綠色催化劑的研究與應(yīng)用

0低共熔溶劑的發(fā)展綠色化合物的提出是人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略從被動(dòng)向主動(dòng)的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)之一。它是現(xiàn)代合成化學(xué)的研究領(lǐng)域和先進(jìn)領(lǐng)域。對(duì)于催化反應(yīng)而言,均相催化通常具有活性高、反應(yīng)條件相對(duì)溫和的優(yōu)勢(shì),其最大缺陷在于催化劑與反應(yīng)體系的分離,以及催化劑的回收和套用比較困難,從而導(dǎo)致產(chǎn)物易受沾染或造成環(huán)境污染。如何在保持均相催化優(yōu)勢(shì)的同時(shí),解決催化劑的分離和回收問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)“均相反應(yīng)、非均相分離”是人們所追求的目標(biāo),也是實(shí)現(xiàn)高效、綠色化工過(guò)程的重要手段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們?cè)鴩L試各種手段試圖來(lái)解決均相催化劑的回收問(wèn)題。例如,利用水溶性銠-膦絡(luò)合物催化水-油兩相氫甲?；诘聡?guó)獲得了工業(yè)應(yīng)用。另一種改良途徑是采用一些特殊的可分相溶劑體系。例如氟碳相催化技術(shù)就是利用了全氟烷與烴類(lèi)低溫分相,高溫混溶的特點(diǎn)。但全氟烷烴存在價(jià)格昂貴、極易揮發(fā)、環(huán)境降解緩慢等缺點(diǎn)。自從1998年德國(guó)化學(xué)家首次報(bào)道了離子液體中的催化反應(yīng)以來(lái),尤其是2000年以后,離子液體作為綠色溶劑的研究進(jìn)入了高潮,迄今為止已經(jīng)有超過(guò)千篇研究論文發(fā)表。盡管室溫離子液體的低揮發(fā)性以及對(duì)眾多無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物良好的溶解性能使之成為近年化學(xué)反應(yīng)媒介研究的熱點(diǎn)之一。但是,由于離子液體制備成本、生物降解性能及制備過(guò)程中產(chǎn)生廢棄物等問(wèn)題,化學(xué)界對(duì)其綠色性仍存在一定爭(zhēng)議。1999年,英國(guó)Leicester大學(xué)的Abbott教授首次提出了低共熔溶劑(Eutecticsolvents)的概念,并將它用于金屬的表面處理,如鋁的電沉積。從結(jié)構(gòu)上看,離子液體是完全由離子組成的單一液體,而低共熔溶劑是由兩種或多種成分組成的低共熔混合物。2003年,Abbott研究組又發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)新的含尿素低共熔溶劑。此類(lèi)低共熔溶劑由兩分子尿素和一分子氯化膽堿通過(guò)氫鍵形成,室溫下呈液態(tài)。將化學(xué)計(jì)量的尿素和氯化膽堿固態(tài)混合即可方便地得到低共熔溶劑,過(guò)程中不產(chǎn)生三廢問(wèn)題。由于尿素是哺乳動(dòng)物的正常代謝產(chǎn)物,氯化膽堿是一種常用的食品和飼料添加劑,兩者成本低廉,易生物降解,無(wú)環(huán)境副作用,因此是一種較離子液體更綠色的溶劑。Abbott教授對(duì)低共熔溶劑的評(píng)價(jià)是多用途(Versatile)、價(jià)廉(Cheap)、環(huán)境相容(Environmentallycompatible)和可生物降解(Biodegradable)。首例低共熔溶劑中的有機(jī)合成反應(yīng)也是Abbott研究組報(bào)道的。他們?cè)诘凸踩廴軇┲羞M(jìn)行了Fischer吲哚合成。2005年,德國(guó)的K.o.nig課題組也加入了低共熔溶劑的研究行列,并且報(bào)道了糖(糖醇)-尿素-鹽三元低共熔物中的Diels-Alder反應(yīng),Stille反應(yīng)和Suzuki反應(yīng)。2007年,報(bào)道了分子篩負(fù)載氯化膽堿-尿素低共熔溶劑催化二氧化碳與環(huán)氧化物的反應(yīng)。除了在有機(jī)合成中得到應(yīng)用外,低共熔溶劑還被引入到材料化學(xué)領(lǐng)域,如充當(dāng)分子篩等介孔材料合成的模板和纖維素的溶劑。2007年,Abbott研究組利用低共熔溶劑萃取生物柴油中的甘油,首次將低共熔溶劑的應(yīng)用擴(kuò)展到化工分離研究領(lǐng)域。低共熔溶劑與室溫離子液體相比具有如下特點(diǎn):(1)低共熔溶劑原料價(jià)格低廉,易生物降解,制備過(guò)程中不產(chǎn)生廢物,環(huán)境相容性優(yōu)于離子液體;(2)由于低共熔溶劑是多元體系,因此比離子液體更容易進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和修飾,以適應(yīng)不同反應(yīng)的要求;(3)與離子液體相似,低共熔溶劑也具有不揮發(fā)性、在不同極性的有機(jī)溶劑中溶解度差別顯著等特點(diǎn),但低共熔溶劑對(duì)低極性化合物的溶解性更小。這一特性利于設(shè)計(jì)有別于離子液體的新穎反應(yīng)體系。1實(shí)驗(yàn)部分1.1共溶劑高品質(zhì)尿素和氯膽堿的制備尿素/氯化膽堿(2∶1摩爾比)混合物攪拌直至呈透明液體,密封保存。1.2甲基乙烯基酮的合成以甲基乙烯基酮與哌啶的反應(yīng)為典型例子。在50mL圓底燒瓶中依次加入CuCl2·2H2O(5%mol,0.043g),2mL甲醇,2mLDES,甲基乙烯基酮(6mmol,1.2equiv,0.421g),哌啶(5mmol,1equiv)室溫下攪拌反應(yīng),TLC點(diǎn)板跟蹤,約40min后反應(yīng)結(jié)束。在反應(yīng)完的混合物中加入體積比為1∶1的乙酸乙酯/石油醚混合溶劑4mL萃取一次,再用乙酸乙酯(4mL×2)萃取,產(chǎn)物被萃取到有機(jī)相中,催化劑溶于低共熔溶劑相,減壓除去多余有機(jī)溶劑后低共熔相中的催化劑可用于下次循環(huán)使用。將合并的萃取液減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到粗產(chǎn)物,短硅膠柱分離(PE∶EtOAc=2∶1),產(chǎn)物收率93%。1.3異硫氰酸苯酯的制備以1,3-二苯基硫脲的合成為典型例。在50mL圓底燒瓶中加入苯胺(1.2equiv,2.4mmol),異硫氰酸苯酯(0.270g,2mmol)和3mL乙酸乙酯,室溫下攪拌反應(yīng),約2h后異硫氰酸苯酯轉(zhuǎn)化完全,產(chǎn)物用乙酸乙酯充分溶解后,加入3equiv含丙二酸低共熔溶劑,室溫下繼續(xù)攪拌反應(yīng)1h。分出上層有機(jī)相后,用乙酸乙酯(4mL×3)萃取低共熔溶劑相,將得到的萃取液合并后減壓蒸餾除去溶劑得到0.424g,產(chǎn)率93%,純度98%(HPLC)。2低共熔溶劑法首先研究了尿素-氯化膽堿低共熔溶劑與常見(jiàn)有機(jī)溶劑之間的分相特性。如表1所示,低共熔溶劑與極性溶劑混溶,但是與中-低極性溶劑不混溶。確定以低共熔溶劑與極性溶劑如甲醇的混合物作為催化反應(yīng)的溶劑,以不飽和化合物與胺的aza-Michael加成為模型反應(yīng),進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。選取不同的Michael受體如甲基乙烯基酮及丙烯酸甲酯進(jìn)行該反應(yīng)的研究。從表2中看到丙烯酸甲酯可以很容易與嗎啉反應(yīng)生成相應(yīng)加成產(chǎn)物,并得到較好的收率。除了二異丙胺和二丁胺所需反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)外,其余反應(yīng)都在60min內(nèi)結(jié)束,且相應(yīng)的反應(yīng)收率較高(82%~97%)。該方法立足于均相高效反應(yīng)和非均相高效分離的理念,反應(yīng)結(jié)束后催化劑被固定在DES中,達(dá)到了反應(yīng)溶劑與催化劑的同步回收。反應(yīng)結(jié)束后,將低共熔相用低極性的有機(jī)溶劑進(jìn)行洗滌后,含銅催化劑的低共熔溶劑相可以方便地回收套用。在中性低共熔溶劑用于可分相催化研究的基礎(chǔ)上,制備了酸性低共熔溶劑,并應(yīng)用于胺類(lèi)堿性有機(jī)物的選擇性反應(yīng)萃取。以米氏酮為質(zhì)子化變色探針,可以直觀地觀察到胺類(lèi)有機(jī)物的萃取過(guò)程。如圖1所示,有機(jī)相中紫色的米氏酮通過(guò)質(zhì)子化進(jìn)入低共熔溶劑相后變?yōu)辄S褐色,有機(jī)相顏色消失。對(duì)照組中中性低共熔溶劑對(duì)米氏酮?jiǎng)t無(wú)萃取作用。顯然,酸性低共熔溶劑的上述特性可以作為清除劑(Scavenger)用于組合化學(xué)庫(kù)的液相平行合成。以異硫氰酸苯酯與過(guò)量苯胺形成二苯基硫脲的反應(yīng)為例。通過(guò)HPLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程(見(jiàn)圖2),經(jīng)過(guò)60min的萃取后過(guò)量苯胺已基本從產(chǎn)物中清除。本文進(jìn)一步制備了含6個(gè)硫脲衍生物的模型庫(kù)(見(jiàn)表3)。以酸性低共熔溶劑為清除劑,可在液相平行合成過(guò)程中高效清除過(guò)量的胺類(lèi)試劑(脂肪胺和芳香胺)。反應(yīng)結(jié)束后加入酸性功能化低共熔溶劑室溫下攪拌1h后,可得到高產(chǎn)率(≥93%)及高純度(≥97%)的目標(biāo)產(chǎn)物。3低共熔溶劑的組成本研究結(jié)果表明,低共熔溶劑可用作催化反應(yīng)的綠色溶劑和液相組合化學(xué)合成的清除劑。但必須指出的是,與室溫離子液體相比,現(xiàn)有低共熔溶劑在以下三個(gè)方面也存在一定的問(wèn)題(以尿素-氯化膽堿體系為例):(1)化學(xué)惰性氯化膽堿中的羥基和尿素本身都具有反應(yīng)性,在應(yīng)用時(shí)要防止其參與反應(yīng);另外,季銨鹽在強(qiáng)堿性和加熱的條件下容易發(fā)生Hoffmann消除反應(yīng),最后產(chǎn)生復(fù)雜的副產(chǎn)物;(2)溶解性能與離子液體不同的是,低共熔溶劑對(duì)中等極性有機(jī)物的溶解有限。這一特性雖然對(duì)設(shè)計(jì)兩相催化體系有利,但是限制了純低共熔溶劑作為反應(yīng)溶劑的應(yīng)用范圍;(3)液態(tài)溫度范圍尿素-氯化膽堿低共熔溶劑低于12℃凝固,高于100℃開(kāi)始分解。而許多離子液體的液態(tài)溫度范圍可達(dá)-50~300℃。離子液體首先用于電化學(xué),經(jīng)歷了從金屬鹵化物酸性離子液體到無(wú)金屬中性離子液體的發(fā)展過(guò)程(1951~1992年),并在中性離子液體首例報(bào)道后數(shù)年迎來(lái)了發(fā)展的“黃金時(shí)