苯并噻唑離子液體的合成及其在間氯苯甲醛乙二醇縮醛反應中的應用

梁秋月 王 楠 戎有明 馬全紅 周建成， 李乃旭，*

(1. 東南大學 化學化工學院，江蘇 南京 211189； 2. 中微納米功能材料研究院有限公司，江蘇 南京 210044)

縮醛是一類重要的有機化合物，除了用作有機溶劑，還因其特殊的化學穩定性常常被用作羰基保護劑，用于如糖類、脂類、甾類化合物以及復雜的天然產物全合成等過程[1]。此外，縮醛類化合物還是一類非常重要的有機化工原料，廣泛用于香料、醫藥、食品加工、煙草、涂料和化妝品等化工生產領域[2]。

以間氯苯甲醛和乙二醇為原料通過縮醛反應得到的乙二醇縮間氯苯甲醛是一類重要的化工中間體，可以與金屬鹽化合物反應生成多種重要化工原料。例如，與甲醇鈉反應生成的乙二醇縮間甲氧基苯甲醛是合成新型抗心血管類藥物鹽酸可樂定關鍵性中間體甲氧基苯甲醇的原料[3]；與苯酚鈉反應得到的間苯氧基苯甲醛是合成新型環保農藥擬除蟲菊酯的重要中間體[4]。因此，提高乙二醇縮間氯苯甲醛的收率對下游眾多化工中間體的合成具有極大意義。

縮醛反應是典型的酸催化反應，在Br?nsted酸和Lewis酸的酸位點上均能夠進行。目前工業上常見的催化劑多為均相催化劑，包括硫酸、鹽酸、對甲苯磺酸等[5-8]。雖然傳統均相催化劑價格低廉，使用方便。但是該類催化劑腐蝕性很強，且很難回收再利用，在后處理過程中都會產生廢水，對環境造成污染。目前，間氯苯甲醛乙二醇縮醛較為成熟的生產工藝采用的多為硫酸、對甲苯磺酸等均相催化劑。雖然催化劑成本低廉、催化效果好，但不可避免地需要在反應結束后中和催化劑，增加了生產工序和三廢[9]。因此，成本低、條件溫和、適用范圍廣泛的簡單催化體系成為縮醛反應的研究重點。目前已經報道的催化劑有固體超強酸[10]、分子篩[11]、蒙脫土[12]、離子交換樹脂[13]等，均取得了一定效果。

離子液體是一種新型環境友好的液體酸催化劑，同時擁有液體酸的高活性和固體酸不揮發的優點。此外，離子液體具有高度的結構可調性、熱穩定性高以及可在反應后和產物自動分離等優勢，因此在電化學、催化劑、有機合成、材料等領域得到重點的關注和研究[14-17]。傳統的咪唑基[18]、吡啶基類離子液體雖然催化效果好，但存在著催化劑用量大、價格昂貴、有毒等缺點，這些缺點制約了離子液體催化劑在工業生產中的應用[19]。苯并噻唑與咪唑、吡啶結構相似，但其成本低廉，具有開發意義。

本文以苯并噻唑與硫酸為原料制備離子液體催化劑，并將其應用于縮醛反應。通過一系列單因素實驗考查其在間氯苯甲醛與過量的乙二醇反應合成乙二醇縮間氯苯甲醛的催化效果，確定反應的最佳操作條件，并驗證離子液體的重復使用性。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

試劑：甲苯、硫酸，南京試劑公司；乙二醇，上海凌峰化學試劑公司;苯并噻唑、間氯苯甲醛,化學純，中國國藥集團。

儀器：FTIR360，美國Nicolet公司；AVANE400NMR(600 MHz)核磁共振儀，瑞士Brucker公司；AGILENT6820GC型氣相色譜儀，美國Agilent公司；DTG-60AH型熱重分析儀，日本Shimadzu公司。

1.2 苯并噻唑離子液體的制備

苯并噻唑離子液體[HBth]-HSO4的制備反應如圖1所示。

圖1 苯并噻唑離子液體的合成

具體操作步驟為：在帶有機械攪拌的250 mL三口燒瓶中加入13.5 g(0.10 mol)苯并噻唑和50 mL無水乙醇,將三口燒瓶置于冰水浴中，冷卻至0～5 ℃，在劇烈攪拌下于30 min內緩慢滴加11.0 g(0.11 mol)濃硫酸，滴畢，室溫下攪拌3 h。減壓蒸餾除去溶劑，殘余物用乙酸乙酯洗滌三次,并用無水乙醇重結晶，冷卻到0 ℃,用布氏漏斗過濾，濾餅真空干燥一定時間后即得離子液體苯并噻唑硫酸氫鹽([HBth]-HSO4)，產品為白色針狀晶體，產率91%。1H NMR (600 MHz, DMSO-d6)δ：9.43 (s, 1H), 8.24～8.14 (m, 1H), 8.09 (ddd,J=8.1, 1.3, 0.6 Hz, 1H), 7.55(ddd,J=8.3, 7.2, 1.3 Hz, 1H), 7.49 (ddd,J=7.8, 7.2, 1.2 Hz, 1H)。

1.3 間氯苯甲醛乙二醇縮醛的合成

以間氯苯甲醛和乙二醇為原料得到乙二醇縮間氯苯甲醛，方程式如圖2所示。

圖2 縮醛反應方程式

反應具體流程如下：在裝有分水器、溫度計和回流冷凝器的100 mL三口燒瓶中按比例加入間氯苯甲醛、乙二醇、酸性離子液體催化劑及帶水劑甲苯，加熱攪拌，使反應體系保持回流，不再有水生成時結束反應。此時離子液體與反應體系分層，待溫度降至50 ℃ 以下，分出上層液體，用氫氧化鈉溶液、半飽和食鹽水依次水洗、常壓蒸餾、得到具有果香味的無色透明液體，即為產品。

2 結果與討論

2.1 離子液體催化劑的表征

2.1.1 離子液體的FT-IR圖譜表征

[HBth]-HSO4離子液體催化劑的FT-IR譜圖如圖3(a)所示。1 055 cm-1處為C-N伸縮振動吸收峰，592 cm-1的吸收峰代表C-S的伸縮振動。而1 430 和1 222 cm-1分別為O=S=O的非對稱伸縮振動峰和對稱伸縮振動峰，3 500 cm-1附近的寬峰則是O-H的伸縮振動峰。這些特征峰說明了[HBth]-HSO4離子液體催化劑的成功制備。

圖3 (a)[HBth]-HSO4的FT-IR譜圖，(b)[HBth]-HSO4的實物圖

2.1.2 催化劑酸性

縮醛反應作為酸催化的可逆反應，其反應進行的程度與催化劑酸性的強弱有直接關系。將離子液體與硫酸兩種催化劑配制成不同濃度的水溶液，通過pH計進行測量，其結果如表1所示。

從表1可知，隨著濃度的增加，體系的pH值隨之減小。與濃硫酸相比，[HBth]-HSO4的pH值略高，但整體上較為接近。

表1 離子液體的pH值

2.1.3 離子液體的溶解性分析

分別以甲醇、乙醇、乙醚、甲苯、氯仿、正己烷、丙酮及水為溶劑，考察離子液體的溶解性。溶解度標準參照《中國藥典》，并以易溶、溶解、略溶、微溶、幾乎不溶或不溶來描述其溶解性[20]。離子液體的溶解性分析結果見表2。

表2 離子液體的溶解性

由表2可知，離子液體催化劑在非極性溶劑中溶解性較差，而在極性較大的溶劑中溶解性較好。與濃硫酸相比，[HBth]-HSO4與縮醛不相溶，因此在反應結束后，能夠與產物自動分離，通過簡單的過濾就能夠回收催化劑。在生產中能夠簡化產物后處理這個步驟，提高生產效率。

2.1.4 熱重分析

通過DTG-60AH型熱重分析儀測試[HBth]-HSO4離子液體的熱穩定性，在氮氣氛圍以10 ℃/min的升溫速率從30 ℃升溫至600 ℃進行測試，TG及DTG結果如圖4所示。

離子液體的分解溫度主要取決于其陰、陽離子之間的作用力及其本身含水量,作用力越大含水量越小,離子液體越穩定。如在失重過程中沒有原料及其它雜質峰出現，則說明制備的離子液體幾乎不揮發，同時純度較高。

由圖4可知，[HBth]-HSO4離子液體在180 ℃之前基本沒有損失，說明在該溫度下催化劑非常穩定。在250～400 ℃出現明顯質量損失(質量損失率為62%)，說明樣品開始分解，且在320 ℃左右達到最大分解速率，這可能是由于苯并噻唑環和陰離子的結構遭到破壞。

圖4 離子液體催化劑的TGA曲線

縮醛反應在110 ℃左右條件下進行,故合成的催化劑能夠在反應體系中穩定存在,并發揮催化作用,同時為反應提供一個較大的可操作溫度范圍。

2.2 離子液體催化劑在縮醛反應中的應用

2.2.1 催化劑用量的影響

在間氯苯甲醛用量0.1 mol、乙二醇用量 0.15 mol、帶水劑甲苯用量0.2 mol和回流反應時間3 h的條件下，考察[HBth]-HSO4催化劑用量對縮醛反應的影響，結果如圖5所示。

圖5 催化劑用量對收率的影響

從圖5可以看出，催化劑用量對產物收率影響較大。在催化劑用量較低時，收率隨著催化劑用量的增加而提高，這主要是由于催化劑用量增加能提供更多活性中心。當催化劑用量為間氯苯甲醛物質的量的2%時，收率達到最高(97.7%)。但隨著催化劑用量的進一步增加，產物的收率卻呈現出下降的趨勢，這可能是由于縮醛反應為可逆反應，催化劑用量增加，促進主反應發生的同時也促進了逆反應的發生[21]。因此該反應較適宜的[HBth]-HSO4催化劑用量為間氯苯甲醛的2%。

2.2.2 原料配比的影響

在間氯苯甲醛用量0.1 mol，[HBth]-HSO4離子液體催化劑用量為間氯苯甲醛的物質的量的2%，帶水劑甲苯用量0.2 mol和回流反應時間3 h的條件下，考察原料配比對縮醛反應的影響，結果如圖6所示。

圖6 原料配比對收率的影響

當乙二醇用量較小時，收率隨著乙二醇用量增大而提高。這是因為縮醛反應是可逆反應，增加乙二醇用量有利于反應向正方向進行。當乙二醇用量為間氯苯甲醛用量的1.4倍時，收率達到最高(97.6%)，繼續增大乙二醇用量，收率增加不明顯，還可能加劇乙二醇分子間脫水的副反應，同時乙二醇的過量投入，勢必造成資源浪費和成本的增加，因此，乙二醇和間氯苯甲醛較適宜的摩爾比為1.4∶1。

2.2.3 帶水劑用量的影響

甲苯作為帶水劑具有沸點較高、在水中溶解度較小等優勢。在間氯苯甲醛用量0.1 mol、乙二醇用量0.14 mol、[HBth]-HSO4離子液體催化劑用量為間氯苯甲醛物質的量的2%和回流反應時間3 h的條件下，考察帶水劑甲苯用量對間氯苯甲醛與乙二醇縮醛化反應的影響，結果如圖7所示。

由圖7可知，隨著甲苯用量的增加，收率也相應提高。當帶水劑用量為間氯苯甲醛用量的2倍時，收率達到96.5%，但隨著帶水劑用量的繼續增加，收率略降。這可能是由于帶水劑增加導致催化劑及反應原料在體系中的含量降低，原料分子之間的碰撞減少，發生反應的幾率減小，收率降低，因此帶水劑甲苯適宜的用量為0.2 mol。

圖7 甲苯用量對收率的影響

2.2.4 反應時間

縮醛反應在反應過程中不斷生成水，通過帶水劑將水從體系中分離，因此分水速度決定了反應時間。在間氯苯甲醛用量0.1 mol、乙二醇用量 0.14 mol、催化劑用量為間氯苯甲醛物質的量的2%和帶水劑甲苯用量0.2 mol的條件下，考察回流反應時間對縮醛反應的影響，結果如圖8所示。

圖8 反應時間對收率的影響

從圖8可以看出，隨著回流反應時間的增加，產物收率明顯提高。當反應時間達到2 h，收率就已經超過90%。當反應時間超過3 h，收率達到97%。繼續延長反應時間，收率變化不大，因此適宜的反應時間為3 h。

2.2.5 催化劑重復使用性能

離子液體較傳統催化劑的顯著優點是可以循環使用。由于溶解性的原因，在反應結束后離子液體與產物自動分層,通過簡單的操作即可實現催化劑的回收再利用。在間氯苯甲醛用量0.1 mol、乙二醇用量 0.14 mol、催化劑用量為間氯苯甲醛物質的量的2%、帶水劑甲苯用量0.2 mol、反應時間3 h的條件下,考察離子液體的重復使用性能,結果如圖9所示。

圖9 催化劑的重復使用性能

從圖9可以看出,通過簡單的過濾回收的催化劑仍具備較好的反應活性。隨著重復使用次數的增加，間氯苯甲醛與乙二醇反應的轉化率只是略有下降。但整體上看,在循環五次后仍然能夠保持較高的催化性能(收率大于95%)，說明該催化劑能夠在一定程度上進行循環使用，具有良好的工業化潛力。

2.3 反應機理分析

乙二醇和間氯苯甲醛的反應機理可能為：[HBth]-HSO4的酸性位點活化間氯苯甲醛上的羰基，隨后乙二醇上的羥基進攻間氯苯甲醛上的羰基碳得到中間體，緊接著乙二醇上另一個羥基繼續進攻該羰基碳并脫水生成間氯苯甲醛乙二醇縮醛，具體過程如圖10所示[22]。

圖10 縮醛化反應機理

3 結論

苯并噻唑與硫酸通過簡單反應制備了酸性離子液體催化劑[HBth]-HSO4。TGA結果表明，[HBth]-HSO4催化劑具有優異的熱穩定性，在200 ℃ 下能夠穩定存在。該催化劑在乙二醇縮間氯苯甲醛的合成中表現出良好的催化活性。優化后的最佳反應條件為：[HBth]-HSO4用量為間氯苯甲醛的物質的量的2%，醇醛比1.4∶1，帶水劑甲苯的物質的量為醛的2倍，反應時間3 h，該條件下產物收率達97.7%。

此外，該催化劑在反應后通過簡單過濾即可實現分離，無需進一步處理，并且回收得到的催化劑可重復使用多次。[HBth]-HSO4催化劑具有原料成本低、制備過程簡單、催化活性高、后處理簡便、可循環使用等優點，符合綠色化學的發展目標，具有良好的工業化應用前景。