劉玉婷，鄒倩，尹大偉

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021)

近年來(lái)，基于環(huán)保理念，從源頭上減少或消除化學(xué)工業(yè)對(duì)環(huán)境的危害，使綠色有機(jī)合成得到了足夠的重視。在有機(jī)化合物的合成中，綠色合成方法的設(shè)計(jì)和選擇、 綠色試劑、溶劑及催化劑的使用、副產(chǎn)品及產(chǎn)品的處理等的綠色化是目前有機(jī)合成的主要目標(biāo)。離子液體作為新型溶劑及催化劑，本身是一種低熔點(diǎn)的有機(jī)鹽，具有很多優(yōu)異特性[1]，例如低毒性、低蒸氣壓、高堆積密度、寬液相線范圍、離子電導(dǎo)率具有較高的熱穩(wěn)定性、低腐蝕性和易處理性等。苯并咪唑離子液體作為咪唑離子液體的衍生物[2]，因此具有咪唑離子液體的多種優(yōu)良性質(zhì)，例如對(duì)空氣和水不敏感、熔點(diǎn)低、穩(wěn)定性高等。尼泊金酯具有化學(xué)穩(wěn)定性高、不揮發(fā)、抗菌、成本低且無(wú)氣味等優(yōu)勢(shì)。由于其優(yōu)越的抗真菌和抗微生物特性，常用于化妝品[3]、食品和飲料中作為防腐劑[4]。酯化反應(yīng)通常采用濃硫酸催化，但濃硫酸存在腐蝕設(shè)備、催化產(chǎn)率低、產(chǎn)物分離困難、后處理較復(fù)雜、有大量廢酸產(chǎn)生等缺點(diǎn)，因此為了解決傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)成本高、不利于工業(yè)生產(chǎn)的問(wèn)題，人們開(kāi)始嘗試使用綠色催化劑，如離子液體、酶、殼聚糖等催化酯化反應(yīng)。特別是離子液體催化反應(yīng)，不僅效率高、產(chǎn)品純度高，而且催化劑可以回收再利用，降低了反應(yīng)成本。本課題組近年來(lái)一直在探索高效綠色合成尼泊金酯的方法[5-9]。本文中首先合成了8種苯并咪唑離子液體，并通過(guò)FT-IR、1H NMR、13C NMR

對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并對(duì)其溶解性、吸水性、pH、電導(dǎo)率、SEM、TGA等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，同時(shí)重點(diǎn)考察了離子液體催化合成尼泊金甲酯，并優(yōu)化了反應(yīng)條件。

圖1 苯并咪唑離子液體的合成

圖2 尼泊金甲酯的合成

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

紅外光譜采用德國(guó)Bruker公司的VECTOR-22傅立葉紅外光譜儀測(cè)定(KBr壓片)；核磁共振采用德國(guó)Bruker公司的ADVANCE Ⅲ 400 MHz核磁共振儀測(cè)定(以DMSO-d6為溶劑，以TMS為內(nèi)標(biāo))；熔點(diǎn)采用北京泰克儀器有限公司的X-4型數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)儀測(cè)定(溫度計(jì)未經(jīng)校正)；電導(dǎo)率采用DDS-11A 型電導(dǎo)率儀(電導(dǎo)電極為 DDS-1型鉑電極)測(cè)定；熱重分析采用美國(guó)TA公司的TGA Q500型熱重分析儀測(cè)定；場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)采用日本Hitachi公司的S4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡儀測(cè)定。

所用試劑均為市售分析純。N-芐基苯并咪唑按文獻(xiàn)[10]的方法合成。

1.2 N-芐基苯并咪唑離子液體的合成

在干燥的100 mL三口燒瓶中，加入0.208 g(1 mmol)N-芐基苯并咪唑、30 mL無(wú)水乙醇，攪拌至全溶。冰浴下緩慢滴加酸，然后室溫反應(yīng)8 h，至反應(yīng)完全(TLC監(jiān)測(cè))。蒸除溶劑，殘余物用乙醚洗滌、抽濾、干燥得白色固體。用無(wú)水乙醇重結(jié)晶得到N-芐基苯并咪唑離子液體純品。

N-芐基苯并咪唑硫酸氫鹽(IL1):白色固體,產(chǎn)率88.6%, m.p.195～197 ℃(194.8～195.2 ℃[11])。IR(KBr)ν：3108(ν=C-H), 1613(νC=N), 1548, 1442(ν苯環(huán)骨架),1312(νC-N), 758 (γ1,2-Ph-H);1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ: 9.84 (s, 1H,N-CH), 7.91 (d, J=7.56 Hz,2H, Ar-H),7.50(m,7H,Ar-H),5.74(s,2H,N-CH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:142.01,134.49,130.85, 129.02,128.66,128.23,126.49,126.06,115.36,113.51,49.93。

N-芐基苯并咪唑氟硼酸鹽(IL2):白色固體,產(chǎn)率85.9%,m.p.106～108 ℃(108～110 ℃[12]。IR(KBr)ν：3141(ν=C-H), 1622(νC=N), 1553, 1440(ν苯環(huán)骨架)，1371(νC-N),753(γ1,2-Ph-H);1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ: 9.77 (s, 1H,N-CH),7.89(d,J=7.50 Hz,2H, Ar-H), 7.49 (m, 7H, Ar-H),5.76(s,2H,N-CH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:141.70,134.15,131.05,128.91,128.56,128.06,126.48,126.09,115.03,113.35,49.76。

N-芐基苯并咪唑?qū)妆交撬猁}(IL3):白色固體,產(chǎn)率82.4%,m.p.113～115 ℃。IR(KBr)ν 3104(ν=C-H),1609(νC=N),1540,1440(ν苯環(huán)骨架), 1371(νC-N), 753 (γ1,2-Ph-H);1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ: 9.80 (s, 1H,N-CH), 7.87 (d, J=7.11 Hz,2H, Ar-H), 7.41 (m, 9H, Ar-H), 7.10 (s, 2H, Ar-H),5.76(s,2H, N-CH2), 2.27 (s, 3H, -CH3);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:145.18,142.00,138.12,134.36,131.58,130.80,128.96,128.59,128.28,128.20,126.37,126.04,125.56,115.32,113.44,49.60,20.94。

芐基苯并咪唑磷酸二氫鹽(IL4):白色固體,產(chǎn)率88.1%,m.p.146～148 ℃。IR(KBr)ν：3104(ν=C-H), 1722(νC=N), 1553, 1446(ν苯環(huán)骨架), 1302(νC-N), 753 (γ1,2-Ph-H);1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ:8.50(s, 1H,N-CH), 7.68 (d, J=7.58 Hz,2H, Ar-H),7.27 (m, 7H, Ar-H), 5.51 (s, 2H, N-CH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:144.14,136.69,133.44,128.88,127.99,127.53,123.00,122.32,119.19,111.12,47.99。

N-芐基苯并咪唑鹽酸鹽(IL5):白色固體,產(chǎn)率80.2%,m.p.136～138 ℃。IR(KBr)ν：3058(ν=C-H), 1626(νC=N), 1556, 1451(ν苯環(huán)骨架), 1302(νC-N), 761 (γ1,2-Ph-H);1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ: 9.29 (s, 1H,N-CH), 7.71 (d, J=7.46 Hz,2H, Ar-H),7.35 (m, 7H, Ar-H), 5.67 (s, 2H, N-CH2);13C NMR(DMSO-d6,101 MHz)δ:143.16,135.93,132.37,129.01,128.35,128.02,124.46,124.25,117.4,112.36,48.83。

N-芐基苯并咪唑三氟乙酸鹽(IL6):淡黃色黏狀固體,產(chǎn)率78.6%,m.p.107～109 ℃。IR(KBr)ν：3110(ν=C-H), 1790(νC=O), 1671(νC=N), 1546(ν苯環(huán)骨架), 1371(νC-N), 715 (γ1,2-Ph-H);1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ: 9.75 (s, 1H,N-CH), 7.90 (d, J=7.68 Hz,2H,Ar-H), 7.39 (m, 7H, Ar-H), 5.76 (s, 2H, N-CH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:141.97,134.46,130.90,128.78,128.36,127.91,125.85,125.53,115.44,113.05,49.34。

N-芐基苯并咪唑甲磺酸鹽(IL7):淡黃色黏狀固體,產(chǎn)率75.9%,m.p.70～72 ℃。IR(KBr)ν：3097(ν=C-H),1630(νC=N),1553,1442(ν苯環(huán)骨架),1312(νC-N),758(γ1,2-Ph-H);1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,)δ:9.89 (s, 1H,N-CH), 7.89 (d, J=7.24 Hz,2H, Ar-H), 7.34 (m, 7H, Ar-H), 5.79 (s,2H, N-CH2), 2.42 (s, 3H, -CH3);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:141.98,134.48,131.20,130.77,129.11,128.76,128.34,126.66,126.35,115.21,113.66,49.62。

N-芐基苯并咪唑硝酸鹽(IL8):白色固體,產(chǎn)率81.5%,m.p.97～99 ℃。IR(KBr)ν：3097(ν=C-H), 1615(νC=N), 1546, 1459(ν苯環(huán)骨架), 1378(νC-N), 740 (γ1,2-Ph-H);1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ: 9.63 (s, 1H,N-CH),7.84 (d,J=7.47 Hz, 2H, Ar-H), 7.41 (m, 7H, Ar-H),5.74 (s, 2H, N-CH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6)δ:142.37,134.77,131.20,128.95,128.50,128.06,125.80,125.60,115.83,113.09,49.19。

1.3 尼泊金甲酯的合成

在干燥的100 mL三口燒瓶中，加入1.381 g(10 mmol)對(duì)羥基苯甲酸和4.143 g(30 mmol)甲醇攪拌至全溶，再加入15%的苯并咪唑離子液體(相對(duì)于酸的物質(zhì)的量)。緩慢升溫回流反應(yīng)6 h，TLC監(jiān)測(cè)至反應(yīng)結(jié)束。減壓蒸除溶劑，剩余物用乙醚洗滌，抽濾，濾餅即苯并咪唑離子液體，可循環(huán)使用多次；濾液旋干，用無(wú)水乙醇重結(jié)晶得到純品，m.p.122～124 ℃(126～128 ℃)。IR(KBr)ν:3410(νO-H),3072(νPh-H),2878(νC-H),1728(νC=O),1615,1433(ν-苯環(huán)),1202(νC-O-C),828(γ1,4-Ph-H)。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子液體的溶解性

分別以乙酸乙酯、甲醇、乙醇、乙醚、苯、甲苯、氯仿、二氯甲烷、水、正已烷、乙腈及丙酮為溶劑，考察離子液體的溶解性。溶解度標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《中國(guó)藥典》易溶、溶解、略溶、微溶、幾乎不溶或不溶來(lái)描述其溶解性能[13]。離子液體的溶解性結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 離子液體的溶解性Table 1 The solubility of ionic liquid

續(xù) 表

由表1可知，離子液體(IL1-8)在乙酸乙酯、甲醇、乙醇、氯仿、二氯甲烷、乙腈、丙酮里溶解而在乙醚、苯、甲苯、正已烷中不溶。IL1、IL3、IL4、IL6、IL7在水中溶解而IL2、IL5、IL8在水中微溶。離子液體在乙醚、苯、甲苯、正己烷中不溶，可能與溶劑的極性有關(guān)，一般溶劑的極性越大，化合物在其中的溶解性越好。

2.2 離子液體的吸水性

將離子液體(IL1-8)放在烘箱中干燥24 h后分別取0.01 g放在表面皿上，并平整地鋪開(kāi)，在室溫下每隔2 h分別稱(chēng)其質(zhì)量，共放置24 h,計(jì)算其吸水率。離子液體(IL1-8)吸水性結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 離子液體的吸水性Table 2 The hygroscopicity of ionic liquid

由表2可知，所有離子液體(IL1-8)都有較好的吸水性。離子液體IL7(N-芐基苯并咪唑甲磺酸鹽)吸水性最好，而離子液體IL4(N-芐基苯并咪唑磷酸二氫鹽)吸水性最差。

2.3 離子液體的pH值

將能溶于水的離子液體IL1、IL3、IL4、IL6、IL7配成不同濃度的水溶液，然后測(cè)其pH值，其pH結(jié)果見(jiàn)表3(因IL2、IL5、IL8微溶于水，因此無(wú)法測(cè)其pH)。

表3 離子液體的pH值Table 3 The pH values of ionic liquid

由表3可知，5種測(cè)試的離子液體都有較強(qiáng)的酸性。同一種離子液體，pH值隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小。IL1(N-芐基苯并咪唑硫酸氫鹽)的pH值最小，pH值可能與陰離子有關(guān),HSO4-電離出H+濃度大，因此酸性高。

2.4 離子液體的電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是離子液體的一個(gè)重要參數(shù)。分別以水、無(wú)水乙醇為溶劑把離子液體配成10～5 mol/L的溶液，測(cè)定不同溫度下的電導(dǎo)率，在水中的電導(dǎo)率見(jiàn)表4(由于IL2、IL5、IL8微溶于水，因此無(wú)法測(cè)其在水中的電導(dǎo)率)；在無(wú)水乙醇中的電導(dǎo)率見(jiàn)表5。

表4 離子液體在水中的電導(dǎo)率Table 4 The electrical conductivity of ionic liquid in water

表5 離子液體在乙醇中的電導(dǎo)率Table 5 The electrical conductivity of ionic liquid in ethanol

由表4和表5可知，離子液體的電導(dǎo)率隨著溫度的升高而增大，在水中的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在乙醇中的電導(dǎo)率。IL3(N-芐基苯并咪唑?qū)妆交撬猁})在水中的電導(dǎo)率最小，IL4(芐基苯并咪唑磷酸二氫鹽)在水中的電導(dǎo)率最大，這可能和陰離子空間構(gòu)型有關(guān)。IL7(芐基苯并咪唑甲磺酸鹽)在乙醇中的電導(dǎo)率最大，而IL5(N-芐基苯并咪唑鹽酸鹽)的最小。IL1(N-芐基苯并咪唑硫酸氫鹽)與IL2(芐基苯并咪唑氟硼酸鹽),IL4(芐基苯并咪唑磷酸二氫鹽)與IL5(N-芐基苯并咪唑鹽酸鹽)的電導(dǎo)率接近。

2.5 離子液體的熱重分析

用TGA Q500型熱重分析儀測(cè)試離子液體(IL1～L18)的熱穩(wěn)定性，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以升溫速率10 ℃/min測(cè)定了8種離子液體的熱穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 離子液體的TGA圖

由圖3可知，離子液體(IL1～L18)的分解溫度都大于250 ℃，說(shuō)明離子液體比較穩(wěn)定。IL7(芐基苯并咪唑甲磺酸鹽)最先出現(xiàn)質(zhì)量損失。離子液體在剛開(kāi)始逐漸升溫的過(guò)程中有一個(gè)較長(zhǎng)的恒重過(guò)程，但是在255～300 ℃左右，有明顯的質(zhì)量損失，這是失去了結(jié)晶水的緣故。在320～370 ℃，有特別明顯的質(zhì)量損失，可能是苯并咪唑環(huán)、陰離子的結(jié)構(gòu)遭到破壞。

2.6 離子液體的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)數(shù)據(jù)分析

用S4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)，放大一定倍數(shù)，觀測(cè)離子液體(IL1-8)的表面形貌，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 離子液體的SEM圖

由圖4可知，IL1、IL2、IL5分別放大22000，12000，15000倍觀察到的形態(tài)是規(guī)則的,表面均勻且光滑，由棒組成，直徑分別是20，40，5 μm。而IL3、IL4、IL6、IL7、IL8分別放大10000，11000，15000，20000，22000倍后觀察到其表面是堆積顆粒的形態(tài)，表面積較大，可能具有優(yōu)異的催化活性，直徑分別為50，40，30，20，20 μm。

2.7 離子液體催化合成尼泊金甲酯

以離子液體IL1(N-芐基苯并咪唑硫酸氫鹽)為催化劑，考察其催化尼泊金甲酯合成的效果。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，考察反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量、原料摩爾比對(duì)尼泊金甲酯產(chǎn)率的影響。正交實(shí)驗(yàn)因素水平見(jiàn)表6，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 6 The factors and levels of orthogonal experiment

表7 正交實(shí)驗(yàn)與結(jié)果Table 7 The results of orthogonal experiment

由表7可知，各因素對(duì)尼泊金甲酯產(chǎn)率影響的主次順序?yàn)榉磻?yīng)溫度>反應(yīng)時(shí)間>對(duì)羥基苯甲酸和甲醇的摩爾比>催化劑用量。各因素的較優(yōu)水平組合為A3B3C3D2，即合成尼泊金甲酯的最佳反應(yīng)條件：對(duì)羥基苯甲酸和甲醇的摩爾比為 1∶3，回流反應(yīng)6 h ，催化劑用量n=15%n對(duì)羥基苯甲酸。

為了考察正交實(shí)驗(yàn)得出的最佳反應(yīng)條件的合理性，以最佳反應(yīng)條件合成尼泊金甲酯，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 最佳反應(yīng)條件的重復(fù)Table 8 The repetition of optimal reaction conditions

由表8可知，最佳反應(yīng)條件重復(fù)5次 ，尼泊金甲酯的產(chǎn)率均比正交表里的數(shù)據(jù)高。

2.8 離子液體的重復(fù)使用

為了考察離子液體的重復(fù)使用性，在最佳反應(yīng)條件下，以IL1(N-芐基苯并咪唑硫酸氫鹽)催化合成尼泊金甲酯，循環(huán)使用5次，考察催化劑的重復(fù)使用對(duì)尼泊金甲酯產(chǎn)率的影響，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 離子液體的重復(fù)使用性Table 9 The reusability of ionic liquid

由表9可知，隨著重復(fù)使用次數(shù)的增多，產(chǎn)率降低，但是降低幅度不大，說(shuō)明離子液體作為催化劑的重復(fù)使用效果良好。

3 結(jié)論

本文提供了一種綠色、經(jīng)濟(jì)、高效、低成本合成尼泊金甲酯的方法。首先合成了8種苯并咪唑離子液體，并將其用于催化尼泊金甲酯的合成，同時(shí)優(yōu)化了反應(yīng)條件，得出最佳反應(yīng)條件為：對(duì)羥基苯甲酸和甲醇的摩爾比1∶3，回流反應(yīng)時(shí)間6 h，催化劑用量n=15%n對(duì)羥基苯甲酸，產(chǎn)率高達(dá)86%以上，為尼泊金甲酯的綠色合成提供了理論依據(jù)。