室溫離子液體在有機合成中的應用研究進展

洪 哲

（太原理工大學化學化工學院，山西 太原 030024）

室溫離子液體(RTILs)通常是由有機陽離子和無機陰離子構成的一種室溫熔鹽。與傳統的有機溶劑相比，RTILs 具有電化學窗口寬、固有導電性高、熱穩定性強、不易揮發、溶解度大、極性可控等優良物理化學性能及優點，其可作為揮發性有機溶劑的綠色替代品，用于化學合成、生物溶解、電化學裝置等領域[1]。RTILs 用作有機合成反應溶劑，同時還有催化功能，其反應速度快，區域選擇性好，目標產率高，后處理簡單，溶劑可以重復使用，具有綠色應用大好前景，相關研究具有一定應用價值。

1 Friedel-Crafts 反應

1.1 Friedel-Crafts 烷基化反應

Friedel-Crafts 反應是一類芳香族親電取代反應，是制備烷基烴和芳香酮的方法。RTILs 中苯與1-氯丁烷的Friedel-Crafts 烷基化反應如式（1），由于中間碳正離子親電性增強，所以反應選擇性和產率較好，催化活性穩定，可重復使用[2]。在溶有Sc(OTf)3的[Bmim][PF6]、[Emim][SbF6]、[Emim][BF4]等離子溶液中，苯和多種烯烴發生的Friedel-Crafts 烷基化反應，其單烷基化目標產物的選擇性較好，轉化率較高[3]，如十二碳烯和苯的烷基化反應。在通過微波輔助路易斯酸離子液體催化合成輔酶Q10 中間體的Friedel-Crafts烷基化反應中，一般隨[Etpy][BF4]路易斯酸離子增強（[Etpy][BF4]/AlCl3除外），其反應的催化活性增加，[Etpy][BF4]/ZnCl2催化活性最好，反應僅150 s，收率達89%[4]。在[Bmim][PF6]中吲哚的N-烷基化、2-萘酚的O-烷基化，其雜原子的烷基化目標產物選擇性較好[5-6]。若將RTILs 負載于硅、碳等載體上進行反應，更有利于產物與催化劑分離。

1.2 Friedel-Crafts 酰基化反應

Friedel-Crafts 酰基化反應通常是在路易斯酸催化下，讓酰氯與苯環進行酰化的反應，與傳統工業合成相比，RTILs 中的Friedel-Crafts 酰基化反應轉化率高、選擇性好，易于回收、環境污染小，如苯甲醚、氯苯、甲苯在RTILs 中的酰基化反應。在[Bmim][Tf2N]/CO2均勻相中二茂鐵進行酰化反應生成乙酰基二茂鐵是可行的[7]。在[Emim][AlCl3]/甲苯中二茂鐵的酰基化反應，單酰化產物的產率很高。在[Bmim][dca]中多種醇、酚和糖類的O-酰化反應，產率較高。

2 偶聯反應

2.1 Heck 反應

Heck 反應是合成具有高選擇性和高分子量共軛聚合物的有效方法。單齒亞磷酸酯如亞磷酸三苯酯等是Heck 交叉耦合反應良好和有效的配體[8]。與普通有機溶劑相比較，RTILs 中的Heck 反應時間縮短、催化劑穩定、溶劑和催化劑能循環使用，如鈀催化烯烴與鹵代芳烴或芳香酐生成芳香烯烴，如式（2）[9]；而如溴化四烷基磷離子液體對鈀催化劑有穩定作用，使鈀原子在反應過程中不失活，不沉淀[10]。在三相系統[Bmim][PF6]/水/己烷中的Heck 反應，產物易于分離，反應體系可重復使用。

2.2 Suzuki 交叉偶聯反應

Suzuki 偶聯反應是碳-碳鍵結合反應，如二苯偶聯、鹵代物與有機硼酸偶聯等。RTILs 中的Suzuki 反應避免了傳統反應溫度高、催化劑用量較大、穩定性差等缺點。用[Bmim][PF6]介入固載于氧化鋁上的Pd(OAc)2催化芳鹵與芳硼酸的耦合反應，可以防止催化劑流失，增強活性和穩定性，利于多次重復使用。在[Emim][BF4]中萘硼酸與氯代喹啉或異喹啉的Suzuki 反應，交叉偶聯選擇性好，產物收率較高。

2.3 Trost-Tsuji 反應

Trost-Tsuji 反應主要是碳-碳鍵、碳-氮鍵、碳-氧鍵的偶聯，具有很好的區域選擇性，如甲基環己烷/[Bmim]Cl 中鈀催化亞甲基化合物烯丙基化反應，其反應速度明顯提高[11]。

2.4 其他偶聯反應

Stille 交叉偶聯反應，如鈀催化下有機錫化合物和不含β-氫的鹵代烴的交叉偶聯；碳-雜原子交叉偶聯反應，如RTILs 中鹵代芳烴與苯等取代磷化物的偶聯；其他還有Rosenmund-von Braun反應、Sonogashira 反應、烯烴關環歧化等。

3 加成反應

3.1 環加成反應

3.1.1 Diels-Alder 反應

Diels-Alder 反應是合成橋環化合物的重要方法，如環戊二烯和甲基丙烯酸甲酯的Diels-Alder 反應，在極性RTILs 中主要生成內型產物，如式（3）。在丙氨酸甲酯硝酸鹽([AME][NO3])催化的環戊二烯和甲基丙烯酸甲酯的Diels-Alder 反應中，[AME][NO3]起路易斯酸作用，其催化活性主要來源于[AME]陽離子[12]。固定化氧化鋯納米粉體在RTILs 中作為路易斯酸用于包含吡喃基骨架的多環雜環化合物的合成反應，經在不同溶劑中試驗比較，用氧化鎬（20%）作催化劑，在[Bmim][NO3]中的反應時間短，產率最高[13]；[Bmim][NO3]具有水溶性，可用水洗滌分離，干燥后重復使用。RTILs 中用稀土金屬三氟甲磺酸酯催化Diels–Alder 反應，可有效促進產品高收益和內/外立體選擇性，而且Sc(OTf)3循環使用六次后其活性基本不變[14]，同時發現Ce(OTf)4·5H2O 在[HMI][BF4]中效果更好。

3.1.2 其他環加成反應

CO2同環氧丙烷的環加成反應，如[Bmim][BF4]對CO2和環氧丙烷加成生成環狀碳酸酯起很好催化作用；自由基環化加成反應，如在[Bmim][BF4]的CH2Cl2溶液中，用Mn(OAc)3催化α-甲基苯乙烯與1,3-二酮類化合物環加成，目標產率較高；還有1,3-二偶極環加成，苯醌類與乙烯衍生物的加成等。

3.2 非環加成反應

3.2.1 Michael 加成反應

Michael 加成是由一個親電的共軛體系和一個親核的碳負離子進行的共軛加成反應。與傳統加成相比，RTILs 中的Michael 加成反應無需強堿催化，避免大量副反應，縮短反應時間，提高反應選擇性，如[Bmim][OH]中活性亞甲基化合物與共軛酮、酯和腈化物的加成反應，時間縮短，產率提高，離子液體能重復使用[15]。用苯磺酸鈉改性硅膠吸附[DBIM][SbF6]形成的催化體系，為在水中進行的吲哚衍生物和α,β-不飽和羰基化合物的反應提供疏水環境，從而提高催化劑性能[16]。

3.2.2 其他非環加成反應

氫化反應，如在[Bmim][BF4]中錸催化的環己烯氫化，再如[Bmim][PF6]中炔烴的鋯氫化反應，(E)-烯基鋯化合物的區域選擇性和立體選擇性高，若在Pd（PPh3）4存在下經與芳基鹵化物交叉偶聯反應，（E）-1,2-二取代乙烯收率高[17]；氫胺化反應，如鈀催化苯乙烯和苯胺的氫胺化加成等。

4 縮合反應

4.1 羥醛縮合

羥醛縮合反應較多用于藥物及藥物中間體等的合成。L-脯氨酸催化各種離子液相中結合醛與各種如丙酮、環戊酮等酮的非對稱交叉羥醛縮合反應，產率范圍從81%到99%[18]。將脯氨酸溶于改性[Bmim][BF4]中并固化到硅膠上，來催化羥醛縮合反應，比用[Bmim][PF6]的產率更高，活性更穩定。

4.2 Knoevenagel 縮合

Knoevenagel 縮合是醛或酮在弱堿催化下，與具有活潑α-氫原子的化合物縮合的反應，如與活性亞甲基化合物反應，如式（4）。用[Bmim][OH]催化脂肪醛或酮類與丙二酸二乙酯的Knoevenagel縮合，反應時間短，產率高。

4.3 縮醛反應

縮醛是有機合成中重要的中間體、香料等，縮醛作用是要保護羰基，如丁醛和乙二醇反應合成丁醛乙二醇縮醛。用BrΦnsted 酸性離子液體BAIL(1)催化醛或酮與醇反應，其選擇性100%，轉化率很高[19]。

5 氧化還原反應

5.1 氧化反應

在RTILs 中的氧化反應避免了許多傳統氧化反應中如反應時間長、酸性強、毒性高、不穩定和收率低等弊端。用過氧化氫對烯烴和烯丙醇類化合物進行環氧化反應，速度較快，立體選擇性好。

5.2 還原反應

RTILs 中不飽和烴如1-戊烯等的催化氫化，其反應速度比傳統反應快幾倍；在[Bmim][BF4]、[Bmim][PF6]等中用硼烷或硼氫化物把醛或酮還原到醇，其反應速度隨反應溫度提升而提高,活性不變[20]。

6 羰基化反應

6.1 氫甲酰化反應

氫甲酰化反應用于烯烴與氫氣及一氧化碳在催化和高壓下制備醛類，如在含有[AsF6]、[BF4]、[PF6]等陰離子溶液中錸催化烯烴（如1-戊烯）進行的氫甲酰化，與傳統反應相比，其選擇性和產率都有所提高。固載化的離子液體[Rh(acac)(CO)2]催化劑在氫甲酰化反應中性能更穩定。

6.2 其他羰基化反應

烯烴和醇的氫酯基化，如在[Bmim][BF4]中用鈀催化叔丁醇氫酯基化獲得異戊酸酯產物的反應，無須加入強酸；還有鹵代芳烴的羰化反應、烷烴的羰化、苯胺的氧化羰化、炔醇的羰化等。

7 RTILs 在其他有機反應中的應用

疊氮反應，如短寡核苷酸功能化咪唑陽離子液體的烷基鹵化物疊氮[21]；Beckmann 重排，如環己酮肟在含磷化合物/RTILs 中重排制己內酰胺的反應；Baylis-Hillman 反應，如在[Bmim][BF4]中的反應速度是傳統方法的三十倍；酰化反應，如在酶/RTILs 中黃酮類化合物與長鏈脂肪酸生成酯的反應[22]；以及[Bmim][BF4]中乙酰化糖衍生物與硫醇合成硫代糖苷[23]，雙酸性離子液體的催化氧化噻吩脫硫反應等[24]。

8 結語

RTILs 在有機合成及催化等領域的應用是近年來新興的綠色化學研究。RTILs 在溶解、催化、分離、回收等方面性能優越，用在有機合成反應上，克服了傳統的固相、液相合成反應中存在的不足，使反應速度加快、區域選擇理想、產物分離簡便、催化劑活性基本不變、RTILs/催化劑可重復使用、成本降低、產率提高、污染減小。因此，有關多功能化RTILs 的許多反應理論及RTILs 綠色有機合成應用研究等更待進一步深入。

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