离子液体在有机合成反应中的应用(I)

崔　艳，李　敏，张　茹

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京　100081)



离子液体在有机合成反应中的应用(I)

崔艳，李敏，张茹

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京100081)

离子液体因其不易挥发、稳定性好、溶解范围广、易分离等优点成为21世纪最有希望的绿色溶剂和催化剂之一，被广泛地应用于有机合成领域，引起人们足够的兴趣。离子液体的开发和应用对缓解大量有毒化学品的使用导致的环境污染具有重要意义，符合当前社会节能、环保的发展理念。本文对离子液体作为反应介质或催化剂在有机传统反应(包括氧化反应、还原反应、烷基化反应)中的应用进行了综述。

离子液体； 氧化； 还原； 烷基化

传统化学反应及相关化学工业使用大量的易挥发、有毒有机溶剂，例如苯、氯代烷烃、酮、醚等，造成了严重的环境污染，危害着人类的健康。因此，多年来人们一直在寻求绿色替代溶剂。离子液体因其不易挥发、稳定性好、溶解范围广、易分离等优点，成为绿色化学中最具前景的反应溶剂和催化剂。

首先，离子液体与典型的有机溶剂不一样，由于离子液体完全由阴离子和阳离子组成，没有电中性的分子，所以其具有良好的热稳定性和导电性，能溶解大多数无机物、有机物和高分子材料。其次，离子液体作为溶剂可以改变某些反应的机理，使催化剂的活性、稳定性更好，选择性、转化率更高，并且具有易回收、可重复使用的优点[1]。另外，通过改变阴、阳离子中烷基取代基的长度和对称性等途径可以设计合成不同性质的离子液体，离子液体组成的这种可设计性，进一步拓宽了其在有机合成中的应用范围[2]，使得其不仅可以作为溶剂使用，而且还可以作为某些反应的催化剂使用。因此，对离子液体的应用研究正在越来越多地受到人们的关注。本文综述了离子液体在有机合成中的应用，包括氧化、还原反应、烷基化反应。

1　氧化反应

催化氧化反应是有机合成中的一类重要反应，在该类反应中使用离子液体作溶剂或者催化剂，一方面可以避免使用有机溶剂对环境造成的污染，另一方面可以提高某些反应的收率和选择性。Shen 等[3]首次研究了离子液体作溶剂，氧气作为氧化剂的基于双异喹啉铜的选择性氧化醇为相应的醛和酮的反应，结果显示催化剂在离子液体中的催化活性比在普通有机溶剂中的催化活性高，氧化各类醇(包括一级醇、二级醇、烯丙醇和苄醇)的选择性和收率均在80%以上。

臧树良等[4]将四烷基铵高铼酸盐与烷基咪唑硫酸氢盐离子液体按一定比例混合，形成复合的相转移催化剂，同时以烷基咪唑硫酸氢盐离子液体作为反应溶剂，以双氧水溶液作氧化剂，对环辛烯进行催化氧化反应，将环辛烯的转化率提升到90%以上，辛二酸产率达60%以上，有效地提高了反应的选择性，取得了令人满意的效果。

Fadini等[5]研究了三价锰络合物催化的邻二醇的氧化断裂，结果表明在该反应中使用离子液体作溶剂比使用普通溶剂产率提高10%～60%。当使用浓度为5mol%的[Mn(salen)(Py)·(OAc)]为催化剂，在60 ℃时，1,1,2,2-四苯基-1,2-乙二醇的碳碳键在氧气氧化下断裂生成相应的酮，产率高达99%。

梁栋等[6]以苯乙烯为原料，采用低毒无害的磷钨酸手性离子液体为催化剂、H2O2为绿色氧化剂，通过直接催化氧化法以67%～82%的产率得到(R)-苯基乙二醇，其中对映体纯度为96%～100%ee.。

岳爽等[7]公开了烯烃和氧化剂在甲基三氧化铼和铼离子液体的协同催化作用下进行环氧化反应，可以有效地提高了环氧化物产品的选择性，提高了反应效率，其中的铼离子液体为1-烷基-3-甲基-咪唑高铼酸盐，结构如下：

刘春等[8]在一个大气压的氧气条件下，将芳香醛、碱和甲氧基封端的聚乙二醇修饰的咪唑盐催化剂按摩尔比为0.5:0.505:0.025加入乙醇水溶液中，于30～60 ℃反应10 min～12 h得到芳香羧酸化合物。其中的咪唑盐催化剂结构如下：

臧树良等[9]将四烷基铵高铼酸盐与烷基咪唑硫酸氢盐离子液体按一定比例混合，形成复合的相转移催化剂，同时以烷基咪唑硫酸氢盐离子液体作为反应溶剂，以双氧水溶液作氧化剂，对环辛烯进行催化氧化反应，以60%以上的产率得到辛二酸。

Safaei-Ghomi 等[10]研究了用高锰酸钾氧化肟，在催化量的[bmim]Br、无溶剂条件下，高锰酸钾可以高效、选择性地氧化断裂肟为相应的羰基化合物，而不会进一步氧化羰基化合物为羧酸。可见，离子液体可以降低高锰酸钾的氧化性，提高氧化反应的选择性。该反应的最佳反应条件为室温，其中肟、离子液体和高锰酸钾的摩尔比为1:0.7:0.4。

2　还原反应

离子液体或作为溶剂或用作催化剂在各类还原反应中均有应用。例如：用三烷基硼还原醛是一类重要的有机反应，然而，用简单的三烷基硼化物还原通常需要超过150 ℃的高温，kabalka等[11]报道了在bmimBF4,emimBF4和emimPF6溶剂中，用三烷基硼化物实施还原反应。例如当苯甲醛在emimPF6中用三叔丁基硼烷还原时，反应在100 ℃快速进行，并以96%的产率得到苄醇。

John L.Reynolds等[12]研究了胺介导的二苯甲酮在室温下离子液体中的光还原反应，不同于有机溶剂中的该类反应，在多数情况下光还原主要生成相应的二苯甲醇。由于该反应仅消耗1当量胺，且溶剂容易回收，所以光还原是一种清洁的转化二苯甲酮为二苯甲醇的方法。

Xinzhi Chen等[13]报道了雷尼镍催化的以甲酸盐作氢供体的腈的转移氢化。与先前使用的氢供体例如肼和单甲酸肼相比，甲酸盐更便宜和安全。制备了三种离子液体包括[DBUH+][C2H5COO-]、[DBUH+][C3H7COO-]和[DBUH+][C4H9COO-]用作反应介质，基于DBU的离子液体能明显促进转移氢化，其中[DBUH+][C4H9COO-]表现最好。与通常的有机或无机溶剂相比，基于DBU的离子液体显示出明显的优势，其制备简单，并可重复使用至少6次。

薛伟等[14]在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([bimim]BF4)-水混合介质中，以NaBH4为还原剂制备了Ru-[bimim]BF4催化剂，并用于苯选择性加氢反应。结果表明，相对于N2H4·H2O还原制备的催化剂，该催化剂具有明显较高的环己烯选择性，当苯转化率为49.5%时，环己烯选择性可达34.1%，这是由于硼的作用所致。重复使用时，由于离子液体的流失，暴露的Ru活性中心增多，因而苯转化率升高，但环己烯选择性下降。

Wolfson等[15]将离子液体与过渡金属络合物负载在聚合物上，形成稳定的两相催化剂(催化剂既可以充分利用又不能因与有机溶剂接触而被有机溶剂溶解)，进行系列还原催化实验(包括2-环己烯-1-酮、1,3-环辛二烯的还原以及乙酰乙酸甲酯的不对称还原)后发现，在聚合物载体下反应速度及选择性方法较离子液体形成的两相系统均有所提高，但反应速率及产率较均相催化尚有一定的差距。

Yves Chauvin等[16]在1995年首次成功实施Rh催化的环己烯的加氢还原，采用[bmim]+(BF4)-、[bmim]+(PF6)-等弱配位的离子液体作反应介质都很有效。

此外，离子液体还被广泛地应用于各种不对称催化氢化反应中。例如： Dupont等报道了(E)乙酰氨基肉桂酸甲酯的不对称催化氢化反应,该研究组用手性铑催化剂在离子液体[bmim][PF6]和[bmim][BF4]中进行反应。研究表明氢分子浓缩在离子液体中,而不依靠氢气的压力,这样对反应的转化率和对映选择性都有一个戏剧性的影响,氢分子在无水的离子液体[bmim][PF6]中的溶解度比在[bmim][BF4]中的溶解度小四倍,在无水离子液体[bmim][BF4]中得到的结果最好(73% conv., 93%ee)。产物被简单地萃取之后,包含手性铑催化剂的离子液体可以继续使用4次,而产物的对映选择性保持不变,只是在第4次时反应的转化率由73%下降到35%[17]。

3　烷基化反应

3.1烷烃与烯烃的烷基化

异丁烷与丁烯的烷基化是石油炼制工业中的一类重要反应，其是将催化裂化产物C4烃组分转化为C8支链异丁烷(烷基化油)的催化反应过程。目前工业上使用的反应工艺主要有两种：氢氟酸法和硫酸法。然而，这两种催化剂存在严重的设备腐蚀和环境污染问题，发展环境友好的烷基化反应工艺替代目前的液体酸烷基化工艺成为改进现行烷基化技术的主要方向。1994年，Chauvin等[18]首次将[bmim]Cl/AlCl3类离子液体运用于异丁烷/丁烯的烷基化反应，在优化反应条件下，得到了与硫酸法工艺质量相当的烷基化油。2003年，石油大学(北京)[19-20]陆续报道了利用非改性或改性的Et3NHCl/AlCl3离子液体催化此类烷基化反应。黄英蕾等[21]研究了酸性离子液体[C4mim]HSO4、[C6mim]HSO4、 [C8mim]HSO4催化异丁烷和丁烯烷基化反应，结果表明，用[C6mim]HSO4离子液体催化的效果最好，[C4mim]HSO4次之，[C8mim]HSO4催化效果略差。

3.2芳香烃的烷基化反应

传统的用于苯与烯烃反应制备烷基苯的催化剂包括HF和AlCl3，然而HF和AlCl3存在操作成本高以及后处理中分离困难的缺陷。孙学文等[22]研究了离子液体[bmim]Cl/[FeCl3]催化苯与十八烯烷基化合成烷基苯，结果显示反应温度、苯与十八烯的摩尔比以及催化剂的用量相对传统反应工艺更低，影响烯烃转化率以及产物选择性的最重要的因素是反应温度。离子液体在30 ℃有更高的活性，当苯与十八烯烃摩尔比为10，FeCl3离子液体相对于十八烯的摩尔比为0.08时，单烷基苯的选择性超过98%，烯烃的转化率达到100%。

刘晓飞等[23]研究了吗啉基磺酸功能化离子液体催化苯酚与叔丁醇的烷基化反应，表明离子液体用量为20%苯酚时，在最佳优化条件下苯酚的转化率和生成2,4-二叔丁基苯酚的选择性分别为92.4%和64.1%，离子液体重复使用三次，其催化活性不变。

3.3其它烷基化反应

Yi Hu等[24]报道了在基于1-丁基-3-甲基咪唑6-氟磷酸盐的离子液体中进行的氟化钾催化的环状酰亚胺与卤代烷的N-烷基化反应，该方法相对传统方法操作简便，产物易于分离而且产率高。

西门子医疗保健诊断公司(WO2014011762 A1 20140116)通过将9,10-二氢吖啶化合物与3-溴丙磺酸钠等磺酸盐类烷基化剂在离子液体溶剂中反应的方法将9,10-二氢吖啶化合物转化成N-烷基9,10-二氢吖啶，其中离子液体包括[BMIM][PF6]和[BMIM][BF4][25]。

Hu Yi等[26]研究了在离子液体[BMIM][PF6]或者[BMIM][BF4]中，碱K2CO3作用下，2-巯基苯并噻唑可以和不同卤代烃高选择性的进行S-烷基化反应。另外，他们还报道了在[BMIM][BF4]和水配合的反应体系中，芳基亚磺酸盐和不同卤代烃可顺利发生S-烷基化反应，得到烷基芳基砜。

4　结　语

在全球能源危机和环境问题日趋严重的背景下，建立节能、环保、安全的生产模式逐渐成为各行业的共识。离子液体作为一类新型绿色介质，有着巨大的科学探索价值和应用潜力。通过对离子液体在有机合成反应中的综述，掌握离子液体发展的前沿技术，可以促进清洁生产的推广，符合国际环保、可持续发展的理念。相信，随着研究的不断深入，离子液体的类型和在有机合成领域中的应用会被不断拓宽。

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Application of Ionic Liquids in Organic Syntheses

CUIYan,LIMin,ZHANGRu

(Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office, State Intellectual Property Office, Beijing 100081, China)

Ionic liquids are considered as one of the most promising green solvents and catalysts in 21st century for their excellent properties of non-volatility, good stability, good dissolubility and easily separated. Nowadays, they are widely applied in the field of organic syntheses and have attracted considerable interest. The development and application of ionic liquids are significance for alleviating the environmental pollution caused by toxic chemicals, and in accord with the development concept of energy saving, environmental protection. The study on the application of ionic liquids as reaction solvents or catalysts in traditional organic synthetic reactions including oxidation reaction, reduction reaction and alkylation reaction were reviewed.

ionic liquids; oxidation; reduction; alkylation

崔艳(1983-)，女，硕士，专利审查员，主要从事有机化学领域的发明专利实质审查。

李敏(1980-)，女，硕士，专利审查员，主要从事有机化学领域的发明专利实质审查。

O621.3

A

1001-9677(2016)07-0044-03