阴离子型离子液体的合成研究文献综述

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文献综述阴离子型离子液体的合成研究一、前言伴随着经济飞跃发展，人类所生存的环境也面临着严峻的考验，而大多数环境污染是由化工生成所造成的。如何解决生态环境问题，减少环境污染，实现清洁化可持续发展的化学化工生产，使得绿色化学成为一门尤为重要的化学分支学科。作为一种新型的有机溶剂，离子液体因其独特的化学特性(不挥发、无蒸气压、易与其它物质分离、不可燃等)逐渐成为人们研究的热点，如今已被成功地用于化学合成、化学分离和电化学方面，并取得了较好的结果。近年来，将离子液体应用于不对称合成逐渐引起研究者的兴趣。离子液体在不对合成中的作用大致有3种：(1)离子液体作为反应溶剂，而手性的产生是来自手性底物或手性试剂；(2)离子液体用来回收手催化剂，手性的产生是来自于手催化剂；(3)使用手性离子液体催化不对称合或拆分对映体。手性离子液体(ChiralIonicLiquids，简称CILs)是一类功能化的离子液体[1-2]，它综合了离子液体及手性物质两方面的优点及特性，可应用于手性识别、不对称合成、对映体的拆分、立体选择聚合、气相色谱、NMR位移试剂和液晶等领域。合成手性离子液体较为困难且费用昂贵限制了它的广泛应用，但是由于在不对称合成中手性离子液体可作为手性诱导物或手性催化剂的应用前景促使研究者不断地去合成新型手性离子液体。手性离子液体的制备既可以使用手性源(如氨基酸、胺、氨基醇以及生物碱类)，也可以利用不对称合成的手段,其所具有的手性可位于分子的中心、轴或者平面上。二、手性离子液体合成研究进展2.1含手性碳离子液体咪唑类手性离子液体是有机工作者研究最多的一类离子液体。1997年，Howarth等[3]合成并报道了首个具有手性的离子液体溴化N,N-二(S-2’-甲基丁基)咪唑(图1.1)，开启了手性离子液体研究的热潮。图1.1图1.2 2004年，Laschat等[4]利用香茅醇与三苯基磷反应后得到的溴代物1与一系列烷基咪唑发生烷基化，阴离子交换合成了一系列具有香茅基的手性离子液体(图1.2)。同时，Jonathan等[5]利用易得的乳酸乙酯与N-甲基咪唑为原料合成了一种新型疏水性手性离子液体，且获得和很好的产率。图1.32005年，Ko等[6]发以手性醇与咪唑为原料，利用Mitsunobu反应合成离子液体前体(图1.4)，另外他们也合成了两种具有手性的离子液体。图1.4Bao等人[7]以天然的(L)-酒石酸二乙酯与(L)-乳酸乙酯为手性源合成两种新型手性咪唑离子液体(图1.5)。图1.52007年，Luo等人[8]以L-吡咯醇为手性源，通过四步反应得到了一系列手性离子液体，这些离子液体在室温条件下为粘稠状的液体，能够溶解于中等极性的离子液体而不能够溶解于弱极性的溶剂。 图1.62008年，Zlotin等人[9]合成了具有两性的手性咪唑离子液体2，他们以具有手性的化合物1为手性源，经过四步反应合成了目标产物(图1.7)，其中阴离子为BF4-的离子液体熔点最低，为119℃。图1.72003年，Bao等[10]利用手性胺与乙二醛的成环反应，制得含手性烷基的取代咪唑后与氯代烃反应，再进行阴离子交换得到了熔点为90℃手性离子液体(图1.8)，总产率为30%，这个合成路线巧妙的避开了常用的在咪唑环上引入手性中心的烷基化反应路线，为设计功能化离子液体结构提供了一个新的思路。图1.82005年，Genisson等人[11]以具有手性伯胺为起始原料，依次进行烷基化、成环、氧化和离子交换后得到了手性离子液体3(图1.9)，他们在氧化前也对4,5-二氢咪唑进行烷基化后合成了一类手性离子液体2(图1.9)，这些离子液体在常温下均为液态且与水不混溶。 图1.92008年，Headley等[12]为了研究离子液体对BH反应的影响合成了具有双手性咪唑类离子液体。他们以1-甲基-2-咪唑甲醛与(1S,2R)-去甲麻黄碱为起始原料，通过缩合反应，烷基化，离子交换得到目的产物(图1.10)。图1.101999年，Seddon等[13]通过利用具有手性的(S)-2-羟基丙酸钠与甲基丁基咪唑氯化盐进行离子交换，合成了第一例具有手性阴离子的离子液体。图1.11Ohno等[14]第一次合成并报道了以[Emim]+为阳离子，而阴离子则为20种氨基酸的手性离子液体。这些含手性阴离子的离子液体均为透明的液体，且不溶于乙醚，但是能够溶解于大多数有机溶剂，如甲醇等。 图1.12与此同时，吡啶类手性离子液体也因其独特的性质进入了科研工作者的研究范围。2002年，Haramoto等[15]研究了一种含烷基吡啶阳离子的手性离子液晶，这种手性离子液晶以双环为核心，含有1,3-二氧杂环，手性中心在吡啶环的取代烷基上。他们通过4个步骤共合成出四种离子液体，产率为28%~48%，因其液晶转变温度低于100℃且具有季铵盐的结构，可以看做一种吡啶类离子液体(图1.13)，其合成路线如所示：图1.132004年，Laschat等[16]利用香茅醇与三苯基磷反应后得到的溴代物与吡啶在45℃下反应4天得到最简单的手性离子液体吡啶的溴盐，其产率为98%。图1.14Patrascu等[17]利用吡啶和1-氯-2,4-二硝基苯反应得到的Zincke盐与(R)-(+)-苯乙胺和(S)-(-)-苯乙胺反应制得的手性离子液体经过阴离子交换可制取相关的手性离子液体。实验结果发现，这些离子液体的熔点与阴离子有很大的关系：Cl->PF6->BF4->NTf2-，其中含NTf2-的离子液体在室温条件下为液体。图1.15Fringuelli等[18]在Al(OTf)3存在下用胺甲基吡啶作为亲核试剂进攻氧化环己烯时期开环，随后进行氨基的苯甲磺酰话和，羟基甲磺酰化，最后在40℃以MeOH/H2O(1：1)混合液为溶剂的条件进行环化得到相应的手性离子液体(图1.16），产率为80%。 图1.162005年，Drahonovsky等[19]以松香芹酮为原料得到了一种新的吡啶盐手性离子液体(图1.17)。他们先是将松香芹酮Krohnke缩合，然后进行烷基化，得到一种高粘稠的液体，其玻璃化温度低于0℃，若阴离子为CF3CO2时，其稳定性到到160℃，而为CF3CSO2(简称TfO)时更高，其分解温度为200℃。图1.172006年，Pernak等[20]用氯甲基(1R,2S,5R)-(-)薄荷醚与吡啶进行Menschutkin反应得到具有手性的吡啶盐，接着进行阴离子交换得到一系列的离子液体(图1.18），实验结果发现阴离子为NTf2的手性吡啶离子液体的熔点最低，甚至在常温下就为液体。图1.18图1.192008年，Ni等[21]利用(S)-(2-胺甲基)-1-叔丁氧羰基-吡咯烷与氯化N-(2,4-二硝基)-苯基吡啶盐通过Marazano反应得到了类似的具有手性吡啶离子液体(图1.19)。Bischoff等[22]利用Mitsunobu反应，通过对pKa值的控制，在PPh3 和DIAD的存在下合成了具有铵盐类的手性吡啶离子液体(图1.20)，在此反应的过程中，能够有效的控制氨基的烷基化反应从而得到产率较高的目的产物。图1.20另外，一些科研工作者们合成了以胺为模板的手性碳离子液体。2001年，Kitazume[23]利用(S)-尼古丁合成了一些手性离子液体(图1.21)。图1.212002年，Wasserscheid等[24]分别以(R)-2-氨基-1-丁醇和(-)-麻黄素为原料，经过Leuckart-Wallach反应，用硫酸二甲酯烷基化并进行阴离子交换，得到具有手性的季铵盐离子液体。其中以(R)-2-氨基-1-丁醇为原料合成的离子液体粘度低且熔点仅有-18℃(图1.22)，而以(-)-麻黄素为原料所得的离子液体的熔点也只有54℃(图1.23)。图1.22图1.232004年，Thanh等[25]利用(1R,2S)-N-甲基麻黄素与卤代烷进行反应后所得的物质进行与PF6-，BF4-，TfO-进行离子交换获得了一系列季铵盐类手性离子液体(图1.24)，其中，产品中除了C16H33和C4H9的PF6-盐是固体，其它均为液体。图1.242005年，Pernak等[26] 利用(1R,2S,5R)-(-)-薄荷醇甲基化后得到的产物(1R,2S,5R)-(-)-氯甲基薄荷醚进行季铵化反应制得氯代三烷基-([(1R,2S,5R)-(-)-氯甲基薄荷醚])铵，通过对烷基及阴离子改变的不断得到了一系列手性离子液体(图1.25)。图1.25陶国宏等人[27]以L-构型的天然氨基酸为原料通过简单的处理得到了一类反应过程为“原子经济性”的手性离子液体(图1.26)。起初，他们将氨基酸在强酸的条件下直接合成，但是由于氢键的存，这类离子液体的熔点很高，接着他们将氨基酸进行酯化后在与相应的盐进行离子交换，得到一类熔点比较低的新型手性离子液体(图1.26)。图1.262.2含手性轴离子液体手性轴是利用键的刚性阻止键的旋转而产生的手性对映体。Judeinstein和Plaquevent等[28]首次设计并合成了一系列含有手性轴的吡啶类离子液体：先将4-吡啶甲醛缩合化，随后溴化得到的顺式构型化合物在溴化氢蒸汽中异构化为反式构型，在过量的N-甲基麻黄素的醇钾盐作用下脱去一个溴化氢，得到具有光活性的化合物。由此化合物出发，经过烷基化，阴离子交换可以制备出一系列的手性离子液体(图1.27)。他们合成的新型手性离子液体具有低熔点和玻璃化温度，同时热稳定性能到到150℃以上。图1.27 2.3含手性面离子液体与含有手性中心，手性轴的离子液体相比，含有手性平面的离子液体作为一类独特而又重要的一类而近些年来被众多科研工作者们研究。Saigo等[29]于2002年首次合成并报道了具有手性面的咪唑阳离子离子液体，他们利用烷基咪唑与两端为卤代烃进行两次烷基化反应得到具有环状的咪唑阳离子，接着与锂盐进行阴离子交换得到目标产物(图1.28)，产率只有36%左右。随后，他们又合成了具有“冠醚”状带有手性面的离子液体[30](图1.29)。图1.28图1.29但该研究小组前期合成具有手性平面离子液体均是外消旋化的，他们在以往工作的基础上合成了具有高度对映纯的离子液体[31]。他们利用具有光学活性的(S)-Valinol，乙醛，乙二醛和醋酸铵一步制得对映纯的咪唑衍生物(S)-2，(S)-2接着与1,8-二氯辛烷偶联得到产物(S)-3，最后，(S)-3在热的N,N-二甲基乙酰胺中通过分子内季铵化以82%和4%的产率得到两种咪唑盐，再利用CH2Cl2/AcOEt进行重结晶得到两个高度对映纯的非对映异构体(Sp,S)-1-Cl和(Rp,S)-1-Cl（>99：1）(图1.30)。图1.302.4其它手性离子液体 2002年，Wassercheid等[32]以(S)-缬氨酸为手性源分别经过还原，与丙酸进行环化生成噁唑啉，接着与卤代烃反应后得到目的产物(图1.31)，其总收率为40%，其中它们在酸性条件下均不稳定。图1.312003年，Wang[2]在其硕士论文中报道由手性蒎烯制备的几个手性离子液体。起始原料为(1S)-(-)-α-蒎烯，经过多步反应制得目标产物。这些产物的总产率介于50%~70%之间。图1.322008年，Jiang等[33]首先利用草酰氯法使1,3-二甲基-2-咪唑啉酮转换为william盐，为了避免五烷基胍转化为六烷基胍困来，他们将(S)-1-甲基苄做成仲胺，最后用william盐与仲胺进行反应得到产物单一且纯化容易的手性胍离子液体，通过这种方法他们合成了14种离子液体(图1.33），结果发现四氟硼酸盐和六氟磷酸盐均为固体，而当阴离子相同时，烷基链较短的为固体。 图1.33三、小结近些年来，科研工作者一直致力于离子液体的应用方面的研究，虽然取得了很好的成就，但是却忽略了常规有机溶剂与离子液体在反应过程中的差异性，因此研究离子液体系中有机反应过程中的特殊性尤其显得重要。四、参考文献[1].黄仰青,苏桂发,覃开云.手性离子液体研究进展[J].化学研究与应用.2006,18(10):1143-1150[2].孙洪海,高宇,翟永爱等.手性离子液体的合成[J].化学进展,2008,20(5):698-712[3].HowarthJ,HanlonK,FayneD,etal.MoisturestableDialkylimidazoliumsaltsasHeterogenerousandHomogeneousLewisacidsintheDiels-AlderReaction[J].TetrahedronLetters.1997,38(17):3097-3100[4].MartinT,LaschatS,AngelikaB.SynthesisofNovelChiralIonicLiquidsandTheirPhaseBehaviorinMixtureswithSmecticandNematicLiquidCrystals[J].HelveticaChimicaActa,2004,87(11):2742-2749[5].JonathanJJ,KoichiM.Newchiralimidazoliumionicliquids:3D-networkofhydrogenbonding[J].TetrahedronLetters,2004,45(23):4429-4431[6].KimEJ,KoSY,EdwardK.Mitsunobualkylationofimidazole:aconvenientroutetochiralionicliquids[J].TetrahedronLetters.2005,46:631-633[7].WangZM,WangQ,ZhangY,etal.SynthesisofnewchiralionicliquidsfromnaturalacidsandtheirapplicationinenantioselectiveMichaeladdition[J].TetrahedronLetters,2005,46:4657-4660[8].LuoSZ,MiXL,ZhangL,etal.Functionalizedionicliquidscatalyzeddirectaldolreaction[J].Tetrahedron,2007,63:1923-1930[9].SiyutkinDE,KucherenkoAS,StruchkovaMI,etal.Anovel(S)-proline-modifiedtask-specificchiralionicliquid-anamphiphilicrecoverablecatalystfordirectasymmetricaldolreactionsinwater[J].TetrahedronLetters.2008,49:1212-1216[10].BaoWL,WangZ,LiY,etal.Synthesisofchiralionicliquidsfromnaturalaminoacids[J]. 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