陰離子手性離子液體的合成研究【開題報告】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開題報告</b></p><p><b>　　化學工程與工藝</b></p><p>　　陰離子手性離子液體的合成研究</p><p><b>　　一．選題背景及意義</b></p><p>　　伴隨著經(jīng)濟飛躍發(fā)，人類所生存的環(huán)境也面臨著嚴

2、峻的考驗，而大多數(shù)環(huán)境污染是由化工生成所造成的。如何解決生態(tài)環(huán)境問題，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)清潔化可持續(xù)發(fā)展的化學化工生產(chǎn)，使得綠色化學成為一門尤為重要的化學分支學科。作為一種新型的有機溶劑，離子液體因其獨特的化學特性(不揮發(fā)、無蒸氣壓、易與其它物質分離、不可燃等)逐漸成為人們研究的熱點，如今已被成功地用于化學合成、化學分離和電化學方面，并取得了較好的結果。</p><p>　　近年來，將離子液體應用于不對稱合成逐漸

3、引起研究者的興趣。離子液體在不對合成中的作用大致有3種：(1) 離子液體作為反應溶劑，而手性的產(chǎn)生是來自手性底物或手性試劑；(2) 離子液體用來回收手催化劑，手性的產(chǎn)生是來自于手催化劑；(3) 使用手性離子液體催化不對稱合或拆分對映體。</p><p>　　手性離子液體(Chiral Ionic Liquids，簡稱CILs)是一類功能化的離子液體[1-2]，它綜合了離子液體及手性物質兩方面的優(yōu)點及特性，可應用于

4、手性識別、不對稱合成、對映體的拆分、立體選擇聚合、氣相色譜、NMR位移試劑和液晶等領域。合成手性離子液體較為困難且費用昂貴限制了它的廣泛應用，但是由于在不對稱合成中手性離子液體可作為手性誘導物或手性催化劑的應用前景促使研究者不斷地去合成新型手性離子液體。手性離子液體的制備既可以使用手性源(如氨基酸、胺、氨基醇以及生物堿類)，也可以利用不對稱合成的手段,其所具有的手性可位于分子的中心、軸或者平面上。陰離子型離子液體的手性源可以是天然的手性

5、羧酸，如天然氨基酸[3]、L-乳酸[4]等，因此，陰離子型手性離子液體的合成有比較大的空間。陰離子手性離子液體可通過離子交換反應獲得，其陰離子部分來自手性氨基酸的酸根，陽離子部分來自普通的離子液體。交換反應中利用無機鹽在有機溶劑中的溶解度低的性質，使鹵化鈉或鹵化鉀沉淀析出，從而獲得手性離子液體。</p><p>　　二、相關研究的最新成果及動態(tài)</p><p>　　2. 1 含手性碳離子液

6、體</p><p>　　咪唑類手性離子液體是有機工作者研究最多的一類離子液體。1997年，Howarth等[3]合成并報道了首個具有手性的離子液體溴化N,N-二(S-2’-甲基丁基)咪唑(圖1.1)，開啟了手性離子液體研究的熱潮。</p><p>　　2004年，Laschat等[4]利用香茅醇與三苯基磷反應后得到的溴代物1與一系列烷基咪唑發(fā)生烷基化，陰離子交換合成了一系列具有香茅基的手性

7、離子液體(圖1.2)。</p><p>　　同時，Jonathan等[5]利用易得的乳酸乙酯與N-甲基咪唑為原料合成了一種新型疏水性手性離子液體，且獲得和很好的產(chǎn)率。</p><p>　　2005年，Ko等[6]發(fā)以手性醇與咪唑為原料，利用Mitsunobu反應合成離子液體前體(圖1.4)，另外他們也合成了兩種具有手性的離子液體。</p><p>　　Bao等人[7

8、]以天然的(L)-酒石酸二乙酯與(L)-乳酸乙酯為手性源合成兩種新型手性咪唑離子液體(圖1.5)。</p><p>　　2007 年，Luo等人[8]以L-吡咯醇為手性源，通過四步反應得到了一系列手性離子液體，這些離子液體在室溫條件下為粘稠狀的液體，能夠溶解于中等極性的離子液體而不能夠溶解于弱極性的溶劑。</p><p>　　2008年，Zlotin等人[9]合成了具有兩性的手性咪唑離子液

9、體2，他們以具有手性的化合物1為手性源，經(jīng)過四步反應合成了目標產(chǎn)物(圖1.7)，其中陰離子為BF4-的離子液體熔點最低，為119℃。</p><p>　　2003年，Bao等[10]利用手性胺與乙二醛的成環(huán)反應，制得含手性烷基的取代咪唑后與氯代烴反應，再進行陰離子交換得到了熔點為90℃手性離子液體(圖1.8)，總產(chǎn)率為30%，這個合成路線巧妙的避開了常用的在咪唑環(huán)上引入手性中心的烷基化反應路線，為設計功能化離子液

10、體結構提供了一個新的思路。</p><p>　　2005年，Genisson等人[11]以具有手性伯胺為起始原料，依次進行烷基化、成環(huán)、氧化和離子交換后得到了手性離子液體3(圖1.9)，他們在氧化前也對 4,5-二氫咪唑進行烷基化后合成了一類手性離子液體2(圖1.9)，這些離子液體在常溫下均為液態(tài)且與水不混溶。</p><p>　　2008年，Headley等[12]為了研究離子液體對BH

11、反應的影響合成了具有雙手性咪唑類離子液體。他們以1-甲基-2-咪唑甲醛與(1S,2R)-去甲麻黃堿為起始原料，通過縮合反應，烷基化，離子交換得到目的產(chǎn)物(圖1.10)。 </p><p>　　1999年，Seddon等[13]通過利用具有手性的(S)-2-羥基丙酸鈉與甲基丁基咪唑氯化鹽進行離子交換，合成了第一例具有手性陰離子的離子液體。</p><p>　　Ohno等[14]第一次合成并報

12、道了以[Emim]+為陽離子，而陰離子則為20種氨基酸的手性離子液體。這些含手性陰離子的離子液體均為透明的液體，且不溶于乙醚，但是能夠溶解于大多數(shù)有機溶劑，如甲醇等。</p><p>　　與此同時，吡啶類手性離子液體也因其獨特的性質進入了科研工作者的研究范圍。2002年，Haramoto等[15]研究了一種含烷基吡啶陽離子的手性離子液晶，這種手性離子液晶以雙環(huán)為核心，含有1,3-二氧雜環(huán)，手性中心在吡啶環(huán)的取代烷

13、基上。他們通過4個步驟共合成出四種離子液體，產(chǎn)率為28%~48%，因其液晶轉變溫度低于100℃且具有季銨鹽的結構，可以看做一種吡啶類離子液體(圖1.13)，其合成路線如所示：</p><p>　　2004年，Laschat等[16]利用香茅醇與三苯基磷反應后得到的溴代物與吡啶在45℃下反應4天得到最簡單的手性離子液體吡啶的溴鹽，其產(chǎn)率為98%。</p><p>　　Patrascu等[17

14、]利用吡啶和1-氯-2,4-二硝基苯反應得到的Zincke鹽與(R)-(+)-苯乙胺和(S)-(-)-苯乙胺反應制得的手性離子液體經(jīng)過陰離子交換可制取相關的手性離子液體。實驗結果發(fā)現(xiàn)，這些離子液體的熔點與陰離子有很大的關系：Cl->PF6->BF4->NTf2-，其中含NTf2-的離子液體在室溫條件下為液體。</p><p>　　Fringuelli等[18]在Al(OTf)3存在下用胺甲基吡啶

15、作為親核試劑進攻氧化環(huán)己烯時期開環(huán)，隨后進行氨基的苯甲磺酰話和，羥基甲磺?；詈笤?0℃以MeOH/H2O(1：1)混合液為溶劑的條件進行環(huán)化得到相應的手性離子液體(圖1.16），產(chǎn)率為80%。</p><p>　　2005年，Drahonovsky等[19]以松香芹酮為原料得到了一種新的吡啶鹽手性離子液體(圖1.17)。他們先是將松香芹酮Krohnke縮合，然后進行烷基化，得到一種高粘稠的液體，其玻璃化溫度低

16、于0℃，若陰離子為CF3CO2時，其穩(wěn)定性到到160℃，而為CF3CSO2(簡稱TfO)時更高，其分解溫度為200℃。</p><p>　　2006年，Pernak等[20]用氯甲基(1R,2S,5R)-(-)薄荷醚與吡啶進行Menschutkin反應得到具有手性的吡啶鹽，接著進行陰離子交換得到一系列的離子液體(圖1.18），實驗結果發(fā)現(xiàn)陰離子為NTf2的手性吡啶離子液體的熔點最低，甚至在常溫下就為液體。<

17、/p><p>　　2008年，Ni等[21]利用(S)-(2-胺甲基)-1-叔丁氧羰基-吡咯烷與氯化N-(2,4-二硝基)-苯基吡啶鹽通過Marazano反應得到了類似的具有手性吡啶離子液體(圖1.19)。</p><p>　　Bischoff等[22]利用Mitsunobu反應，通過對pKa值的控制，在PPh3和DIAD的存在下合成了具有銨鹽類的手性吡啶離子液體(圖1.20)，在此反應的過程

18、中，能夠有效的控制氨基的烷基化反應從而得到產(chǎn)率較高的目的產(chǎn)物。</p><p>　　另外，一些科研工作者們合成了以胺為模板的手性碳離子液體。2001年，Kitazume[23]利用(S)-尼古丁合成了一些手性離子液體(圖1.21)。</p><p>　　2002年，Wasserscheid等[24]分別以(R)-2-氨基-1-丁醇和(-)-麻黃素為原料，經(jīng)過Leuckart-Wallach

19、反應，用硫酸二甲酯烷基化并進行陰離子交換，得到具有手性的季銨鹽離子液體。其中以(R)-2-氨基-1-丁醇為原料合成的離子液體粘度低且熔點僅有-18℃(圖1.22)，而以(-)-麻黃素為原料所得的離子液體的熔點也只有54℃(圖1.23)。 </p><p>　　2004年，Thanh等[25]利用(1R,2S)-N-甲基麻黃素與鹵代烷進行反應后所得的物質進行與PF6-，BF4-，TfO-進行離子交換獲得了一系列季

20、銨鹽類手性離子液體(圖1.24)，其中，產(chǎn)品中除了C16H33和C4H9的PF6-鹽是固體，其它均為液體。</p><p>　　2005年，Pernak等[26]利用(1R,2S,5R)-(-)-薄荷醇甲基化后得到的產(chǎn)物(1R,2S,5R)-(-)-氯甲基薄荷醚進行季銨化反應制得氯代三烷基-([(1R,2S,5R)-(-)-氯甲基薄荷醚])銨，通過對烷基及陰離子改變的不斷得到了一系列手性離子液體(圖1.25)。&

21、lt;/p><p>　　陶國宏等人[27] 以L-構型的天然氨基酸為原料通過簡單的處理得到了一類反應過程為“原子經(jīng)濟性”的手性離子液體(圖1.26)。起初，他們將氨基酸在強酸的條件下直接合成，但是由于氫鍵的存，這類離子液體的熔點很高，接著他們將氨基酸進行酯化后在與相應的鹽進行離子交換，得到一類熔點比較低的新型手性離子液體(圖1.26)。</p><p>　　2.2 含手性軸離子液體</p

22、><p>　　手性軸是利用鍵的剛性阻止鍵的旋轉而產(chǎn)生的手性對映體。Judeinstein 和Plaquevent等[28]首次設計并合成了一系列含有手性軸的吡啶類離子液體：先將4-吡啶甲醛縮合化，隨后溴化得到的順式構型化合物在溴化氫蒸汽中異構化為反式構型，在過量的N-甲基麻黃素的醇鉀鹽作用下脫去一個溴化氫，得到具有光活性的化合物。由此化合物出發(fā)，經(jīng)過烷基化，陰離子交換可以制備出一系列的手性離子液體(圖1.27)。他們

23、合成的新型手性離子液體具有低熔點和玻璃化溫度，同時熱穩(wěn)定性能到到150℃以上。</p><p>　　2.3 含手性面離子液體</p><p>　　與含有手性中心，手性軸的離子液體相比，含有手性平面的離子液體作為一類獨特而又重要的一類而近些年來被眾多科研工作者們研究。</p><p>　　Saigo等[29]于2002年首次合成并報道了具有手性面的咪唑陽離子離子液體，

24、他們利用烷基咪唑與兩端為鹵代烴進行兩次烷基化反應得到具有環(huán)狀的咪唑陽離子，接著與鋰鹽進行陰離子交換得到目標產(chǎn)物(圖1.28)，產(chǎn)率只有36%左右。隨后，他們又合成了具有“冠醚”狀帶有手性面的離子液體[30](圖1.29)。</p><p>　　但該研究小組前期合成具有手性平面離子液體均是外消旋化的，他們在以往工作的基礎上合成了具有高度對映純的離子液體[31]。他們利用具有光學活性的(S)- Valinol，乙醛，

25、乙二醛和醋酸銨一步制得對映純的咪唑衍生物(S)-2，(S)-2接著與1,8-二氯辛烷偶聯(lián)得到產(chǎn)物(S)-3，最后，(S)-3在熱的N,N-二甲基乙酰胺中通過分子內季銨化以82%和4% 的產(chǎn)率得到兩種咪唑鹽，再利用CH2Cl2/AcOEt進行重結晶得到兩個高度對映純的非對映異構體(Sp,S)-1-Cl和(Rp,S)-1-Cl（>99：1）(圖1.30)。</p><p>　　2.4 其它手性離子液體</

26、p><p>　　2002年，Wassercheid等[32]以(S)-纈氨酸為手性源分別經(jīng)過還原，與丙酸進行環(huán)化生成噁唑啉，接著與鹵代烴反應后得到目的產(chǎn)物(圖1.31)，其總收率為40%，其中它們在酸性條件下均不穩(wěn)定。</p><p>　　2003年，Wang[2]在其碩士論文中報道由手性蒎烯制備的幾個手性離子液體。起始原料為(1S)-(-)-α-蒎烯，經(jīng)過多步反應制得目標產(chǎn)物。這些產(chǎn)物的總產(chǎn)

27、率介于50%~70%之間。</p><p>　　2008年，Jiang等[33]首先利用草酰氯法使1,3-二甲基-2-咪唑啉酮轉換為william鹽，為了避免五烷基胍轉化為六烷基胍困來，他們將(S)-1-甲基芐做成仲胺，最后用william鹽與仲胺進行反應得到產(chǎn)物單一且純化容易的手性胍離子液體，通過這種方法他們合成了14種離子液體(圖1.33），結果發(fā)現(xiàn)四氟硼酸鹽和六氟磷酸鹽均為固體，而當陰離子相同時，烷基鏈較短

28、的為固體。</p><p>　　三、課題的研究內容及擬采取的研究方法（技術路線）、難點及預期達到的目標</p><p>　　陰離子手性離子液體可通過離子交換反應獲得，其陰離子部分來自手性氨基酸的酸根，陽離子部分來自普通的離子液體。交換反應中利用無機鹽在有機溶劑中的溶解度低的性質，使鹵化鈉或鹵化鉀沉淀析出，從而獲得手性離子液體，但這類離子交換合成的手性離子液體的純度如何很少有文獻。本人設想通

29、過測定離子交換后產(chǎn)生的無機鹽和交換需要的有機鹽在不同溶劑中的溶解度，計算溶解度比值獲得離子交換反應的最佳條件，設計組裝手性離子液體，并預測離子交換后所得產(chǎn)物的純度。作者合成了手性離子液體(R)-2-羥基-4-苯丁酸-1-芐基-3-甲基咪唑鹽進行了驗證，其反應方程式見Scheme 1。</p><p>　　四、論文詳細工作進度和安排</p><p>　　2011年1月：完成資料檢索及任務書，

30、做好準備工作。</p><p>　　2011年2月：完成文獻綜述，外文翻譯及開題報告。</p><p>　　2011年3月：進行實驗，合成產(chǎn)物并表征。</p><p>　　2011年4月：論文初稿撰寫，修改以及定稿。</p><p>　　2011年5月：實驗數(shù)據(jù)整理，撰寫畢業(yè)論文及提交畢業(yè)論文相關材料。</p><p>

31、;<b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　黃仰青, 蘇桂發(fā), 覃開云. 手性離子液體研究進展 [J]. 化學研究與應用. 2006, 18(10): 1143-1150</p><p>　　孫洪海, 高宇, 翟永愛等. 手性離子液體的合成 [J]. 化學進展, 2008, 20(5): 698-712</p><p>　　How

32、arth J, Hanlon K, Fayne D, et al. Moisture stable Dialkylimidazolium salts as Heterogenerous and Homogeneous Lewis acids in the Diels-Alder Reaction [J]. Tetrahedron Letters. 1997, 38(17): 3097-3100</p><p>　

33、　Martin T, Laschat S, Angelika B. Synthesis of Novel Chiral Ionic Liquids and Their Phase Behavior in Mixtures with Smectic and Nematic Liquid Crystals [J]. Helvetica Chimica Acta, 2004, 87(11): 2742-2749</p><

34、p>　　Jonathan J J, Koichi M. New chiral imidazolium ionic liquids: 3D-network of hydrogen bonding [J]. Tetrahedron Letters, 2004, 45(23): 4429-4431</p><p>　　Kim E J, Ko S Y, Edward K. Mitsunobu alkylation

35、of imidazole: a convenient route to chiral ionic liquids [J]. Tetrahedron Letters. 2005, 46: 631-633</p><p>　　Wang Z M, Wang Q, Zhang Y, et al. Synthesis of new chiral ionic liquids from natural acids and th

36、eir application in enantioselective Michael addition [J]. Tetrahedron Letters, 2005, 46: 4657-4660</p><p>　　Luo S Z, Mi X L, Zhang L, et al. Functionalized ionic liquids catalyzed direct aldol reaction [J].

37、Tetrahedron, 2007, 63: 1923-1930</p><p>　　Siyutkin D E, Kucherenko A S, Struchkova M I, et al. A novel (S)-proline-modified task-specific chiral ionic liquid-an amphiphilic recoverable catalyst for direct as

38、ymmetric aldol reactions in water [J]. Tetrahedron Letters. 2008,49: 1212-1216</p><p>　　Bao W L, Wang Z, Li Y, et al. Synthesis of chiral ionic liquids from natural amino acids[J]. Journal of the American Ch

39、emical Society. 2003, 68:591-593</p><p>　　Genisson Y, Viguerie N L, Andre C, et al. New chiral imidazolinic derivatives [J]. Tetrahedron: Asymmetry, 2005, 16: 1017-1023</p><p>　　Garre S, Parker

40、E, NI B and Headley A D. Desigh and synthesis of bistereogenic chiral ionic liquids and their use as solvents for asymmetric Baylis-Hillman reactons [J]. Chemical Communications. 2008,6:3041~3043</p><p>　　Ea

41、rle M J, Mccormal P B, Seddon K R. Diels–Alder reactions in ionic liquids:A safe recyclable alternative to lithium perchlorate–diethyl ether mixtures[J]. Green Chemistry. 1999,1:23-25</p><p>　　Kenta F, Masah

42、iroY, Hiroyuki O. Room Temperature Ionic Liquids from 20 Natural Amino Acids [J]. Journal of the American Chemical Society. 2005,127(8):2398~2399</p><p>　　Hramoto Y, Miyashita T, Nanasawa M. Liquid crystal p

43、roperties of new ionic liquid crystal compounds having a 1,3-dioxane ring [J]. Liquid crystals. 2002,29(1):87~90</p><p>　　Tosoni M, Laschat S, Baro A. Synthesis of Novel Chiral Ionic Liquids and Their Phase

44、Behavior in Mixtures with Smectic and Nematic Liquid Crystals [J]. Helvetica Chimica Acta. 2004,87(11):2742~2749</p><p>　　Patrascu C, Sugisaki C, Mingotaud C, et al. New Pyridinium Chiral Ionic Liquids [J].

45、Heterocycles. 2004,63: 2033~2041</p><p>　　Fringuelli F, Pizao F, Tortoioli S, and Vaccaro L. Solvent-free Al(OTf)3-Catalyzed Aminolysis of 1,2-epoxides by 2-Picolylamine: A Key Step in the Synthesis of Ionic

46、 Liquids [J]. Journal of Organic Chemistry. 2004,69:7745~7747</p><p>　　Drahonovsky D, Labat G C, Sevcik J, et al. Pinene-fused Chiral N-Ethylpyridinium Room Temperature Molten Salts [J]. Heterocyles. 2005,65

47、:2169~2179</p><p>　　Pernak J, Joanna F. Chiral pyridinium-based ionic liquids containing the (1R,2S,5R)-(-)-menthyl group [J]. Tetrahedron: Asymmetry. 2006,17:1728~1737</p><p>　　Ni B, Zhang Q Y,

48、 Headley A D. Pyrrolidin-based chiral pyridinium ionic liquids(ILs) as recyclable and highly efficient organocatalysts for the asymmetric Michael addition reactions [J]. Tetrahedron Letters. 2008,49:1249-1252</p>

49、<p>　　Petit S, Azzouz R, Fruit C, Bischoff L, et al. An efficient protocol for the preparation of pyridinium and imidazolium salts based on the Mitsunobu reaction [J]. Tetrahedron Letters. 2008,49:3663~3665</p&g

50、t;<p>　　Kitazume T. Preparation of optically active ionic liquid of nicotinium bis(trifluoromethylsulfonyl)amides for solvents [P]. US, 0031875, 2001</p><p>　　Ishida Y., Sasaki D, Saigo K. Desigh and

51、synthesis of a novel imidazolium-based ionic liquid with planar chirality [J]. Chemical Communications, 2002, 2240-2241</p><p>　　Thanh G, Pegot B, Loupy A. Solvent-Free Microwave-Assisted Preparation of Chir

52、al Ionic Liquids from (-)-N-Methylephedrine [J]. European Journal of Organic Chemistry. 2004:1112-1116</p><p>　　Pernak J, Kubis J F. Synthesis and Properties of Chiral Ammonium-Based Ionic Liquids [J]. Europ

53、ean Journal of Organic Chemistry. 2005,11: 4441-4449</p><p>　　劉偉山, 陶國宏, 何玲, 寇元. 功能化的離子液體：手性離子液體的合成與應用[J]. 有機化學. 2006,26(8): 1031-1038</p><p>　　Baudoux J, Judeinstein P, Cahard D, et al. Design a

54、nd synthesis of novel ionic liquid/liquid crystals(IL2Cs) with axial chirality [J]. Tetrhedron Letters. 2005,46:1137-1140</p><p>　　Ishida Y, Sasaki D, Saigo K. Design and synthesis of a novel imidazolium-bas

55、ed ionic liquid with planar chirality [J]. Chemical Communications. 2002:2240-2241</p><p>　　Ishida Y, Sasaki D, Miyauchi H, et al. Design and synthesis of novel imidazolium-based ionic liquids with a pseudoc

56、row-ether moiety: diastereomeric interaction of a racemic ionic liquid with enantiopium complexes [J]. Tetrahedron Letters. 2004, 45(51): 9455-9459</p><p>　　Ishida Y, Sasaki D, Miyauchi H, et al.Synthesis an

57、d properties of a diasteropure ionic liquid with planar chiraty [J]. Tetrahedron Letters. 2006, 47(45): 7973-7976</p><p>　　Peter W, Andreas B, Carsten B. Synthesis and properties of ionic liquids derived fro

58、m the ‘chiral pool’ [J]. Chemical Communications. 2002: 200-201</p><p>　　吳楠, 吳海虹, 蔣詠文. 手性胍鹽離子液體的合成[J]. 有機化學. 2008, 28(1): 104~110</p><p>　　Simao P. Solubility of NaCl, NaBr, and KCl in water, me