來婧娟,劉永文,鄭保忠
(1.山西大同大學(xué)綜合分析與測試中心,山西大同 037009;2.云南大學(xué)材料科學(xué)與工程系,云南昆明 650091)
離子液體由于其低揮發(fā)性,已成為近年來綠色化學(xué)的新興研究領(lǐng)域之一[1],特別是離子液體可通過結(jié)構(gòu)修飾、調(diào)節(jié)陰陽離子等方式改變其極性,因此又被稱為“可設(shè)計(jì)的溶劑”[2]。最近,法國科學(xué)家Bazurea J.P.提出了以功能化離子液體為可溶性載體的新型液相組合的有機(jī)合成新方法,即“離子液體相有機(jī)合成”(ionic liquid phase organic synthesis,IoLiPOS)方法[3-4]。該方法由于采用功能化的離子液體作為載體,憑借離子液體本身分子量極小的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)極高的上載率;而且離子液體的特殊溶解性能使反應(yīng)過程中及反應(yīng)后處理兼具液相、固相合成的優(yōu)點(diǎn),因此是一類適用反應(yīng)范圍寬、分離純化簡便、結(jié)構(gòu)檢測容易,同時(shí)可回收重復(fù)使用的新型組合合成方法[5]。目前已有采用功能化離子液體作為可溶性載體成功合成多肽、蛋白質(zhì)、寡聚糖、寡聚肽[6-11]等天然聚合物的報(bào)道。
鑒于離子液體作為載體的以上優(yōu)點(diǎn),根據(jù)不同需要設(shè)計(jì)滿足專一性要求的功能化離子液體載體的合成變得很重要。目前功能化離子液體載體均存在結(jié)構(gòu)單一的缺點(diǎn),同時(shí)離子液體部分與反應(yīng)位點(diǎn)之間的連接基團(tuán)很短,導(dǎo)致反應(yīng)位點(diǎn)的反應(yīng)性質(zhì)和反應(yīng)種類受到離子液體部分的電荷影響大。為研究這樣一種影響,同時(shí)開發(fā)適用范圍更廣的功能化離子液體載體,基于羥基、鹵代功能基在有機(jī)合成反應(yīng)中的重要應(yīng)用價(jià)值,本文開展了帶有羥基、鹵基的長碳鏈新型功能化離子液體載體的合成研究。研究發(fā)現(xiàn)1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽或1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯鹽在室溫下呈液態(tài)且對于空氣和水穩(wěn)定,是非常好的離子液體載體,本文報(bào)道其合成及表征方法。
實(shí)驗(yàn)儀器采用通常的恒溫加熱磁力攪拌器和美國CEM微波化學(xué)反應(yīng)合成儀。分析儀器采用美國Thermo Nicolet TF-IR AVATAR 360紅外光譜儀,瑞士BRUKER AV-DRX500核磁共振儀。
N-甲基咪唑 (99%),Alfa Aesar A Johnson Matthey Company;吡啶(分析純),6-氯-1-己醇(分析純),2-氯乙醇(化學(xué)純),中國醫(yī)藥集團(tuán)上?;瘜W(xué)試劑公司;氯化亞砜 (分析純),天津市永大化學(xué)試劑開發(fā)中心;其他試劑及溶劑均為國產(chǎn)的分析純或化學(xué)純市售品。
1.2.1 含羥基的功能化離子液體中間體的制備
1.2.1.1 常規(guī)方法
在一個(gè)裝有回流冷凝管、溫度計(jì)的100 mL三口燒瓶中分別加入N-甲基咪唑1(或吡啶3)和氯取代醇,在N2保護(hù)下,攪拌回流反應(yīng)24 h。冷卻后,依次用乙醚(5 mL×3)和乙腈(5 mL×3)洗滌,除出上層乙醚或乙腈洗液后,不溶物在真空干燥箱中(25℃)干燥24 h,經(jīng)純化后得含羥基的功能化離子液體中間體 1-(2-羥乙基)-3-甲基咪唑氯鹽 1、1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽 2、1-(2-羥乙基) 吡啶氯鹽3和1-(6-羥己基)吡啶氯鹽4。
1-(2-羥乙基)-3-甲基咪唑氯鹽 1:產(chǎn)率 88%,1H NMR(D2O,500 MHz)δH:3.91(s,3H,CH3N),3.89~ 3.92(m,2H,CH2OH),4.32(t,2H,J = 4.95 Hz,CH2N),7.49(s,1H,H-4 或 H-5),7.55(s,1H,H-4或 H-5),8.80(s,1H,H-2);IR(KBr) ν:1 168.0,1 339.7,1 427.9,1 451.8,1 572.8,1 641.4,2 884.5,2 959.6,3 387.7 cm-1。
1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽 2:產(chǎn)率 87% ,1H NMR(D2O,500 MHz)δH:1.25~1.33(m,4H,2CH2),1.43~1.48(m,2H,H-5’),1.78~1.84(m,2H,H-2’),3.50(t,2H,J = 6.55 Hz,CH2OH),3.84(s,3H,CH3N),4.14(t,2H,J = 7.1Hz,CH2N),7.39(s,1H,Ar,H-4 或 H-5),7.44(s,1H,H-4 或 H-5),8.69(s,1H,H-2);IR(KBr)ν:623.5,758.3,1 169.6,1 337.8,1 430.4,1 462.1,1 572.2,1 641.1,2 862.1,2 937.7,3 270.7 cm-1。
1-(2-羥乙基)吡啶氯鹽 3:產(chǎn)率 83%,1H NMR(D2O,500 MHz)δH:3.99(s,2H,CH2OH),4.00(s,2H,CH2N),8.01(s,2H,H-3,H-5),8.50(t,1H,J = 6.9,H-4),8.78(s,2H,H-2,H-6);IR(KBr)ν:684.3,778.0,1 075.7,1 175.4,1 489.3,1 635.0,2 877.6,2 944.2 cm-1。
1-(6-羥己基)吡啶氯鹽 4:產(chǎn)率 86%,1H NMR(D2O,500 MHz)δH:1.26(s,4H,2CH2),1.39(s,1H,H -5’),1.94(s,1H,H -2’),3.42(s,2H,CH2OH),4.57(s,2H,CH2N),8.03(s,2H,H-3,H-5),8.50(s,1H,H-4),8.86(s,2H,H-2,H-6);IR(KBr) ν:686.9,776.1,1 175.2,1 463.1,1 634.9,1 859.5,2 861.6,2 935.8,3 059.3,3 261.0 cm-1。1.2.1.2 微波加熱方法
在一個(gè)50 mL圓底燒瓶中分別加入N-甲基咪唑(或吡啶)和氯醇,將其置于微波反應(yīng)器(功率160 W)中,回流加熱10~15 min。冷卻后,依次用乙醚(5 mL×3)和乙腈(5 mL×3)洗滌,除去上層乙醚或乙腈洗液后,在25℃真空干燥箱中干燥24 h,經(jīng)純化得一系列含羥基的功能化離子液體載體中間體:1-(2-羥乙基)-3-甲基咪唑氯鹽 1,94%;1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽 2,93%;1-(2-羥乙基)吡啶氯鹽3,90%;1-(6-羥己基)吡啶氯鹽 4,91%。
1.2.2 含氯的功能化離子液體載體的制備
在一個(gè)裝有回流冷凝管、溫度計(jì)的100 mL三口燒瓶中加入制得的一定量含羥基的功能化離子液體中間體1-(2-羥乙基)-3-甲基咪唑氯鹽和過量的氯化亞砜,在60℃下反應(yīng)至無氣體生成時(shí),終止反應(yīng)。蒸發(fā)除去過量的氯化亞砜,25℃真空干燥后得到深黃色黏稠狀液體,經(jīng)純化得目標(biāo)產(chǎn)物1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯鹽5,產(chǎn)率91%。1H-NMR(D2O,500 MHz) δH:0.78~0.89(m,4H,2CH2),1.17~1.19(m,2H,H-5’),1.33~1.36(m,2H,H-2’),3.04(t,2H,J = 6.55 Hz,CH2OH),3.41(s,3H,CH3N),3.71(t,2H,J = 7.05 Hz,CH2N),7.02(s,1H,Ar,H-4 或 H-5),7.04(s,1H,H-4 或 H-5),8.37(s,1H,H-2);IR(KBr)ν:741.0,1 169.2,1 378.2,1 431.3,1 461.4,1 572.4,2 862.8,2 940.0 cm-1。
首先分別采用雜環(huán)化合物(N-甲基咪唑、吡啶)與氯醇為原料,合成了一系列不同碳鏈長度連接基團(tuán)的含羥基的功能化咪唑類離子液體載體 (圖1),即 1-(2-羥乙基)-3-甲基咪唑氯鹽 1 和 1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽2以及吡啶類離子液體載體(圖 2),1-(2-羥乙基) 吡啶氯鹽 3 和 1-(6-羥己基)吡啶氯鹽4。
圖1 含羥基的功能化咪唑類離子液體的合成
圖2 含羥基的功能化吡啶類離子液體的合成
研究發(fā)現(xiàn)所合成的4種含羥基的功能化離子液體在室溫下的狀態(tài)和其結(jié)構(gòu)類型及二取代基的對稱性有很大的關(guān)系。其中吡啶類的1-(2-羥乙基)吡啶氯鹽3與1-(6-羥己基)吡啶氯鹽4在室溫下均為白色晶體;咪唑類二取代基對稱性小的1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽2在室溫下為液態(tài),而對稱性高的1-(2-羥乙基)-3-甲基咪唑氯鹽1在室溫下呈淡黃色針狀晶體。通常情況下,離子液體,特別是吡啶類離子液體或陰離子為氯的離子液體很容易吸濕,在空氣下很不穩(wěn)定,所以文獻(xiàn)報(bào)道無法準(zhǔn)確測定熔點(diǎn),經(jīng)努力,對于熔點(diǎn)的測定也未能成功。最近,Carrera等報(bào)道了一個(gè)預(yù)測吡啶離子液體的熔點(diǎn)的方法[12],考慮到吡啶類離子液體熔點(diǎn)高,在室溫下為固態(tài),以及在水和空氣環(huán)境中的穩(wěn)定性不好[13],容易吸潮,不方便使用,所以后續(xù)的研究采用了對水和空氣穩(wěn)定性較好的咪唑類離子液體2作為含氯功能基的離子液體載體合成的前體,見圖3。
圖3 含氯的咪唑離子液體載體5的合成
微波輻射加熱技術(shù)能顯著提高有機(jī)合成反應(yīng)速率,特別是近年來發(fā)現(xiàn)對離子液體負(fù)載的合成反應(yīng)有顯著的促進(jìn)作用[14],它可以極大地提高反應(yīng)速率,產(chǎn)率和選擇性[15]。為此,在其他條件相同的情況下,我們分別考察了常規(guī)加熱和微波輻射條件下(功率為160 W)離子液體載體1,2和3,4的合成反應(yīng)條件。經(jīng)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在常規(guī)加熱條件下合成至少需要24 h,而采用微波加熱只需10~15 min,有效地提高了反應(yīng)速率,產(chǎn)率從常規(guī)條件下的83%~88%提高到90%~94%,見表1。
表1 含羥基功能化離子液體的常規(guī)和微波合成比較
在含羥基的功能化的離子液體中加入氯化亞砜,經(jīng)分子內(nèi)親核取代反應(yīng),實(shí)現(xiàn)羥基與氯功能基間的簡便轉(zhuǎn)換,可得到高產(chǎn)率純的含氯基的功能化離子液體載體目標(biāo)產(chǎn)物5,該反應(yīng)后處理非常簡單,僅通過常規(guī)的蒸發(fā)過程即可實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)得到的1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯鹽在室溫呈液態(tài),且對空氣和水穩(wěn)定,方便使用。
2.3.1 核磁譜圖分析
與含羥基功能基的離子液體載體2的1H NMR譜(圖4)相比較,含氯離子液體載體5(圖5)的峰形和峰強(qiáng)度基本一致;所不同的是,由于受到氯基的影響,所有的峰位置都整體向高場偏移。
圖4 1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽2的核磁共振譜圖
圖5 1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯鹽5的核磁共振譜圖
2.3.2 紅外譜圖分析
圖6是含羥基功能基的離子液體載體1的紅外譜圖,在 758.3,1 430.4,2 862.1 及 2 937.7 cm-1處有亞甲基的特征峰,在 1 169.6,1 337.8 cm-1處有 C-O 的伸縮振動峰,而在 1 642.1,1 572.2 cm-1處出現(xiàn)咪唑類化合物的特征峰,羥基的氫鍵在3 270.7 cm-1出現(xiàn)寬峰。
圖6 1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽2的紅外譜圖
圖7 是含氯離子液體載體5的譜圖,與含羥基的離子液體中間體2比較,前者圖中3 270.7 cm-1處氫鍵寬峰明顯消失,而在7 41.0 cm-1處出現(xiàn)了很強(qiáng)的來源于氯取代的峰。
本文合成了新型的含羥基的連接基團(tuán)全部為碳鏈的咪唑類或吡啶類離子液體載體,經(jīng)采用常規(guī)加熱方法和微波加熱方法比較,在微波輻射條件下,可大幅提高反應(yīng)效率,反應(yīng)時(shí)間縮短至只需10~15 min,而產(chǎn)率從83% ~88%提高到90%~ 94%。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)新型 1-(6-羥己基)-3-甲基咪唑氯鹽2或其氯代咪唑類離子液體載體5,在室溫下呈液態(tài),且對空氣和水穩(wěn)定,有望成為離子液體負(fù)載的有機(jī)合成或液相組合化學(xué)用的新型載體。
圖7 1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯鹽5的紅外譜圖
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