1,3-二烷基咪唑离子液体催化合成阿司匹林的研究

1,3-二烷基咪唑离子液体催化合成阿司匹林的研究

阿司匹林是应用最广泛的抗炎、解热、镇痛药之一。近年来的医学研究还发现,阿司匹林具有抗血栓、预防结肠癌、抑制艾滋病病毒繁殖等作用,而且其应用范围还在不断被拓展。阿司匹林的经典合成方法是以浓硫酸作催化剂,乙酸酐和水杨酸反应制得。由于浓硫酸对设备腐蚀性强且存在废酸排放污染环境等缺点,人们对该反应的催化剂开展了一系列研究,目前已报道的催化剂有浓硫酸、维生素C、硫酸氢钠、乙酸钠、磷酸二氢钠、三氯化铝、碳酸钠等,但这些催化剂也有其自身的缺点。室温离子液体是近年来兴起的一类极具应用前景的新型环境友好催化剂,它是由特定的体积相对较大的结构不对称的有机阳离子和体积相对较小的无机阴离子构成的、在室温或接近室温下呈液态的熔融盐体系。由于其具有液态范围宽、溶解范围广、蒸气压为零、稳定性好、酸碱性可调、产品易分离和可循环利用等一系列独特性质,被认为是继水和超临界二氧化碳后的又一大类在现代有机合成中具有良好应用前景的反应介质和新型绿色溶剂,是目前绿色化学研究领域的热点。本文首次以室温离子液体为催化剂来合成阿司匹林,考察了反应时间和反应物配比对该反应的影响。结果表明:[BMIm]Br离子液体对阿司匹林的合成有较好的催化作用,当水杨酸与乙酸酐的摩尔比为1∶2,反应温度为80~85℃,反应时间为3h时,收率可达81%以上。产物和离子液体不互溶而分层,便于分离,且离子液体可以稳定地循环使用5次以上。1实验部分1.1核磁共振谱测定反应物和产物的定性、定量分析在美国P6890/5973GC-MS气质联用仪上进行,并由仪器自带的色谱软件系统根据不同组分的峰面积给出定量数据。红外光谱在Bruckervector22测定,KBr压片;核磁共振谱在INOVA-400(400MHz)测定,CDCl3作溶剂,TMS为内标。实验中所使用的室温离子液体四氟硼酸1-甲基-3-丁基咪唑([BMIm]BF4)、六氟磷酸1-甲基-3-丁基咪唑([BMIm]PF6)、溴化1-甲基-3-丁基咪唑([BMIm]Br)、四氟硼酸1-甲基-3-己基咪唑([HMIm]BF4)、溴化1-甲基-3-己基咪唑([HMIm]Br)按文献合成,并进行了红外光谱及核磁共振谱表征,结果与文献报道相符,水杨酸、乙酸酐、浓硫酸为市售AR或CP试剂。1.2反应时间和反应物配比对反应的影响在25mL带有磁子搅拌的圆底烧瓶中先加入2mL离子液体作催化剂,再加入4.8g(0.035mol)水杨酸和7mL(0.07mol)乙酸酐,于80℃油浴中搅拌反应,分别在不同的反应时间和反应物配比下进行实验。反应结束后自然冷却到室温,加入乙醚萃取(10mL×3),合并醚层后,蒸馏除去乙醚,趁热将反应液倒入50mL冷水中,搅拌至阿司匹林全部析出,抽滤,用少量水洗涤,压干得粗品。重结晶提纯得白色片状结晶,熔点为134~136℃。1.3离子液体溶解法在1.2的酯化反应过程中,反应结束后,体系分为两层,上层由未反应的底物和产物组成,下层为离子液体。为了考察离子液体催化合成阿司匹林的重复使用性能,将1.2酯化反应结束后得到的离子液体用乙醚萃取(10mL×3)除去部分有机物,然后在真空(2.6KPa)下80℃保持30min,再继续加料,重复1.2的酯化反应过程。2结果与讨论2.1不同烷基链中阳离子液体对酯化反应的催化性能用不同的离子液体作催化剂在同一实验条件下,考察其对合成阿司匹林反应的影响,结果见表1。从表1中可以看出,在相同的实验条件下,溴化1-甲基-3-丁基咪唑离子液体([BMIm]Br)的催化性能最好,阿司匹林的产率和选择性都最高(Entry3),而[BMIm]PF6中阿司匹林的产率仅为65.6%(Entry1)。在[BMIm]BF4离子液体中阿司匹林的产率介于[BMIm]Br和[BMIm]PF6之间(Entry2)。可见,阳离子相同而阴离子不同所构成的离子液体对酯化反应的催化性能不同。这是因为对于咪唑型离子液体来说,[BMIm]PF6为憎水型离子液体,水杨酸在此离子液体中溶解性较差,可能导致反应速度下降从而影响阿司匹林的产率。而[BMIm]Br和[BMIm]BF4为亲水型离子液体,但[BMIm]BF4亲水性介于[BMIm]Br和[BMIm]PF6之间。亲水性强的离子液体可能导致该反应速率增加,从而影响了阿司匹林的产率。在阳离子咪唑环上烷基链较长的离子液体中反应时,阿司匹林的产率明显下降(Entry4,5),而且产物和离子液体的分层现象不十分明显。这可能是由于随着烷基链长的增加,离子液体的亲酯性逐渐增加,导致反应速率下降,离子液体与产物混溶性也增加了。以上研究表明,离子液体的阳离子和阴离子对该反应的催化活性均有影响,阴、阳离子的不同会影响离子液体的溶解能力及亲核性,从而影响到对该反应的催化效果。2.2逆反应的影响为了选取最佳反应物配比,固定其他实验条件,改变水杨酸与乙酸酐的摩尔比,实验结果见表2。由于该酯化反应为可逆反应,一方面若乙酸酐量太少,水杨酸就不能充分酰化,收率下降(Entry1);另一方面,若乙酸酐量太大会造成部分产品溶于乙酸酐也会使收率降低(Entry5)。因此,乙酸酐适当过量有利于平衡向生成阿司匹林的方向移动,可提高产物的收率(Entry3,4),并结合经济学角度考虑,选择水杨酸与乙酸酐的摩尔比为1∶2为宜。2.3反应时间对实验结果的影响为了选取最佳反应时间,选定最佳反应物的摩尔比为1∶2,固定其他实验条件,改变反应时间进行实验,结果见表3。从表3的实验结果可以看出,随着反应时间的增加,产物阿司匹林的收率相应提高,但是当反应时间超过3h,其收率基本不再改变,这是因为该反应已基本反应完全,因此,反应时间控制在3h时较适宜。2.4[bmim]br重复使用在不同时间下的选择性考察了[BMIm]Br离子液体用于催化合成阿司匹林的重复使用性能,结果见表4。结果表明,[BMIm]Br重复使用5次后仍然能比较好地催化合成阿司匹林,但是阿司匹林的选择性有所下降。这可能是由于在反应过程中所生成的乙酸残留在离子液体中,使得离子液体的纯度有所下降,从而造成阿司匹林的选择性也有所降低。3重复使用工艺离子液体[BMIm]Br是催化水杨酸乙酰化合成阿司匹林的有效催化剂之一,其优点在于反应速度较快,反应条件温和,操作简单,不腐蚀仪器设备,对环境无污染,而且产物与离子液体不互溶,只需