在第二步反应中，使用金属盐MY(常用的是AgY或NH Y)时，产生Ag)(沉淀或NH，、HX气体而容易除去；加人强质子酸HY，反应要求在低温搅拌条件下进行，然后多次水洗至中性，用有机溶剂提取离子液体，最后真空除去有机溶剂得到纯净的离子液体。

应特别注意的是：在用目标阴离子(Y一)交换x一阴离子的过程中，必须尽可能地使反应进行完全，确保没有x一阴离子留在目标离子液体中，因为离子液体的纯度对于其应用和物理化学特性的表征至关重要。

高纯度二元离子液体的合成通常是在离子交换器中利用离子交换树脂通过阴离子交换来制备。

另外直接将Lewis酸(MXr)与卤盐结合，可制备[阳子][M x +。

]型离子液体，如氯铝酸盐离子液体的制备就是利用这个方法。

3 离子液体的物理化学特性离子液体的物理化学特性如熔点、黏度、密度、亲水性和热稳定性等，可以通过选择合适的阳离子和阴离子调配，在很宽的范围内加以调变。

尤其是对水的相容性调变，对用作反应介质分离产物和催化剂极为有利。

下面拟用一些性能数据说明离子液体的结构面貌和其物化性能间的关系。

3．1 熔点熔点是作为离子液体的关键判据性质之一。

离子液体要求熔点低，在室温为液体。

由不同氯化物的熔点可知，阳离子的结构特征对其熔点造成明显的影响。

阳离子结构的对称性越低，离子间相互作用越弱，阳离子电荷分布均匀，则其熔点越低，阴离子体积增大，也会促进熔点降低。

一般来说，低熔点离子液体的阳离子具备下述特征：低对称性、弱的分子间作用力和阳离子电荷的均匀分布。

3．2 溶解性离子液体能够溶解有机物、无机物和聚合物等不同物质，是很多化学反应的良溶剂。

成功地使用离子液体，需要系统地研究其溶解特性。

离子液体的溶解性与其阳离子和阴离子的特性密切相关。

阳离子对离子液体溶解性的影响可由正辛烯在含相同甲苯磺酸根阴离子季铵盐离子液体中的溶解性看出，随着离子液体的季铵阳离子侧链变大，即非极性特征增加，正辛烯的溶解性随之变大。

由此可见，改变离子的烷基可以调整离子液体的溶解性。

阴离子对离子液体溶解性的影响可由水在含不同[bmim] 阳离子的离子液体中的溶解性来证实，[bmim][cF sO ]、[bmim][CF CO ]和[bmim][C F，CO ]与水是充分混溶的，而[bmim]PF [bmim][(cF s0 ) N]与水则形成两相混合物。

在20℃时，饱和水在[bmim][(cF sO )：N]中的含量仅为1．4％，这种离子液体与水相溶性的差距可用于液一液提取的分离技术。

大多数离子液体的介电常数超过一特征极限值时，其与有机溶剂是完全混溶的。

3．3 热稳定性离子液体的热稳定性分别受杂原子一碳原子之间作用力和杂原子一氢键之间作用力的限制，因此与组成的阳离子和阴离子的结构和性质密切相关。

例如在氧化铝上测定的多种咪唑盐离子液体的起始热分解温度大多在400℃左右，同时也与阴阳离子的组成有很大关系。

当阴离子相同时，咪唑盐阳离子2位上被烷基取代时，离子液体的起始热分解温度明显提高；而3位氮上的取代基为线型烷基时较稳定(图2)。

相应的阴离子部分稳定性顺序为：PF6>Beti>Im BF >Me—AsF ≥I、Br、Cl。

同时，离子液体的水含量也对其热稳定性略有影响。

3．4 密度离子液体的密度与阴离子和阳离子有很大关系。

比较含不同取代基咪唑阳离子的氯铝酸盐密度发现，密度与咪唑阳离子上N一烷基链长度呈线性关系，随着有机阳离子变大，离子液体的密度变小。

这样可以通过阳离子结构的轻微调整来调节离子液体的密度。

阴离子对密度的影响更加明显，通常是阴离子越大，离子液体的密度也越大。

因此设计不同密度的离子液体，首先选择相应的阴离子来确定大致范围，然后认真选择阳离子对密度进行微调。

3．5 酸碱性离子液体的酸碱性实际上由阴离子的本质决定。

将Lewis酸如A1C1 加入到离子液体[bmim]C1中，当A1C1 的摩尔分数 (A1C1 )<0．5时，离子液体呈碱性；当 (A1C1 )=0．5时，为中性，阴离子仅为A1C1 一；当(A1C1 )>0．5时，随着A1C1 的增加会有Al Cl 一和Al Cl。