有机合成设计实习2015年

有机合成设计实习主讲人：冯志彪教授第一部分Ionicliquid离子液体离子液体:完全由有机正离子和无机或有机负离子所组成的，在室温或接近室温下呈液体状态的低温熔融盐。离子液体研究进展化学通报2002年第4期石家华等完全由离子组成的液体,是低温(<100℃)下呈液态的盐；最初的离子液体主要用于电化学研究，近年来离子液体作为绿色溶剂用于各个领域；为了完成离子液体中手性拆分、对应选择性、立体选择性和化学选择性反映以及分离分析等专一性任务，又设计制备出各种手性功能化离子液体。较低的熔点和较宽的沸程常温下几乎无蒸汽压，可以用于真空反应具有较高的热稳定性和化学稳定性有很强的溶解性，可以溶解无机、有机、金属有机及聚酯；不可燃烧，无味强极性，低配位能力粘度低，比热容大有机阳离子和阴离子组成的一类盐体系[PF6]-[BF4]-[AlCl4]-[CF3SO3]-NO3-SO42-Cl-Br-CO32-常见阳离子：阴离子：BF4-[meim]+[AlCl4]–[bmimp]+[BF4]-[bmim]+[PF6]-

mim：3-甲基咪唑有时候离子液体也被称为“低温熔盐”，因为与经典熔盐的熔点(>800℃)相比，离子液体具有低得多的熔点(一般被认为<100℃)。对于这类化合物的低熔点，一般的解释是:正离子的不对称性起主要作用，即“不对称正离子和负离子结合的松散特点”是导致其在室温下呈液态的主要原因。

一、离子液体概述

离子液体=离子溶液离子之间作用力低，晶格能低，熔点低，室温下呈液态,所以称之为室温离子液体。

J.Z.Yang,GreenChem.,2004,6,541-543.结构(1)酸性离子液体能接受电子或给出质子的离子液体(2)碱性离子液体能给出电子或接受质子的离子液体(3)中性离子液体离子液体的生命力在于其本身的“可设计性”，当人们对“任务特定”(Task一special)或“功能化”(FunctIon-alized)离子液体概念达成广泛共识之后，离子液体的种类和数量将会不断增加;而随着对离子液体结构与性能关系研究的不断深入，人们对于新型离子液体的开发和应用研究，将会变得更加有的放矢。

离子液体的分类在离子化合物中，阴阳离子之间的作用力为库仑力，其大小与阴阳离子的电荷数量及半径有关，离子半径越大，它们之间的作用力越小，这种离子化合物的熔点就越低。某些离子化合物的阴阳离子体积很大，结构松散，导致它们之间的作用力较低，以至于熔点接近室温。一般来说，低熔点离子液体的阳离子具备下述特征:低对称性；弱的分子间作用力；阳离子电荷的均匀分布；离子液体的熔点：部分离子液体的熔点甚至低至-96℃；离子液体的液程：宽达400℃。离子液体的挥发性离子液体超低的蒸汽压引起人们的极大兴趣。从工艺流程看，离子液体和产物之间不会形成共沸物，用蒸馏等方法可以更有效地分离产物，作为化学反应溶剂和分离溶剂，这是一个很大的优点。采用减压蒸馏，可以实现两种离子液体的分离，这与一般认为离子液体不能挥发的看法相悖。利用努森隙透法和真空蒸发微量量热法可分别测出离子液体的蒸汽压和蒸发热。离子液体的热稳定性例如，[EMIM]BF4

在300℃左右也可稳定存在，

[EMIM][CF3COO]在150℃就开始失重，

[EMIM][(CF3SO2)2N]和[EMIM][CF3SO3]甚至在400°C以上仍可稳定存在。

离子液体的热稳定性分别受杂原子－碳原子之间作用力和杂原子－氢键之间作用力的限制，因此与组成的阳离子和阴离子的结构和性质密切相关。离子液体的热稳定性N-烷基取代的吡啶离子[RPY]+1,3-二烷基取代的咪唑离子[R1R2IM]+<150℃>400℃

烷基季铵离子[NRXH4-x]+烷基季磷离子[PRXH4-x]+阴离子的影响:[BMIM]Br易溶于水

[BMIM]CF3COO易溶于水

[BMIM]CF3SO3

易溶于水

[BMIM](CF3SO2)2N难溶于水[BMIM]PF6

与水完全不互溶.离子液体的溶解性离子液体的溶解性

离子液体的多样性和可设计性，使得离子液体拥有了可调节的溶解性，Rogers等研究了不同pH条件下，多种有机酸碱在水/[BMIM]PF6体系中的溶解性。

结果表明：中性物质在离子液体中具有更好的溶解性，而呈离子态的物质则优先溶于水层。通过[BMIM]PF6与水的溶解性的比较，可发现离子液体与有机溶剂有较多相似之处，因而用离子液体代替易挥发的有机溶剂应用于萃取分离是一种最佳选择。离子液体的密度离子液体的密度主要由其阴阳离子的类型而定，一般在1.1-1.6g/cm3。离子液体的生物降解性[Bmim]BF4;和[Bmim]PF6不能被生物降解，但侧链上含羟基基团的离子液体的生物降解性却大大提高，并且生物降解性能随着支链的增长而有所提高，有可能是酶水解引发了离子液体进一步的分解。离子液体的毒性大部分的离子液体的毒性比常见的有机溶剂小。

离子液体的优点

1.蒸汽压极小。2.液程很宽（可达约300℃）。3.溶解性好。4.热稳定性和化学稳定性好，无可燃性，无着火点。5.粘度高，热容大。6.电导率高。7.电化学稳定性高,电化学窗口宽。无污染，可循环，绿色溶剂电解、电镀、电池化学反应的优良溶剂

离子液体的缺点*1914年Sudgen等人就制得了一种熔点为12℃的离子液体[EtNH3][NO3](极易爆炸)，但由于当时没有发现合适的用途，并未引起人们的关注，其后在该领域的研究进展也就非常缓慢.*1948年，第一个基于氯化铝负离子的离子液体在专利中出现，其具有较高的导电性。在15年之后(1963年)，又出现了基于氯化亚铜负离子(CuCl2-)的离子液体的报道.*1967年，Swain等人报道了离子液体四己基苯甲酸胺作为有机溶剂的研究.4离子液体的研究历程1975年，Osteryoung等人才对四烷基胺正离子和四氯化铝负离子的离子液体进行应用上的系统研究；此后的研究表明四氯化铝二烷基咪哇盐类型的Lewis酸性质的新型液体，不仅可以作为反应溶剂，而且还可以作为催化剂来使用.总结：从时间发展的顺序来看，可以认为:对于离子液体的研究经历了三个历史阶段:三氯化铝体系(上世纪90年代以前)---“新型”耐水体系(上世纪90年代)---功能化体系(本世纪)。1992年，Wilkes等人合成了低熔点、抗水解、高稳定的新型离子液体[EMIM]BF4之后，离子液体的研究才得以迅速向前推进，随后研发出了各种不同类型的离子液体。特别是近十年来，人们对离子液体的研究就更加的深入而广泛。离子液体的研究历程离子液体研究领域和研究内容

根据类型进行分类离子液体分类离子型主要用于电化学和化学反应中，可同时作溶剂和催化剂，但其热稳定性和化学稳定性较差，且不可遇水，空气中有水蒸气也不行，使用不便。非离子型对水、大气稳定组成固定，随着人们对离子液体研究的不断深入，离子液体品种已达到几百种，其中研究较多的阴离子有BF4－、PF6－、OTf－（CF3SO2)－、NTf2－［N(CF3SO2)2－］等。新型离子液体由含氮的有机杂环阳离子和无机阴离子组成，与有机溶剂相比，具有很多突出的优点。Macfarlane等［报道阴离子为N（CN)2的离子液体的粘度都较低；N－烷基－N－乙烯基－2－吡咯烷酮的Br－或BF4－盐的离子液体成本低；新的阴离子C－F3SO2NCOCF3－（缩写为TSAC－）具有降低离子液体熔点与粘度的作用，其与小分子季铵（烷基碳均不大于3）的结合也能够形成一种新型离子液体。

烷基季铵离子[NRXH4-x]+烷基季磷离子[PRXH4-x]+N-烷基取代的吡啶离子[RPY]+1,3-二烷基取代的咪唑离子[R1R2IM]+离子液体分类1.以正离子的不同进行分类

组成离子液体的阳离子主要有四种：2.以负离子的不同进行

分类离子液体分类第一类——卤化盐(阳离子)+AlCl3(其中Cl也可用Br代替),例如[BMIM]Cl-AlCl3,也可记为[BMIM]AlCl4

Cl-、Br-、I-BF4-、PF6-、CF3COO-、CF3SO3-、(CF3SO2)2N-、SbF6-、NO2-第二类：新离子液体二、离子液体制备2.1离子液体的合成一步法合成一步法合成一般是将烷基咪唑与卤代烷或者酯类物质发生亲核反应，直接得到目标离子液体。两步法合成

第一步先将卤代烷与烷基咪唑（或吡啶）通过季铵化反应制备出目标离子液体阳离子卤化物（中间体）；第二步反应为将目标阴离子置换卤素阴离子反应。优点：操作经济简便，没有副产物，产品易纯化。离子液体的合成合成咪唑系离子液体的典型反应步骤其他手段合成离子液体超声辅助合成加速反应进程，提高反应产率及产物纯度。有些需搅拌48小时以上的反应超声一小时即可完成反应。常规法(a)与超声法(b)制备的离子液体颜色对比其他手段合成离子液体微波辅助合成微波加热使反应体系受热均匀且加热速度快，通过加剧分子运动速度和碰撞频率增大分子平均内能，降低反应活化能，加快反应速度，提高产率。微波加热时间和方式对产物产率的影响其他手段合成离子液体电化学合成传统的离子液体合成方法不可避免的有少量卤例子存在于离子液体中，影响其使用，因此可应用电化学技术合成高纯离子液体。优点：合成出的离子液体纯度高缺点：合成装置和操作均比较复杂其他手段合成离子液体液液萃取法合成高纯度离子液体水相Et4NBrNaBF4有机相CH2Cl2反应萃取水相NaBr有机相CH2Cl2Et4NBF4液液萃取合成四乙基胺氟硼酸盐分离领域，特别是液相色谱对有机溶剂的纯度往往有较高的要求。然而，离子液体常含有各种杂质，包括有色杂质，未反应完的原料，卤素阴离子，阳离子杂质和水。这些杂质会限制离子液体在分离中的应用。因此，我们需要对合成的离子液体进行纯化。

离子液体的纯化主要有四个途径：纯化反应原料；控制反应条件；充分离子交换；终产物纯化。离子液体的纯化氨基酸离子液体(AAILs)---通过改变氨基酸基团、碳酰基团等功能性基团实现，从而控制氨基酸离子液体的手性、疏水性、离子导电性、熔点等离子液体的功能化三、离子液体应用3.1离子液体在有机反应中的应用研究

离子液体作为反应介质或催化剂离子液体可直接用于付氏烷基化、酰基化等反应的溶剂，具有Lewis酸性的离子液体可作为具有双重功能的催化溶剂体系，不但取代了溶剂而且取代了催化剂。

避免挥发性有机化合物（VOCs）带来的环境污染和对人类的危害，是传统有机溶剂的理想替代品，是环境友好的绿色溶剂。该反应体现了离子液体可回收，循环利用，氢化产物能从反应混合物中分离的优点。

固定化离子液体作为催化剂在硅胶或者活性炭表面的固化离子液体催化芳烃的Friedel-Crafts酰化反应硅胶表面固化离子液体催化氢甲酰化反应高分子聚合物固化离子液体催化加氢RhCl(PPh3)3催化烯烃加氢和CO2加氢反应｛Ru(O2Cme)2[(R)-tolBINAP]｝催化剂作用下的顺式2-甲基-2丁烯酸的不对称加氢Rh配合物和[bmim]PF6为催化剂的烯烃氢甲酰化反应离子液体/超临界CO2体系中催化反应离子液体/水混合溶剂中Baker’s酵母还原酮离子液体中酶催化脂肪族聚脂的合成和羟基乙酰化反应离子液体/超临界CO2中酶催化的酯交换反应离子液体单相和离子液体/超临界CO2的两相酶催化反应

催化应用要解决的问题对于水的敏感性；如何将产品从离子液体中分离出来；成本问题。如离子液体用于乙苯生产成本要比常规法高5-6倍；合成具有新功能的离子液体；弄清离子液体在催化过程中的作用；合成具有生物相容性离子液体用于酶催化反应a.Friedel-CraftsacylationKhadilkar用RTILsBPAlCl4代替酰氯、酸酐、卤代烃在Lewis酸/AlCl3进行了F-C反应。优点：1.避免使用大量的AlCl3/酰氯或卤代烃溶剂。2.环境友好,可以取代传统的酸催化剂。b.Diels-AlderreactionLee等人报道了在RTILsemim+/BuPy+--AlCl4

进行D-A反应。优点：1.极性，Lewis酸性可调，可以提高产率和立体选择性。2.催化剂可以循环使用、反应蒸气压低、无爆炸性、3.热稳定性高，而且易于操作c.BeckmanRearrangementY.Deng等人在RTILsBPBF4,BMIBF4实现了Beckman重排（solventfree）

优点：避免大量使用浓酸，环境友好，废物少，仪器腐蚀轻同时提高了转化率和产率。d.药物合成2000，Seddon等人完成了在RTILs[C4dmim][PF6]中药物（Pravadoline）的全合成，产率可达99％。优点：1.反应程序简单化，产率极高2.第二步没有铝盐存在，且废弃物大大减少3.2离子液体在分离中应用一、离子液体萃取分离有机物离子液体由于具有独特的理化性能，非常适合作为分离提纯的溶剂。尤其是在液液萃取分离上，离子液体能溶解一些难溶的有机化合物、无机化合物和有机金属化合物,同时与多数有机溶剂不混溶,非常适合作为液液萃取的新的介质。用离子液体萃取挥发性有机物时，因离子液体蒸气压低，热稳定性好，萃取完成后将萃取相加热,即可把萃取物蒸馏出来,使得离子液体易于循环使用。

二、离子液体萃取分离金属离子

用普通的离子液体萃取水中的金属离子，如不采取任何措施，则金属离子的分配系数D(离子液体中浓度/水相中浓度)小于1。三、离子液体萃取生物分子Huddleston等尝试了用离子液体代替溶剂萃取中的传统有机溶剂之后，很多研究组尝试用离子液体对生物大分子的萃取分离。其在萃取分离生物物质，如蛋白质、核酸等方面表现出了优异的性能。四、离子液体在气体分离体系中应用离子液体可以选择性的溶解气体。在气体分离上有广阔的前景。Ortiz等用含有银离子的BmimBF4。水溶液通过配位作用从丙烷／丙烯混合物中吸收丙烯，该体系与传统吸收剂相比显示了更高的分离效果和环保效果。Ru