磺酸功能性离子液体在有机合成中的研究进展

朱 强 陈志卫

（浙江工业大学药学院，杭州 310014）

综 述

磺酸功能性离子液体在有机合成中的研究进展

朱 强 陈志卫

（浙江工业大学药学院，杭州 310014）

介绍了磺酸功能性离子液体是一类含有—SO3H基团，具有Brønsted强酸性的特殊功能性的离子液体，综述了磺酸功能性离子液体的合成及其在有机合成中的应用。指出它们在有机催化反应领域越来越被广泛的研究和应用，已经成为当前绿色化学重点研究的内容之一。

磺酸功能性离子液体；绿色化学；有机合成

离子液体是指室温下呈液态的、完全由离子组成的化合物，具有物理化学稳定性好、液态温度范围宽、蒸气压低且不易挥发、对有机和无机物皆有良好的溶解性能及极性可调控等独特的物理化学性质。

离子液体的发展主要经历了3个阶段：1)20世纪40年代，以氯铝酸二烷基咪唑离子液体为代表的第1代室温离子液体，该类离子液体对水及氧化性物质过于敏感，限制了其广泛应用；2)20世纪90年代，以二烷基咪唑四氟硼酸、六氟磷酸离子液体为代表的第2代室温离子液体，具有熔点低、抗水解、稳定性强等优点，被广泛应用；3)2000年以来，以功能性离子液体为代表的第3代室温离子液体，由于具有不易流失、对水和空气稳定、不溶于一些有机溶剂等特点作为一种新型的环境友好溶剂和液体酸催化剂，因此被广泛地应用于催化有机反应中。

目前，随着研究的深入，设计具有特殊功能性离子液体（TSILs）以适应各种不同的领域，将是功能性离子液体未来发展的方向[1-4]。

磺酸功能性离子液体兼具备无机液体酸和固体超强酸的优点，近年来在催化领域引起了广泛的关注。

1 概况与分类

磺酸功能性离子液体具有高密度酸性、对空气和水稳定、易于分离、低蒸汽压、可循环利用等优点，同时不含卤素，兼有溶剂和催化剂双重作用，无腐蚀，在水中溶解性能好等优点，目前已成为绿色催化领域中的研究热点之一[3-7]。

据报道，目前所合成的磺酸功能性离子液体是阳离子带有—SO3H基团，根据阳离子母核的不同可分为铵盐、鏻盐、咪唑盐、吡咯盐、吡啶盐和三乙烯二胺盐等磺酸功能性离子液体。

2 合成

2.1 1,3-磺酸丙内酯或1,4-磺酸丁内酯提供磺酸基

这是目前应用较普遍、报道较多的方法，所合成的是阳离子带有—SO3H基团的磺酸功能性离子液体。合成方法一般为1,3-磺酸丙内酯或1,4-磺酸丁内酯与相应的阳离子母核成内盐，再加入质子酸得—SO3H基团和相应的阴离子[3-7]：

其中，n=1 或 2，HA=H2SO4、HNO3、CH3COOH、CF3COOH等。2.2 氯乙基磺酸钠或氯丙基磺酸钠提供磺酸基

Dubreuil等人以N-甲基咪唑和氯乙基磺酸钠或氯丙基磺酸钠在去离子水中回流反应48 h，再于低温加入HPF6，室温搅拌反应48 h，得到目标产物[8]：

其中，n=1或2。

2.3 氯磺酸基提供磺酸基

Li等人首先制备了1-甲基-3-苯甲基咪唑硫酸氢根离子液体，然后加入氯磺酸，在苯甲基对位磺酸化得到目标产物[9]：

3 应用

3.1 硝化反应

Cheng等报道了吡啶类磺酸功能性离子液体催化的芳香类化合物的硝化反应[10]：

其中，R=CH3、Cl，TSILs 为 [BSPy][HSO4]、[BSPy][OTF]、[BSPy][pTSA]（BSPy为 N -磺酸丁基吡啶盐，OTF为三氟甲磺酸盐，pTSA对甲苯磺酸）。

反应在无溶剂、NO2/O2条件下进行，先在-15℃下反应30 min，再在0℃下反应5 h，最后在室温下反应20 h。该反应具有可观的收率，产物主要为邻位和对位硝化产物，操作简单、条件温和，并且此离子液体可回收再利用5次以上，绿色经济，避免了传统方法中腐蚀性混酸（硝酸和硫酸）和含氯溶剂氯苯等的使用。

同样，Fang等报道了一系列季胺类磺酸功能性离子液体催化的芳香类化合物的选择性硝化作用，反应条件温和，产物主要为对位硝化，选择性达99%，收率62%～72%，并且此类离子液体回收再利用5次，催化活性基本不变[11]。反应式如下：

其中，R=F、Cl、Br、H、甲基（Me）、叔丁基（t-Bu）、NO2，TSILs为[TMPSA][HSO4]、[TEPSA][HSO4]、[TBPSA][HSO4]、[TEBSA][HSO4]、[TMBSA][HSO4]（TMPSA 为三甲基磺酸丙基铵盐，TEPSA为三乙基磺酸丙基铵盐，TBPSA为三丁基磺酸丙基铵盐，TEBSA为三乙基磺酸丁基铵盐，TMBSA为三乙基磺酸丁基铵盐）。

3.2 烷基化反应

芳香化合物和烯烃的傅克烷基化反应传统的催化剂有AlCl3、HF和H2SO4等，工艺操作困难，对环境污染严重，而且产物分离难，纯度低。Yokoyama等报道芳香化合物和芳香烯烃在TSILs催化下，转化率高、单烷基化选择性好。但是芳香化合物和脂肪烯烃反应时，当TSILs和Sc(OTf)3分别催化时，几乎没有产物生成，不过当2者同时催化时，意外得到了较高的转化率和单烷基化选择性[12]。反应式为：

Guo等合成了3个磺酸功能性离子液体，进行了相应的表征，通过Hammett法测定它们的酸性与硫酸类似[13]。并将其应用于间甲酚的选择性叔丁基化反应中，所得产物以2-TBC为主，反应转化率和选择性都较高：

R=Me、乙基（Et），X=HSO4，CH3PhSO3。 TBC 为叔丁基邻苯二酚，TBMCE为3-叔丁氧基甲苯。

2010年，Guo等在先前研究的基础上，以甲苯为反应溶剂，季胺类TSILs为催化剂，邻苯二酚和叔丁基醇反应高选择性的合成了对- 叔丁基邻苯二酚[14]。究其原因可能是邻苯二酚4位有着相对较高的前沿电子云密度，因此，反应所需的活化能较小，更容易生成4-TBC。反应式为：

R=Me、Et，X=HSO4，CH3PhSO3。

3.3 水解反应

磺酸功能性离子液体对于水解反应同样也表现出很好的催化活性。Ren等合成了一系列Brønsted酸性离子液体用于催化大豆异黄酮苷的水解[15]：

其中sbmim为1-甲基-3-磺酸丁基咪唑盐。R1=H、R2=H时，黄豆苷→大豆苷元，转化率76.4%，收率40.6%；R1=OCH3、R1=H 时，黄豆黄苷→黄豆黄素，转化率97.6%，收率62.4%；R1=H、R2=OH时，染料木苷→染料木黄酮，转化率78.6%，收率41.7%。

其中磺酸功能性离子液体且阴离子是HSO4-具有与硫酸同样的催化活性，此离子液体的再利用性可减少酸性废水的排放，环境友好，具有良好的应用前景。

Yokoyama等制备了1- 烯丙基-3-磺酸丁基咪唑三氟甲磺酸和1-烯丙基-3-氯磺酸丁基咪唑三氟甲磺酸离子液体，将其用于果糖的水解生成5-羟甲基-2-糠醛（HMF），收率60.2%～70.1%。 反应式为：

其中，催化剂为：

X=OH 或 Cl。

并且将离子液体负载于硅胶上，成为一类具有水解催化活性的固体酸，具有比同样硅胶负载硫酸或磺酰氯更好的催化活性和可回收性[16]。

3.4 缩醛反应

缩醛反应用于保护醛或酮羰基在有机合成具有广泛的应用。Deng等合成了一系列咪唑类磺酸功能性离子液体催化醛或酮与醇的缩醛反应，催化活性高，反应条件温和，催化剂能回收再利用[17]。该类催化剂催化活性高的原因是具有2个相邻的酸性位点同时参与反应，反应式为：

离子液体为[(CH2)4SO3HMIm]CF3SO3、[(CH2)4SO3HMIm]TSO（HMIm为咪唑盐），收率65.0%～82.4%。

Fang等合成了一个季胺类磺酸功能性离子液体[TMPSA]HSO4，既作为溶剂又作为催化剂用于缩醛反应[18]。反应条件温和，产品分离简单，催化剂活性经过9次回收套用基本不变，收率65%～99%。反应式为：

Yang等合成了一个结构新颖的带有双磺酸丁基的功能性离子液体，它即作为溶剂又作为催化剂用于醛基的化学选择性保护[19]。反应条件温和、操作简单、时间短、收率高、催化剂回收利用6次活性基本不变，收率94.4%。反应式为：

其中，催化剂为：

3.5 聚合反应

聚合反应在化学和石油工业中是一个相当重要的研究领域。Deng等将磺酸功能性离子液体[SBMIm]CF3SO3和 [SBHeMIm]CF3SO3（SBMIm为1 -甲基-3-磺酸丁基咪唑盐，SBHeMIm为1- 己基-3-磺酸丁基咪唑盐）应用到各种烯烃的聚合反应中，此离子液体既作溶剂又作催化剂，催化活性高，并且回收再利用催化活性基本保持不变，特别的是当烯烃为异丁烯时，反应选择性较好，与传统酸性催化剂相比，产物只有二聚物和三聚物，此类离子液体的应用限制了进一步的聚合物的生成[20]。反应式为：

R=Me、正己基（n-He）。

Yu等设计合成了[HSO3-(CH2)-NEt3]Cl-ZnCl2作为松香聚合反应的催化剂，此离子液体同时具有布朗斯特和路易斯酸性[21]。当离子液体和氯化锌达到一定配比时表现出最佳催化活性，布朗斯特酸性催化单一松香酸的异构化，阴离子具有路易斯酸性，起着决定性作用，其催化松香酸的聚合反应产品易于分离，且催化剂能够回收再利用。因此这是一种环境友好的合成聚合松香的新方法。

3.6 酯化反应

Forbes等合成了一个季磷盐磺酸功能性离子液体，并将其用于醋酸和乙醇的酯化反应中，反应条件温和、收率高，意外的是此离子液体重复利用3次后，酯化反应收率反而有所提高，经过分析可能和离子液体中所含副产物和水分有关[22]。因此，在离子液体中加入了不同量的水用于催化酯化反应，发现水分子和此离子液体摩尔比大约在7:1时，收率达最高。反应式为：

Li等合成了2个结构新颖的带有苯磺酸基团的咪唑和吡啶磺酸功能性离子液体，用于乳酸与脂肪直连醇、环己醇和苄醇的酯化反应中，反应条件温和、时间短，产物分离简单，收率高，催化剂重复利用5次保持活性基本不变，是一种合成乳酸酯的绿色新方法[23]。反应式为：

R1=CH3CH2，CH3(CH2)3，CH3(CH2)5，CH3(CH2)7，CH3(CH2)11等，催化剂为：

3.7 其他反应

3.7.1 多组分反应

多组分反应在有机合成中是一类非常重要的反应，避免了多步反应产物提纯分离的麻烦，同时减少了溶剂、试剂的浪费。Hajipour等报道了芳香醛、2-萘酚和酰胺化合物或脲在[TEBSA]HSO4催化下合成1- 氨烷基-2-萘酚，这是一类核苷类抗生素和艾滋病病毒（HIV）蛋白酶抑制剂的前体，反应在高温、无溶剂条件下进行，反应操作简单、时间短、收率高（73%～90%），催化剂经4次回收利用活性基本保持不变[24]。反应式为：

R1= 苯基（Ph）、芳香基，R2=CH3、Ph、NH2。

Heydari等报道了醛或酮、胺类和三甲基亚磷酸酯在[(CH2)4SO3HMIM][CF3SO3]催化下“一锅法”3组分反应合成2-氨基磷酸酯，这是一类组成肽类似物、酶抑制剂、抗生素、杀菌剂、除草剂和杀虫剂等的重要中间体。反应具有操作简单，反应时间短、收率高（高于92%）、催化剂可回收利用6次活性不变等特点，体现了多组分反应的优点[25]。反应式为：

催化剂为[(CH2)4SO3HMIm][CF3SO3]。

Wang等报道了2个结构新颖的磺酸功能性离子液体，并用于催化芳香醛、芳香胺和5,5- 二甲基-1,3-环己二酮的多组分反应中，具有催化剂用量少（摩尔分数1%），催化活性高、收率高，且回收利用3次催化活性保持不变[26]。反应式为：

R1=H、4-CH3、4-Cl、3-NO2、3-Cl等；R2=4-CH3、4-OCH3时(a)，收率 79%～91%；R2=H、4-Cl、4-NO2时(b)，收率 85%～86%。

3.7.2 经典人名反应

Biginelli反应用于合成3,4-二氢嘧啶类衍生物，其衍生物是一类具有抗病毒、抗菌、抗癌、抗高血压、α1a肾上腺素拮抗和神经肽Y拮抗活性的药物。Liu等合成了一系列季胺类磺酸功能性离子液体用于催化Biginelli反应，反应操作简便、时间短、收率高（72%～96%），催化剂回收利用6次催化活性基本不变[27]。反应式为：

R1=H、4-NO2、4-OCH3、4-Cl、3-Br、2,4-Cl2、2-OH、2 -呋喃基等，R2=CH3、Ph，R3=OCH3、OC2H5、CH3，X=O、S；TSILs=[TMAPS]HSO4、[TEAPS]HSO4、[TBAPS]HSO4，

Beckmann重排反应是肟重排成酰胺的反应，其催化剂一直以来是一个研究重点。Xia等合成了一系列具有双 —SO3H基团的功能性离子液体与氯化锌共同催化Beckmann重排反应[28]。催化剂用量少，活性高，反应收率高（37%～96%），且催化剂回收利用3次催化活性基本不变。反应式为：

R1=H、CH3、Ph，R2=CH3、Ph、4-OCH3C6H4、2,4-Cl2C6H3、 萘 基 等 ；TSIL=[Bis-BsImM][OTf]2、 [Bis-BsImH][OTf]2、[Bis-BsImD][OTf]2（Bis-BsImM 为双磺酸丁基甲基咪唑盐，Bis-BsImH为双磺酸丁基己基咪唑盐，Bis-BsImD为双磺酸丁基癸基咪唑盐）。

Claisen-Schmidt缩合一般是在强碱催化下芳香醛和脂肪醛或酮的缩合反应，产物为α,β-不饱和醛或酮。Qian等制备了[TEBSA][X]磺酸功能性离子液体用于催化此类反应，通过Claisen-Schmidt缩合制备查耳酮，离子液体既作溶剂又作催化剂，催化活性高，产物易于分离，收率85%～94%，且催化剂可回收再利用4次反应活性基本不变[29]。反应式为：

（X=NO3、HSO4、p-TSO、CF3COO）。

Fischer Indole合成反应一般是在路易斯酸或质子酸催化下形成吲哚类衍生物，吲哚的衍生物在自然界分布很广，许多天然化合物的结构中都含有吲哚环，有些吲哚的衍生物与生命活动密切相关。Xu等将磺酸功能性离子液体应用于Fischer Indole合成反应，该反应在水介质中进行，避免了有机溶剂的使用，产品收率高、易分离，催化剂经过强酸性离子交换树脂处理后可重复利用至少12次，活性保持不变[30]。反应式为：

Mannich反应是一类在药物和活性原药合成中重要的碳 -碳成键反应。Fang等制备了[DDPA][HSO4]（DDPA为3-(N,N-二甲基十二烷基)磺酸丙基铵盐）用于Mannich反应中，此反应在水介质中室温反应即可，反应收率高（72%～91%），产物分离简单，催化剂回收利用6次活性保持基本不变[31]。反应式为：

其中，R1=H、p-OCH3、p-Cl、m-NO2、p-NO2，R2=H、p- C H3、p- C l、p- B r，R3=( CH2)5CO、C6H5、p- OCH3C6H4（m和p分别表示取代基在苯环的间位和对位）。

4 结论

综上所述，磺酸功能性离子液体替代传统路易斯酸或碱、Brønsted酸或碱广泛应用于有机合成领域。与液体酸、固体酸等比较，它的主要优点有安全经济、使用简便、条件温和、选择性好、收率高、可回收利用等，因为这些独特的优点，开发一类结构新颖、廉价易得、具有较高催化活性的磺酸功能性离子液体，一直是广大科研工作的研究重点，并且其在工业上具有不可替代的实用价值和广泛的应用前景。

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TQ203.2

A DOI10.3969/j.issn.1006-6829.2011.02.012

2011-03-07