1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯盐离子液体载体的合成

来婧娟，刘永文，郑保忠

(1.山西大同大学综合分析与测试中心，山西大同 037009；2.云南大学材料科学与工程系，云南昆明 650091)

离子液体由于其低挥发性，已成为近年来绿色化学的新兴研究领域之一[1]，特别是离子液体可通过结构修饰、调节阴阳离子等方式改变其极性，因此又被称为“可设计的溶剂”[2]。最近，法国科学家Bazurea J.P.提出了以功能化离子液体为可溶性载体的新型液相组合的有机合成新方法，即“离子液体相有机合成”(ionic liquid phase organic synthesis，IoLiPOS)方法[3-4]。该方法由于采用功能化的离子液体作为载体，凭借离子液体本身分子量极小的特点，可实现极高的上载率；而且离子液体的特殊溶解性能使反应过程中及反应后处理兼具液相、固相合成的优点，因此是一类适用反应范围宽、分离纯化简便、结构检测容易，同时可回收重复使用的新型组合合成方法[5]。目前已有采用功能化离子液体作为可溶性载体成功合成多肽、蛋白质、寡聚糖、寡聚肽[6-11]等天然聚合物的报道。

鉴于离子液体作为载体的以上优点，根据不同需要设计满足专一性要求的功能化离子液体载体的合成变得很重要。目前功能化离子液体载体均存在结构单一的缺点，同时离子液体部分与反应位点之间的连接基团很短，导致反应位点的反应性质和反应种类受到离子液体部分的电荷影响大。为研究这样一种影响，同时开发适用范围更广的功能化离子液体载体，基于羟基、卤代功能基在有机合成反应中的重要应用价值，本文开展了带有羟基、卤基的长碳链新型功能化离子液体载体的合成研究。研究发现1-(6-羟己基)-3-甲基咪唑氯盐或1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯盐在室温下呈液态且对于空气和水稳定，是非常好的离子液体载体，本文报道其合成及表征方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

实验仪器采用通常的恒温加热磁力搅拌器和美国CEM微波化学反应合成仪。分析仪器采用美国Thermo Nicolet TF-IR AVATAR 360红外光谱仪，瑞士BRUKER AV-DRX500核磁共振仪。

N-甲基咪唑 (99%)，Alfa Aesar A Johnson Matthey Company；吡啶(分析纯)，6-氯-1-己醇(分析纯)，2-氯乙醇(化学纯)，中国医药集团上海化学试剂公司；氯化亚砜 (分析纯)，天津市永大化学试剂开发中心；其他试剂及溶剂均为国产的分析纯或化学纯市售品。

1.2 实验方法

1.2.1 含羟基的功能化离子液体中间体的制备

1.2.1.1 常规方法

在一个装有回流冷凝管、温度计的100 mL三口烧瓶中分别加入N-甲基咪唑1(或吡啶3)和氯取代醇，在N2保护下，搅拌回流反应24 h。冷却后，依次用乙醚(5 mL×3)和乙腈(5 mL×3)洗涤，除出上层乙醚或乙腈洗液后，不溶物在真空干燥箱中(25℃)干燥24 h，经纯化后得含羟基的功能化离子液体中间体 1－(2－羟乙基)－3－甲基咪唑氯盐 1、1－(6－羟己基)－3－甲基咪唑氯盐 2、1－(2－羟乙基) 吡啶氯盐3和1－(6－羟己基)吡啶氯盐4。

1－(2－羟乙基)－3－甲基咪唑氯盐 1：产率 88%，1H NMR(D2O，500 MHz)δH：3.91(s，3H，CH3N)，3.89～ 3.92(m，2H，CH2OH)，4.32(t，2H，J ＝ 4.95 Hz，CH2N)，7.49(s，1H，H－4 或 H－5)，7.55(s，1H，H－4或 H－5)，8.80(s，1H，H－2)；IR(KBr) ν：1 168.0，1 339.7，1 427.9，1 451.8，1 572.8，1 641.4，2 884.5，2 959.6，3 387.7 cm－1。

1－(6－羟己基)－3－甲基咪唑氯盐 2：产率 87% ，1H NMR(D2O，500 MHz)δH：1.25～1.33(m，4H，2CH2)，1.43～1.48(m，2H，H－5’)，1.78～1.84(m，2H，H－2’)，3.50(t，2H，J ＝ 6.55 Hz，CH2OH)，3.84(s，3H，CH3N)，4.14(t，2H，J ＝ 7.1Hz，CH2N)，7.39(s，1H，Ar，H－4 或 H－5)，7.44(s，1H，H－4 或 H－5)，8.69(s，1H，H－2)；IR(KBr)ν：623.5，758.3，1 169.6，1 337.8，1 430.4，1 462.1，1 572.2，1 641.1，2 862.1，2 937.7，3 270.7 cm－1。

1－(2－羟乙基)吡啶氯盐 3：产率 83%，1H NMR(D2O，500 MHz)δH：3.99(s，2H，CH2OH)，4.00(s，2H，CH2N)，8.01(s，2H，H－3，H－5)，8.50(t，1H，J ＝ 6.9，H－4)，8.78(s，2H，H－2，H－6)；IR(KBr)ν：684.3，778.0，1 075.7，1 175.4，1 489.3，1 635.0，2 877.6，2 944.2 cm－1。

1－(6－羟己基)吡啶氯盐 4：产率 86%，1H NMR(D2O，500 MHz)δH：1.26(s，4H，2CH2)，1.39(s，1H，H －5’)，1.94(s，1H，H －2’)，3.42(s，2H，CH2OH)，4.57(s，2H，CH2N)，8.03(s，2H，H－3，H－5)，8.50(s，1H，H－4)，8.86(s，2H，H－2，H－6)；IR(KBr) ν：686.9，776.1，1 175.2，1 463.1，1 634.9，1 859.5，2 861.6，2 935.8，3 059.3，3 261.0 cm－1。1.2.1.2 微波加热方法

在一个50 mL圆底烧瓶中分别加入N－甲基咪唑(或吡啶)和氯醇，将其置于微波反应器(功率160 W)中，回流加热10～15 min。冷却后，依次用乙醚(5 mL×3)和乙腈(5 mL×3)洗涤，除去上层乙醚或乙腈洗液后，在25℃真空干燥箱中干燥24 h，经纯化得一系列含羟基的功能化离子液体载体中间体：1－(2－羟乙基)－3－甲基咪唑氯盐 1，94%；1－(6－羟己基)－3－甲基咪唑氯盐 2，93%；1－(2－羟乙基)吡啶氯盐3，90%；1－(6－羟己基)吡啶氯盐 4，91%。

1.2.2 含氯的功能化离子液体载体的制备

在一个装有回流冷凝管、温度计的100 mL三口烧瓶中加入制得的一定量含羟基的功能化离子液体中间体1－(2－羟乙基)－3－甲基咪唑氯盐和过量的氯化亚砜，在60℃下反应至无气体生成时，终止反应。蒸发除去过量的氯化亚砜，25℃真空干燥后得到深黄色黏稠状液体，经纯化得目标产物1－(6－氯己基)－3－甲基咪唑氯盐5，产率91%。1H－NMR(D2O，500 MHz) δH：0.78～0.89(m，4H，2CH2)，1.17～1.19(m，2H，H－5’)，1.33～1.36(m，2H，H－2’)，3.04(t，2H，J ＝ 6.55 Hz，CH2OH)，3.41(s，3H，CH3N)，3.71(t，2H，J ＝ 7.05 Hz，CH2N)，7.02(s，1H，Ar，H－4 或 H－5)，7.04(s，1H，H－4 或 H－5)，8.37(s，1H，H－2)；IR(KBr)ν：741.0，1 169.2，1 378.2，1 431.3，1 461.4，1 572.4，2 862.8，2 940.0 cm－1。

2 结果与讨论

2.1 含羟基的功能化离子液体

首先分别采用杂环化合物(N－甲基咪唑、吡啶)与氯醇为原料，合成了一系列不同碳链长度连接基团的含羟基的功能化咪唑类离子液体载体 (图1)，即 1－(2－羟乙基)－3－甲基咪唑氯盐 1 和 1－(6－羟己基)－3－甲基咪唑氯盐2以及吡啶类离子液体载体(图 2)，1－(2－羟乙基) 吡啶氯盐 3 和 1－(6－羟己基)吡啶氯盐4。

图1 含羟基的功能化咪唑类离子液体的合成

图2 含羟基的功能化吡啶类离子液体的合成

研究发现所合成的4种含羟基的功能化离子液体在室温下的状态和其结构类型及二取代基的对称性有很大的关系。其中吡啶类的1－(2－羟乙基)吡啶氯盐3与1－(6－羟己基)吡啶氯盐4在室温下均为白色晶体；咪唑类二取代基对称性小的1－(6－羟己基)－3－甲基咪唑氯盐2在室温下为液态，而对称性高的1－(2－羟乙基)－3－甲基咪唑氯盐1在室温下呈淡黄色针状晶体。通常情况下，离子液体，特别是吡啶类离子液体或阴离子为氯的离子液体很容易吸湿，在空气下很不稳定，所以文献报道无法准确测定熔点，经努力，对于熔点的测定也未能成功。最近，Carrera等报道了一个预测吡啶离子液体的熔点的方法[12]，考虑到吡啶类离子液体熔点高，在室温下为固态，以及在水和空气环境中的稳定性不好[13]，容易吸潮，不方便使用，所以后续的研究采用了对水和空气稳定性较好的咪唑类离子液体2作为含氯功能基的离子液体载体合成的前体，见图3。

图3 含氯的咪唑离子液体载体5的合成

微波辐射加热技术能显著提高有机合成反应速率，特别是近年来发现对离子液体负载的合成反应有显著的促进作用[14]，它可以极大地提高反应速率，产率和选择性[15]。为此，在其他条件相同的情况下，我们分别考察了常规加热和微波辐射条件下(功率为160 W)离子液体载体1，2和3，4的合成反应条件。经多次重复实验，发现在常规加热条件下合成至少需要24 h，而采用微波加热只需10～15 min，有效地提高了反应速率，产率从常规条件下的83%～88%提高到90%～94%，见表1。

表1 含羟基功能化离子液体的常规和微波合成比较

2.2 含氯的功能化离子液体载体

在含羟基的功能化的离子液体中加入氯化亚砜，经分子内亲核取代反应，实现羟基与氯功能基间的简便转换，可得到高产率纯的含氯基的功能化离子液体载体目标产物5，该反应后处理非常简单，仅通过常规的蒸发过程即可实现。实验得到的1－(6－氯己基)－3－甲基咪唑氯盐在室温呈液态，且对空气和水稳定，方便使用。

2.3 相关化合物的谱图分析

2.3.1 核磁谱图分析

与含羟基功能基的离子液体载体2的1H NMR谱(图4)相比较，含氯离子液体载体5(图5)的峰形和峰强度基本一致；所不同的是，由于受到氯基的影响，所有的峰位置都整体向高场偏移。

图4 1-(6-羟己基)-3-甲基咪唑氯盐2的核磁共振谱图

图5 1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯盐5的核磁共振谱图

2.3.2 红外谱图分析

图6是含羟基功能基的离子液体载体1的红外谱图，在 758.3，1 430.4，2 862.1 及 2 937.7 cm－1处有亚甲基的特征峰，在 1 169.6，1 337.8 cm－1处有 C－O 的伸缩振动峰，而在 1 642.1，1 572.2 cm－1处出现咪唑类化合物的特征峰，羟基的氢键在3 270.7 cm－1出现宽峰。

图6 1-(6-羟己基)-3-甲基咪唑氯盐2的红外谱图

图7 是含氯离子液体载体5的谱图，与含羟基的离子液体中间体2比较，前者图中3 270.7 cm－1处氢键宽峰明显消失，而在7 41.0 cm－1处出现了很强的来源于氯取代的峰。

3 结论

本文合成了新型的含羟基的连接基团全部为碳链的咪唑类或吡啶类离子液体载体，经采用常规加热方法和微波加热方法比较，在微波辐射条件下，可大幅提高反应效率，反应时间缩短至只需10～15 min，而产率从83% ～88%提高到90%～ 94%。同时研究发现新型 1－(6－羟己基)－3－甲基咪唑氯盐2或其氯代咪唑类离子液体载体5，在室温下呈液态，且对空气和水稳定，有望成为离子液体负载的有机合成或液相组合化学用的新型载体。

图7 1-(6-氯己基)-3-甲基咪唑氯盐5的红外谱图

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