楊鵬坤，賴貞貞，劉亞威,徐 浩,徐元清，房曉敏，丁 濤

(阻燃與功能材料河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004)

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咪唑離子液體催化下胺對α,β-不飽和酰胺的邁克爾加成反應(yīng)

楊鵬坤，賴貞貞，劉亞威,徐 浩,徐元清*，房曉敏，丁 濤

(阻燃與功能材料河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004)

咪唑類離子液體作為可循環(huán)使用的綠色催化劑，近幾年廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成反應(yīng)中.研究了4種1-丁基-3-甲基咪唑類離子液體在無溶劑室溫條件下對胺和不飽和酰胺的邁克爾加成反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)[Bmim][NH2CH2COO]離子液體顯現(xiàn)出較高的催化活性，當(dāng)加入15%的催化劑反應(yīng)3 h均能得到較高的產(chǎn)率.此外，所用催化劑能夠循環(huán)利用并能大規(guī)模生產(chǎn).

[Bmim]離子液體；邁克加成反應(yīng)；高效催化劑

邁克爾加成反應(yīng)是構(gòu)筑碳-碳鍵和碳-雜鍵最重要的方法之一[1].當(dāng)親核試劑為氮原子時(shí)，稱之為aza-Michael加成反應(yīng)[2].該類邁克爾加成反應(yīng)在醫(yī)藥分子合成方面有著廣泛的應(yīng)用，如:β-內(nèi)酰胺(a)和膦胺霉素(b)能夠作為青霉素、頭孢菌素等抗生素的主要醫(yī)藥中間體，3-膦酸基丙酸(c)能夠作為新型牙齒粘結(jié)劑[3-5](圖1).

圖1 β-內(nèi)酰胺(a)、膦胺霉素(b)和3-膦酸基丙酸(c)

傳統(tǒng)的邁克爾加成反應(yīng)需要在計(jì)算量的堿輔助下才能進(jìn)行，而且反應(yīng)過程中需要大量的有機(jī)溶劑，后處理過程復(fù)雜，不符合當(dāng)今的綠色化學(xué)要求.因此，一系列相對溫和環(huán)保的催化劑被相繼應(yīng)用于aza-Michael加成反應(yīng)中，如CeCl3·7H2O-NaI、TiCl4、Ni(ClO4)2·6H2O、磁性納米離子、氧化石墨烯、納米晶體銅(Ⅱ)氧化物和生物酶等[6-10].但是這些催化劑在應(yīng)用過程中需要使用大量的有機(jī)溶劑，并對反應(yīng)條件要求苛刻(如高溫、無水等)，制備成本較高，不易大規(guī)模生產(chǎn).近幾年，離子液體由于具有難揮發(fā)、高穩(wěn)定性、高耐燃性、高電導(dǎo)率、可循環(huán)利用和無毒環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)、電化學(xué)和材料化學(xué)等領(lǐng)域[11-14].同時(shí)人們發(fā)現(xiàn)通過改變不同的陰離子和陽離子，并合理設(shè)計(jì)陰陽離子之間的協(xié)同作用，能夠最大化提高離子液體催化活性，使之具有巨大的發(fā)展?jié)摿?另外，離子液體制備過程簡單，具有較高的適應(yīng)性和選擇性，這也使它作為一種新型的催化劑在有機(jī)合成反應(yīng)中占有重要地位.盡管離子液體應(yīng)用于邁克爾加成反應(yīng)已有報(bào)道[15]，但1-甲基-3-丁基咪唑類離子液體，在催化胺和不飽和酰胺的邁克爾加成反應(yīng)中，仍鮮有報(bào)道.

利用N-甲基咪唑和1-氯丁烷為原料，通過改變陰離子種類，制備了4種具有不同陰離子的1-甲基-3-丁基咪唑離子液體.并探究了在室溫?zé)o溶劑條件下，不同的離子液體催化劑、反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量等因素對胺和不飽和酰胺邁克爾加成反應(yīng)的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Brucker AV-400型核磁共振儀；N-甲基咪唑，1-氯丁烷，乙酸，甘氨酸，四氟硼酸，氫氧化鉀，甲醇，丙烯酰胺，4-甲基哌啶，嗎啉，芐胺，吡咯烷，N,N-二甲基丙烯酰胺，氘代氯仿等均為市售分析純試劑.

1.2 [Bmim][X]離子液體的制備

N-甲基咪唑(10 mmol)和1-氯丁烷(10 mmol),在燒瓶中80 ℃反應(yīng)24 h，然后將反應(yīng)混合物用乙酸乙酯洗滌5次，可以得到較純凈的[Bmim][Cl].取5 mmol [Bmim][Cl]溶解于甲醇溶液中，添加5 mmol KOH，攪拌回流8 h,過濾出不溶物KCl，濃縮得到粗產(chǎn)物，用乙酸乙酯∶乙醇(20∶1)洗滌3次，50 ℃下真空干燥得到純凈[Bmim][OH].將1 mmol CH3COOH (HBF4或NH2CH2COOH) 和1 mmol [Bmim][OH]加入到5 mL水中，在室溫下(25 ℃)攪拌反應(yīng)5 h，50 ℃下減壓蒸餾除水，得到[Bmim][OAC]([Bmim][BF4]或[Bmim][Gly])離子液體.

1.3 丙烯酰胺和4-甲基哌啶的邁克加成反應(yīng)

將1 mmol的4-甲基哌啶和1 mmol的丙烯酰胺加入到反應(yīng)管中，在室溫條件下加入一定量的1-甲基-3-丁基咪唑離子液體，攪拌反應(yīng)一定時(shí)間后得到粗產(chǎn)物.通過柱層析分離得到產(chǎn)物3-(4-甲基哌啶)丙酰胺，并計(jì)算產(chǎn)率.

實(shí)驗(yàn)探究了在室溫?zé)o溶劑條件下，不同離子液體、時(shí)間和催化劑用量對反應(yīng)收率的影響(表1).發(fā)現(xiàn)15%(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，下同)的[Bmim][Gly]離子液體催化4-甲基哌啶和丙烯酰胺的邁克加成反應(yīng)，在室溫反應(yīng)3 h條件下，產(chǎn)率達(dá)到最高.由表1可以看出當(dāng)催化劑用量超過15%時(shí)，產(chǎn)物收率不再增加.綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)選擇[Bmim][Gly]離子液體作為催化劑，室溫反應(yīng)時(shí)間3 h，離子液體用量15 mol%為最優(yōu)反應(yīng)條件.

表1 不同反應(yīng)條件對4-甲基哌啶和丙烯酰胺的邁克加成反應(yīng)影響

Table 1 Influence of the different conditions on the Michael addition of 4-methylpiperidine to acrylamide

實(shí)驗(yàn)IL催化劑用量/%時(shí)間/h產(chǎn)率/%1[Bmim][OH]103792[Bmim][OAC]103813[Bmim][BF4]103744無-5痕量5[Bmim][Gly]103866[Bmim][Gly]102737[Bmim][Gly]104858[Bmim][Gly]53689[Bmim][Gly]1539010[Bmim][Gly]20390

1.4 [Bmim][Gly]催化不同胺與不飽和酰胺的邁克加成反應(yīng)

在室溫條件下，以15% [Bmim][Gly]為催化劑，催化胺和不飽和酰胺得邁克爾加成反應(yīng).其中，胺和不飽和酰胺的用量均為1 mmol，計(jì)算各產(chǎn)物產(chǎn)率(表2).

表2 [Bmim][Gly]離子液體催化不同胺與不飽和酰胺邁克加成反應(yīng)

Table 2 [Bmim][Gly] catalyzed Michael addition amines toα,β-unsaturated amides

實(shí)驗(yàn)胺α,β-不飽和酰胺產(chǎn)物反應(yīng)時(shí)間/h產(chǎn)率/%139022873193429153896288739084709566

通過對底物的拓展，發(fā)現(xiàn) [Bmim][Gly] 離子液體對多種類型的胺與不飽和酰胺都具有較好的催化效果.其中吡咯烷和丙酰胺在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)1 h就能達(dá)到93%的產(chǎn)率.而芐胺和不飽和酰胺的反應(yīng)收率較低，可能是因?yàn)槠S胺相對于其它二級胺來說，堿性和親核性較弱造成的.

1.5 離子液體催化邁克爾加成反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)以上反應(yīng)結(jié)果，推測離子液體催化邁克爾加成反應(yīng)的可能機(jī)理見圖2.

2 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1-甲基-3-丁基咪唑類離子液體在胺和不飽和酰胺邁克爾加成反應(yīng)中，具有較高的催化活性.通過對底物的拓展，發(fā)現(xiàn)在無溶劑室溫條件下，當(dāng)催化劑用量為15%時(shí)，短時(shí)間內(nèi)就能獲得較高的收率.[Bmim][Gly]在這4種離子液體中活性最高，這是由于[Bmim][Gly]離子液體陰離子上的NH2與羰基形成氫鍵，通過共軛效應(yīng)促進(jìn)來了α,β-不飽和酰胺C=C雙鍵上的電子的轉(zhuǎn)移，使胺基負(fù)離子更容易進(jìn)攻C=C雙鍵形成碳氮鍵，從而使反應(yīng)進(jìn)行更徹底.

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[責(zé)任編輯：張普玉]

Imidazole ionic liquids catalysis on Michael addition of amines toα,β-unsaturated amide under solvent-free conditions

YANG Pengkun, LAI Zhenzhen, LIU Yawei, XU Hao, XU Yuanqing*,FANG Xiaomin, DING Tao

(HenanProvinceEngineeringLaboratoryofFlameRetardantandFunctionalMaterials,CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversity，Kaifeng475004,Henan，China)

Imidazole ionic liquids used as recyclable catalysts have been successfully applied in organic reactions.Four 1-butyl-3-methyl imidazoles ionic liquids were synthesized for the aza-Michael addition of amines to activated unsaturated amide at room temperature without any organic solvent.[Bmim][NH2CH2COO] was found to be the most efficient catalyst.The reactions were complete in 3 h with high yields, and the amount of catalyst was only 15%.Additionally, the catalysts were recyclable and applicable for the large-scale synthesis.

[Bmim] ionic liquids； aza-Michael addition； efficient catalyst

2016-07-17.

河南省教育廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目(13B530916, 14A430042, 15A150041),河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(142102210560),河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿項(xiàng)目(142300410122).

楊鵬坤(1993-)，男，碩士生，主要從事有機(jī)合成和功能材料研究.*

O621.3+6

A

1008-1011(2016)06-0707-04