（化学专业论文）离子液体作为相转移催化剂催化二茂铁化合物缩合反应的研究.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得内墓直太堂及其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：三砒 指导教师签赴也迸 e l 期：丕。2 日期：礁匹，乏2 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古 大学有权将学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论 文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间 取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研 究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必 须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：础指导教师签名 日 丑啦 日期：趁皮么12 离子液体作为相转移催化剂催化二茂铁化合物 缩合反应的研究 摘要 室温离子液体【1 1 是2 0 世纪9 0 年代广泛研究的绿色溶剂、催化剂。作为绿色 化学的研究方向之一和一类新型催化体系，离子液体结合了均相催化剂和异相 催化剂的各种优异性能，是绿色化学中最具前景的反应介质和非常理想的催化 体系。在传统的相转移催化反应中【2 1 ，相转移催化剂能够显著的提高反应活性， 被人们越来越广泛的应用于各种化学反应，但传统的相转移催化反应仍然存在 一定的问题。近年来，离子液体越来越广泛的应用于多相转移催化有机合成反 应。本论文主要研究在一些溶剂中用n a o h 离子液体这个多相体系高效催化二 茂铁化合物的c l a i s e n s c h m i d t 和k n o e v e n a g e l 缩合反应。 本论文主要分为三个部分 1 合成了九种不同的离子液体，并研究在不同的离子液体中用n a o h 催化乙酰 基二茂铁和苯甲醛的c l a i s e n s c h m i d t 缩合反应。实验结果表明：离子液体n b u 4 n p f 6 作为相转移催化剂对反应的催化作用明显优于其他的离子液体。 2 选择反应效果较好的离子液体n b u 4 n p f 6 及相应的最佳的反应条件，对一系列 芳香醛进行c l a i s e n s c h m i d t 缩合反应应用。实验结果表明电子效应和空间效应 均对反应有一定的影响。所有产物均经过红外，h 核磁共振，元素分析表征。 3 将离子液体n b u 4 n p f 6 应用于催化二茂铁甲醛和丙二酸二乙酯的k n o e v e n a g e l 缩合反应。实验结果表明：反应物之间的比例、反应物与碱和离子液体的比例 以及温度、溶剂种类都会对反应有定的影响。 总之，离子液体n b u 4 np f 6 在这两种缩合反应中的应用都具有反应条件温 和、原料消耗量少、产物产率高、操作简单、环境友好等特点，符合当前绿色 化学对有机合成反应的要求。本论文的研究工作进一步扩展了离子液体作为相 转移催化剂在有机合成中的应用范围，为传统有机合成提供了新途径。 关键词：离子液体，相转移催化剂，二茂铁，缩合反应，c l a i s e n s c h m i d t 反应， k n o e v e n a g e l 反应 i o n i cl i q u i d sa sp h a s et r a n s f e rc a t a l y s tc a t a l y z e d c l a i s e n s c h m i d ta n dk n o e v e n a g e lc o n d e n s a t l 0 n o ff e r r o c e n y lc o m p o u n d s a bs t r a c t r o o mi o n i cl i q u i d sa r eg r e e ns o l v e n t sa n dc a t a l y s t sw h i c hw a sr e s e a r c h e d e x t e n s i v e l yi nt h e19 9 0 s a so n eo ft h eg r e e nc h e m i s t r yr e s e a r c hd i r e c t i o n sa n d an e w k i n do fc a t a l y t i cs y s t e m , t h ei o n i cl i q u i du n i f i e dt h eo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c eo f h o m o g e n e o u sc a t a l y s ta n dh e t e r o g e n o u sc a t a l y s t ，i ti st h eb r i g h t e s to u t l o o kr e a c t i o n m e d i u ma n dt h ev e r yi d e a lc a t a l y t i cs y s t e mi ng r e e nc h e m i s t r y i nt h et r a d i t i o n a l p h a s et r a n s f e rc a t a l y t i cr e a c t i o n ，p h a s et r a n s f e rc a t a l y s tc a ns i g n i f i c a n t l ye n h a n c e t h e r e a c t i v i t y , i ti sb e c o m i n gm o r ew i d e l yu s e di nv a r i o u sc h e m i c a lr e a c t i o n s i nr e c e n t y e a r s ，i o n i cl i q u i dw a s m o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d i nh e t e r o g e n e o u st r a n s f e rc a t a l y t i c o r g a n i cs y n t h e s i sr e a c t i o n s t h i sp a p e rm a i n l yi n v e s t i g a t e dt h a tt h ec l a i s e n - s c h m i d t a n dk n o e v e n a g e lc o n d e n s a t i o nr e a c t i o n so ff e r r o c e n y lc o m p o u n d su s i n g t h e h e t e r o g e n e o u ss y s t e ms o d i u mh y d r o x i d e i o n i cl i q u i di ns o m e s o l v e n t s 1 n i n ed if f e r e n ti o n i cl i q u i d sw e r es y n t h e s i z e dt oi n v e s t i g a t et h ec l a i s e n - s c h m i d t c o n d e s a t i o no fa c e t y r l f e r r o c e n ea n db e n z a l d e h y d eu s i n gs o d i u mh y d r o x i d ei nt h ei o n i c l i q u i d s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei o n i cl i q u i d sn b u a n p f 6a sp h a s e t r a n s f e rc a t a l y s ti so b v i o u s l yb e t t e rt h a no t h e ri o n i cl i q u i d so nc a t a l y z i n gt h i s r e a c t i o n 2 w ec h o o s e di o n i cl i q u i dn b u 4 n p f 6a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n d i t i o n sa n dc a t a l y z e d t h ec l a i s e n s c h m i d tc o n d e n s a t i o no fas e r i e sa r o m a t i ca l d e h y d e t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a te l e c t r o n i ca n ds t e r i cp r o p e r t i e sa l lh a v ea nc e r t a i ni n f l u e n c eo n t h er e a c t i o n a l lc o m p o u n d sh a v eb e e nc h a r a c t e r i z e db yi r ，1hn m rs p e c t r o s c o p y a n de l e m e n t a la n a l y s i s 3 w eu s e di o n i c l i q u i dn b u 4 n p f 6o nc a t a l y z i n gk n o e v e n a g e lc o n d e n s a t i o n o f f e r r o c e n e c a r b o x a l d e h y d ea n dd i e t h y lm a l o n a t e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t t h er a t i ob e t w e e nt h er e a c t a n t s ，t h er a t i ob e t w e e nt h er e a c t a n ta n db a s e ，t h er a t i o b e t w e e nt h er e a c t a n ta n di o n i cl i q u i d ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h et y p eo fs o l v e n ta l l h a v eac e r t a i ni n f l u n c eo nt h er e a c t i o n i n s u m m a r y ，i o n i cl i q u i dn b u 4 n p f 6 h a v es o m ea d v a n t a g ef o rt h et w o c o n d e n s a t i o nr e a c t i o n s ，s u c ha ss i m p l eo p e r a t i o n ，m i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，h i g h y i e l d s ，e t c c o n s i s t e n t i n gw i t hc u r r e n tg r e e nc h e m i s t r yr e q u i r e m e n t sf o ro r g a n i c t r a n s f e r c a t a l y s t ，f e r r o c e n e ，c o n d e n s a t i o n ， a c t i o n ，k n o e v e n a g e lr e a c t i o n 1 3 离子液体的种类4 二离子液体中的c l a i s e n s c h m i d t 和k n o e v e n a g e l 缩合反应6 2 1c l a i s e n s c h m i d t 缩合反应6 2 2k n o e v e n a g e l 缩合反应7 三相转移催化剂( p t c ) 的一般描述9 3 1 相转移催化9 3 2 相转移催化剂( p t c ) 的种类1 0 3 3 离子液体( 几s ) 作相转移催化剂的发展概况1 2 四离子液体( i l s ) 多相转移催化的有机反应1 2 4 1 离子液体在有机溶剂水两相中的反应1 2 4 2 有机溶剂离子液体( i l s ) 两相反应1 3 4 3 离子液体水两相反应1 3 4 4 气( s c c 0 2 ) 液( i l s ) 两相反应1 3 4 5 液固两相反应1 4 4 6 液( i l s ) 液( 产物) 两相反应1 4 4 7 气体( 反应物) 液( i l s ) 液( 产物) 三相反应1 5 4 8 固( 反应物) 液( i l s ) 固( 产物) 三相反应1 6 4 9 液( 有机溶剂) 液( 离子液体) 液( 水) 三相反应1 6 五本论文的设想和研究内容1 7 第二章离子液体作相转移催化剂在c l a i s e n s c h m i d t 缩合反应中的应 用1 8 一前言1 8一日u 舌8 二实验部分1 8 2 1 实验试剂1 8 2 2 实验仪器及测试条件1 8 2 3 原料的合成1 9 2 4 离子液体的合成1 9 2 5 离子液体作相转移催化剂催化c l a i s e n s c h m i d t 反应2 0 三结果与讨论2 3 3 1 离子液体的选择2 3 3 2 离子液体的阴离子不同对反应的影响2 4 3 3 碱的种类不同对反应的影响2 4 3 4 碱n a o h 的用量对反应的影响2 4 3 。5i l s 的用量对反应的影响2 5 3 6 反应底物的取代基团对反应的影响2 5 3 7 溶剂对反应的影响2 5 3 8 温度对反应的影响2 6 3 9 波谱分析2 6 第三章离子液体作相转移催化剂在k n o e v e n a g e l 缩合反应中的应用 ：1 7 一前言2 7一甘u 舌， 二实验部分2 7 2 1 原料的合成2 7 2 2 离子液体作相转移催化剂催化k n o e v e n a g e l 反应2 8 三结果与讨论2 8 3 1 碱n a o h 的用量不同对反应的影响2 8 3 2f c c h o ( a ) 与丙二酸二乙酯( b ) 的摩尔比不同对反应的影响2 9 3 3 不同离子液体n b u 4 n p f 6 用量对反应的影响2 9 3 4 溶剂不同对反应的影响2 9 3 5 温度不同对反应的影响3 0 2 7 8 9 3 3 3 3 献 一 一 一 丈 一 一 考谢表图参致附附 内蒙古人学硕上学位论文 第一章综述 引言 自1 9 5 1 年k e a l y 和p a u s o n 3 1 首次合成二茂铁以来，二茂铁及其衍生物的合成和应用一直 是有机金属化学中一个非常活跃的领域，所取得的丰硕成果极大地推动了有机金属化合物结 构理论的发展，使有机金属化学进入了一个崭新的时代。由于二茂铁基团具有芳香性、氧化 还原活性、稳定性和低毒性，其衍生物在聚合物、电化学、材料化学、医学等领域有着广泛 的应用，归纳起来主要有以下四个方面： 1 在有机化学反应中作为不对称反应的催化剂和有机合成的中间体等； 2 在功能材料方面、作光敏剂、非线形光学材料、半导体材料、超导材料、硝烟剂燃速 催化剂、增塑剂、稳定剂和各种添加剂； 3 在生物学上，用作人工抗体、抗癌活性药物和抗菌活性药物、生物酶电极及杀虫剂等； 4 在分析化学上，用作膜电极、滴定剂等。 二茂铁衍生物之所以能在生物学、医学、微生物学、材料学等方面得到广泛的应用，这 是由它们结构和性质的特殊性所决定的。 首先，二茂铁衍生物的亲油性使得这些化合物能够顺利的通过细胞膜，从而与细胞内地 酶、d n a 、r n a 等物质起作用，因而有可能作为治疗某些疾病的药物。 其次，二茂铁衍生物具有氧化还原可逆性，这一特点使其在生物酶的作用下，能参与各 种代谢作用。 第三，二茂铁衍生物的芳香性使得这些化合物能像简单的芳环一样，容易发生取代反应。 但是，它们又不同于一般的芳香化合物，二茂铁衍生物的夹心结构使这类分子具有一定的厚 度，这一特点能阻止二茂铁衍生物接近酶的活性部位，因而具有选择性。 另外，二茂铁衍生物的低毒性也是人们对其感兴趣的原因。 近年来，将二茂铁基引入不同的分子，以期得到新的具有特殊性能的化合物是近年来二 茂铁化学研究的一个热点【4 1 。 2 内蒙古人学硕：l 学位论文 一、离子液体( i l s ) 的一般描述 1 1 离子液体 随着社会的可持续发展及其涉及的生态、环境、资源等方面的问题越来越成为人们关注 的焦点，环境污染问题已经列入我国的政府工作报告。因此，发展绿色化学也就显得尤为重 要。绿色化学【5 】又称环境无害化学( e n v i r o m e n t a l l yb e n i g nc h e m i s t r y ) 、环境友好化学 ( e n v i r o m e n t a l l yf r i e n d l yc h e m i s t r y ) 、清洁化学( c l e a nc h e m i s t r y ) 。绿色化学主张用化学的技 术和方法去减少或消灭对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、 产物、副产物的使用和产生，使开发的化学品更加环境友好。其核心是采用具有“原子经济 性”的反应，尽可能使原料中的每一原子都进入到目标分子中，减少副产物和废物的产生， 从根本上减少或消除污染，实现废物的“零排放 ，真正从源头上防止和控制污染。 传统的有机反应中，挥发性的有机溶剂( t h ev o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) 是常用的 反应介质，这主要因为它们能很好的溶解各种有机物。但有机溶剂的挥发性、易燃性、毒性 和难以回收又使之成为大气污染的主要污染源，对环境造成严重危害。因此，开发新的溶剂 来替代挥发性有机溶剂是绿色化学领域的一个极其重要的部分。 随着科学技术和环保意识的增强，清洁、低耗、高效的化学化工反应是发展的必然趋势。 由于绝大多数化学反应需要在溶剂中进行，而有机溶剂的用量大、挥发性强是造成化学化工 污染的主要原因之一，寻找对环境友好、有利于反应控制的介质和溶剂是目前化学化工需要 解决的迫切问题之一。室温离子液体适应这种需要，正在快速发展。 近年来，离子液体以其良好的物理、化学性质而得到迅速发展。离子液体是由带正电的 离子和带负电的离子构成。与传统溶剂相比离子液体具有很多优良的特性：a ) 无可测量的蒸 汽压、不挥发性；b ) 具有较大的温度范围、较好的化学稳定性；c ) 对无机、有机物材料表现 出良好的溶解能力；d ) 离子液体的极性与亲水性亲油性可以选择合适的阴阳离子进行调整。 随着离子液体种类的增加和人们对离子液体认识的深入，离子液体作为一类新型的环境友好 的溶剂是现代化学，特别是有机合成中研究的热剧“7 1 。 在离子液体介质中研究有机反应之所以吸引人的另一重要原因是，大部分有机反应在离 子液体这样纯离子环境中，表现出了有别于传统分子溶剂的反应历程和结果【8 l ，并且几乎所 有的反应速率都得到了一定程度的提高；传统有机溶剂的挥发和污染问题因为离子液体的使 用得到了一定程度的改善；产物分离也因为离子液体和部分作为萃取剂的非极性有机溶剂不 混溶而大大简化；某些有机反应在离子液体中是专一的，而在其他有机溶剂中则难以实现； 除了作为溶剂，离子液体或许还参与到反应过程中促进目标化合物的形成；离子液体的可设 3 内蒙古大学坝1 ：学位论文 计性使离子液体取代固相合成的固体载体成为可能，这不但实现了有机反应的均相化，而且 有机官能团的担载量也大幅度的提高。离子液体中有机合成反应的优势还有很多，可以说离 子液体的出现，拓宽了有机合成策略的范围，几乎所有的有机合成反应都能找到一个或数个 合适的离子液体来实现，并能得到适当改进的反应结果【9 1 。目前，离子液体已在许多有机反 应中得到应用。因此，离子液体在化学上的研究具有广阔的发展前景。 1 2 离子液体的发展历史 1 9 1 4 年w a l d e n 用乙胺和浓缩的硝酸反应合成出乙基硝酸铵( 熔点为1 2 。c ) ，但是当时 这一发现并没有引起普遍的关注。 2 0 世纪4 0 年代，h u r l e y 等在寻找一种温和条件电解a 1 2 0 3 时把n 2 甲基吡啶加入到a 1 c 1 3 中，两固体的混合物在加热后变成了无色透明的液体，这一偶然发现构成了今天所说的离子 液体的原型，但其的缺点是遇水反应生成腐蚀性的h c l 。故人们一直在试图探寻一种稳定的 离子液体。8 0 年代后期，k r s e d d o n 、英国b p 公司和法国的p 等研究机构开始较系统的 探索离子液体作为溶剂与催化剂的可能性。 1 9 9 2 年，w i l k e s 领导的研究小组合成了一系列由咪唑阳离子与b f 4 、p f 6 。阴离子构成的 对水和空气都很稳定的离子液体。此后，大量的由不同有机阳离子和无机阴离子构成的离子 液体才得以合成。 1 9 9 6 年，b o n h o t e 等人首次报道了含n ( c f 3 s 0 2 ) 2 。的咪唑类离子液体，这种离子液体不仅 对水稳定、不溶于水、还兼具低粘度、高导电性的优点，此后n ( c f 3 s 0 2 ) 2 成为被广泛采用的 离子之一。 2 0 0 0 年，v i s s e rae 等首次报道了含异喹啉类阳离子的离子液体。同年，d a v i d 工作组报 道了含氟取代烷烃链的离子液体，它们可作为表面活性剂将全氟取代烃( 即氟碳化合物) 分 散于离子液体中，这一发现无疑将推动两种新型绿色溶剂在应用中的结合。 2 0 0 1 年，g o l d i n g 等报道了具有配位能力的n ( c n ) 2 类新离子液体。2 0 0 3 年，b a o 等又报 道了从天然氨基酸中制备出稳定的手性咪唑阳离子。可见手性的引入将为离子液体的发展注 入新的活力。 2 0 0 5 1 0 1 年，b i c a k 等报道了一种新离子液体2 一羟基乙铵甲酸盐，它有极低的熔点( - 8 2 。c ) ， 室温有很高的离子电导率( 3 3 m s c m 。1 ) 以及高可极化度，热稳定性达到1 5 0 ，此离子液体 能溶解许多无机盐，一些不溶解的聚合物如聚苯胺和聚吡咯在此离子液体中也有很好的溶解 性。 1 3 离子液体的种类 4 内蒙古人学硕i ：学位论文 离子液体种类繁多，改变阳离子、阴离子的不同组合，可以设计出不同的离子液体。离 子液体中常见阳离子的结构，名称和简写见表1 1 【1 1 】 表1 1 常见离子液体阳离子的结构、名称和简写 结构名称简写 r 囤、r 2 n n c 烷基取代蝴子 ir r , m + + 溅基靴比啶离子 【r p y l + r ， 溅离子 8 - 烷基- 1 , 8 c 氮二环 r d b u + r 够 溅基取代烷基噻唑离子 m 二烷黜子 r i 季铵离子 n r 4 + r 。r 季鳞离子子 f p r l p j i s r 3 】+ 锍盐离子 组成离子液体的阴离子【1 2 l 主要有两类： ( 1 ) 多核阴离子，如a 1 2 c 1 7 ，a 1 3 c l l o 。，g a 2 c 1 7 ，f e 2 c 1 7 。，s b 2 f ll 。等 ( 2 ) 单核阴离子，b f 4 ，p f 6 。，s b f 6 。，i n c l 3 ，i n c l 3 ，c u c l 2 。，s n c l 3 ，a 1 c h ，n ( c f 3 s 0 2 ) 2 ， n ( c 2 f 3 s 0 2 ) 2 。，n ( f s 0 2 ) 2 。，c ( c f 3 s 0 2 ) 3 ，c f 3 c 0 2 ，c f 3 s 0 3 。，c h 3 s 0 3 。等。 有机阳离子和无机阴离子以不同的配比结合，可以得到性能各异的离子液体。因此，可 以从分子水平实现离子液体的设计，以期达到理想的性能。 内蒙古人学硕l ：学位论文 二离子液体中的c l a i s e n s c h m i d t 和k n o e v e n a g e l 缩合反应 缩合反应是有机反应中的一种基本反应，它所包含的反应极为广泛。绝大多数缩合反应 需要在各种酸性、碱性或相转移催化剂作用下进行。近年来微波、超声波、红外辐射、固相 反应等也广泛应用于此类反应。离子液体作为一种环境友好的绿色反应催化剂，具有不挥发、 液程宽、溶解强、可调节等特性，在有机合成反应中得到广泛的研究和应用，其中也进行了 许多缩合反应的研究，取得了显著的效果。 2 1c l a i s e n s c h m i d t 缩合反应 c l a i s e n s c h m i d t 缩合反应是一类重要有机合成反应，其产物c 【，b 不饱和羰基化合物是重 要的有机合成中间体，被广泛应用于香料和医药中间体的合成。c l a i s e n s c h m i d t 缩合反应 般是在n a o h 或醇钠等碱类催化剂的催化下进行的，因而反应结束后无法避免酸碱中和，废 弃盐的分离与处理等操作。近年来，随着绿色化学的不断发展，有关离子液体在 c l a i s e n s c h m i d t 缩合反应中的应用报道也越来越多。 1 f o r m e n t i n 1 3 】等报道了在( b m i m ) p f 6 中强碱n a o h 催化下，苯乙酮邻羟基苯乙 酮和苯甲醛的缩合反应。该反应解释为在碱作用下产生的咪唑卡宾对反应起了催化作用， 离子液体可以循环利用，但是在下次循环催化反应时，需要添加碱催化剂。 c “3 n a o h4 0 宣 - - - - - - - - - - ( b m i m ) p f 6 2 s h a n g d o n g y a n g 等【1 4 】报道了酰胺吡咯烷化咪唑离子液体在苯甲醛和酮缩合反应中的 应用。在该体系中，反应在无溶剂室温下就能进行，离子液体所能催化的反应底物范围比较 广，所催化的脂肪酮和环酮都能得到较高的产率。 oo 人+ h 八r 3 2 0 0 7 1 1 5 1 年m a r c ol o m b a r d o ，f i l i p p op a s i ，s r i n i v a s a ne a s w a r 等用离子液体( b m i m ) ( t 丘n ) ， 催化剂为一种离子标记的脯氨酸催化的缩合反应。产率和选择性均较好。 a ，人h + 卜。，蔫芽 6 o h 三o 甲八八。， r 2 从 一 塑茎直查兰堡兰兰竺堡茎 2 2 k n o e v e n a g e l 缩合反应 k n o e v e n a g e l 缩合反应是羰基化合物与活性亚甲基化合物的缩合脱水反应，合成碳碳双键 的重要方法，能够直接合成大量有用的化合物，在工业、农业、药业、生物科学等诸多领域 有着广泛的应用。由于其反应条件温和，操作简单，底物适用范围广而成为有机合成中应用 最广泛的有机反应之一。此类反应一般是用l e w i s 酸或碱为催化剂，在液相中，特别是在有 机溶剂中通过加热来进行，亦可采用氨、胺及其盐等作催化剂，在均相或异相中进行，一般 所需时间较长，而且产率较低。随着新技术，新试剂及新体系的引入，对此类反应的研究也 有了许多新的成果。 1 c h e n l l 6 1 等在离子液体 b m i m b f 4 或 b m i m p f 6 中用乙二胺的醋酸盐作为催化剂研究了 芳香醛和腈基乙酸乙酯之间的k n o e v e n a g e l 反应。同有机溶剂相比，同样的反应在离子液体 中进行不仅可以获得较高的产率，而且反应时间更短。与氯铝酸离子液体不同， b m i m b f 4 乙 二胺的醋酸盐催化体系还可以催化酮和l ，3 二羰基化合物之间的缩合反应，离子液体和催化 剂也可以重复使用。 i 粤垡唑生 b m i m b f 4o f b m i m p f 6 r t ，l h 2 m o r r i s o n 等1 7 】研究t h m i m p f 6 中甘氨酸催化下的苯甲醛和丙二睛之间的反应，反应 在室温下进行2 2 小时后，收率为7 7 ，然而在第二轮的回收使用离子液体时仅得到了3 9 的收率。该小组之后又研究了不同分子结构的底物在该离子液体反应体系中的缩合反应【1 8 】， 发现底物为芳香醛的产率比底物为脂肪醛的产率高，而含有吸电子基团的芳香醛的产率比带 有供电子基团的芳香醛高。 n c + hk h 凡k 氏h n h 2 3 s a l u n k h e 等【1 9 】报道了在l e w i s 酸性离子液体1 丁基3 甲基咪唑氯铝酸盐和1 丁基吡啶 氯铝酸盐中的芳香醛和丙二酸二乙酯之间的缩合反应。不足的是此类离子液体对水是高度敏 感的，且反应中不可避免的带有k n o e v e n a g e l 缩合产物受第二分子的活性亚甲基化合物的进 攻而发生m i c h a e l 加成产物，这种副产物在使用对甲基苯甲醛时显得尤为突出( 1 5 ) 。 7 内蒙古大学硕 ：学位论文 c h o , c 0 2 e t + 旦型竺曼! 垒! 璺b 骂 c 0 2 e t b p y c ia i c l 3 t r 4 k h a n 等【2 0 】：则用m g a 1 合金作为催化剂研究了羰基化合物和活性亚甲基之间的缩合反 应，观测到b m i mp f 6 比b m i mb f 4 更为有效的促进了反应的进行。 r 净。+ p f 6 - b r 一 c 1 一；但是对于季铵盐类离子液体( h ，i j ) 来说，对该反应的催化效果是： p f 6 一 b r 一 b f 4 一；对于b p y p f 6 和b p y b f 4 来说，对该反应的催化效果是：p f 6 一 b l 一。其中 n a o h ( 1 5 m m 0 1 ) n b u 4 n p f 6 ( 5 r e t 0 0 1 ) 无水乙醇多相体系对催化该缩合反应最有效。 3 3 碱的种类不同对反应的影响 从上表中可以看出，当b m i mp f 6 既作溶剂又作催化剂时，四种碱( k o h 、k 2 c 0 3 、n a o h 、 叔丁醇钠) 中，n a o h 、叔丁醇钠的催化效果较其他两种要好一些。于是当离子液体作相转移 催化剂( p t c ) 时，选用这两种碱进行比较，发现氢氧化钠催化效果好。原因可能是用叔丁 醇钠催化反应不仅需要无水条件，且由于容易引起副反应( 如芳醛的歧化) ，故效果不及氢氧 化钠。 3 4 碱n a o h 的用量对反应的影响 以乙酰基二茂铁和苯甲醛缩合为例，在其他条件不变的情况下，固定i l s 的用量，考察 n a o h 的用量对缩合反应的影响，用薄层色谱监测反应。从表3 4 中结果可以看出，n a o h 的 用量对反应影响显著，随着其用量的增加，产率明显提高，反应时间明显减少。当f c c o c h 3 与n a o h 的比例大于i 0 7 时，反应结果变化的不再明显。因此，f c c o c h 3 n a o h 的比例应 不低于i 0 7 。 2 4 内蒙古人学硕 ：学位论文 表3 4 不同n a o h 用量对反应的影响 m 出l e3 4t h ee f f e c to f t h ea m o u n to f n a o h r a t i ol ：o 1l ：o 3l ：0 5l ：0 71 ：o 9l ：1 1 t i m e h 876 54 3 5 3 5 y i e l d 5 86 57 59 29 49 5 注：f c c o c h 3 2 m r n o l ( 0 4 5 6 9 ) ，i l s5 m m o l ，f c c o c h 3 n a o h i l s 摩尔比为1 ：x ：2 5 ，3 5 - 4 0 c 3 5i l s 的用量对反应的影响 以乙酰基二茂铁和苯甲醛缩合为例，在其他条件不变的情况下，固定n a o h 的用量，考 察i l s 的用量对缩合反应的影响，用薄层色谱监测反应。从表3 5 中结果可以看出，随着i l s 用量的增加，产率提高，反应时间减少。当f c c o c h 3 与i l s 的比例大于1 2 5 时，反应结果 没有明显的变化，但当f c c o c h 3 i l s 的比例低于1 2 0 ，产率明显降低，反应时间延长。因此， f c c o c h 3 i l s 的最佳比例应为1 2 5 。 表3 5 不同i l s 用量对反应的影响 t a b l e3 5t h ee f f e c to f t h ea m o u n to f i o n i cl i q u i d s r a t i ol ：o 5 1 ：1 - 0 1 ：1 51 ：2 o1 ：2 51 ：3 0 t i m e h1 087543 5 y i e l d 5 16 46 78 89 49 5 注：f c c o c h 3 2 r e t o o l ( o 4 5 6 9 ) , n a o h0 7 5 m m o l ，f c c o c h 3 n a o h i l s 摩尔比为1 ：0 7 5 ：x ，3 5 - 4 0 c 3 6 反应底物的取代基团对反应的影响 实验结果表明，反应受电子效应和空间效应的影响。当芳香醛中含有吸电子取代基时， 反应速度明显加快，产率较高。如间硝基苯甲醛( i ie ) ，反应速度较快( 4 h ) ，产率较高( 9 8 ) 。 而当醛中的取代基为给电子基时，反应速度较慢，产率较低。如对甲氧基苯甲醛( i i c ) ，反 应速度较慢( 8 h ) ，产率较低( 8 7 ) 。这可能是因为当醛中芳环上连有吸电子取代基时，使芳 环上电子云密度降低，醛羰基碳原子上的正电性升高，导致这些芳醛的活性增高，易受亲核 试剂的进攻，反应速度加快。当醛中芳环上连有给电子取代基时，使芳环上电子云密度升高， 醛羰基碳原子上的正电性降低，导致这些芳醛的活性降低，反应速度减慢的缘故。 3 7 溶剂对反应的影响 溶剂的作用是提供化学反应的场所，虽其未直接参加反应，但会影响到反应体系的热力 学和动力学性能，从而改变反应速率。因此以乙酰基二茂铁和苯甲醛缩合为例，在其他条件 相同的情况下考察了不同的溶剂对反应的影响，结果见表3 7 。从表中可以看出，无水乙醇的 内蒙古大学硕上学位论文 催化效果明显优于其他溶剂。原因可能是溶剂极性影响反应，除此之外溶剂的表面张力及粘 度对反应也有一定的影响。所以本文选择反应效果较好的无水乙醇为溶剂研究了乙酰基二茂 铁与其他芳香醛的缩合反应。 表3 7 不同溶剂对反应的影响 t a b l e3 7t h ee f f e c to ft h es o l v e n t s o l v e n t二氯甲烷甲醇二氯乙烷p h无水乙醇 t i m e h8876 4 y i e l d o4 85 05 49 4 注：f c c o c h 32 m m o l ( 0 4 5 6 9 ) ，n a o ho 7 5 m m o l ，i l s2 5 m m o l ，3 5 - 4 0 3 8 温度对反应的影响 在许多有机合成反应中，温度对反应的影响都很大。在以上选出的较佳条件下，考察了 2 5 6 0 六个不同温度对反应的影响，用薄层色谱监测反应的进程。从表3 8 中结果可以看出： 升高反应温度，反应速度加快。反应温度在3 5 c 以下时，产率明显较低，反应时间较长。反 应温度在高于3 5 。c 时变化对反应影响不大。因此，反应温度应控制在3 5 左右为宜。 表3 8 反应温度对反应的影响 t a b l e 3 8t h ee f f e c to ft h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e t e m p e r a t u r e 2 5 3 0 3 5 4 0 5 0 6 0 t i m e h 86443 5 3 y i e l d 6 07 8 9 4 9 49 59 5 注：f c c o c h 32 m m o l ( 0 4 5 6 9 ) ，n a o h0 7 5 m m o l ，i l s2 5 m r n o l ，3 5 - 4 0 3 9 波谱分析 在化合物( i ia i ih ) 的i r 谱中，1 6 3 2 1 6 5 2 c m 一是羰基的特征吸收峰，1 5 7 6 1 6 0 3c m 1 是 碳碳双键的特征吸收峰，二者的吸收峰情况与a ，1 3 - 不饱和酮中共轭羰基和碳碳双键的特征 吸收峰的情况相吻合，所以化合物( i ia - i i h ) 中羰基和碳碳双键是相互共轭的。同时它们的 1 h n m r 谱中均有二茂铁茂环氢和碳碳双键的烯碳氢的特征吸收峰，其中4 2 1 4 2 7 ( s ， 5 h ，c 5 h 5 ) ：4 5 6 4 6 5 ( s ，2 h ，c 5 i - 1 4 ) ，这两个氢是靠近羰基的茂环上的氢，因为拉电子作用使 其向高场移动，化学位移值小；4 8 9 4 9 7 ( s ，2 h ，c s h 4 ) ，与上面的情况刚好相反，这两个氢是 远离羰基的茂环上的氢；7 0 0 7 1 0 ( d ，1 h ，= c h ) ，7 5 6 7 9 8 ( d ，1 h ，= c h ) 表明化合物( i i a i i h ) 中存在二茂铁基，并形成了新的碳碳双键。从各种分析数据表明，所合成的化合物结构与标 题化合物相符。 内蒙古人学硕七学位论文 第三章离子液体作相转移催化剂在k n o e v e n a g e l 缩合 反应中的应用 一、前言 k n o e v e n a g e l 缩合反应是羰基化合物与活性亚甲基化合物的缩合脱水反应，用于碳碳双键 的形成，能够直接合成大量有用的化合物，在工业、农业、药业、生物科学等诸多领域有着 广泛的应用。此类反应一般是用l e w i s 酸或碱为催化剂，在液相中，特别是在有机溶剂中通 过加热来进行，亦可采用氨、胺及其盐等作催化剂，在均相或异相中反应，一般所需时间较 长，而且产率较低。随着新技术、新试剂及新体系的引入，对此类反应的研究也有了许多新 的成果。 虽然离子液体中的k n o e v e n a g e l 缩合反应已经有了很多研究报道，详见综述部分。但是 考虑到k n o e v e n a g e l 缩合反应的重要性和目前的研究现状，我们认为有必要对其在离子液体 作为相转移催化剂的反应中做进一步的深入研究，以期找到更符合环境要求和反应条件更温 和、产率更高、操作更简单的实验方法。因此，我们选择了离子液体参与的多相催化体系来 催化该反应。 二、实验部分 1 原料的合成 二茂铁甲醛的合成 参考文献 5 4 合成二茂铁甲醛 反应式如下所示： 宫眦。酬h 在2 0 0 0 m l 三颈瓶中，加入2 7 9 9 ( 1 5 m 0 1 ) 二茂铁，2 1 9 9 ( 3 m 0 1 ) d m f 和1 1 0 0 m l 三氯甲 烷，在冰水冷却和n 2 保护下，经4 0 m i n 滴加4 5 9 9