离子液体催化碳酸酯参与的绿色有机反应的研究进展

杨四娟，王滨燊，张利锋，高国华

（上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室 华东师范大学 化学系，上海 200062）

离子液体引起学术界和工业界的关注大约始于20世纪90年代中期，经过不到20年的发展，离子液体已从简单的绿色替代溶剂发展成为任务适应型的功能化离子液体，应用领域已从有机合成、无机合成等扩展到材料科学、环境科学和催化科学等领域［1-2］。离子液体在催化科学中的广泛应用主要得益于其广普的溶解度和可调控的结构。离子液体具有均相催化剂的结构可设计性，可根据需要嫁接酸性、碱性和配位功能团；同时，离子液体又具有多相催化剂的易于分离回收等优点，有望成为搭建均相催化和多相催化的新桥梁。国内外研究者在不同阶段从不同角度对离子液体在催化化学中的应用做了许多综述：离子液体中的金属有机催化［3］、离子液体中的工业催化［4］、离子液体中的有机合成与催化（如加氢反应、烷基化反应、酰基化反应、齐聚和聚合反应等）［5-10］、离子液体中的生物催化［11-13］以及离子液体中的生物质催化转化和精细化学品的合成［14-16］。

有机碳酸酯作为一种符合清洁生产和绿色化工要求的溶剂和添加剂，已广泛应用于锂电池的电解液、染料、涂料以及燃油添加剂等领域［17-19］；同时，有机碳酸酯含有羰基、酯基和烷基等功能基团，可作为羰基化和烷基化试剂代替光气、硫酸二甲酯、卤代甲烷等有毒有害试剂，是一种重要的化工原料及有机合成中间体，被誉为当今有机合成的“新基石”［20-24］。

本文介绍了近年来离子液体催化有机碳酸酯参与的绿色有机反应的研究进展，主要包括有机碳酸酯参与的烷基化反应和酯基化反应。

1 离子液体催化碳酸酯参与的烷基化反应

1.1 离子液体催化碳酸二甲酯参与的甲基化反应

碳酸二甲酯中含有—CH3活性基团，可用作甲基化试剂代替有毒的卤代甲烷、硫酸二甲酯等［23-24］。在离子液体催化下，碳酸二甲酯可作为甲基化试剂与酚、硫醇/硫酚、含有N—H键的铵盐以及活泼的亚甲基发生甲基化反应。

1.1.1 酚的甲基化反应

芳香族醚是合成医药、染料、农药、香料和杀虫剂的重要中间体。Shen等［25］利用不同的咪唑鎓离子液体催化取代苯酚与碳酸二甲酯反应，生成相应的芳基甲基醚（见图1），其中，［Bmim］Cl（［Bmim］为1-丁基-3-甲基咪唑鎓）的催化活性最高，在120 ℃下反应1.5 h，酚的转化率大于99%，O-甲基化产物的选择性高达100%；离子液体可重复使用5次，催化活性没有下降。

图1 酚与碳酸二甲酯的反应Fig.1 Reactions of phenols with dimethyl carbonate.

为了提高含酚生物油的稳定性，Nie等［26］研究了［Bmim］Cl催化苯酚、愈创木酚、丁子香酚和碳酸二甲酯的甲基化反应，在优化的反应条件下，相应的芳基甲基醚的收率达100%；同时，他们还研究了［Bmim］Cl催化含酚生物油和碳酸二甲酯的反应，发现碳酸二甲酯可与其中的羧酸及苯酚、愈创木酚和丁子香酚等酚类化合物发生甲基化反应，从而提高了生物油的品质。但该反应使用大量的离子液体作为催化剂和溶剂，离子液体的用量为含酚生物油的10倍，虽然离子液体可循环使用5次，但其高昂的成本可能成为实际应用的障碍。

1.1.2 硫醇的甲基化反应

硫醚特别是芳香族硫醚是医药、农药及有机合成中重要的中间体。Xie等［27］利用离子液体催化碳酸二甲酯与脂肪族硫醇、芳香族硫醇反应合成相应的甲基硫醚（见图2）。与季铵盐（如Bu4NCl）相比，咪唑鎓和吡啶鎓离子液体具有很高的催化活性，咪唑鎓和吡啶鎓的侧链长度对反应影响不大，而离子液体的阴离子对反应有较大的影响，［Bmim］Cl的活性最高，其高活性可能与Cl-通过氢键作用活化巯基有关。

图2 硫醇与碳酸二甲酯的反应Fig.2 Reactions of thiols with dimethyl carbonate.

1.1.3 苯乙腈的甲基化反应

苯乙腈的甲基化反应是一个碱催化反应［28-29］。本课题组［30］利用不同的离子液体催化苯乙腈与碳酸二甲酯反应（见图3），发现咪唑鎓中的2位氢（C2-H）对该反应起至关重要的作用，当咪唑鎓含有C2-H时，产物收率很高，如以［Bmim］OAc，［Bmim］Cl，［Bmim］Br为催化剂时，产物收率分别为98%，96%，70%；而当C2-H被甲基取代后，产物收率显著降低，如以［Bmmim］OAc（［Bmmim］为1，2-二甲基-3-丁基咪唑鎓），［Bmmim］Cl，［Bmmim］Br为催化剂时，产物收率分别为34%，9%，6%；以吡啶鎓离子液体为催化剂时则没有产物生成（见图4）。离子液体阳离子的催化活性高低顺序为：［Bmim］＞ ［Bmmim］＞［BPy］（吡啶鎓），与其提供氢键的能力一致，咪唑鎓通过C2-H与羰基形成氢键来活化碳酸二甲酯。离子液体阴离子的催化活性高低顺序为：OAc＞Cl＞Br＞C（CN）2·COOEt≈BPh4，与其接受氢键的能力一致，阴离子通过接受氢键而活化苯乙腈。阴阳离子协同催化，苯乙腈与碳酸二甲酯的反应才能顺利进行。

图3 苯乙腈与碳酸二甲酯的反应Fig.3 Reaction of phenylacetonitrile with dimethyl carbonate.

图4 不同离子液体催化苯乙腈与碳酸二甲酯反应的活性Fig.4 Activities of the reaction of phenylacetonitrile and dimethyl carbonate catalyzed by different ionic liquids.

1.1.4 铵盐的烷基化反应

季铵盐可用作表面活性剂、相转移催化剂、模板剂、分子探针和离子通道阻滞剂等。季铵盐通常由烷基卤化物与叔胺反应制得。但该方法一般用于合成卤化物季铵盐，若需合成碳酸盐和硫酸盐等其他类型的季铵盐，则还要经过阴离子交换。Zheng等［31-33］用离子液体催化碳酸酯参与铵盐烷基化反应一步制备季铵盐（见图5），其中离子液体［Emim］Br（［Emim］为1-乙基-3-甲基咪唑鎓）的催化活性最高，在一定的反应条件下，与未加催化剂的反应相比，［Emim］Br可将季铵盐的收率从20%提高到90%以上。碳酸酯的种类对产物收率也有一定影响，活性高低顺序为：碳酸二甲酯＞碳酸二苄酯＞碳酸二乙酯＞碳酸二苯酯，活性高低主要取决于空间位阻和碳正离子稳定性两个因素。离子液体催化铵盐的烷基化反应为季铵盐的合成提供了一种新的方法，具有应用前景。

图5 铵盐与二烷基碳酸酯的反应Fig.5 Reactions of ammonium salts with dialkyl carbonates.

1.2 离子液体催化环状碳酸酯参与的羟烷基化反应

有机胺与环状碳酸酯的羟烷基化反应是合成氨基醇的一种重要方法，Selva等［34］利用季鏻离子液体催化苯胺与碳酸乙烯酯反应合成了N-（2-羟乙基）苯胺（见图6-1a）和双-N-（2-羟乙基）苯胺（见图6-2a）。反应首先生成N-（2-羟乙基）苯胺，然后它与碳酸乙烯酯进一步反应生成双-N-（2-羟乙基）苯胺。通过控制反应时间、温度及物料配比可以选择性地合成N-（2-羟乙基）苯胺和双-N-（2-羟乙基）苯胺，同时，反应产物中也发现有少量的4-苯基吗啉（见图6-3a）和3-苯基噁唑烷-2-酮（见图6-4a）。在不同阴离子的季鏻离子液体中，以Br-为阴离子的离子液体活性最高。苯胺也可以与碳酸丙烯酯反应生成相应的苯氨基醇，但需要更高的反应温度。

图6 苯胺与碳酸乙烯酯的反应Fig.6 Reactions of anilines with ethylene carbonate.

本课题组［35］利用咪唑鎓离子液体催化吲哚与环状碳酸酯进行羟烷基化反应制备羟烷基吲哚（见图7）。吲哚与碳酸乙烯酯在离子液体催化下反应生成1-（2-羟乙基）吲哚（见图7-1b）及其衍生物1-（2-（2-羟基）-乙氧基乙基）吲哚（见图7-2b）和1-（2-（2-（2-羟基）乙氧基乙基）乙氧基）吲哚（见图7-3b）。［Bmim］OAc为催化剂时反应活性最高，在优化条件下，吲哚转化率可达100%。

图7 吲哚与碳酸乙烯酯的反应Fig.7 Reaction of indole with ethylene carbonate.

2 离子液体催化碳酸酯参与的酯基化反应

2.1 脂肪胺的酯基化反应

氨基甲酸酯是合成医药、杀虫剂、除草剂以及其他精细化学品的重要中间体，也可用于合成聚氨酯或用作有机反应中的氨基保护基团。Sima等［36］报道了以离子液体为溶剂和催化剂，脂肪胺与碳酸二甲酯反应制备烷基氨基甲酸酯（见图8）。为了研究离子液体对该反应的影响，利用不同侧链长度的咪唑鎓离子液体，如［Emim］BF4，［Bmim］BF4，［Hmim］BF4（［Hmim］为1-己基-3-甲基咪唑鎓）催化环己胺与碳酸二甲酯反应，不同离子液体催化下烷基氨基甲酸酯选择性高低顺序为：［Emim］BF4＞［Bmim］BF4＞［Hmim］BF4，随咪唑鎓上烷基链长的增加而降低；而甲基化产物选择性随咪唑鎓上烷基链长的增加而增大。同时，离子液体的阴离子对产物选择性也有一定的影响，当阴离子为HSO-4时，烷基氨基甲酸酯的选择性显著降低。在上述研究的基础上，该课题组［37］进一步研究了酸性功能化离子液体（见图9）催化脂肪胺与碳酸二甲酯的反应，发现磺酸功能化离子液体可在相对温和的条件下高效催化脂肪胺与碳酸二甲酯反应，如1%（w）的［Mim（CH2）4SO3H］OTf（见图9，m=4）可催化1，6-己二胺与碳酸二甲酯的反应，转化率为100%，氨基甲酸酯的收率大于90%；离子液体回收使用5次，活性和选择性没有明显下降。

图8 脂肪胺与碳酸二甲酯的反应Fig.8 Reactions of aliphatic amines with dimethyl carbonate.

图9 功能化离子液体Fig.9 The functional ionic liquids.

2.2 吲哚的酯基化反应

本课题组［38］利用咪唑鎓离子液体催化吲哚与碳酸二甲酯反应制备氮杂环氨基甲酸酯（见图10）。研究发现，咪唑鎓的种类对该反应有重要影响（见表1），含C2-H的咪唑鎓离子液体可高效催化该反应，如以［Bmim］BF4，［Bmim］Cl，［Bmim］OH为催化剂时的产物收率分别为83%，92%，96%；而当咪唑鎓的C2-H被甲基取代时，产物收率明显降低，以［Bmmim］BF4，［Bmmim］Cl，［Bmmim］OH为催化剂时的产物收率分别降至0，15%，13%。离子液体通过咪唑鎓C2-H活化碳酸二甲酯，促进了吲哚的亲核进攻。

图10 吲哚与碳酸二甲酯的反应Fig.10 Reaction of indole with dimethyl carbonate.

表1 不同离子液体催化吲哚与碳酸二甲酯的反应Table 1 Reaction of indole with dimethyl carbonate catalyzed by various ionic liquids

本课题组［39］合成了酸碱双功能离子液体［PEmim］PbCl3和相应的碱性离子液体［PEmim］Cl（见图11），并用于催化苯胺与碳酸二甲酯的反应，生成甲基苯氨基甲酸酯（见图12-1c）、苯氨基甲酸酯（见图12-2c）和N-甲基苯胺（见图12-3c）3种产物。在优化的反应条件下，甲基苯基氨基甲酸酯的收率可达72%，酸碱双功能离子液体的活性和选择性远远高于相应的碱性离子液体［PEmim］Cl和酸性的PbCl2。

图11 酸碱双功能离子液体Fig.11 Acid-base bifunctional ionic liquids.

图12 苯胺与碳酸二甲酯的反应Fig.12 Reaction of aniline with dimethyl carbonate.

此外，利用密度泛函理论模拟了［PEmim］PbCl3与苯胺及碳酸二甲酯相互作用的结构模型及电荷分布，发现酸碱双功能离子液体［PEmim］PbCl3可以通过其碱性哌啶基团活化碳酸二甲酯、酸性Pb离子活化苯胺。酸碱协同催化促进了反应高效、高选择性进行。

2.3 离子液体催化芳香胺与环状碳酸酯反应合成噁唑烷酮

3-芳基噁唑烷-2-酮是一类具有生物活性的杂环化合物， 通常采用异氰酸酯和环氧化合物反应制得［40］。本课题组［30，40］利用离子液体催化芳香胺与环状碳酸酯一步反应制备3-芳基噁唑烷-2-酮（见图13），由于不使用剧毒的异氰酸酯，该反应是一种绿色合成3-芳基噁唑烷-2-酮的新方法。研究发现，离子液体阴阳离子都对反应有很大的影响，阳离子通过咪唑C2-H与碳酸酯形成氢键从而活化碳酸酯，阴离子则通过与芳香胺的氨基H形成氢键从而活化芳香胺。利用1H NMR研究了离子液体与碳酸乙烯酯的相互作用，发现［Bmim］BF4上的咪唑C2-H的化学位移发生了移动，证实了离子液体咪唑鎓的C2-H与碳酸乙烯酯之间存在相互作用。同时，通过ESI-MS也检测到了［Bmim］BF4与碳酸乙烯酯以及苯胺相互作用的超分子物种，进一步证明了阴阳离子协同催化反应的机理，离子液体阴阳离子协同催化模型如图14所示。

图13 苯胺与环状碳酸酯的反应Fig.13 Reactions of anilines with cyclic carbonates.

图14 离子液体催化苯胺与碳酸乙烯酯的可能模型Fig.14 A proposed model of the reaction of aniline and ethylene carbonate catalyzed by ionic liquids.

3 结语

离子液体在催化研究中最初主要用作反应溶剂，相对高昂的价格在一定程度上限制了它在工业上的广泛应用。近年来，离子液体用作催化剂也有许多报道，其中咪唑鎓离子液体的阳离子可以通过提供氢键活化亲电试剂，阴离子通过接受氢键活化亲核试剂，因此，离子液体的阴阳离子可以协同催化亲核试剂和亲电试剂的反应。鉴于大多数有机反应是亲核试剂与亲电试剂的反应，从理论上讲，离子液体可以催化或促进众多的有机反应。有机碳酸酯被认为是一种绿色溶剂和试剂，具有很强的亲电性和丰富的反应性能，离子液体可以通过氢键作用活化有机碳酸酯的羰基氧或烷基氧，对碳酸酯参与的反应具有很好的催化作用。综上所述，结合离子液体“绿色”、可回收的特点以及有机碳酸酯的优势，必将能够成功开发出一种全新的绿色有机化工过程。

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