離子液體在有機合成反應中的應用(I)

崔　艷，李　敏，張　茹

(國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京　100081)

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離子液體在有機合成反應中的應用(I)

崔艷，李敏，張茹

(國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京100081)

離子液體因其不易揮發、穩定性好、溶解范圍廣、易分離等優點成為21世紀最有希望的綠色溶劑和催化劑之一，被廣泛地應用于有機合成領域，引起人們足夠的興趣。離子液體的開發和應用對緩解大量有毒化學品的使用導致的環境污染具有重要意義，符合當前社會節能、環保的發展理念。本文對離子液體作為反應介質或催化劑在有機傳統反應(包括氧化反應、還原反應、烷基化反應)中的應用進行了綜述。

離子液體； 氧化； 還原； 烷基化

傳統化學反應及相關化學工業使用大量的易揮發、有毒有機溶劑，例如苯、氯代烷烴、酮、醚等，造成了嚴重的環境污染，危害著人類的健康。因此，多年來人們一直在尋求綠色替代溶劑。離子液體因其不易揮發、穩定性好、溶解范圍廣、易分離等優點，成為綠色化學中最具前景的反應溶劑和催化劑。

首先，離子液體與典型的有機溶劑不一樣，由于離子液體完全由陰離子和陽離子組成，沒有電中性的分子，所以其具有良好的熱穩定性和導電性，能溶解大多數無機物、有機物和高分子材料。其次，離子液體作為溶劑可以改變某些反應的機理，使催化劑的活性、穩定性更好，選擇性、轉化率更高，并且具有易回收、可重復使用的優點[1]。另外，通過改變陰、陽離子中烷基取代基的長度和對稱性等途徑可以設計合成不同性質的離子液體，離子液體組成的這種可設計性，進一步拓寬了其在有機合成中的應用范圍[2]，使得其不僅可以作為溶劑使用，而且還可以作為某些反應的催化劑使用。因此，對離子液體的應用研究正在越來越多地受到人們的關注。本文綜述了離子液體在有機合成中的應用，包括氧化、還原反應、烷基化反應。

1　氧化反應

催化氧化反應是有機合成中的一類重要反應，在該類反應中使用離子液體作溶劑或者催化劑，一方面可以避免使用有機溶劑對環境造成的污染，另一方面可以提高某些反應的收率和選擇性。Shen 等[3]首次研究了離子液體作溶劑，氧氣作為氧化劑的基于雙異喹啉銅的選擇性氧化醇為相應的醛和酮的反應，結果顯示催化劑在離子液體中的催化活性比在普通有機溶劑中的催化活性高，氧化各類醇(包括一級醇、二級醇、烯丙醇和芐醇)的選擇性和收率均在80%以上。

臧樹良等[4]將四烷基銨高錸酸鹽與烷基咪唑硫酸氫鹽離子液體按一定比例混合，形成復合的相轉移催化劑，同時以烷基咪唑硫酸氫鹽離子液體作為反應溶劑，以雙氧水溶液作氧化劑，對環辛烯進行催化氧化反應，將環辛烯的轉化率提升到90%以上，辛二酸產率達60%以上，有效地提高了反應的選擇性，取得了令人滿意的效果。

Fadini等[5]研究了三價錳絡合物催化的鄰二醇的氧化斷裂，結果表明在該反應中使用離子液體作溶劑比使用普通溶劑產率提高10%～60%。當使用濃度為5mol%的[Mn(salen)(Py)·(OAc)]為催化劑，在60 ℃時，1,1,2,2-四苯基-1,2-乙二醇的碳碳鍵在氧氣氧化下斷裂生成相應的酮，產率高達99%。

梁棟等[6]以苯乙烯為原料，采用低毒無害的磷鎢酸手性離子液體為催化劑、H2O2為綠色氧化劑，通過直接催化氧化法以67%～82%的產率得到(R)-苯基乙二醇，其中對映體純度為96%～100%ee.。

岳爽等[7]公開了烯烴和氧化劑在甲基三氧化錸和錸離子液體的協同催化作用下進行環氧化反應，可以有效地提高了環氧化物產品的選擇性，提高了反應效率，其中的錸離子液體為1-烷基-3-甲基-咪唑高錸酸鹽，結構如下：

劉春等[8]在一個大氣壓的氧氣條件下，將芳香醛、堿和甲氧基封端的聚乙二醇修飾的咪唑鹽催化劑按摩爾比為0.5:0.505:0.025加入乙醇水溶液中，于30～60 ℃反應10 min～12 h得到芳香羧酸化合物。其中的咪唑鹽催化劑結構如下：

臧樹良等[9]將四烷基銨高錸酸鹽與烷基咪唑硫酸氫鹽離子液體按一定比例混合，形成復合的相轉移催化劑，同時以烷基咪唑硫酸氫鹽離子液體作為反應溶劑，以雙氧水溶液作氧化劑，對環辛烯進行催化氧化反應，以60%以上的產率得到辛二酸。

Safaei-Ghomi 等[10]研究了用高錳酸鉀氧化肟，在催化量的[bmim]Br、無溶劑條件下，高錳酸鉀可以高效、選擇性地氧化斷裂肟為相應的羰基化合物，而不會進一步氧化羰基化合物為羧酸。可見，離子液體可以降低高錳酸鉀的氧化性，提高氧化反應的選擇性。該反應的最佳反應條件為室溫，其中肟、離子液體和高錳酸鉀的摩爾比為1:0.7:0.4。

2　還原反應

離子液體或作為溶劑或用作催化劑在各類還原反應中均有應用。例如：用三烷基硼還原醛是一類重要的有機反應，然而，用簡單的三烷基硼化物還原通常需要超過150 ℃的高溫，kabalka等[11]報道了在bmimBF4,emimBF4和emimPF6溶劑中，用三烷基硼化物實施還原反應。例如當苯甲醛在emimPF6中用三叔丁基硼烷還原時，反應在100 ℃快速進行，并以96%的產率得到芐醇。

John L.Reynolds等[12]研究了胺介導的二苯甲酮在室溫下離子液體中的光還原反應，不同于有機溶劑中的該類反應，在多數情況下光還原主要生成相應的二苯甲醇。由于該反應僅消耗1當量胺，且溶劑容易回收，所以光還原是一種清潔的轉化二苯甲酮為二苯甲醇的方法。

Xinzhi Chen等[13]報道了雷尼鎳催化的以甲酸鹽作氫供體的腈的轉移氫化。與先前使用的氫供體例如肼和單甲酸肼相比，甲酸鹽更便宜和安全。制備了三種離子液體包括[DBUH+][C2H5COO-]、[DBUH+][C3H7COO-]和[DBUH+][C4H9COO-]用作反應介質，基于DBU的離子液體能明顯促進轉移氫化，其中[DBUH+][C4H9COO-]表現最好。與通常的有機或無機溶劑相比，基于DBU的離子液體顯示出明顯的優勢，其制備簡單，并可重復使用至少6次。

薛偉等[14]在離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([bimim]BF4)-水混合介質中，以NaBH4為還原劑制備了Ru-[bimim]BF4催化劑，并用于苯選擇性加氫反應。結果表明，相對于N2H4·H2O還原制備的催化劑，該催化劑具有明顯較高的環己烯選擇性，當苯轉化率為49.5%時，環己烯選擇性可達34.1%，這是由于硼的作用所致。重復使用時，由于離子液體的流失，暴露的Ru活性中心增多，因而苯轉化率升高，但環己烯選擇性下降。

Wolfson等[15]將離子液體與過渡金屬絡合物負載在聚合物上，形成穩定的兩相催化劑(催化劑既可以充分利用又不能因與有機溶劑接觸而被有機溶劑溶解)，進行系列還原催化實驗(包括2-環己烯-1-酮、1,3-環辛二烯的還原以及乙酰乙酸甲酯的不對稱還原)后發現，在聚合物載體下反應速度及選擇性方法較離子液體形成的兩相系統均有所提高，但反應速率及產率較均相催化尚有一定的差距。

Yves Chauvin等[16]在1995年首次成功實施Rh催化的環己烯的加氫還原，采用[bmim]+(BF4)-、[bmim]+(PF6)-等弱配位的離子液體作反應介質都很有效。

此外，離子液體還被廣泛地應用于各種不對稱催化氫化反應中。例如： Dupont等報道了(E)乙酰氨基肉桂酸甲酯的不對稱催化氫化反應,該研究組用手性銠催化劑在離子液體[bmim][PF6]和[bmim][BF4]中進行反應。研究表明氫分子濃縮在離子液體中,而不依靠氫氣的壓力,這樣對反應的轉化率和對映選擇性都有一個戲劇性的影響,氫分子在無水的離子液體[bmim][PF6]中的溶解度比在[bmim][BF4]中的溶解度小四倍,在無水離子液體[bmim][BF4]中得到的結果最好(73% conv., 93%ee)。產物被簡單地萃取之后,包含手性銠催化劑的離子液體可以繼續使用4次,而產物的對映選擇性保持不變,只是在第4次時反應的轉化率由73%下降到35%[17]。

3　烷基化反應

3.1烷烴與烯烴的烷基化

異丁烷與丁烯的烷基化是石油煉制工業中的一類重要反應，其是將催化裂化產物C4烴組分轉化為C8支鏈異丁烷(烷基化油)的催化反應過程。目前工業上使用的反應工藝主要有兩種：氫氟酸法和硫酸法。然而，這兩種催化劑存在嚴重的設備腐蝕和環境污染問題，發展環境友好的烷基化反應工藝替代目前的液體酸烷基化工藝成為改進現行烷基化技術的主要方向。1994年，Chauvin等[18]首次將[bmim]Cl/AlCl3類離子液體運用于異丁烷/丁烯的烷基化反應，在優化反應條件下，得到了與硫酸法工藝質量相當的烷基化油。2003年，石油大學(北京)[19-20]陸續報道了利用非改性或改性的Et3NHCl/AlCl3離子液體催化此類烷基化反應。黃英蕾等[21]研究了酸性離子液體[C4mim]HSO4、[C6mim]HSO4、 [C8mim]HSO4催化異丁烷和丁烯烷基化反應，結果表明，用[C6mim]HSO4離子液體催化的效果最好，[C4mim]HSO4次之，[C8mim]HSO4催化效果略差。

3.2芳香烴的烷基化反應

傳統的用于苯與烯烴反應制備烷基苯的催化劑包括HF和AlCl3，然而HF和AlCl3存在操作成本高以及后處理中分離困難的缺陷。孫學文等[22]研究了離子液體[bmim]Cl/[FeCl3]催化苯與十八烯烷基化合成烷基苯，結果顯示反應溫度、苯與十八烯的摩爾比以及催化劑的用量相對傳統反應工藝更低，影響烯烴轉化率以及產物選擇性的最重要的因素是反應溫度。離子液體在30 ℃有更高的活性，當苯與十八烯烴摩爾比為10，FeCl3離子液體相對于十八烯的摩爾比為0.08時，單烷基苯的選擇性超過98%，烯烴的轉化率達到100%。

劉曉飛等[23]研究了嗎啉基磺酸功能化離子液體催化苯酚與叔丁醇的烷基化反應，表明離子液體用量為20%苯酚時，在最佳優化條件下苯酚的轉化率和生成2,4-二叔丁基苯酚的選擇性分別為92.4%和64.1%，離子液體重復使用三次，其催化活性不變。

3.3其它烷基化反應

Yi Hu等[24]報道了在基于1-丁基-3-甲基咪唑6-氟磷酸鹽的離子液體中進行的氟化鉀催化的環狀酰亞胺與鹵代烷的N-烷基化反應，該方法相對傳統方法操作簡便，產物易于分離而且產率高。

西門子醫療保健診斷公司(WO2014011762 A1 20140116)通過將9,10-二氫吖啶化合物與3-溴丙磺酸鈉等磺酸鹽類烷基化劑在離子液體溶劑中反應的方法將9,10-二氫吖啶化合物轉化成N-烷基9,10-二氫吖啶，其中離子液體包括[BMIM][PF6]和[BMIM][BF4][25]。

Hu Yi等[26]研究了在離子液體[BMIM][PF6]或者[BMIM][BF4]中，堿K2CO3作用下，2-巰基苯并噻唑可以和不同鹵代烴高選擇性的進行S-烷基化反應。另外，他們還報道了在[BMIM][BF4]和水配合的反應體系中，芳基亞磺酸鹽和不同鹵代烴可順利發生S-烷基化反應，得到烷基芳基砜。

4　結　語

在全球能源危機和環境問題日趨嚴重的背景下，建立節能、環保、安全的生產模式逐漸成為各行業的共識。離子液體作為一類新型綠色介質，有著巨大的科學探索價值和應用潛力。通過對離子液體在有機合成反應中的綜述，掌握離子液體發展的前沿技術，可以促進清潔生產的推廣，符合國際環保、可持續發展的理念。相信，隨著研究的不斷深入，離子液體的類型和在有機合成領域中的應用會被不斷拓寬。

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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

崔艷(1983-)，女，碩士，專利審查員，主要從事有機化學領域的發明專利實質審查。

李敏(1980-)，女，碩士，專利審查員，主要從事有機化學領域的發明專利實質審查。

O621.3

A

1001-9677(2016)07-0044-03