在離子液體中合成多取代苯基異丙基醚*

繆程平, 宗乾收, 陳 喜, 張 洋, 吳建一

(1. 嘉興學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院 嘉興市化工清潔工藝重點實驗室,浙江 嘉興 314001;2. 浙江九洲藥業(yè)股份有限公司,浙江 臺州 318000)

采用Williamsoa醚化反應(yīng)制備多取代芳香醚，需以甲苯為溶劑，對環(huán)境污染較大；改用相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)在水相中合成，雖然解決了溶劑污染問題，且收率高，但是產(chǎn)生的廢水對環(huán)境仍有一定的影響，且容易產(chǎn)生鹵代烴水解副反應(yīng)[1,2]。因此，尋找一種對環(huán)境友好無污染的溶劑，實現(xiàn)多取代芳香醚的清潔合成，具有重要意義。

離子液體以其無蒸汽壓、清潔可回收、具有催化作用等優(yōu)點成為近年來研究的熱點，在清潔催化反應(yīng)中有廣闊的應(yīng)用前景[3～5]。

本文以1-甲基-3-丁基咪唑四氟硼酸鹽離子液體{[Bmim]BF4}為反應(yīng)介質(zhì)，由多取代苯酚(1a～1l)與2-溴丙烷反應(yīng)合成了12個多取代苯基異丙基醚(3a～3l, Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和IR確證。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

X-5型顯微熔點儀(溫度計未校正);VarianScheme1INOVA-300型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo));470FI-IR型傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片);GC-9790型氣相色譜儀(毛細(xì)管柱)。

1a～1l 2a～2l

2-溴丙烷,化學(xué)純；其余所用試劑均為市售分析純；薄層色譜板為青島海洋硅膠G板。

1.2 合成

(1) [Bmim]BF4的合成

在三口瓶中依次加入N-甲基咪唑8.2 g(100 mmol),溴代正丁烷15.1 g(110 mmol)和NaBF412.1 g(110 mmol),攪拌下于80 ℃反應(yīng)3 h。冷卻至室溫，加入二氯甲烷50 mL，抽濾，濾液加入中性氧化鋁1 g，于室溫攪拌10 min，抽濾，濾液旋干溶劑，于120 ℃真空干燥4 h得微黃色油狀液體[Bmim]BF4。

(2) 多取代苯酚鈉(2a～2l)的合成(以2a為例)

在三口瓶中加入2,4-二氯-5-硝基苯酚(1a) 20.8 g(100 mmol),攪拌下滴加50%NaOH溶液,滴畢，于40 ℃～60 ℃(水浴)反應(yīng)至反應(yīng)體系中無顆粒狀物質(zhì)。冰浴析晶，抽濾，濾餅真空干燥得紅色片狀固體2,4-二氯-5-硝基苯酚鈉(2a)。

用類似方法合成2b～2l。

(2)3的合成(以3a為例)

在三口瓶中依次加入2a4.6 g(20 mmol)和[Bmim]BF44 g，攪拌下在90 ℃以上緩慢滴加2-溴丙烷2.952 g(24 mmol)(90 min內(nèi))，反應(yīng)6 h。冷卻，分液，移去上層離子液體，下層用1,2-二氯乙烷(3×10 mL)萃取，合并萃取液，用水(2×5 mL)洗滌，無水Na2SO4干燥，旋干溶劑后經(jīng)硅膠板層析[展開劑：V(石油醚) ∶V(乙酸乙酯)=5 ∶1]分離得2,4-二氯-5-硝基苯基異丙基醚(3a)。

用類似方法合成3b～3l。

3a: 淡黃色晶體,m.p.39 ℃～40 ℃;1H NMRδ: 1.26～1.55(d, 6H, CH3), 4.59～4.65(m, 1H, CH), 7.50(s, 1H, ArH), 7.56(s, 1H, ArH); IRν: 770(Cl), 1 520(NO2), 1 176(C-O-C) cm-1。

3b: 無色液體,b.p.115 ℃～116 ℃;1H NMRδ: 1.50～1.54(d, 6H, CH3), 4.54～4.55(m, 1H, CH), 6.88～7.35(m, 4H, ArH); IRν: 743(Cl), 1 107(C-O-C) cm-1。

3c: 無色液體,b.p.117 ℃～118 ℃;1H NMRδ: 1.30～1.33(d, 6H, CH3), 4.48～4.51(m, 1H, CH), 6.80～7.22(m, 4H, ArH); IRν: 80(Cl), 1 100(C-O-C) cm-1。

3d: 淡黃色油狀液體,b.p.128 ℃～129 ℃;1H NMRδ: 1.38～1.40(d, 6H, CH3), 4.64～4.71(m, 1H, CH), 6.97～7.07(s, 2H, ArH), 7.46～7.77(s, 2H, ArH); IRν: 1 489(NO2), 1 156(C-O-C) cm-1。

3e: 淺黃色油狀液體,b.p.133 ℃～134 ℃;1H NMRδ: 1.38～1.42(d, 6H, CH3), 4.64～4.70(m, 1H, CH), 6.90～6.94(s, 2H, ArH), 8.16～8.20(s, 2H, ArH); IRν: 1 520(NO2), 1 056(C-O-C) cm-1。

3f: 無色透明液體,b.p.111 ℃～112 ℃;1H NMRδ: 1.30～1.56(d, 6H, CH3), 2.21(s, 1H, CH3), 4.50～4.53(m, 1H, CH), 6.83～7.26(m, 4H, ArH); IRν: 1 126(C-O-C) cm-1。

3g: 無色透明液體,b.p.109 ℃～110 ℃;1H NMRδ: 1.24～1.32(d, 6H, CH3), 2.28(s, 3H, CH3), 4.46～4.52(m, 1H, CH), 6.78～7.07(s, 4H, ArH); IRν: 1 109(C-O-C) cm-1。

3h: 淺黃色油狀液體,b.p.121 ℃～122 ℃;1H NMRδ: 1.39～1.41(d, 6H, CH3), 4.65～4.71(m, 1H, CH), 6.99～7.83(m, 4H, ArH), 10.50(s, H, CHO); IRν: 1 684(CHO), 1 113(C-O-C) cm-1。

3i: 淺黃色油狀液體,b.p.116 ℃～117 ℃;1H NMRδ: 1.36～1.39(d, 6H, CH3), 4.64～4.69(m, 1H, CH), 6.96～7.84(m, 4H, ArH); IRν: 1 685(CHO), 1 115(C-O-C) cm-1。

3j: 黃色油狀液體,b.p.1.21 ℃～1.25 ℃;1H NMRδ: 1.21～1.25(d, 6H, CH3), 1.55(s, 2H, NH2), 4.37～4.49(m, 1H, CH), 7.26 (s, 4H, ArH); IRν: 3 416(NH2) cm-1。

3k: 無色液體,b.p.139 ℃～140 ℃;1H NMRδ: 1.19～1.23(d, 6H, CH3), 4.40～4.43(m, 1H, CH), 6.81(s, 1H, OH), 7.26(s, 4H, ArH); IRν: 3 429(OH), 1 152(C-O-C) cm-1。

3l: 無色液體,b.p.128 ℃～129 ℃;1H NMRδ: 1.34～1.37(d, 6H, CH3), 3.85(s, 3H, OCH3), 4.49～4.55(m, 1H, CH), 6.90～6.94(m, 4H, ArH); IRν: 3 429(OH), 1 152(C-O-C) cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 3的波譜特性

3的IR分析結(jié)果表明，3 200 cm-1附近的酚羥基的寬強(qiáng)峰消失，卻在1 100 cm-1～1 300 cm-1出現(xiàn)了C-O-C的伸縮振動吸收峰，說明產(chǎn)物為多取代芳醚。3的1H NMR分析結(jié)果表明，-OCH(CH3)2的6個甲基質(zhì)子化學(xué)位移出現(xiàn)在1～2，仲碳質(zhì)子由于受氧吸電子效應(yīng)的影響，化學(xué)位移向低場移動至4～5；苯環(huán)質(zhì)子的化學(xué)位移為6.78～8.20，強(qiáng)吸電子硝基使苯環(huán)質(zhì)子峰向低場移動，而推電子甲氧基使其向高場移動。

2.2 在[Bmim]BF4中取代基電子效應(yīng)的研究

醚化反應(yīng)是SN2雙分子親核取代反應(yīng)，反應(yīng)速率與原料鹵代烴的濃度和親核試劑的活性有關(guān)。親核試劑苯氧負(fù)離子的親核性大小與苯氧負(fù)離子苯環(huán)上的取代基有關(guān)，取代基的電子效應(yīng)結(jié)果是吸電子基能使原料多取代苯酚的酸性增加，對應(yīng)的共軛堿苯氧負(fù)離子的堿性減弱；反之推電子基能使多取代苯酚酸性減弱，對應(yīng)的共軛堿苯氧負(fù)離子的堿性增強(qiáng)。而在親核試劑的親核性比較中，相同原子的親核試劑的活性比較與堿性強(qiáng)弱順序一致，因此，吸電子取代基將使苯氧負(fù)離子親核性下降，而推電子取代基使苯氧負(fù)離子親核性升高。通過對單位時間內(nèi)反應(yīng)原料的轉(zhuǎn)化率的變化研究，可以得出不同取代的苯氧負(fù)離子的親核性大小，從而反推得到苯環(huán)上這些取代基的吸電子或推電子效應(yīng)的大小順序。在其它條件均相同，反應(yīng)時間為6 h，選擇不同取代的苯氧負(fù)離子與溴代異丙烷反應(yīng)合成3，苯環(huán)取代基對2轉(zhuǎn)化率(GC測定)的影響見Scheme 1。

由Scheme 1可見，在[Bmim]BF4中2d,2e,2h和2i的轉(zhuǎn)化率明顯低于2a,2b,2c,2f,2g,2k和2l。2d,2e,2h和2i的取代基(-NO2和-CHO)表現(xiàn)出吸電子性，使親核試劑苯氧負(fù)離子的親核性下降，從而降低反應(yīng)速率；進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，吸電子能力-NO2>-CHO，這個結(jié)果與水相和有機(jī)相中反應(yīng)的結(jié)論一致。2a,2b,2c,2f,2g,2k和2l的取代基(-OH, -OCH3, -Cl和-CH3)表現(xiàn)出推電子性，使親核試劑苯氧負(fù)離子的親核性增強(qiáng)，從而提高反應(yīng)速率；進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，推電子能力-OH>-OMe>-Cl>-CH3。此處-Cl在離子液體系中表現(xiàn)為推電子效應(yīng)，且具有較強(qiáng)的推電子能力，其推電子能力明顯大于-CH3，而鹵素屬于第三類定位基，在水相和有機(jī)相中表現(xiàn)為吸電子作用，這說明在離子液介質(zhì)中，取代基的電子效應(yīng)發(fā)生了改變。這可能是由于離子液體系中苯環(huán)與離子液陽離子結(jié)構(gòu)的二種芳環(huán)所帶電荷正好相反，同時離子液的陽離子體積較大，且為親油性基團(tuán)，根據(jù)相似相溶原則，咪唑芳環(huán)既要與苯環(huán)接近，帶正電部分又要與苯甲氧負(fù)離子之間形成離子對，那么若要同時滿足這二種結(jié)合，離子液的咪唑芳香環(huán)與反應(yīng)物苯氧負(fù)離子可能以平面疊加方式實現(xiàn)離子液的溶劑化作用。這種結(jié)果使氯取代基不存在常規(guī)溶劑中的溶劑化效應(yīng)，因此氯對苯環(huán)的影響是p-π共軛效應(yīng)大于負(fù)誘導(dǎo)電子效應(yīng)[6]。

3 結(jié)論

在離子液體中以多取代苯酚為原料合成相應(yīng)的多取代芳香醚是可行的，該方法操作簡便，反應(yīng)產(chǎn)物易分離，反應(yīng)過程中未使用有機(jī)溶劑，減少了對環(huán)境的污染；離子液在反應(yīng)過程中既是溶劑又是催化劑，且可循環(huán)利用，對環(huán)境無污染，是真正意義上的綠色清潔合成。

在離子液體中部分取代基的電子效應(yīng)發(fā)生了改變，尤其是第三類定位基-Cl表現(xiàn)出很強(qiáng)的推電子性能，共軛效應(yīng)大于誘導(dǎo)效應(yīng)。通過比較不同取代基苯氧負(fù)離子的親核性大小，推導(dǎo)出在離子液體中各取代基推電子和吸電子能力強(qiáng)弱：推電子能力-OH>-OCH3>-Cl>-CH3；吸電子能力-NO2>-CHO；研究發(fā)現(xiàn)第三類定位基-Cl具有比甲基更強(qiáng)的推電子能力。

[1] 吳建一,徐蕓,邵生富,等. 相轉(zhuǎn)移催化合成二鹵代芳香醚的方法[P].CN 200 410 084 425,2006.

[2] 吳建一,繆程平,徐蕓,等. 2,4-二氯-5-硝基苯基異丙基醚清潔合成工藝研究[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,2006,22(4):381-384.

[3] Hua Zhao, Sanjay V Malhotra. Applications of ionic liquids in organic synthesis[J].Aldrichimica Acta,2002,3(35):75-76.

[4] Christopher Imrie, Elago R T Elago, Cedric W McClelandetal. Esterification reactions in ionic liquids.The efficient synthesis of ferrocenyl esters in the ionic liquids [bmim][BF4] and [bmim][PF6][J].Green Chemistry,2002,4:159-160.

[5] Fang Dong, Luo Jun, Zhou Xinlin,etal. One-pot green procedure for Biginelli reaction catalyzed by novel task-specific room-temperature ionic liquids[J].Journal of Molecular Catalysis A:Chemical,2007,274:208-211.

[6] 吳建一,向自偉,宗乾收,等. 在離子液體體系中苯環(huán)上氯取代基電子效應(yīng)差異性研究[J].有機(jī)化學(xué),2010,30(5):753-756.