有機合成設(shè)計實習(xí)2015年

有機合成設(shè)計實習(xí)主講人：馮志彪教授第一部分Ionicliquid離子液體離子液體:完全由有機正離子和無機或有機負離子所組成的，在室溫或接近室溫下呈液體狀態(tài)的低溫熔融鹽。離子液體研究進展化學(xué)通報2002年第4期石家華等完全由離子組成的液體,是低溫(<100℃)下呈液態(tài)的鹽；最初的離子液體主要用于電化學(xué)研究，近年來離子液體作為綠色溶劑用于各個領(lǐng)域；為了完成離子液體中手性拆分、對應(yīng)選擇性、立體選擇性和化學(xué)選擇性反映以及分離分析等專一性任務(wù)，又設(shè)計制備出各種手性功能化離子液體。較低的熔點和較寬的沸程常溫下幾乎無蒸汽壓，可以用于真空反應(yīng)具有較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性有很強的溶解性，可以溶解無機、有機、金屬有機及聚酯；不可燃燒，無味強極性，低配位能力粘度低，比熱容大有機陽離子和陰離子組成的一類鹽體系[PF6]-[BF4]-[AlCl4]-[CF3SO3]-NO3-SO42-Cl-Br-CO32-常見陽離子：陰離子：BF4-[meim]+[AlCl4]–[bmimp]+[BF4]-[bmim]+[PF6]-

mim：3-甲基咪唑有時候離子液體也被稱為“低溫熔鹽”，因為與經(jīng)典熔鹽的熔點(>800℃)相比，離子液體具有低得多的熔點(一般被認為<100℃)。對于這類化合物的低熔點，一般的解釋是:正離子的不對稱性起主要作用，即“不對稱正離子和負離子結(jié)合的松散特點”是導(dǎo)致其在室溫下呈液態(tài)的主要原因。

一、離子液體概述

離子液體=離子溶液離子之間作用力低，晶格能低，熔點低，室溫下呈液態(tài),所以稱之為室溫離子液體。

J.Z.Yang,GreenChem.,2004,6,541-543.結(jié)構(gòu)(1)酸性離子液體能接受電子或給出質(zhì)子的離子液體(2)堿性離子液體能給出電子或接受質(zhì)子的離子液體(3)中性離子液體離子液體的生命力在于其本身的“可設(shè)計性”，當(dāng)人們對“任務(wù)特定”(Task一special)或“功能化”(FunctIon-alized)離子液體概念達成廣泛共識之后，離子液體的種類和數(shù)量將會不斷增加;而隨著對離子液體結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究的不斷深入，人們對于新型離子液體的開發(fā)和應(yīng)用研究，將會變得更加有的放矢。

離子液體的分類在離子化合物中，陰陽離子之間的作用力為庫侖力，其大小與陰陽離子的電荷數(shù)量及半徑有關(guān)，離子半徑越大，它們之間的作用力越小，這種離子化合物的熔點就越低。某些離子化合物的陰陽離子體積很大，結(jié)構(gòu)松散，導(dǎo)致它們之間的作用力較低，以至于熔點接近室溫。一般來說，低熔點離子液體的陽離子具備下述特征:低對稱性；弱的分子間作用力；陽離子電荷的均勻分布；離子液體的熔點：部分離子液體的熔點甚至低至-96℃；離子液體的液程：寬達400℃。離子液體的揮發(fā)性離子液體超低的蒸汽壓引起人們的極大興趣。從工藝流程看，離子液體和產(chǎn)物之間不會形成共沸物，用蒸餾等方法可以更有效地分離產(chǎn)物，作為化學(xué)反應(yīng)溶劑和分離溶劑，這是一個很大的優(yōu)點。采用減壓蒸餾，可以實現(xiàn)兩種離子液體的分離，這與一般認為離子液體不能揮發(fā)的看法相悖。利用努森隙透法和真空蒸發(fā)微量量熱法可分別測出離子液體的蒸汽壓和蒸發(fā)熱。離子液體的熱穩(wěn)定性例如，[EMIM]BF4

在300℃左右也可穩(wěn)定存在，

[EMIM][CF3COO]在150℃就開始失重，

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

離子液體的熱穩(wěn)定性分別受雜原子－碳原子之間作用力和雜原子－氫鍵之間作用力的限制，因此與組成的陽離子和陰離子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)密切相關(guān)。離子液體的熱穩(wěn)定性N-烷基取代的吡啶離子[RPY]+1,3-二烷基取代的咪唑離子[R1R2IM]+<150℃>400℃

烷基季銨離子[NRXH4-x]+烷基季磷離子[PRXH4-x]+陰離子的影響:[BMIM]Br易溶于水

[BMIM]CF3COO易溶于水

[BMIM]CF3SO3

易溶于水

[BMIM](CF3SO2)2N難溶于水[BMIM]PF6

與水完全不互溶.離子液體的溶解性離子液體的溶解性

離子液體的多樣性和可設(shè)計性，使得離子液體擁有了可調(diào)節(jié)的溶解性，Rogers等研究了不同pH條件下，多種有機酸堿在水/[BMIM]PF6體系中的溶解性。

結(jié)果表明：中性物質(zhì)在離子液體中具有更好的溶解性，而呈離子態(tài)的物質(zhì)則優(yōu)先溶于水層。通過[BMIM]PF6與水的溶解性的比較，可發(fā)現(xiàn)離子液體與有機溶劑有較多相似之處，因而用離子液體代替易揮發(fā)的有機溶劑應(yīng)用于萃取分離是一種最佳選擇。離子液體的密度離子液體的密度主要由其陰陽離子的類型而定，一般在1.1-1.6g/cm3。離子液體的生物降解性[Bmim]BF4;和[Bmim]PF6不能被生物降解，但側(cè)鏈上含羥基基團的離子液體的生物降解性卻大大提高，并且生物降解性能隨著支鏈的增長而有所提高，有可能是酶水解引發(fā)了離子液體進一步的分解。離子液體的毒性大部分的離子液體的毒性比常見的有機溶劑小。

離子液體的優(yōu)點

1.蒸汽壓極小。2.液程很寬（可達約300℃）。3.溶解性好。4.熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，無可燃性，無著火點。5.粘度高，熱容大。6.電導(dǎo)率高。7.電化學(xué)穩(wěn)定性高,電化學(xué)窗口寬。無污染，可循環(huán)，綠色溶劑電解、電鍍、電池化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)良溶劑

離子液體的缺點*1914年Sudgen等人就制得了一種熔點為12℃的離子液體[EtNH3][NO3](極易爆炸)，但由于當(dāng)時沒有發(fā)現(xiàn)合適的用途，并未引起人們的關(guān)注，其后在該領(lǐng)域的研究進展也就非常緩慢.*1948年，第一個基于氯化鋁負離子的離子液體在專利中出現(xiàn)，其具有較高的導(dǎo)電性。在15年之后(1963年)，又出現(xiàn)了基于氯化亞銅負離子(CuCl2-)的離子液體的報道.*1967年，Swain等人報道了離子液體四己基苯甲酸胺作為有機溶劑的研究.4離子液體的研究歷程1975年，Osteryoung等人才對四烷基胺正離子和四氯化鋁負離子的離子液體進行應(yīng)用上的系統(tǒng)研究；此后的研究表明四氯化鋁二烷基咪哇鹽類型的Lewis酸性質(zhì)的新型液體，不僅可以作為反應(yīng)溶劑，而且還可以作為催化劑來使用.總結(jié)：從時間發(fā)展的順序來看，可以認為:對于離子液體的研究經(jīng)歷了三個歷史階段:三氯化鋁體系(上世紀(jì)90年代以前)---“新型”耐水體系(上世紀(jì)90年代)---功能化體系(本世紀(jì))。1992年，Wilkes等人合成了低熔點、抗水解、高穩(wěn)定的新型離子液體[EMIM]BF4之后，離子液體的研究才得以迅速向前推進，隨后研發(fā)出了各種不同類型的離子液體。特別是近十年來，人們對離子液體的研究就更加的深入而廣泛。離子液體的研究歷程離子液體研究領(lǐng)域和研究內(nèi)容

根據(jù)類型進行分類離子液體分類離子型主要用于電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)中，可同時作溶劑和催化劑，但其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較差，且不可遇水，空氣中有水蒸氣也不行，使用不便。非離子型對水、大氣穩(wěn)定組成固定，隨著人們對離子液體研究的不斷深入，離子液體品種已達到幾百種，其中研究較多的陰離子有BF4－、PF6－、OTf－（CF3SO2)－、NTf2－［N(CF3SO2)2－］等。新型離子液體由含氮的有機雜環(huán)陽離子和無機陰離子組成，與有機溶劑相比，具有很多突出的優(yōu)點。Macfarlane等［報道陰離子為N（CN)2的離子液體的粘度都較低；N－烷基－N－乙烯基－2－吡咯烷酮的Br－或BF4－鹽的離子液體成本低；新的陰離子C－F3SO2NCOCF3－（縮寫為TSAC－）具有降低離子液體熔點與粘度的作用，其與小分子季銨（烷基碳均不大于3）的結(jié)合也能夠形成一種新型離子液體。

烷基季銨離子[NRXH4-x]+烷基季磷離子[PRXH4-x]+N-烷基取代的吡啶離子[RPY]+1,3-二烷基取代的咪唑離子[R1R2IM]+離子液體分類1.以正離子的不同進行分類

組成離子液體的陽離子主要有四種：2.以負離子的不同進行

分類離子液體分類第一類——鹵化鹽(陽離子)+AlCl3(其中Cl也可用Br代替),例如[BMIM]Cl-AlCl3,也可記為[BMIM]AlCl4

Cl-、Br-、I-BF4-、PF6-、CF3COO-、CF3SO3-、(CF3SO2)2N-、SbF6-、NO2-第二類：新離子液體二、離子液體制備2.1離子液體的合成一步法合成一步法合成一般是將烷基咪唑與鹵代烷或者酯類物質(zhì)發(fā)生親核反應(yīng)，直接得到目標(biāo)離子液體。兩步法合成

第一步先將鹵代烷與烷基咪唑（或吡啶）通過季銨化反應(yīng)制備出目標(biāo)離子液體陽離子鹵化物（中間體）；第二步反應(yīng)為將目標(biāo)陰離子置換鹵素陰離子反應(yīng)。優(yōu)點：操作經(jīng)濟簡便，沒有副產(chǎn)物，產(chǎn)品易純化。離子液體的合成合成咪唑系離子液體的典型反應(yīng)步驟其他手段合成離子液體超聲輔助合成加速反應(yīng)進程，提高反應(yīng)產(chǎn)率及產(chǎn)物純度。有些需攪拌48小時以上的反應(yīng)超聲一小時即可完成反應(yīng)。常規(guī)法(a)與超聲法(b)制備的離子液體顏色對比其他手段合成離子液體微波輔助合成微波加熱使反應(yīng)體系受熱均勻且加熱速度快，通過加劇分子運動速度和碰撞頻率增大分子平均內(nèi)能，降低反應(yīng)活化能，加快反應(yīng)速度，提高產(chǎn)率。微波加熱時間和方式對產(chǎn)物產(chǎn)率的影響其他手段合成離子液體電化學(xué)合成傳統(tǒng)的離子液體合成方法不可避免的有少量鹵例子存在于離子液體中，影響其使用，因此可應(yīng)用電化學(xué)技術(shù)合成高純離子液體。優(yōu)點：合成出的離子液體純度高缺點：合成裝置和操作均比較復(fù)雜其他手段合成離子液體液液萃取法合成高純度離子液體水相Et4NBrNaBF4有機相CH2Cl2反應(yīng)萃取水相NaBr有機相CH2Cl2Et4NBF4液液萃取合成四乙基胺氟硼酸鹽分離領(lǐng)域，特別是液相色譜對有機溶劑的純度往往有較高的要求。然而，離子液體常含有各種雜質(zhì)，包括有色雜質(zhì)，未反應(yīng)完的原料，鹵素陰離子，陽離子雜質(zhì)和水。這些雜質(zhì)會限制離子液體在分離中的應(yīng)用。因此，我們需要對合成的離子液體進行純化。

離子液體的純化主要有四個途徑：純化反應(yīng)原料；控制反應(yīng)條件；充分離子交換；終產(chǎn)物純化。離子液體的純化氨基酸離子液體(AAILs)---通過改變氨基酸基團、碳酰基團等功能性基團實現(xiàn)，從而控制氨基酸離子液體的手性、疏水性、離子導(dǎo)電性、熔點等離子液體的功能化三、離子液體應(yīng)用3.1離子液體在有機反應(yīng)中的應(yīng)用研究

離子液體作為反應(yīng)介質(zhì)或催化劑離子液體可直接用于付氏烷基化、?；确磻?yīng)的溶劑，具有Lewis酸性的離子液體可作為具有雙重功能的催化溶劑體系，不但取代了溶劑而且取代了催化劑。

避免揮發(fā)性有機化合物（VOCs）帶來的環(huán)境污染和對人類的危害，是傳統(tǒng)有機溶劑的理想替代品，是環(huán)境友好的綠色溶劑。該反應(yīng)體現(xiàn)了離子液體可回收，循環(huán)利用，氫化產(chǎn)物能從反應(yīng)混合物中分離的優(yōu)點。

固定化離子液體作為催化劑在硅膠或者活性炭表面的固化離子液體催化芳烴的Friedel-Crafts?；磻?yīng)硅膠表面固化離子液體催化氫甲酰化反應(yīng)高分子聚合物固化離子液體催化加氫RhCl(PPh3)3催化烯烴加氫和CO2加氫反應(yīng)｛Ru(O2Cme)2[(R)-tolBINAP]｝催化劑作用下的順式2-甲基-2丁烯酸的不對稱加氫Rh配合物和[bmim]PF6為催化劑的烯烴氫甲?；磻?yīng)離子液體/超臨界CO2體系中催化反應(yīng)離子液體/水混合溶劑中Baker’s酵母還原酮離子液體中酶催化脂肪族聚脂的合成和羥基乙?；磻?yīng)離子液體/超臨界CO2中酶催化的酯交換反應(yīng)離子液體單相和離子液體/超臨界CO2的兩相酶催化反應(yīng)

催化應(yīng)用要解決的問題對于水的敏感性；如何將產(chǎn)品從離子液體中分離出來；成本問題。如離子液體用于乙苯生產(chǎn)成本要比常規(guī)法高5-6倍；合成具有新功能的離子液體；弄清離子液體在催化過程中的作用；合成具有生物相容性離子液體用于酶催化反應(yīng)a.Friedel-CraftsacylationKhadilkar用RTILsBPAlCl4代替酰氯、酸酐、鹵代烴在Lewis酸/AlCl3進行了F-C反應(yīng)。優(yōu)點：1.避免使用大量的AlCl3/酰氯或鹵代烴溶劑。2.環(huán)境友好,可以取代傳統(tǒng)的酸催化劑。b.Diels-AlderreactionLee等人報道了在RTILsemim+/BuPy+--AlCl4

進行D-A反應(yīng)。優(yōu)點：1.極性，Lewis酸性可調(diào)，可以提高產(chǎn)率和立體選擇性。2.催化劑可以循環(huán)使用、反應(yīng)蒸氣壓低、無爆炸性、3.熱穩(wěn)定性高，而且易于操作c.BeckmanRearrangementY.Deng等人在RTILsBPBF4,BMIBF4實現(xiàn)了Beckman重排（solventfree）

優(yōu)點：避免大量使用濃酸，環(huán)境友好，廢物少，儀器腐蝕輕同時提高了轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率。d.藥物合成2000，Seddon等人完成了在RTILs[C4dmim][PF6]中藥物（Pravadoline）的全合成，產(chǎn)率可達99％。優(yōu)點：1.反應(yīng)程序簡單化，產(chǎn)率極高2.第二步?jīng)]有鋁鹽存在，且廢棄物大大減少3.2離子液體在分離中應(yīng)用一、離子液體萃取分離有機物離子液體由于具有獨特的理化性能，非常適合作為分離提純的溶劑。尤其是在液液萃取分離上，離子液體能溶解一些難溶的有機化合物、無機化合物和有機金屬化合物,同時與多數(shù)有機溶劑不混溶,非常適合作為液液萃取的新的介質(zhì)。用離子液體萃取揮發(fā)性有機物時，因離子液體蒸氣壓低，熱穩(wěn)定性好，萃取完成后將萃取相加熱,即可把萃取物蒸餾出來,使得離子液體易于循環(huán)使用。

二、離子液體萃取分離金屬離子

用普通的離子液體萃取水中的金屬離子，如不采取任何措施，則金屬離子的分配系數(shù)D(離子液體中濃度/水相中濃度)小于1。三、離子液體萃取生物分子Huddleston等嘗試了用離子液體代替溶劑萃取中的傳統(tǒng)有機溶劑之后，很多研究組嘗試用離子液體對生物大分子的萃取分離。其在萃取分離生物物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸等方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。四、離子液體在氣體分離體系中應(yīng)用離子液體可以選擇性的溶解氣體。在氣體分離上有廣闊的前景。Ortiz等用含有銀離子的BmimBF4。水溶液通過配位作用從丙烷／丙烯混合物中吸收丙烯，該體系與傳統(tǒng)吸收劑相比顯示了更高的分離效果和環(huán)保效果。Ru