苯并咪唑离子液体的合成及其催化尼泊金甲酯的合成

刘玉婷，邹倩，尹大伟

(陕西科技大学 化学与化工学院 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，西安 710021)

近年来，基于环保理念，从源头上减少或消除化学工业对环境的危害，使绿色有机合成得到了足够的重视。在有机化合物的合成中，绿色合成方法的设计和选择、 绿色试剂、溶剂及催化剂的使用、副产品及产品的处理等的绿色化是目前有机合成的主要目标。离子液体作为新型溶剂及催化剂，本身是一种低熔点的有机盐，具有很多优异特性[1]，例如低毒性、低蒸气压、高堆积密度、宽液相线范围、离子电导率具有较高的热稳定性、低腐蚀性和易处理性等。苯并咪唑离子液体作为咪唑离子液体的衍生物[2]，因此具有咪唑离子液体的多种优良性质，例如对空气和水不敏感、熔点低、稳定性高等。尼泊金酯具有化学稳定性高、不挥发、抗菌、成本低且无气味等优势。由于其优越的抗真菌和抗微生物特性，常用于化妆品[3]、食品和饮料中作为防腐剂[4]。酯化反应通常采用浓硫酸催化，但浓硫酸存在腐蚀设备、催化产率低、产物分离困难、后处理较复杂、有大量废酸产生等缺点，因此为了解决传统方法产生的环境污染、经济成本高、不利于工业生产的问题，人们开始尝试使用绿色催化剂，如离子液体、酶、壳聚糖等催化酯化反应。特别是离子液体催化反应，不仅效率高、产品纯度高，而且催化剂可以回收再利用，降低了反应成本。本课题组近年来一直在探索高效绿色合成尼泊金酯的方法[5-9]。本文中首先合成了8种苯并咪唑离子液体，并通过FT-IR、1H NMR、13C NMR

对其结构进行了表征，并对其溶解性、吸水性、pH、电导率、SEM、TGA等进行了系统分析，同时重点考察了离子液体催化合成尼泊金甲酯，并优化了反应条件。

图1 苯并咪唑离子液体的合成

图2 尼泊金甲酯的合成

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

红外光谱采用德国Bruker公司的VECTOR-22傅立叶红外光谱仪测定(KBr压片)；核磁共振采用德国Bruker公司的ADVANCE Ⅲ 400 MHz核磁共振仪测定(以DMSO-d6为溶剂，以TMS为内标)；熔点采用北京泰克仪器有限公司的X-4型数字显示显微熔点仪测定(温度计未经校正)；电导率采用DDS-11A 型电导率仪(电导电极为 DDS-1型铂电极)测定；热重分析采用美国TA公司的TGA Q500型热重分析仪测定；场发射扫描电镜(SEM)采用日本Hitachi公司的S4800型场发射扫描电镜仪测定。

所用试剂均为市售分析纯。N-苄基苯并咪唑按文献[10]的方法合成。

1.2 N-苄基苯并咪唑离子液体的合成

在干燥的100 mL三口烧瓶中，加入0.208 g(1 mmol)N-苄基苯并咪唑、30 mL无水乙醇，搅拌至全溶。冰浴下缓慢滴加酸，然后室温反应8 h，至反应完全(TLC监测)。蒸除溶剂，残余物用乙醚洗涤、抽滤、干燥得白色固体。用无水乙醇重结晶得到N-苄基苯并咪唑离子液体纯品。

N-苄基苯并咪唑硫酸氢盐(IL1):白色固体,产率88.6%, m.p.195～197 ℃(194.8～195.2 ℃[11])。IR(KBr)ν：3108(ν=C-H), 1613(νC=N), 1548, 1442(ν苯环骨架),1312(νC-N), 758 (γ1,2-Ph-H);1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ: 9.84 (s, 1H,N-CH), 7.91 (d, J=7.56 Hz,2H, Ar-H),7.50(m,7H,Ar-H),5.74(s,2H,N-CH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:142.01,134.49,130.85, 129.02,128.66,128.23,126.49,126.06,115.36,113.51,49.93。

N-苄基苯并咪唑氟硼酸盐(IL2):白色固体,产率85.9%,m.p.106～108 ℃(108～110 ℃[12]。IR(KBr)ν：3141(ν=C-H), 1622(νC=N), 1553, 1440(ν苯环骨架)，1371(νC-N),753(γ1,2-Ph-H);1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ: 9.77 (s, 1H,N-CH),7.89(d,J=7.50 Hz,2H, Ar-H), 7.49 (m, 7H, Ar-H),5.76(s,2H,N-CH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:141.70,134.15,131.05,128.91,128.56,128.06,126.48,126.09,115.03,113.35,49.76。

N-苄基苯并咪唑对甲苯磺酸盐(IL3):白色固体,产率82.4%,m.p.113～115 ℃。IR(KBr)ν 3104(ν=C-H),1609(νC=N),1540,1440(ν苯环骨架), 1371(νC-N), 753 (γ1,2-Ph-H);1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ: 9.80 (s, 1H,N-CH), 7.87 (d, J=7.11 Hz,2H, Ar-H), 7.41 (m, 9H, Ar-H), 7.10 (s, 2H, Ar-H),5.76(s,2H, N-CH2), 2.27 (s, 3H, -CH3);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:145.18,142.00,138.12,134.36,131.58,130.80,128.96,128.59,128.28,128.20,126.37,126.04,125.56,115.32,113.44,49.60,20.94。

苄基苯并咪唑磷酸二氢盐(IL4):白色固体,产率88.1%,m.p.146～148 ℃。IR(KBr)ν：3104(ν=C-H), 1722(νC=N), 1553, 1446(ν苯环骨架), 1302(νC-N), 753 (γ1,2-Ph-H);1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ:8.50(s, 1H,N-CH), 7.68 (d, J=7.58 Hz,2H, Ar-H),7.27 (m, 7H, Ar-H), 5.51 (s, 2H, N-CH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:144.14,136.69,133.44,128.88,127.99,127.53,123.00,122.32,119.19,111.12,47.99。

N-苄基苯并咪唑盐酸盐(IL5):白色固体,产率80.2%,m.p.136～138 ℃。IR(KBr)ν：3058(ν=C-H), 1626(νC=N), 1556, 1451(ν苯环骨架), 1302(νC-N), 761 (γ1,2-Ph-H);1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ: 9.29 (s, 1H,N-CH), 7.71 (d, J=7.46 Hz,2H, Ar-H),7.35 (m, 7H, Ar-H), 5.67 (s, 2H, N-CH2);13C NMR(DMSO-d6,101 MHz)δ:143.16,135.93,132.37,129.01,128.35,128.02,124.46,124.25,117.4,112.36,48.83。

N-苄基苯并咪唑三氟乙酸盐(IL6):淡黄色黏状固体,产率78.6%,m.p.107～109 ℃。IR(KBr)ν：3110(ν=C-H), 1790(νC=O), 1671(νC=N), 1546(ν苯环骨架), 1371(νC-N), 715 (γ1,2-Ph-H);1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ: 9.75 (s, 1H,N-CH), 7.90 (d, J=7.68 Hz,2H,Ar-H), 7.39 (m, 7H, Ar-H), 5.76 (s, 2H, N-CH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:141.97,134.46,130.90,128.78,128.36,127.91,125.85,125.53,115.44,113.05,49.34。

N-苄基苯并咪唑甲磺酸盐(IL7):淡黄色黏状固体,产率75.9%,m.p.70～72 ℃。IR(KBr)ν：3097(ν=C-H),1630(νC=N),1553,1442(ν苯环骨架),1312(νC-N),758(γ1,2-Ph-H);1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,)δ:9.89 (s, 1H,N-CH), 7.89 (d, J=7.24 Hz,2H, Ar-H), 7.34 (m, 7H, Ar-H), 5.79 (s,2H, N-CH2), 2.42 (s, 3H, -CH3);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:141.98,134.48,131.20,130.77,129.11,128.76,128.34,126.66,126.35,115.21,113.66,49.62。

N-苄基苯并咪唑硝酸盐(IL8):白色固体,产率81.5%,m.p.97～99 ℃。IR(KBr)ν：3097(ν=C-H), 1615(νC=N), 1546, 1459(ν苯环骨架), 1378(νC-N), 740 (γ1,2-Ph-H);1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ: 9.63 (s, 1H,N-CH),7.84 (d,J=7.47 Hz, 2H, Ar-H), 7.41 (m, 7H, Ar-H),5.74 (s, 2H, N-CH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:142.37,134.77,131.20,128.95,128.50,128.06,125.80,125.60,115.83,113.09,49.19。

1.3 尼泊金甲酯的合成

在干燥的100 mL三口烧瓶中，加入1.381 g(10 mmol)对羟基苯甲酸和4.143 g(30 mmol)甲醇搅拌至全溶，再加入15%的苯并咪唑离子液体(相对于酸的物质的量)。缓慢升温回流反应6 h，TLC监测至反应结束。减压蒸除溶剂，剩余物用乙醚洗涤，抽滤，滤饼即苯并咪唑离子液体，可循环使用多次；滤液旋干，用无水乙醇重结晶得到纯品，m.p.122～124 ℃(126～128 ℃)。IR(KBr)ν:3410(νO-H),3072(νPh-H),2878(νC-H),1728(νC=O),1615,1433(ν-苯环),1202(νC-O-C),828(γ1,4-Ph-H)。

2 结果与讨论

2.1 离子液体的溶解性

分别以乙酸乙酯、甲醇、乙醇、乙醚、苯、甲苯、氯仿、二氯甲烷、水、正已烷、乙腈及丙酮为溶剂，考察离子液体的溶解性。溶解度标准根据《中国药典》易溶、溶解、略溶、微溶、几乎不溶或不溶来描述其溶解性能[13]。离子液体的溶解性结果见表1。

表1 离子液体的溶解性Table 1 The solubility of ionic liquid

续 表

由表1可知，离子液体(IL1-8)在乙酸乙酯、甲醇、乙醇、氯仿、二氯甲烷、乙腈、丙酮里溶解而在乙醚、苯、甲苯、正已烷中不溶。IL1、IL3、IL4、IL6、IL7在水中溶解而IL2、IL5、IL8在水中微溶。离子液体在乙醚、苯、甲苯、正己烷中不溶，可能与溶剂的极性有关，一般溶剂的极性越大，化合物在其中的溶解性越好。

2.2 离子液体的吸水性

将离子液体(IL1-8)放在烘箱中干燥24 h后分别取0.01 g放在表面皿上，并平整地铺开，在室温下每隔2 h分别称其质量，共放置24 h,计算其吸水率。离子液体(IL1-8)吸水性结果见表2。

表2 离子液体的吸水性Table 2 The hygroscopicity of ionic liquid

由表2可知，所有离子液体(IL1-8)都有较好的吸水性。离子液体IL7(N-苄基苯并咪唑甲磺酸盐)吸水性最好，而离子液体IL4(N-苄基苯并咪唑磷酸二氢盐)吸水性最差。

2.3 离子液体的pH值

将能溶于水的离子液体IL1、IL3、IL4、IL6、IL7配成不同浓度的水溶液，然后测其pH值，其pH结果见表3(因IL2、IL5、IL8微溶于水，因此无法测其pH)。

表3 离子液体的pH值Table 3 The pH values of ionic liquid

由表3可知，5种测试的离子液体都有较强的酸性。同一种离子液体，pH值随着质量分数的增大而减小。IL1(N-苄基苯并咪唑硫酸氢盐)的pH值最小，pH值可能与阴离子有关,HSO4-电离出H+浓度大，因此酸性高。

2.4 离子液体的电导率

电导率是离子液体的一个重要参数。分别以水、无水乙醇为溶剂把离子液体配成10～5 mol/L的溶液，测定不同温度下的电导率，在水中的电导率见表4(由于IL2、IL5、IL8微溶于水，因此无法测其在水中的电导率)；在无水乙醇中的电导率见表5。

表4 离子液体在水中的电导率Table 4 The electrical conductivity of ionic liquid in water

表5 离子液体在乙醇中的电导率Table 5 The electrical conductivity of ionic liquid in ethanol

由表4和表5可知，离子液体的电导率随着温度的升高而增大，在水中的电导率远远大于在乙醇中的电导率。IL3(N-苄基苯并咪唑对甲苯磺酸盐)在水中的电导率最小，IL4(苄基苯并咪唑磷酸二氢盐)在水中的电导率最大，这可能和阴离子空间构型有关。IL7(苄基苯并咪唑甲磺酸盐)在乙醇中的电导率最大，而IL5(N-苄基苯并咪唑盐酸盐)的最小。IL1(N-苄基苯并咪唑硫酸氢盐)与IL2(苄基苯并咪唑氟硼酸盐),IL4(苄基苯并咪唑磷酸二氢盐)与IL5(N-苄基苯并咪唑盐酸盐)的电导率接近。

2.5 离子液体的热重分析

用TGA Q500型热重分析仪测试离子液体(IL1～L18)的热稳定性，在氮气保护下，以升温速率10 ℃/min测定了8种离子液体的热稳定性，结果见图3。

图3 离子液体的TGA图

由图3可知，离子液体(IL1～L18)的分解温度都大于250 ℃，说明离子液体比较稳定。IL7(苄基苯并咪唑甲磺酸盐)最先出现质量损失。离子液体在刚开始逐渐升温的过程中有一个较长的恒重过程，但是在255～300 ℃左右，有明显的质量损失，这是失去了结晶水的缘故。在320～370 ℃，有特别明显的质量损失，可能是苯并咪唑环、阴离子的结构遭到破坏。

2.6 离子液体的场发射扫描电镜(SEM)数据分析

用S4800型场发射扫描电镜(SEM)，放大一定倍数，观测离子液体(IL1-8)的表面形貌，结果见图4。

图4 离子液体的SEM图

由图4可知，IL1、IL2、IL5分别放大22000，12000，15000倍观察到的形态是规则的,表面均匀且光滑，由棒组成，直径分别是20，40，5 μm。而IL3、IL4、IL6、IL7、IL8分别放大10000，11000，15000，20000，22000倍后观察到其表面是堆积颗粒的形态，表面积较大，可能具有优异的催化活性，直径分别为50，40，30，20，20 μm。

2.7 离子液体催化合成尼泊金甲酯

以离子液体IL1(N-苄基苯并咪唑硫酸氢盐)为催化剂，考察其催化尼泊金甲酯合成的效果。在单因素实验的基础上，通过正交实验，考察反应温度、反应时间、催化剂用量、原料摩尔比对尼泊金甲酯产率的影响。正交实验因素水平见表6，正交实验结果见表7。

表6 正交实验因素水平表Table 6 The factors and levels of orthogonal experiment

表7 正交实验与结果Table 7 The results of orthogonal experiment

由表7可知，各因素对尼泊金甲酯产率影响的主次顺序为反应温度>反应时间>对羟基苯甲酸和甲醇的摩尔比>催化剂用量。各因素的较优水平组合为A3B3C3D2，即合成尼泊金甲酯的最佳反应条件：对羟基苯甲酸和甲醇的摩尔比为 1∶3，回流反应6 h ，催化剂用量n=15%n对羟基苯甲酸。

为了考察正交实验得出的最佳反应条件的合理性，以最佳反应条件合成尼泊金甲酯，结果见表8。

表8 最佳反应条件的重复Table 8 The repetition of optimal reaction conditions

由表8可知，最佳反应条件重复5次 ，尼泊金甲酯的产率均比正交表里的数据高。

2.8 离子液体的重复使用

为了考察离子液体的重复使用性，在最佳反应条件下，以IL1(N-苄基苯并咪唑硫酸氢盐)催化合成尼泊金甲酯，循环使用5次，考察催化剂的重复使用对尼泊金甲酯产率的影响，结果见表9。

表9 离子液体的重复使用性Table 9 The reusability of ionic liquid

由表9可知，随着重复使用次数的增多，产率降低，但是降低幅度不大，说明离子液体作为催化剂的重复使用效果良好。

3 结论

本文提供了一种绿色、经济、高效、低成本合成尼泊金甲酯的方法。首先合成了8种苯并咪唑离子液体，并将其用于催化尼泊金甲酯的合成，同时优化了反应条件，得出最佳反应条件为：对羟基苯甲酸和甲醇的摩尔比1∶3，回流反应时间6 h，催化剂用量n=15%n对羟基苯甲酸，产率高达86%以上，为尼泊金甲酯的绿色合成提供了理论依据。