绿色催化剂的研究与应用

绿色催化剂的研究与应用

0低共熔溶剂的发展绿色化合物的提出是人类可持续发展战略从被动向主动的重要转折点之一。它是现代合成化学的研究领域和先进领域。对于催化反应而言,均相催化通常具有活性高、反应条件相对温和的优势,其最大缺陷在于催化剂与反应体系的分离,以及催化剂的回收和套用比较困难,从而导致产物易受沾染或造成环境污染。如何在保持均相催化优势的同时,解决催化剂的分离和回收问题,实现“均相反应、非均相分离”是人们所追求的目标,也是实现高效、绿色化工过程的重要手段。随着科学技术的发展,人们曾尝试各种手段试图来解决均相催化剂的回收问题。例如,利用水溶性铑-膦络合物催化水-油两相氢甲酰化在德国获得了工业应用。另一种改良途径是采用一些特殊的可分相溶剂体系。例如氟碳相催化技术就是利用了全氟烷与烃类低温分相,高温混溶的特点。但全氟烷烃存在价格昂贵、极易挥发、环境降解缓慢等缺点。自从1998年德国化学家首次报道了离子液体中的催化反应以来,尤其是2000年以后,离子液体作为绿色溶剂的研究进入了高潮,迄今为止已经有超过千篇研究论文发表。尽管室温离子液体的低挥发性以及对众多无机和有机化合物良好的溶解性能使之成为近年化学反应媒介研究的热点之一。但是,由于离子液体制备成本、生物降解性能及制备过程中产生废弃物等问题,化学界对其绿色性仍存在一定争议。1999年,英国Leicester大学的Abbott教授首次提出了低共熔溶剂(Eutecticsolvents)的概念,并将它用于金属的表面处理,如铝的电沉积。从结构上看,离子液体是完全由离子组成的单一液体,而低共熔溶剂是由两种或多种成分组成的低共熔混合物。2003年,Abbott研究组又发现了一类新的含尿素低共熔溶剂。此类低共熔溶剂由两分子尿素和一分子氯化胆碱通过氢键形成,室温下呈液态。将化学计量的尿素和氯化胆碱固态混合即可方便地得到低共熔溶剂,过程中不产生三废问题。由于尿素是哺乳动物的正常代谢产物,氯化胆碱是一种常用的食品和饲料添加剂,两者成本低廉,易生物降解,无环境副作用,因此是一种较离子液体更绿色的溶剂。Abbott教授对低共熔溶剂的评价是多用途(Versatile)、价廉(Cheap)、环境相容(Environmentallycompatible)和可生物降解(Biodegradable)。首例低共熔溶剂中的有机合成反应也是Abbott研究组报道的。他们在低共熔溶剂中进行了Fischer吲哚合成。2005年,德国的K.o.nig课题组也加入了低共熔溶剂的研究行列,并且报道了糖(糖醇)-尿素-盐三元低共熔物中的Diels-Alder反应,Stille反应和Suzuki反应。2007年,报道了分子筛负载氯化胆碱-尿素低共熔溶剂催化二氧化碳与环氧化物的反应。除了在有机合成中得到应用外,低共熔溶剂还被引入到材料化学领域,如充当分子筛等介孔材料合成的模板和纤维素的溶剂。2007年,Abbott研究组利用低共熔溶剂萃取生物柴油中的甘油,首次将低共熔溶剂的应用扩展到化工分离研究领域。低共熔溶剂与室温离子液体相比具有如下特点:(1)低共熔溶剂原料价格低廉,易生物降解,制备过程中不产生废物,环境相容性优于离子液体;(2)由于低共熔溶剂是多元体系,因此比离子液体更容易进行结构设计和修饰,以适应不同反应的要求;(3)与离子液体相似,低共熔溶剂也具有不挥发性、在不同极性的有机溶剂中溶解度差别显著等特点,但低共熔溶剂对低极性化合物的溶解性更小。这一特性利于设计有别于离子液体的新颖反应体系。1实验部分1.1共溶剂高品质尿素和氯胆碱的制备尿素/氯化胆碱(2∶1摩尔比)混合物搅拌直至呈透明液体,密封保存。1.2甲基乙烯基酮的合成以甲基乙烯基酮与哌啶的反应为典型例子。在50mL圆底烧瓶中依次加入CuCl2·2H2O(5%mol,0.043g),2mL甲醇,2mLDES,甲基乙烯基酮(6mmol,1.2equiv,0.421g),哌啶(5mmol,1equiv)室温下搅拌反应,TLC点板跟踪,约40min后反应结束。在反应完的混合物中加入体积比为1∶1的乙酸乙酯/石油醚混合溶剂4mL萃取一次,再用乙酸乙酯(4mL×2)萃取,产物被萃取到有机相中,催化剂溶于低共熔溶剂相,减压除去多余有机溶剂后低共熔相中的催化剂可用于下次循环使用。将合并的萃取液减压旋转蒸发得到粗产物,短硅胶柱分离(PE∶EtOAc=2∶1),产物收率93%。1.3异硫氰酸苯酯的制备以1,3-二苯基硫脲的合成为典型例。在50mL圆底烧瓶中加入苯胺(1.2equiv,2.4mmol),异硫氰酸苯酯(0.270g,2mmol)和3mL乙酸乙酯,室温下搅拌反应,约2h后异硫氰酸苯酯转化完全,产物用乙酸乙酯充分溶解后,加入3equiv含丙二酸低共熔溶剂,室温下继续搅拌反应1h。分出上层有机相后,用乙酸乙酯(4mL×3)萃取低共熔溶剂相,将得到的萃取液合并后减压蒸馏除去溶剂得到0.424g,产率93%,纯度98%(HPLC)。2低共熔溶剂法首先研究了尿素-氯化胆碱低共熔溶剂与常见有机溶剂之间的分相特性。如表1所示,低共熔溶剂与极性溶剂混溶,但是与中-低极性溶剂不混溶。确定以低共熔溶剂与极性溶剂如甲醇的混合物作为催化反应的溶剂,以不饱和化合物与胺的aza-Michael加成为模型反应,进行进一步验证。选取不同的Michael受体如甲基乙烯基酮及丙烯酸甲酯进行该反应的研究。从表2中看到丙烯酸甲酯可以很容易与吗啉反应生成相应加成产物,并得到较好的收率。除了二异丙胺和二丁胺所需反应时间较长外,其余反应都在60min内结束,且相应的反应收率较高(82%~97%)。该方法立足于均相高效反应和非均相高效分离的理念,反应结束后催化剂被固定在DES中,达到了反应溶剂与催化剂的同步回收。反应结束后,将低共熔相用低极性的有机溶剂进行洗涤后,含铜催化剂的低共熔溶剂相可以方便地回收套用。在中性低共熔溶剂用于可分相催化研究的基础上,制备了酸性低共熔溶剂,并应用于胺类碱性有机物的选择性反应萃取。以米氏酮为质子化变色探针,可以直观地观察到胺类有机物的萃取过程。如图1所示,有机相中紫色的米氏酮通过质子化进入低共熔溶剂相后变为黄褐色,有机相颜色消失。对照组中中性低共熔溶剂对米氏酮则无萃取作用。显然,酸性低共熔溶剂的上述特性可以作为清除剂(Scavenger)用于组合化学库的液相平行合成。以异硫氰酸苯酯与过量苯胺形成二苯基硫脲的反应为例。通过HPLC跟踪反应进程(见图2),经过60min的萃取后过量苯胺已基本从产物中清除。本文进一步制备了含6个硫脲衍生物的模型库(见表3)。以酸性低共熔溶剂为清除剂,可在液相平行合成过程中高效清除过量的胺类试剂(脂肪胺和芳香胺)。反应结束后加入酸性功能化低共熔溶剂室温下搅拌1h后,可得到高产率(≥93%)及高纯度(≥97%)的目标产物。3低共熔溶剂的组成本研究结果表明,低共熔溶剂可用作催化反应的绿色溶剂和液相组合化学合成的清除剂。但必须指出的是,与室温离子液体相比,现有低共熔溶剂在以下三个方面也存在一定的问题(以尿素-氯化胆碱体系为例):(1)化学惰性氯化胆碱中的羟基和尿素本身都具有反应性,在应用时要防止其参与反应;另外,季铵盐在强碱性和加热的条件下容易发生Hoffmann消除反应,最后产生复杂的副产物;(2)溶解性能与离子液体不同的是,低共熔溶剂对中等极性有机物的溶解有限。这一特性虽然对设计两相催化体系有利,但是限制了纯低共熔溶剂作为反应溶剂的应用范围;(3)液态温度范围尿素-氯化胆碱低共熔溶剂低于12℃凝固,高于100℃开始分解。而许多离子液体的液态温度范围可达-50~300℃。离子液体首先用于电化学,经历了从金属卤化物酸性离子液体到无金属中性离子液体的发展过程(1951~1992年),并在中性离子液体首例报道后数年迎来了发展的“黄金时