1、毕业论文 开题报告 化学工程与工艺 阴离子手性离子液体的合成研究 一选题背景及意义 伴随着经济飞跃发，人类所生存的环境也面临着严峻的考验，而大多数环境污染是由化工生成所造成的。如何解决生态环境问题，减少环境污染，实现清洁化可持续发展的化学化工生产，使得绿色化学成为一门尤为重要的化学分支学科。 作为一种新型的有机溶剂，离子液体因其独特的化学特性 (不挥发、无蒸气压、易与其它物质分离、不可燃等 )逐渐成为人们研究的热点 ，如今已被成功地用于化学合成、化学分离和电化学方面，并取得了较好的结果。 近年来，将离子液体应用于不 对称合成逐渐引起研究者的兴趣。离子液体在不对合成中的作用大致有 3种： (1)
2、 离子液体作为反应溶剂，而手性的产生是来自手性底物或手性试剂； (2) 离子液体用来回收手催化剂，手性的产生是来自于手催化剂； (3) 使用手性离子液体催化不对称合或拆分对映体。 手性离子液体 (Chiral Ionic Liquids，简称 CILs)是一类功能化的离子液体 1-2，它综合了离子液体及手性物质两方面的优点及特性， 可应用于手性识别、不对称合成、对映体的拆分、立体选择聚合、气相色谱、 NMR位移试剂和液晶等领域。合成手性离子液体 较为困难且费用昂贵限制了它的广泛应用，但是由于在不对称合成中 手性离子液体 可作为手性诱导物或手性催化剂的应用前景促使研究者不断地去合成新型手性离子液
3、体。手性离子液体的制备既可以使用手性源 (如氨基酸、胺、氨基醇以及生物碱类 )，也可以利用不对称合成的手段 ,其所具有的手性可位于分子的中心、轴或者平面上。 阴离子型离子液体的手性源可以是天然的手性羧酸 ， 如天然氨基酸 3、 L-乳酸 4等 ， 因此 ， 阴离子型手性离子液体的合成有比较大的空间 。阴离子手性离子液体 可通过 离子交换反应 获得 ，其 阴离子 部分来自手性氨基酸的酸根，阳离子部 分来自普通的离子液体 。 交换反应中利用无机盐在 有机溶剂中的溶解度低 的性质，使卤化钠或卤化钾沉淀析出， 从而获得手性离子液体 。 二、相关研究的最新成果及动态 2. 1 含手性碳离子液体 咪唑类手
4、性离子液体是有机工作者研究最多的一类离子液体。 1997 年，Howarth 等 3合成并报道了首个具有手性的离子液体溴化 N,N-二 (S-2-甲基丁基 )咪唑 (图 1.1)，开启了手性离子液体研究的热潮。 图 1.1 图 1.2 2004 年， Laschat 等 4利用香茅醇与三苯基磷反应后得到的溴代物 1 与一系列烷基咪唑发生烷基化，阴离子交换合成了一系列具有香茅基的手性离子液体(图 1.2)。 同时， Jonathan 等 5利用易得的乳酸乙酯与 N-甲基咪唑为原料合成了一种新型疏水性手性离子液体，且获得和很好的产率。 图 1.3 2005 年， Ko 等 6发以手性醇与咪唑为原料
5、，利用 Mitsunobu 反应合成离子液体前体 (图 1.4)，另外他们也合成了两种具有手性的离子液体。 图 1.4 Bao 等人 7以天然的 (L)-酒石酸二乙酯与 (L)-乳酸乙酯为手性源合成两种新型手性咪唑离子液体 (图 1.5)。 图 1.5 2007 年， Luo 等人 8以 L-吡咯醇为手性源，通过四步反应得到了一系列手性离子液体，这些离子液体在室温条件下为粘稠状的液体，能够溶解于中等极性的离子液体而不能够溶解于弱极性的溶剂。 图 1.6 2008 年， Zlotin 等人 9合成了具有两性的手性咪唑离子液体 2，他们以具有手性的化合物 1 为手性源，经过四步反应 合成了目标产物
6、 (图 1.7)，其中阴离子为 BF4-的离子液体熔点最低，为 119 。 图 1.7 2003 年， Bao 等 10利用手性胺与乙二醛的成环反应，制得含手性烷基的取代咪唑后与氯代烃反应，再进行阴离子交换得到了熔点为 90 手性离子液体 (图1.8)，总产率为 30%，这个合成路线巧妙的避开了常用的在咪唑环上引入手性中心的烷基化反应路线，为设计功能化离子液体结构提供了一个新的思路。 图 1.8 2005 年， Genisson 等人 11以具有手性伯胺为起始原料，依次进行烷基化、成环、氧化和离子交换后得到了手性离子液体 3(图 1.9)，他们在氧化前也对 4,5-二氢咪唑进行烷基化后合成了一
7、类手性离子液体 2(图 1.9)，这些离子液体在常温下均为液态且与水不混溶。 图 1.9 2008 年， Headley 等 12为了研究离子液体对 BH 反应的影响合成了具有双手性咪 唑类离子液体。他们以 1-甲基 -2-咪唑甲醛与 (1S,2R)-去甲麻黄碱为起始原料，通过缩合反应，烷基化，离子交换得到目的产物 (图 1.10)。 图 1.10 1999 年， Seddon 等 13通过利用具有手性的 (S)-2-羟基丙酸钠与甲基丁基咪唑氯化盐进行离子交换，合成了第一例具有手性阴离子的离子液体。 图 1.11 Ohno 等 14第一次合成并报道了以 Emim+为阳离子，而阴离子则为 20
8、种氨基酸的手性离子液体。这些含手性阴离子的离子液体均为透明的液体，且不溶于乙醚，但是能够溶解于大多数有机溶剂，如甲醇等。 图 1.12 与此同时，吡啶类手性离子液体也因其独特的性质进入了科研工作者的研究范围。 2002 年， Haramoto 等 15研究了一种含烷基吡啶阳离子的手性离子液晶，这种手性离子液晶以双 环为核心，含有 1,3-二氧杂环，手性中心在吡啶环的取代烷基上。他们通过 4 个步骤共合成出四种离子液体，产率为 28%48%，因其液晶转变温度低于 100 且具有季铵盐的结构，可以看做一种吡啶类离子液体 (图1.13)，其合成路线如所示： 图 1.13 2004 年， Lascha
9、t 等 16利用香茅醇与三苯基磷反应后得到的溴代物与吡啶在45 下反应 4 天得到最简单的手性离子液体吡啶的溴盐，其产率为 98%。 图 1.14 Patrascu 等 17利用吡啶和 1-氯 -2,4-二硝基苯反应得到的 Zincke 盐与 (R)-(+)-苯乙胺和 (S)-(-)-苯乙胺反应制得的手性离子液体经过阴离子交换可制取相关的手性离子液体。实验结果发现，这些离子液体的熔点与阴离子有很大的关系：Cl-PF6-BF4-NTf2-，其中含 NTf2-的离子液体在室温条件下为液体。 图 1.15 Fringuelli 等 18在 Al(OTf)3 存在下用胺甲基吡啶作为亲核试剂进攻氧化环己
10、烯时期开环，随后进行氨基的苯甲磺酰话和，羟基甲磺酰化，最后在 40 以MeOH/H2O(1： 1)混合液为溶剂的条件进行环化得到相应的手性离子液体 (图1.16），产率为 80%。 图 1.16 2005 年， Drahonovsky 等 19以松香芹酮为原料得到了一种新的吡啶盐手性离子 液体 (图 1.17)。他们先是将松香芹酮 Krohnke 缩合，然后进行烷基化，得到一种高粘稠的液体，其玻璃化温度低于 0 ，若阴离子为 CF3CO2 时，其稳定性到到 160 ，而为 CF3CSO2(简称 TfO)时更高，其分解温度为 200 。 图 1.17 2006 年， Pernak 等 20用氯甲
11、基 (1R,2S,5R)-(-)薄荷醚与吡啶进行 Menschutkin反应得到具有手性的吡啶盐，接着进行阴离子交换得到一系列的离 子液体 (图1.18），实验结果发现阴离子为 NTf2 的手性吡啶离子液体的熔点最低，甚至在常温下就为液体。 图 1.18 图 1.19 2008 年， Ni 等 21利用 (S)-(2-胺甲基 )-1-叔丁氧羰基 -吡咯烷与氯化 N-(2,4-二硝基 )-苯基吡啶盐通过 Marazano 反应得到了类似的具有手性吡啶离子液体 (图1.19)。 Bischoff 等 22利用 Mitsunobu 反应，通过对 pKa 值的控制，在 PPh3 和 DIAD的存在下合
12、成了具有铵盐类的手性吡啶离子液体 (图 1.20)，在此反应的过程中，能够有效的控制氨基的烷基化反应从而得到产率较高的目的产物。 图 1.20 另外，一些科研工作者们合成了以胺为模板的手性碳离子液体。 2001 年，Kitazume23利用 (S)-尼古丁合成了一些手性离子液体 (图 1.21)。 图 1.21 2002 年， Wasserscheid 等 24分别以 (R)-2-氨基 -1-丁醇和 (-)-麻黄素为原料，经过 Leuckart-Wallach 反应，用硫酸二甲酯烷基化并进行阴离子交换，得到具有手性的季铵盐离子液体。其中以 (R)-2-氨基 -1-丁醇为原料合成的离子液体粘度低
13、且熔点仅有 -18 (图 1.22)，而以 (-)-麻黄素为原料所得的离子液体的熔点也只有54 (图 1.23)。 图 1.22 图 1.23 2004 年， Thanh 等 25利用 (1R,2S)-N-甲基麻黄素与卤代烷进行反应后所得的物质进行与 PF6-， BF4-， TfO-进行离子交换获得了一系列季铵盐类手性离子液体(图 1.24)，其中，产品中除了 C16H33 和 C4H9 的 PF6-盐是固体，其 它 均为液体。 图 1.24 2005 年， Pernak 等 26利用 (1R,2S,5R)-(-)-薄荷醇甲基化后得到的产物(1R,2S,5R)-(-)-氯甲基薄荷醚进行季铵化反
14、应制得氯代三烷基 -(1R,2S,5R)-(-)-氯甲基薄荷醚 )铵，通过对烷基及阴离子改变的不断得到了一系列手性离子液体 (图1.25)。 图 1.25 陶国宏等人 27 以 L-构型的天然氨基酸为原料通过简单的处理得到了一类反应过程为 “原子经济性 ”的手性离子液体 (图 1.26)。起初，他们将氨基酸在强酸的条件下直接合成，但是由于氢键的存，这类离子液体的熔点很高，接着他们将氨基酸进行酯化后在与相应的盐进行离子交换，得到一类熔点比较低的新型手性离子液体 (图 1.26)。 图 1.26 2.2 含手性轴离子液体 手性轴是利用键的刚性阻止键的旋转而产生的手性对映体。 Judeinstein
15、 和Plaquevent 等 28首次设计并合成了一系列含有手性轴的吡啶类离子液体：先将 4-吡啶甲醛缩合化，随后溴化得到的顺式构型化合物在溴化氢蒸汽中异构化为反式构型，在过量的 N-甲基麻黄素的醇钾盐作用下脱去一个溴化氢，得到具有光活性的化合物。由此化合物出发，经过烷基化，阴离子交换可以制备出一系列的手性离子液体 (图 1.27)。他们合成的新型手性离子液体具有低熔点和玻璃化温度，同时热稳定性能到到 150 以上。 图 1.27 2.3 含手性面离子液体 与含有手性中心，手性轴的离子液体相比，含有手性平面的离子液体作为一类独特而又重要的一类而近些年来被众多科研工作者们研究。 Saigo 等
16、29于 2002 年首次合成并报道了具有手性面的咪唑阳离子离子液体，他们利用烷基咪唑与两端为卤代烃进行两次烷基化反应得到具有环状的咪唑阳离子，接着与锂盐进行阴离子交换得到目标产物 (图 1.28)，产率只有 36%左右。随后，他们又合成了具有 “冠醚 ”状带有手性面的离子液体 30(图 1.29)。 图 1.28 图 1.29 但该研究小组前期合成具有手性平面离子液体均是外消旋化的，他们在以往工作的基础上合成了具有高度对映纯的离子液体 31。他们利用具有光学活性的(S)- Valinol，乙醛，乙二醛和醋酸铵一步制得对映纯的咪唑衍生物 (S)-2， (S)-2接着与 1,8-二氯辛烷偶联得到产物 (S)-3，最后， (S)-3 在热的 N,N-二甲基乙酰胺中通过分 子内季铵化以 82% 和 4% 的产率得到两种咪唑盐，再利用CH2Cl2/AcOEt 进行重结晶得到两个高度对映纯的非对映异构体 (Sp,S)-1-Cl 和(Rp,S)-1-Cl（ 99： 1） (图 1.30)。 图 1.30 2.4 其 它 手性离子液体 2002 年， Wassercheid 等 32以 (S)-缬氨酸为手性源分别经过还原，与丙酸进行环化生成噁唑啉，接着与卤代烃反应后得到目的产物 (图 1.31)，其总收率为40%， 其中它们在酸性条件下均不稳定。
