王 政，李志峰，侯海亮，應(yīng)安國＊

（1.臺州學(xué)院 醫(yī)藥化工學(xué)院，浙江 臺州318000； 2.天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津300072）

Knoevenagel縮合反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)中形成碳碳雙鍵實現(xiàn)碳鏈增長的一類非常重要的反應(yīng)，主要通過羰基化合物（醛或酮）與活性亞甲基化合物脫水縮合來實現(xiàn).傳統(tǒng)Knoevenagel縮合反應(yīng)以經(jīng)典的酸堿為催化劑在有機(jī)溶劑中進(jìn)行［1－2］，近年來也有以 KF［3］、MgO／HMCM－22［4］、KF／Al2O3［5］等為催化劑的報道.雖然這些催化劑取得了一定的成功，但一般反應(yīng)條件苛刻，反應(yīng)時間較長，操作繁雜，工業(yè)化應(yīng)用困難，并且對環(huán)境有一定的污染，違背了綠色化學(xué)的理念.因此，亟需開發(fā)一類高效、新穎、綠色的Knoevenagel縮合反應(yīng)催化劑.

離子液體是一類在室溫或低溫下呈液體狀態(tài)的鹽，具有溶解性好、不揮發(fā)、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，并且通過在離子液體上嫁接不同功能基團(tuán)可對離子液體的性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，以滿足不同的需要［6］.近年來，離子液體作為綠色催化劑或溶劑在有機(jī)化學(xué)［7］、電化學(xué)［8］、萃取分離［9］等領(lǐng)域有了諸多應(yīng)用.在有機(jī)合成領(lǐng)域已經(jīng)有諸多將離子液體成功應(yīng)用于氧化反應(yīng)［10］、還原反應(yīng)［11］、Friedel－Crafts反應(yīng)［12］、Michael加成反應(yīng)［13］、Heck 反應(yīng)［14］和 Knoevenagel縮合反應(yīng)［15］的報道.

DABCO（三乙烯二胺）是一類重要的有機(jī)堿.2013年，WANG課題組［16］制備了聚苯乙烯負(fù)載DABCO催化劑，將其應(yīng)用于催化Knoevenagel縮合反應(yīng)并取得了不錯的效果.我們課題組對離子液體催化有機(jī)反應(yīng)進(jìn)行了大量研究［17－19］，最近我們研究發(fā)現(xiàn)以水為溶劑，［DABCO－PDO］［OAc］催化苯并噻唑乙腈、苯并咪唑乙腈與芳香醛的Knoevenagel縮合反應(yīng)取得了良好的催化效果［20］.受此鼓舞，本文作者以DABCO和3－氯－1，2－丙二醇為原料，制備了離子液體［DABCO－PDO］［PF6］，將其應(yīng)用于催化 Knoevenagel縮合反應(yīng)中，探索了無溶劑反應(yīng)體系，并將底物活性亞甲基化合物擴(kuò)展到了丙二腈、氰基乙酸乙酯、苯并噻唑乙腈和苯乙腈，提供了一種室溫?zé)o溶劑下綠色、高效的催化Knoevenagel縮合反應(yīng)的方法.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker 400型核磁共振儀；Carlo Erba 1160型元素分析儀；HK－2A型超級恒溫水浴鍋；Mettler Doledo型電子天平.實驗中所用全部試劑購買于阿拉丁試劑（上海）公司，純度為分析純.

1.2 離子液體［DABCO－PDO］［PF6］的制備

實驗中通過兩步法制備離子液體［DABCO－PDO］［PF6］（圖1）.

圖1 離子液體［DABCO－PDO］［PF6］的合成路線Fig.1 Synthesis route of［DABCO－PDO］［PF6］

將10.15g（90.5mmol）DABCO（三乙烯二胺）和10g（7.57mL，90.5mmol）3－氯－1，2－丙二醇加入100 mL圓底燒瓶中，加入50mL乙醇為溶劑.磁力攪拌下，80℃加熱回流反應(yīng)24h.旋蒸得到［DABCOPDO］Cl.向3g［DABCO－PDO］Cl中加入等物質(zhì)的量的NaPF6（1.99g），加入15mL甲醇，65℃下，加熱回流反應(yīng)8h，真空干燥得到淡黃色粘稠液體，即為離子液體［DABCO－PDO］［PF6］.

1.3 Knoevenagel縮合反應(yīng)

將芳香醛與活性亞甲基化合物以物質(zhì)的量之比為1∶1加入到50mL圓底燒瓶中，加入離子液體［DABCO－PDO］［PF6］，室溫下磁力攪拌，用TLC監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)行程度.反應(yīng)結(jié)束后反應(yīng)混合物分別用水和乙酸乙酯萃取，收集有機(jī)相，旋蒸除去乙酸乙酯，用乙醇進(jìn)行重結(jié)晶，抽濾、真空干燥得到產(chǎn)物.水層的離子液體經(jīng)處理后可以重復(fù)使用.

圖2 離子液體［DABCO－PDO］［PF6］催化的 Knoevenagel縮合反應(yīng)Fig.2 Knoevenagel condensation reaction catalyzed by ionic liquid［DABCO－PDO］［PF6］

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對Knoevenagel縮合反應(yīng)的影響

以苯甲醛和丙二腈為模型底物，20%（x，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）離子液體［DABCO－PDO］［PF6］用量，反應(yīng)30 min，研究了溫度對Knoevenagel縮合反應(yīng)的影響，表1列出了不同溫度下苯甲醛和丙二腈反應(yīng)的結(jié)果.由表1可以看出該反應(yīng)體系具有良好的選擇性，溫度對反應(yīng)選擇性影響不大；當(dāng)溫度為10℃時，苯甲醛和丙二腈反應(yīng)收率僅為75%，而在室溫（25℃）下，反應(yīng)收率高達(dá)89%，繼續(xù)升高溫度，反應(yīng)收率略有上升，但升高很小.考慮到節(jié)約能源與工業(yè)化應(yīng)用實際，選擇室溫（25℃）作為最佳反應(yīng)溫度.

表1 溫度對苯甲醛與丙二腈Knoevenagel縮合反應(yīng)的影響Table 1 The effect of temperature on the Knoevenagel condensation of benzaldehyde with malononitrile

2.2 離子液體［DABCO－PDO］［PF6］用量對 Knoevenagel縮合反應(yīng)的影響

催化劑用量對反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用.選擇合適的催化劑用量能有效地避免催化劑的浪費(fèi)，并且得到較高的反應(yīng)收率.本研究在室溫下以苯甲醛和丙二腈為模型底物，反應(yīng)30min，考察了不同離子液體［DABCO－PDO］［PF6］用量對Knoevenagel縮合反應(yīng)的影響，結(jié)果列于表2中.可以看出沒有催化劑下，苯甲醛與丙二腈反應(yīng)30min，僅得到5%的收率；而加入5%（x）的離子液體，反應(yīng)收率提高到60%，可見離子液體催化劑的效率很高.離子液體最佳用量為15%（x），繼續(xù)增加離子液體用量反而不利于反應(yīng)的進(jìn)行.

表2 離子液體［DABCO－PDO］［PF6］用量對苯甲醛與丙二腈Knoevenagel縮合反應(yīng)的影響Table 2 The effect of［DABCO－PDO］［PF6］amount on the Knoevenagel condensation of benzaldehyde with malononitrile

2.3 反應(yīng)體系底物適用性研究

基于以上研究，以苯甲醛和丙二腈為模型底物確定了最佳反應(yīng)體系為無溶劑，室溫下，15%（x）［DABCO－PDO］［PF6］用量.為了考察該反應(yīng)體系的底物適用性，我們開展了芳香醛類與多種活性亞甲基化合物的Knoevenagel縮合反應(yīng)的研究，結(jié)果見表3.

首先，我們以丙二腈為固定活性亞甲基化合物，開展了不同取代芳香醛的Knoevenagel縮合反應(yīng)的研究（表3，序號1－8）.可以看出各個反應(yīng)迅速，并且均取得了良好的收率.芳香醛取代基電子效應(yīng)對反應(yīng)有一定的影響.吸電子基取代芳香醛如氯（表3，序號5）比供電子基取代芳香醛如甲氧基、甲基（表3，序號2－4、6）反應(yīng)速度更快，收率更高.當(dāng)芳香醛苯環(huán)出現(xiàn)多種強(qiáng)供電子基（表3，序號6），反應(yīng)時間明顯延長，但仍保持較高收率，這是由于供電子基取代芳香醛供電子效應(yīng)降低了羰基碳正電性所致；同時對比3－甲氧基苯甲醛和4－甲氧基苯甲醛（表3，序號2、3），可以看出供電子間位取代比對位取代對反應(yīng)影響小，證實了電子效應(yīng)的影響.我們也嘗試了芳雜環(huán)醛（表3，序號7）的研究，發(fā)現(xiàn)雖然反應(yīng)時間較長，但得到了80%以上的收率.

受芳香醛與丙二腈良好反應(yīng)效果的鼓舞，我們又拓展了多種活性亞甲基化合物（氰基乙酸乙酯，苯并噻唑乙腈，苯乙腈）.對比丙二腈的反應(yīng)效果，可以發(fā)現(xiàn)丙二腈的反應(yīng)活性最高，而苯乙腈的反應(yīng)活性最低.這與活性亞甲基化合物中形成碳負(fù)離子的難易程度相吻合.不同取代芳香醛在與不同活性亞甲基化合物反應(yīng)時表現(xiàn)出相同的電子效應(yīng).雖然反應(yīng)時間有所延長，但均得到了良好收率.綜上所述，該反應(yīng)體系具有普遍的底物適用性.

表3 芳香醛與活性亞甲基化合物的Knoevenagel縮合反應(yīng)Table 3 Knoevenagel condensation reaction of aromatic aldehydes with active methylene compounds

2.4 反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［20－22］我們提出了可能的催化反應(yīng)機(jī)理（見圖3）：離子液體［DABCO－PDO］［PF6］中丙二醇部分兩個羥基可與醛的羰基形成二重氫鍵，從而增強(qiáng)了羰基碳的正電性；同時［DABCO－PDO］［PF6］中未與3－氯－1，2－丙二醇連接的氮原子顯出一定的堿性，可以奪取活性亞甲基化合物的氫原子，從而增強(qiáng)了活性亞甲基化合物的親核性.由此可見由于離子液體［DABCO－PDO］［PF6］的雙重催化功能，使其具有了高效的催化活性.

圖3 離子液體［DABCO－PDO］［PF6］催化Knoevenagel縮合反應(yīng)機(jī)理Fig.3 Proposed mechanism for the Knoevenagel condensation reaction catalyzed by ionic liquid［DABCO－PDO］［PF6］

2.5 離子液體的重復(fù)使用性

以苯甲醛和丙二腈的反應(yīng)為例考察了離子液體［DABCO－PDO］［PF6］的重復(fù)使用性能.由于該離子液體不溶于乙酸乙酯，在前一次反應(yīng)結(jié)束后分別以乙酸乙酯和水萃取反應(yīng)液，水層經(jīng)真空干燥除水后離子液體可重新應(yīng)用于苯甲醛和丙二腈的Knoevenagel縮合反應(yīng).研究表明，離子液體［DABCO－PDO］［PF6］循環(huán)使用5次后，反應(yīng)收率仍高達(dá)85%.

3 結(jié)論

合成了新型雙重催化功能離子液體［DABCO－PDO］［PF6］，用于芳香醛類與多種活性亞甲基化合物的Knoevenagel縮合反應(yīng)，將活性亞甲基化合物拓展到了丙二腈，氰基乙酸乙酯，苯并噻唑乙腈，苯乙腈，取得了良好的催化效果.考察了溫度、催化劑用量對反應(yīng)的影響和反應(yīng)體系的適用性，并提出了［DABCO－PDO］［PF6］雙重催化反應(yīng)機(jī)理，對反應(yīng)的高效性進(jìn)行了解釋.研究表明該反應(yīng)體系無需任何溶劑，室溫下反應(yīng)，僅需15%（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）的催化劑用量，收率高，反應(yīng)后處理簡單，相比其他催化體系底物適用性更強(qiáng)，是一種綠色可行的方案，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景.

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