新型DABCO离子液体催化氮杂Michael加成反应

冯子娟，侯海亮，李志峰，胡雪亚，毛颖颖，应安国＊

（1.台州学院 医药化工学院，浙江 台州318000； 2.天津大学 化工学院，天津300072）

Michael加成反应是活泼亚甲基化合物形成的碳负离子对α，β－不饱和羰基化合物的碳碳双键的亲核加成，是活泼亚甲基化合物烷基化的一种重要方法，也是有机化学中实现碳链增长的一类非常重要的反应.传统 Michael加成反应以强碱为催化剂［1］，近年来也有以相转移催化剂［2］、酶类［3］、过渡金属催化剂［4］等作为催化剂的报道，转化率均比传统催化剂高，但反应条件苛刻，操作复杂，并且对环境有一定的污染.因此，开发一类简单、绿色的Michael加成反应催化剂成为研究的焦点.

离子液体是一类在室温或低温下呈液体状态的盐，具有熔点低［5］、溶解性好［6］、不挥发［7］、热稳定性好［8］等优点，并且通过在基础结构上连接不同的功能团［9］，能够得到性质不同可满足不同需要的离子液体.近年来，离子液体作为绿色催化剂或溶剂不仅可应用于氧化还原反应［10］、Knoevenagel缩合反应［11］、Heck反应［12］和 Michael加成反应［13］等，还可应用于电化学［14］、染料合成［15］、材料学［16］等诸多领域.

三乙烯二胺（DABCO）是一类重要的有机碱，它不但可形成多种离子液体，还可与金属离子形成对交叉偶联反应具有高催化活性的配位化合物［17］.结合我们课题组对离子液体催化有机反应的多年研究经验［18－19］，本文作者以 DABCO 和3－氯－1，2－丙二醇为原料，通过两步反应制备了离子液体［DABCO－PDO］［BF4］，并将其应用于Michael加成反应中.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruker 400型核磁共振仪；HK－2A型超级恒温水浴锅；Mettler Doledo型电子天平.实验中所用试剂全部购买于阿拉丁试剂（上海）公司，纯度为分析纯.

1.2 离子液体［DABCO－PDO］［BF4］的制备

实验中通过两步法制备离子液体［DABCO－PDO］［BF4］.

图1 离子液体［DABCO－PDO］［BF4］的合成路线Fig.1 The synthesis route of［DABCO－PDO］［BF4］

将10.15g（90.5mmol）DABCO和10g（7.57mL，90.5mmol）3－氯－1，2－丙二醇加入100mL圆底烧瓶中，加入50mL乙醇为溶剂.磁力搅拌下，80℃加热回流反应24h.旋蒸得到［DABCO－PDO］［Cl］.向3g（13.5mmol）［DABCO－PDO］［Cl］中加入等物质的量的 NaBF4（1.30g），加入15mL甲醇，65℃下，加热回流反应8h，真空干燥得到淡黄色液体，即为离子液体［DABCO－PDO］［BF4］.

1.3 Michael加成反应

将亚胺与丙烯酸衍生物或丙烯腈以物质的量之比为1∶1加入到50mL圆底烧瓶中，加入离子液体［DABCO－PDO］［BF4］，室温下磁力搅拌.用TLC监测反应进行程度.反应结束后用等体积的水与乙酸乙酯混合溶剂进行常温萃取，收集有机相，柱层析法分离目标产物，洗脱剂为乙酸乙酯，将收集的目标产物进行真空干燥，纯度达99%.使用1H NMR与13C NMR对产物的结构进行了表征.

图2 离子液体［DABCO－PDO］［BF4］催化 Aza－Michael加成反应Fig.2 Aza－Michael addition reaction catalyzed by ionic liquid［DABCO－PDO］［BF4］

1.4 部分代表产物核磁表征数据

Methyl－3－（1H－imidazol－1－yl）propanoate（modelreaction）：1H NMR （400MHz，CDCl3）δ：2.72 （t，2H，J＝6Hz），3.62（s，3H），4.20（t，2H，J＝2.4Hz），6.86（d，1H，J＝4.4Hz），6.95（d，1H，J＝6Hz），7.43（d，1H，J＝4.8Hz）；13C NMR （100MHz，CDCl3）δ：170.84，137.10，129.17，118.75，51.77，42.00，35.46.

Methyl－3－morpholinopropanoate（Table3，Entry4）：1H NMR（400MHz，CDCl3）δ：2.42（t，4H，J＝4.8Hz），2.48（t，2H，J＝6.4Hz），2.65（t，2H，J＝7.2Hz），3.66（t，7H，J＝2.8Hz）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ：31.62，51.47，53.15，53.69，66.65，172.62.

Butyl－3－morpholinopropanoate（Table3，Entry6）：1H NMR（400MHz，CDCl3）δ：0.94（t，3H，J＝7.6Hz）1.34～1.43（m，2H），1.58～1.65（m，2H），2.45～2.48（m，4H），2.50（d，2H，J＝7.2Hz），2.67～2.70（m，2H），3.70（t，4H，J＝4.8Hz），4.10（t，2H，J＝6.8Hz）.13C NMR（100MHz，CDCl3）δ：13.7，19.1，30.6，32.1，53.3，54.0，64.3，66.9，172.5.

3－（1H－imidazol－1－yl）propanenitrile（Table3，Entry8）：1H NMR （400MHz，CDCl3）δ：2.72～2.75（m，2H），4.13～4.16 （m，2H），6.94 （d，2H，J＝4.4Hz），7.49 （s，1H）；13C NMR （100MHz，CDCl3）δ：20.5，42.5，116.8，118.7，130.1，137.0.

3－（1－Morpholinyl）－propionitrile（Table3，Entry10）：1H NMR （400MHz，CDCl3）δ：2.49～2.54（m，6H），2.68（t，2H，J＝7.2Hz，CH2），3.72（t，4H，J＝4.4Hz）；13C NMR（100MHz，CDCl3）δ：15.6，52.9，53.4，66.5，118.5.

3－（4－（2－Hydroxyethyl）piperazin－1－yl）propanenitrile（Table3，Entry12）：1H NMR（400MHz，CDCl3）δ：2.52（t，2H，J＝7.2Hz），2.57（t，8H，J＝5.2Hz），2.71（t，2H，J＝6.8Hz），2.95（d，2H，J＝12.8Hz），3.63（t，2H，J＝4.6Hz）；13C NMR （100MHz，CDCl3）δ：15.9，52.6，52.7，53.2，57.7，59.3，118.7.

2 结果与讨论

2.1 离子液体的催化效果

以咪唑和丙烯酸甲酯为底物，分别以无催化剂、DABCO及离子液体作为催化剂，研究新型离子液体［DABCO－PDO］［BF4］对氮杂Michael加成反应的影响.由表1可以看出，碱性的三乙烯二胺可作为催化剂对氮杂Michael加成反应进行催化，但是由于它既不能形成离子氛围又不能与酯基或者氰基形成氢键，因而催化效率不高（产率为70%）.新型离子液体［DABCO－PDO］［BF4］既能形成离子氛围，又能与酯基或者氰基形成氢键，能够很好地催化氮杂Michael加成反应，产率为91%，并且反应时间也短.

表1 催化剂对咪唑与丙烯酸甲酯Michael加成反应的影响Table 1 The effect of catalyst on the Michael addition of imidazole with methyl acrylate

2.2 离子液体［DABCO－PDO］［BF4］用量对 Michael加成反应的影响

合适的催化剂用量既能避免催化剂的浪费，又能产生较好的催化效果，反应的转化率较高.本文作者在室温下考察了不同的离子液体［DABCO－PDO］［BF4］用量对以咪唑和丙烯酸甲酯为底物的氮杂Michael加成反应的影响.从图3可以看出没有催化剂下，反应12 h仅有7%产率，而加入反应物总量5mol%的离子液体，仅需5h反应收率便提高至60%，可见离子液体催化剂的高效性.通过实验，确定离子液体最佳用量为20mol%（图3），继续增加离子液体用量反应收率增加不明显，不利于反应的经济性，甚至可能由于对反应物的稀释作用减慢反应的进行.

图3 离子液体［DABCO－PDO］［BF4］用量对咪唑与丙烯酸甲酯的Michael加成反应的影响Fig.3 The effect of［DABCO－PDO］［BF4］amount on the Michael addition of imidazole with methyl acrylate

2.3 溶剂对Michael加成反应的影响

以咪唑和丙烯酸甲酯为底物，离子液体［DABCOPDO］［BF4］用量为20mol%，研究了溶剂对 Michael加成反应的影响.由表2可以看出，乙酸乙酯和甲苯作为溶剂时，由于离子液体溶解性较差，不能很好地与反应物进行充分的接触，进而影响了离子液体催化剂的催化活性；由于丙烯酸甲酯不溶于水，水作为溶剂时会与丙烯酸甲酯分层，也导致了反应物不能很好的混合，使得反应效果降低；无溶剂条件下与乙醇条件下，咪唑和丙烯酸甲酯反应收率相近，高达90%，但采用乙醇作为溶剂时离子液体的回收存在困难，且浪费溶剂.故本文采用无溶剂的方法进行氮杂Michael加成实验.

表2 溶剂对咪唑与丙烯酸甲酯Michael加成反应的影响Table 2 The effect of solvent on the Michael addition of imidazole with methyl acrylate

2.4 催化剂的底物适用性研究

以咪唑和丙烯酸甲酯为底物确定了最佳反应条件为无溶剂，室温，20mol%［DABCO－PDO］［BF4］用量.为了验证该催化剂的适用性，进行了一系列亚氨基化合物与丙烯腈、丙烯酸衍生物的Michael加成反应的研究，结果见表3.

由表3可以看出，脂肪族的胺类反应速度比芳香族的快.这是由于芳香胺的电子离域性较强，不易形成具有亲核能力的碳负离子，进而影响了反应速度.再由咪唑衍生物（Table 3，Entry 1－3）与丙烯酸甲酯的反应可以看出，由于吸电子作用加强，使得碳负离子更容易形成，反应效果增强.当Michael受体为丙烯酸正丁酯时，反应时间不变的情况下，收率略有降低，可能是由于脂肪链的延长使电子云密度升高进而影响到末端碳的正电性的缘故.但总体来说，所有丙烯酸酯类的Michael加成反应的收率均在85%以上，催化体系具有较好的底物适用性.

以丙烯腈为Michael受体.对比丙烯酸酯类的实验结果，可以发现丙烯腈的反应活性较丙烯酸酯类高，这是由于丙烯腈的氰基对碳碳双键的电子有吸引作用，导致碳核更加暴露，进而使得碳负离子对受体的攻击性加强，反应速度加快，反应收率较高，均在85%以上.另外，Michael受体为丙烯酰胺时，反应也能顺利进行，收率为90%.

综上所述，该催化体系具有很强的底物适用性.

表3 亚胺类化合物与丙烯酸衍生物、丙烯腈的氮杂Michael加成反应Table 3 Aza－Michael addition reaction of cyclic secondary amines andα，β－ethylenic compounds

续表3

2.5 反应机理

根据相关文献我们提出了可能的催化反应机理（图4）：离子液体［DABCO－PDO］［BF4］中两个羰基可与丙烯酯类的羰基或者丙烯腈的氰基形成氢键，使得α，β－不饱和化合物的另一端的电子云密度降低，正电性增强；同时DABCO中未呈离子状态的N可夺取亚胺的氢，使亚胺形成氮负离子，从而进攻α，β－不饱和化合物的显正电性的碳原子.可以看出，离子液体［DABCO－PDO］［BF4］对氮杂Michael加成反应具有双重催化功能.

图4 亚胺类与αβ－不饱和化合物的氮杂Michael加成反应机理Fig.4 Proposed mechanism for the aza－Michael addition reaction of imines andαβ－unsaturated compounds

2.6 离子液体的重复使用性

以咪唑和丙烯酸甲酯反应为例，考察了离子液体［DABCO－PDO］［BF4］的重复使用性能.由于该离子液体不溶于乙酸乙酯，可用乙酸乙酯和水萃取上一次的反应液，水层经真空干燥，而后重新投放于下一次的咪唑和丙烯酸甲酯的Michael加成反应中，反应收率结果见图5.数据表明，离子液体［DABCO－PDO］［BF4］可循环使用6次，反应产率变化很小.

图5 离子液体循环使用情况Fig.5 Reuse of catalyst for Michael addition

3 结论

制备了新型离子液体［DABCO－PDO］［BF4］，并且用于催化亚胺类化合物与多种α，β－不饱和化合物的氮杂Michael加成反应，取得了良好的催化效果.考察了反应溶剂、催化剂用量对反应的影响，以及催化剂的底物适用性，并提出了［DABCO－PDO］［BF4］可能的催化机理.研究表明，该催化剂可在室温下催化氮杂Michael加成反应，并且无需任何溶剂，收率高，底物适用性强，后处理简单，催化剂连续使用6次无明显活性损失，具有很好的工业化前景.

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