一种咪唑基仿生离子液体的制备方法
一种咪唑基仿生离子液体的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于咪唑基离子液体的合成技术领域，具体涉及一种咪唑基仿生离子液体 的制备方法。
【背景技术】
[0002] 离子液体作为一类新型的绿色介质，因其特有的物理性质（如挥发性小、热稳定性 好及液程宽等)、化学性质（如抗降解、抗静电、手性和高能量密度等)、生物活性(如抗菌性、 杀虫性等）和良好的可设计性，在化学合成、催化科学、分离技术、燃料电池和高分子科学等 领域展示了广阔的应用前景，引起了国内外的研宄热潮。从20世纪90年代兴起到现在，离 子液体已逐步从探索走向应用阶段。然而，由于构成离子液体的阴阳离子种类繁多，合成的 离子液体性质千差万别，尚未有系统的科学理论和方法去指导如何根据需要合成特定功能 的离子液体，这也在一定程度上限制了离子液体的工业化应用。有关离子液体的物理性质 的研宄是其应用于工业过程的重要前提，而离子液体在根据需要功能化后往往出现熔点和 黏度增加的现象。因此，很难在维持原有熔点和黏度的情况下对离子液体进行修饰，合成所 需的功能化离子液体，这阻碍了离子液体的工业化进程。
[0003] 近年来，人们致力于探索降低离子液体熔点和黏度的方法及其规律。最引人注目 的是Strassner与Davis和West的研宄组分别于近期发现的两种解决途径（R. Giernoth, 2010，49，5608-5609. XStrassner小组在咪挫基离子液体中 的咪唑阳离子的N原子上引入了芳基，从而合成了一种叫做可调芳-烷离子液体（tunable aryl-alkyl ionic liquids，简称 TAAILs)的新型离子液体（S. Ahrens, A. Peritz, and T. Strassner, At/·, 2009，48，7908-7910·)。TAAILs 具有较低的 熔点，并且可根据需要在芳基上引入不同取代基来改变其熔点。而West和Davis的研宄 组则基于恒黏适应性机制（M. Sinensky, /7TOC. K 51A，1974，71， 522-525.)从生物细胞膜的分子结构及其流动性关系出发，采用天然脂肪酸的不饱和脂肪 链设计合成了一系列低恪点、低黏度的咪挫类离子液体（S. M. Murray, R. A. 0' Brien, K. M. Mattson, C. Ceccarelli, R. E. Sykora, K. Ν. West, and J. H. Davis, Angew. 泛￡皿，及Z，2010，NA-NA.)。由于这类离子液体的熔点和黏度的变化方式与细胞膜 类似，Shah 和 Maginn 称之为仿生离子液体（biomimetic ionic liquids) (J. K. Shah, and E. J. Maginn, 2010，294，197-205·)。这类离子液体在 酶促反应、润滑剂、热导流体、气体储存及分离技术等方面展现出广阔的应用前景。
[0004] West和Davis的研宄组已经证实了将双键引入烷基咪唑类离子液体的侧链中，会 使离子液体的熔点和黏度会大大降低，而且所合成的多数离子液体与相应的脂肪酸甲酯的 熔点接近，这为功能化离子液体的设计提供了一条重要的途径。然而，含双键结构的离子液 体易被氧化，不利于离子液体的储存。同时，在研宄中，仿生离子液体采用碘代烷烃两步法 合成，这种方法所需的碘代烷烃试剂较贵且需定制，不适合大规模制备，并且采用钠盐交换 获得的离子液体易包裹钠盐，纯度相对较低。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是提供了一种具有较低熔点和较低黏度的咪唑基仿生离 子液体的制备方法，该制备方法采用价格较低的天然醇类香料作为原料，利用合成的对甲 苯磺酸酯作为烷基化试剂进行亲核取代反应合成咪唑对甲苯磺酸盐中间体，因该中间体在 室温下为固体，可以通过重结晶的方法提纯，故合成离子液体的颜色较浅，纯度较高。同时， 实验中采用阴离子交换树脂将对甲苯磺酸根离子交换为氢氧根离子，再通过酸碱中和反应 改变离子液体的阴离子，因酸碱中和反应比置换反应进行的更为彻底，且副产物为水易于 除去，通过该方法合成的离子液体比采用钠盐置换方法的纯度更高。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种咪唑基仿生离子液体的制备 方法，其特征在于包括以下步骤：（1)以天然醇类香料和对甲苯磺酰氯为原料，以二氯甲烷 为溶剂，三乙胺为缚酸剂，在二甲基氨基吡啶的催化作用下于l〇°C以下反应制得对甲苯磺 酸酯类化合物；（2)将咪唑类化合物与对甲苯磺酸酯类化合物于室温进行亲核取代反应制 得咪唑对甲苯磺酸盐中间体；（ 3)采用阴离子交换树脂将咪唑对甲苯磺酸盐中间体中的对 甲苯磺酸根离子取代为氢氧根离子，再通过与酸进行中和反应改变离子液体的阴离子制得 目标产物咪唑基仿生离子液体。
[0007] 本发明所述的咪唑基仿生离子液体的制备方法，其特征在于反应过程中对应的反 应方程式为：
其中R为2_甲基-1-戊基、3_甲基-1-戊基、（Z) _3_己條基、3, 7_二甲基辛基、3, 7_二 甲基-6-辛烯基或3, 7-二甲基-2, 6-辛二烯基，&为C i_4直链烷基或支链烷基，M _为BF4' PF6_、C1_或 CH3COO'
[0008] 本发明所述的咪唑基仿生离子液体的制备方法，其特征在于包括以下步骤： (1)对甲苯磺酸酯的合成 在圆底烧瓶中加入〇. Imol对甲苯磺酰氯，装上恒压滴液漏斗和抽气活塞，通过双排管 先抽真空，然后充入氮气，重复操作三次后在氮气保护下依次通过恒压滴液漏斗向烧瓶中 加入0.1mol叶醇和30ml二氯乙烷，冰盐浴控制反应体系温度在KTC以下，待烧瓶中固体溶 解后通过恒压滴液漏斗滴加由0. 6g二甲基氨基吡啶、20ml三乙胺和30ml二氯甲烷组成的 混合液，滴加完毕后封闭体系继续搅拌反应4小时，反应结束后反应液依次用冰冷的稀盐 酸溶液、冰水洗涤至中性，然后再用饱和碳酸氢钠溶液和冰水洗涤至中性，旋转蒸发除去反 应溶剂后将产物溶于石油醚中，用去离子水洗涤三次，收集的有机相用无水硫酸钠干燥，旋 转蒸发除去石油醚得到淡黄色透明油状液体对甲苯磺酸酯； (2) 甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体的合成 将步骤（1)得到的对甲苯磺酸酯和1-甲基咪唑按摩尔比为1:1的比例加入到圆底烧 瓶中，室温下搅拌反应3天，反应结束后反应液在分液漏斗中用乙醚洗涤三次，旋转蒸发除 去洗涤时夹带的乙醚，将产物密封后置于冰箱中冷冻一周待产物结晶，粗产物为黄色，加入 乙醚搅拌后抽滤，用乙醚、乙酸乙酯洗涤至白色固体，在真空干燥箱中于40°C干燥24小时 得到白色粉末状晶体甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体； (3) 甲基咪唑基四氟硼酸盐离子液体的合成 将强碱性阴离子交换树脂Amberlite IRN-78用去离子水洗涤两次，以除去其中的杂 质和失活树脂，将其连续注入长度为45. 7cm，内径2. 6cm的层析柱，保持树脂间无气泡，然 后将步骤（2)得到的甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体用去离子水充分溶解稀释后注入交换柱 中，控制流速使对甲苯磺酸根离子完全交换为氢氧根离子，向收集的碱性离子液体溶液中 滴加四氟硼酸水溶液至中性，室温下搅拌24小时，用二氯甲烷多次萃取反应液，收集有机 相加入无水硫酸钠干燥两天，室温下旋转蒸发除去二氯甲烷溶剂，在真空干燥箱中于70°C 干燥24小时制得甲基咪唑基四氟硼酸盐离子液体。
[0009] 本发明提供了一种新型的咪唑基仿生离子液体的制备方法，该制备方法原材料价 格低廉、产物纯度较高。此外，利用仿生离子液体的高生物相容性，可以将其应用于生物传 感器的制备，拓展该类离子液体在生物领域的应用范围。
【具体实施方式】
[0010] 以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本 发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发 明的范围。 实施例
[0011] (1)对甲苯磺酸酯类化合物的合成 在圆底烧瓶中加入0.1mol对甲苯磺酰氯，装上恒压滴液漏斗和抽气活塞，通过双排管 先抽真空，然后充入氮气，重复操作三次后在氮气保护下依次通过恒压滴液漏斗向烧瓶中 加入0.1mol不同种类的天然醇类香料(其结构中R基团与表1中的基团对应)和30ml二氯 乙烷，冰盐浴控制反应体系温度在KTC以下，待烧瓶中固体溶解后通过恒压滴液漏斗滴加 由0. 6g二甲基氨基吡啶、20ml三乙胺和30ml二氯甲烷组成的混合液，滴加完毕后封闭体 系继续搅拌反应4小时，反应结束后反应液依次用冰冷的稀盐酸溶液、冰水洗涤至中性，然 后再用饱和碳酸氢钠溶液和冰水洗涤至中性，旋转蒸发除去反应溶剂后将产物溶于石油醚 中，用去离子水洗涤三次，收集的有机相用无水硫酸钠干燥，旋转蒸发除去石油醚得到淡黄 色透明油状液体对甲苯磺酸酯； (2)咪唑对甲苯磺酸盐中间体的合成 将步骤（1)得到的对甲苯磺酸酯类化合物和咪唑类化合物按摩尔比为1:1的比例加入 到圆底烧瓶中，室温下搅拌反应3天，反应结束后反应液在分液漏斗中用乙醚洗涤三次，旋 转蒸发除去洗涤时夹带的乙醚，将产物密封后置于冰箱中冷冻一周待产物结晶，粗产物为 黄色，加入乙醚搅拌后抽滤，用乙醚、乙酸乙酯洗涤至白色固体，在真空干燥箱中于40°C干 燥24小时得到白色粉末状晶体咪唑对甲苯磺酸盐中间体； (3)咪唑基仿生离子液体的合成 将强碱性阴离子交换树脂Amberlite IRN-78用去离子水洗涤两次，以除去其中的杂质 和失活树脂，将其连续注入长度为45. 7cm，内径2. 6cm的层析柱，保持树脂间无气泡，将步 骤（2)得到的咪唑对甲苯磺酸盐中间体用去离子水充分溶解稀释后注入交换柱中，控制流 速使对甲苯磺酸根离子完全交换为氢氧根离子，待所配溶液全部注入交换柱后用大量去离 子水洗脱，分批收集流出液，取少量流出液用二氯甲烷萃取，用点样毛细管取少量有机相溶 液点于硅胶薄层板，在紫外灯下显色，无吸收说明对甲苯磺酸离子交换完全，如出现吸收则 停止收集，将溶液注入新的交换柱继续交换，向收集的碱性离子液体溶液中分别滴加四氟 硼酸水溶液、盐酸、醋酸或六氟磷酸水溶液至中性，室温下搅拌24小时，用二氯甲烷多次萃 取反应液，收集有机相加入无水硫酸钠干燥两天，室温下旋转蒸发除去二氯甲烷溶剂，在真 空干燥箱中于70°C干燥24小时得到咪唑基仿生离子液体，制得的咪唑基仿生离子液体对 应的名称及化学结构见表1。
[0012] 表1咪唑基离子液体的结构及名称
对应化合物的结构表征数据： IL-I、[C6⑵mim] BF4: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 8.78 (s，1H), 7.39 (s，1H), 7.28 (s，1H), 4.11-4.06 (m, 1H), 3.97-3.92 (m, 4H), 2.03-1.93 (m, 1H), 1.44-1.11 (m, 4H), 0.88 (t, 6H)〇
[0013] 、[C6⑶mim] BF4: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8. 79 (s, 1H), 7. 37 (s, 1H)， 7.31 (s, 1H), 4.28 - 4.09 (m, 2H), 3.94 (s, 3H), 1.97 - 1.82 (m, 1H), 1.68 (m, 1H), 1.48 - 1.29 (m, 2H), 1.28 - 1.14 (m, 1H), 0.93 (d, 3H), 0.87 (t, 3H) 〇
[0014] 、[C6(3z)mim] BF4: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.71 (s, 1H), 7.45 (d, 2H), 5.53 (d, 1H), 5.28 (d, 1H), 4.23 (t, 2H), 3.94 (s, 3H), 2.61 (q, 2H), 1.91 (p, 2H), 0.85 (t，3H)〇
[0015] 、[C6⑵mim] PF6: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 8. 53 (s, 1H), 7.30 (s, 1H), 7. 22 (s，1H), 4.10-4.05 (m, 1H), 3.94-3.87 (m, 4H), 2.01-1.96 (m, 1H), 1.46-1.12 (m, 4H), 0.91-0.82 (t, 6H) 〇
[0016] 、[C6⑶mim] PF6: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8. 79 (s, 1H), 7. 37 (s, 1H)， 7.31 (s, 1H), 4.28 - 4.09 (m, 2H), 3.94 (s, 3H), 1.97 - 1.82 (m, 1H), 1.68 (m, 1H), 1.48 - 1.29 (m, 2H), 1.28 - 1.14 (m, 1H), 0.93 (d, 3H), 0.87 (t, 3H) 〇
[0017] 、[C6(3z)mim]PF61H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.71 (s，1H), 7.45 (d，2H), 5.53 (d, 1H), 5.28 (d, 1H), 4.23 (t, 2H), 3.94 (s, 3H), 2.61 (q, 2H), 1.91 (p, 2H), 0.85 (t, 3H) 〇
[0018] 、[C10(3,7)mim]Cl: 1H NMR (400MHz, CDCl3) δ 10. 20 (s，1H)，7. 39 (s，1H)， 7.27 (s, 1H), 4.36-4.24 (m, 2H), 4.10 (s, 3H), 1.96-1.87 (m, 1H), 1.76-1.67 (m，1H)，1.55-1.47 (m，2H)，1.32-1.08 (m，6H)，0.96 (d，3H)，0.85 (d，6H)。
[0019] 、[C10(3,7z)mim]Cl: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 10. 70 (s，1H)，7.49 (s，1H)， 7.31 (s, 1H), 5.07-5.03 (m, 1H), 4.37-4.27 (m, 2H), 4.14 (s, 3H), 2.04-1.67 (m, 7H), 1.59-1.57 (d，3H), 1.53-1.48 (m, 1H), 1.43-1.34 (m, 1H), 1.30-1.13 (m, 1H), 1.00-0.98 (d, 3H)。
[0020] 、[C10(3,7)mim] CH3COO: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 10.61 (s，1H)，7. 37 (s， 1H), 7.23 (s, 1H), 4.33-4.22 (m, 2H), 4.06 (s, 3H), 2.20 (s, 1H), 1.98 (s, 2H), 1.92-1.82 (m, 1H), 1.72-1.63 (m, 1H), 1.53-1.43 (m, 2H), 1.31-1.06 (m, 6H), 0.93 (d, 3H), 0.83 (d, 6H)。
[0021] 、[C10(3,7z)mim] CH3COO: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 10. 96 (s，1H)，7. 28 (s, 1H), 7.19 (s, 1H), 5.07-5.03 (t, 1H), 4.32-4.28 (t, 2H), 4.06 (s, 3H), 2.01-1.85 (m, 6H), 1.75-1.65 (m, 4H), 1.59 (s, 3H), 1.51-1.18 (m, 3H), 0.99-0.97 (d，3H)。
[0022] 、[C1(l(3z，7z)mim] PF6: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 5. 16 (t，1H)，5. 01 (t，1H)， 3.77-3.75 (d, 1H), 3.26-3.20 (m, 5H), 2.17 (s, 3H), 1.79 (s, 2H), 1.68 (s, 2H)，1.61 (s，2H)，1.35 (t，6H)〇
[0023] 、NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.42 (s，1H)，7. 27 (s，2H)， 4.24 - 3.99 (m, 2H), 3.82 (s, 3H), 1.82 (m, 1H), 1.75 - 1.55 (m, 1H), 1.54 -1.35 (m，2H)，1.33 - 1.01 (m，6H)，0.88 (s，3H)，0.79 (s，6H)〇
[0024] 、NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.81 (s，1H)，7. 35 (s，1H)， 7.26 (s, 1H), 5.05 (t, 1H), 4.32 - 4.05 (m, 2H), 3.95 (s, 3H), 2.07 - 1.64 (m，7H), 1.58 (s，3H), 1.54 - 1.28 (m, 2H), 1.21 (m, 1H), 0.96 (d，3H)。
[0025] 、NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.48 (s，1H)，7. 30 (s，1H)， 7.27 (s, 1H), 4.21 - 4.04 (m, 2H), 3.87 (s, 3H), 1.86 (m, 1H), 1.66 (m, 1H), 1.48 (m，2H)，1.36 - 1.03 (m，6H)，0.92 (d，3H)，0.83 (d，6H)。
[0026] 、[CH^Wmin^PF^H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8. 54 (s，1H)，7. 25 (t，2H)， 5.05 (t, 1H), 4.16 (m, 2H), 3.91 (s, 3H), 2.07 - 1.56 (m, 9H), 1.54 - 1.14 (m, 4H), 0.96 (d，3H)。
[0027] 以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和 范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的 范围。
【主权项】
L 一种咪唑基仿生离子液体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（U以天然醇类 香料和对甲苯磺酰氯为原料，以二氯甲烷为溶剂，以三乙胺为缚酸剂，在二甲基氨基吡啶的 催化作用下于l〇°C以下反应制得对甲苯磺酸酯类化合物；（2)将咪唑类化合物与对甲苯磺 酸酯类化合物于室温进行亲核取代反应制得咪唑对甲苯磺酸盐中间体；（3)采用阴离子交 换树脂将咪唑对甲苯磺酸盐中间体中的对甲苯磺酸根离子取代为氢氧根离子，再通过与酸 进行中和反应改变离子液体的阴离子制得目标产物咪唑基仿生离子液体。
2. 根据权利要求1所述的咪唑基仿生离子液体的制备方法，其特征在于反应过程中对 应的反应方程式为：其中R为2_甲基-1-戊基、3_甲基-1-戊基、（Z) _3_己條基、3, 7_二甲基辛基、3, 7_二 甲基-6-辛烯基或3, 7-二甲基-2, 6-辛二烯基，&为C i_4直链烷基或支链烷基，M _为BF4' PF6_、C1_或 CH3COO'
3. 根据权利要求1所述的咪唑基仿生离子液体的制备方法，其特征在于包括以下步 骤： (1) 对甲苯磺酸酯的合成 在圆底烧瓶中加入〇. Imol对甲苯磺酰氯，装上恒压滴液漏斗和抽气活塞，通过双排管 先抽真空，然后充入氮气，重复操作三次后在氮气保护下依次通过恒压滴液漏斗向烧瓶中 加入0.1mol叶醇和30ml二氯乙烷，冰盐浴控制反应体系温度在KTC以下，待烧瓶中固体溶 解后通过恒压滴液漏斗滴加由0. 6g二甲基氨基吡啶、20ml三乙胺和30ml二氯甲烷组成的 混合液，滴加完毕后封闭体系继续搅拌反应4小时，反应结束后反应液依次用冰冷的稀盐 酸溶液、冰水洗涤至中性，然后再用饱和碳酸氢钠溶液和冰水洗涤至中性，旋转蒸发除去反 应溶剂后将产物溶于石油醚中，用去离子水洗涤三次，收集的有机相用无水硫酸钠干燥，旋 转蒸发除去石油醚得到淡黄色透明油状液体对甲苯磺酸酯； (2) 甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体的合成 将步骤（1)得到的对甲苯磺酸酯和1-甲基咪唑按摩尔比为1:1的比例加入到圆底烧 瓶中，室温下搅拌反应3天，反应结束后反应液在分液漏斗中用乙醚洗涤三次，旋转蒸发除 去洗涤时夹带的乙醚，将产物密封后置于冰箱中冷冻一周待产物结晶，粗产物为黄色，加入 乙醚搅拌后抽滤，用乙醚、乙酸乙酯洗涤至白色固体，在真空干燥箱中于40°C干燥24小时 得到白色粉末状晶体甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体； (3) 甲基咪唑基四氟硼酸盐离子液体的合成 将强碱性阴离子交换树脂Amberlite IRN-78用去离子水洗涤两次，以除去其中的杂 质和失活树脂，将其连续注入长度为45. 7cm，内径2. 6cm的层析柱，保持树脂间无气泡，然 后将步骤（2)得到的甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体用去离子水充分溶解稀释后注入交换柱 中，控制流速使对甲苯磺酸根离子完全交换为氢氧根离子，向收集的碱性离子液体溶液中 滴加四氟硼酸水溶液至中性，室温下搅拌24小时，用二氯甲烷多次萃取反应液，收集有机 相加入无水硫酸钠干燥两天，室温下旋转蒸发除去二氯甲烷溶剂，在真空干燥箱中于70°C 干燥24小时制得甲基咪唑基四氟硼酸盐离子液体。
【专利摘要】本发明公开了一种咪唑基仿生离子液体的制备方法，包括以下步骤：（1）以天然醇类香料和对甲苯磺酰氯为原料，以二氯甲烷为溶剂，以三乙胺为缚酸剂，在二甲基氨基吡啶的催化作用下于10℃以下反应制得对甲苯磺酸酯类化合物；（2）将咪唑类化合物与对甲苯磺酸酯类化合物于室温进行亲核取代反应制得咪唑对甲苯磺酸盐中间体；（3）采用阴离子交换树脂将咪唑对甲苯磺酸盐中间体中的对甲苯磺酸根离子取代为氢氧根离子，再通过与酸进行中和反应改变离子液体的阴离子制得目标产物咪唑基仿生离子液体。本发明原材料价格低廉、产物纯度较高，利用仿生离子液体的高生物相容性，可以将其应用于生物传感器的制备，拓展该类离子液体在生物领域的应用范围。
【IPC分类】C07D233/58
【公开号】CN104892519
【申请号】CN201510194308
【发明人】卓克垒, 王之俊, 陈玉娟, 孙东, 付颖懿, 张洪浩, 王春风, 李奡麒
【申请人】河南师范大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月23日
【技术领域】
[0001] 本发明属于咪唑基离子液体的合成技术领域，具体涉及一种咪唑基仿生离子液体 的制备方法。
【背景技术】
[0002] 离子液体作为一类新型的绿色介质，因其特有的物理性质（如挥发性小、热稳定性 好及液程宽等)、化学性质（如抗降解、抗静电、手性和高能量密度等)、生物活性(如抗菌性、 杀虫性等）和良好的可设计性，在化学合成、催化科学、分离技术、燃料电池和高分子科学等 领域展示了广阔的应用前景，引起了国内外的研宄热潮。从20世纪90年代兴起到现在，离 子液体已逐步从探索走向应用阶段。然而，由于构成离子液体的阴阳离子种类繁多，合成的 离子液体性质千差万别，尚未有系统的科学理论和方法去指导如何根据需要合成特定功能 的离子液体，这也在一定程度上限制了离子液体的工业化应用。有关离子液体的物理性质 的研宄是其应用于工业过程的重要前提，而离子液体在根据需要功能化后往往出现熔点和 黏度增加的现象。因此，很难在维持原有熔点和黏度的情况下对离子液体进行修饰，合成所 需的功能化离子液体，这阻碍了离子液体的工业化进程。
[0003] 近年来，人们致力于探索降低离子液体熔点和黏度的方法及其规律。最引人注目 的是Strassner与Davis和West的研宄组分别于近期发现的两种解决途径（R. Giernoth, 2010，49，5608-5609. XStrassner小组在咪挫基离子液体中 的咪唑阳离子的N原子上引入了芳基，从而合成了一种叫做可调芳-烷离子液体（tunable aryl-alkyl ionic liquids，简称 TAAILs)的新型离子液体（S. Ahrens, A. Peritz, and T. Strassner, At/·, 2009，48，7908-7910·)。TAAILs 具有较低的 熔点，并且可根据需要在芳基上引入不同取代基来改变其熔点。而West和Davis的研宄 组则基于恒黏适应性机制（M. Sinensky, /7TOC. K 51A，1974，71， 522-525.)从生物细胞膜的分子结构及其流动性关系出发，采用天然脂肪酸的不饱和脂肪 链设计合成了一系列低恪点、低黏度的咪挫类离子液体（S. M. Murray, R. A. 0' Brien, K. M. Mattson, C. Ceccarelli, R. E. Sykora, K. Ν. West, and J. H. Davis, Angew. 泛￡皿，及Z，2010，NA-NA.)。由于这类离子液体的熔点和黏度的变化方式与细胞膜 类似，Shah 和 Maginn 称之为仿生离子液体（biomimetic ionic liquids) (J. K. Shah, and E. J. Maginn, 2010，294，197-205·)。这类离子液体在 酶促反应、润滑剂、热导流体、气体储存及分离技术等方面展现出广阔的应用前景。
[0004] West和Davis的研宄组已经证实了将双键引入烷基咪唑类离子液体的侧链中，会 使离子液体的熔点和黏度会大大降低，而且所合成的多数离子液体与相应的脂肪酸甲酯的 熔点接近，这为功能化离子液体的设计提供了一条重要的途径。然而，含双键结构的离子液 体易被氧化，不利于离子液体的储存。同时，在研宄中，仿生离子液体采用碘代烷烃两步法 合成，这种方法所需的碘代烷烃试剂较贵且需定制，不适合大规模制备，并且采用钠盐交换 获得的离子液体易包裹钠盐，纯度相对较低。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是提供了一种具有较低熔点和较低黏度的咪唑基仿生离 子液体的制备方法，该制备方法采用价格较低的天然醇类香料作为原料，利用合成的对甲 苯磺酸酯作为烷基化试剂进行亲核取代反应合成咪唑对甲苯磺酸盐中间体，因该中间体在 室温下为固体，可以通过重结晶的方法提纯，故合成离子液体的颜色较浅，纯度较高。同时， 实验中采用阴离子交换树脂将对甲苯磺酸根离子交换为氢氧根离子，再通过酸碱中和反应 改变离子液体的阴离子，因酸碱中和反应比置换反应进行的更为彻底，且副产物为水易于 除去，通过该方法合成的离子液体比采用钠盐置换方法的纯度更高。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种咪唑基仿生离子液体的制备 方法，其特征在于包括以下步骤：（1)以天然醇类香料和对甲苯磺酰氯为原料，以二氯甲烷 为溶剂，三乙胺为缚酸剂，在二甲基氨基吡啶的催化作用下于l〇°C以下反应制得对甲苯磺 酸酯类化合物；（2)将咪唑类化合物与对甲苯磺酸酯类化合物于室温进行亲核取代反应制 得咪唑对甲苯磺酸盐中间体；（ 3)采用阴离子交换树脂将咪唑对甲苯磺酸盐中间体中的对 甲苯磺酸根离子取代为氢氧根离子，再通过与酸进行中和反应改变离子液体的阴离子制得 目标产物咪唑基仿生离子液体。
[0007] 本发明所述的咪唑基仿生离子液体的制备方法，其特征在于反应过程中对应的反 应方程式为：
其中R为2_甲基-1-戊基、3_甲基-1-戊基、（Z) _3_己條基、3, 7_二甲基辛基、3, 7_二 甲基-6-辛烯基或3, 7-二甲基-2, 6-辛二烯基，&为C i_4直链烷基或支链烷基，M _为BF4' PF6_、C1_或 CH3COO'
[0008] 本发明所述的咪唑基仿生离子液体的制备方法，其特征在于包括以下步骤： (1)对甲苯磺酸酯的合成 在圆底烧瓶中加入〇. Imol对甲苯磺酰氯，装上恒压滴液漏斗和抽气活塞，通过双排管 先抽真空，然后充入氮气，重复操作三次后在氮气保护下依次通过恒压滴液漏斗向烧瓶中 加入0.1mol叶醇和30ml二氯乙烷，冰盐浴控制反应体系温度在KTC以下，待烧瓶中固体溶 解后通过恒压滴液漏斗滴加由0. 6g二甲基氨基吡啶、20ml三乙胺和30ml二氯甲烷组成的 混合液，滴加完毕后封闭体系继续搅拌反应4小时，反应结束后反应液依次用冰冷的稀盐 酸溶液、冰水洗涤至中性，然后再用饱和碳酸氢钠溶液和冰水洗涤至中性，旋转蒸发除去反 应溶剂后将产物溶于石油醚中，用去离子水洗涤三次，收集的有机相用无水硫酸钠干燥，旋 转蒸发除去石油醚得到淡黄色透明油状液体对甲苯磺酸酯； (2) 甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体的合成 将步骤（1)得到的对甲苯磺酸酯和1-甲基咪唑按摩尔比为1:1的比例加入到圆底烧 瓶中，室温下搅拌反应3天，反应结束后反应液在分液漏斗中用乙醚洗涤三次，旋转蒸发除 去洗涤时夹带的乙醚，将产物密封后置于冰箱中冷冻一周待产物结晶，粗产物为黄色，加入 乙醚搅拌后抽滤，用乙醚、乙酸乙酯洗涤至白色固体，在真空干燥箱中于40°C干燥24小时 得到白色粉末状晶体甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体； (3) 甲基咪唑基四氟硼酸盐离子液体的合成 将强碱性阴离子交换树脂Amberlite IRN-78用去离子水洗涤两次，以除去其中的杂 质和失活树脂，将其连续注入长度为45. 7cm，内径2. 6cm的层析柱，保持树脂间无气泡，然 后将步骤（2)得到的甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体用去离子水充分溶解稀释后注入交换柱 中，控制流速使对甲苯磺酸根离子完全交换为氢氧根离子，向收集的碱性离子液体溶液中 滴加四氟硼酸水溶液至中性，室温下搅拌24小时，用二氯甲烷多次萃取反应液，收集有机 相加入无水硫酸钠干燥两天，室温下旋转蒸发除去二氯甲烷溶剂，在真空干燥箱中于70°C 干燥24小时制得甲基咪唑基四氟硼酸盐离子液体。
[0009] 本发明提供了一种新型的咪唑基仿生离子液体的制备方法，该制备方法原材料价 格低廉、产物纯度较高。此外，利用仿生离子液体的高生物相容性，可以将其应用于生物传 感器的制备，拓展该类离子液体在生物领域的应用范围。
【具体实施方式】
[0010] 以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本 发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发 明的范围。 实施例
[0011] (1)对甲苯磺酸酯类化合物的合成 在圆底烧瓶中加入0.1mol对甲苯磺酰氯，装上恒压滴液漏斗和抽气活塞，通过双排管 先抽真空，然后充入氮气，重复操作三次后在氮气保护下依次通过恒压滴液漏斗向烧瓶中 加入0.1mol不同种类的天然醇类香料(其结构中R基团与表1中的基团对应)和30ml二氯 乙烷，冰盐浴控制反应体系温度在KTC以下，待烧瓶中固体溶解后通过恒压滴液漏斗滴加 由0. 6g二甲基氨基吡啶、20ml三乙胺和30ml二氯甲烷组成的混合液，滴加完毕后封闭体 系继续搅拌反应4小时，反应结束后反应液依次用冰冷的稀盐酸溶液、冰水洗涤至中性，然 后再用饱和碳酸氢钠溶液和冰水洗涤至中性，旋转蒸发除去反应溶剂后将产物溶于石油醚 中，用去离子水洗涤三次，收集的有机相用无水硫酸钠干燥，旋转蒸发除去石油醚得到淡黄 色透明油状液体对甲苯磺酸酯； (2)咪唑对甲苯磺酸盐中间体的合成 将步骤（1)得到的对甲苯磺酸酯类化合物和咪唑类化合物按摩尔比为1:1的比例加入 到圆底烧瓶中，室温下搅拌反应3天，反应结束后反应液在分液漏斗中用乙醚洗涤三次，旋 转蒸发除去洗涤时夹带的乙醚，将产物密封后置于冰箱中冷冻一周待产物结晶，粗产物为 黄色，加入乙醚搅拌后抽滤，用乙醚、乙酸乙酯洗涤至白色固体，在真空干燥箱中于40°C干 燥24小时得到白色粉末状晶体咪唑对甲苯磺酸盐中间体； (3)咪唑基仿生离子液体的合成 将强碱性阴离子交换树脂Amberlite IRN-78用去离子水洗涤两次，以除去其中的杂质 和失活树脂，将其连续注入长度为45. 7cm，内径2. 6cm的层析柱，保持树脂间无气泡，将步 骤（2)得到的咪唑对甲苯磺酸盐中间体用去离子水充分溶解稀释后注入交换柱中，控制流 速使对甲苯磺酸根离子完全交换为氢氧根离子，待所配溶液全部注入交换柱后用大量去离 子水洗脱，分批收集流出液，取少量流出液用二氯甲烷萃取，用点样毛细管取少量有机相溶 液点于硅胶薄层板，在紫外灯下显色，无吸收说明对甲苯磺酸离子交换完全，如出现吸收则 停止收集，将溶液注入新的交换柱继续交换，向收集的碱性离子液体溶液中分别滴加四氟 硼酸水溶液、盐酸、醋酸或六氟磷酸水溶液至中性，室温下搅拌24小时，用二氯甲烷多次萃 取反应液，收集有机相加入无水硫酸钠干燥两天，室温下旋转蒸发除去二氯甲烷溶剂，在真 空干燥箱中于70°C干燥24小时得到咪唑基仿生离子液体，制得的咪唑基仿生离子液体对 应的名称及化学结构见表1。
[0012] 表1咪唑基离子液体的结构及名称
对应化合物的结构表征数据： IL-I、[C6⑵mim] BF4: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 8.78 (s，1H), 7.39 (s，1H), 7.28 (s，1H), 4.11-4.06 (m, 1H), 3.97-3.92 (m, 4H), 2.03-1.93 (m, 1H), 1.44-1.11 (m, 4H), 0.88 (t, 6H)〇
[0013] 、[C6⑶mim] BF4: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8. 79 (s, 1H), 7. 37 (s, 1H)， 7.31 (s, 1H), 4.28 - 4.09 (m, 2H), 3.94 (s, 3H), 1.97 - 1.82 (m, 1H), 1.68 (m, 1H), 1.48 - 1.29 (m, 2H), 1.28 - 1.14 (m, 1H), 0.93 (d, 3H), 0.87 (t, 3H) 〇
[0014] 、[C6(3z)mim] BF4: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.71 (s, 1H), 7.45 (d, 2H), 5.53 (d, 1H), 5.28 (d, 1H), 4.23 (t, 2H), 3.94 (s, 3H), 2.61 (q, 2H), 1.91 (p, 2H), 0.85 (t，3H)〇
[0015] 、[C6⑵mim] PF6: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 8. 53 (s, 1H), 7.30 (s, 1H), 7. 22 (s，1H), 4.10-4.05 (m, 1H), 3.94-3.87 (m, 4H), 2.01-1.96 (m, 1H), 1.46-1.12 (m, 4H), 0.91-0.82 (t, 6H) 〇
[0016] 、[C6⑶mim] PF6: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8. 79 (s, 1H), 7. 37 (s, 1H)， 7.31 (s, 1H), 4.28 - 4.09 (m, 2H), 3.94 (s, 3H), 1.97 - 1.82 (m, 1H), 1.68 (m, 1H), 1.48 - 1.29 (m, 2H), 1.28 - 1.14 (m, 1H), 0.93 (d, 3H), 0.87 (t, 3H) 〇
[0017] 、[C6(3z)mim]PF61H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.71 (s，1H), 7.45 (d，2H), 5.53 (d, 1H), 5.28 (d, 1H), 4.23 (t, 2H), 3.94 (s, 3H), 2.61 (q, 2H), 1.91 (p, 2H), 0.85 (t, 3H) 〇
[0018] 、[C10(3,7)mim]Cl: 1H NMR (400MHz, CDCl3) δ 10. 20 (s，1H)，7. 39 (s，1H)， 7.27 (s, 1H), 4.36-4.24 (m, 2H), 4.10 (s, 3H), 1.96-1.87 (m, 1H), 1.76-1.67 (m，1H)，1.55-1.47 (m，2H)，1.32-1.08 (m，6H)，0.96 (d，3H)，0.85 (d，6H)。
[0019] 、[C10(3,7z)mim]Cl: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 10. 70 (s，1H)，7.49 (s，1H)， 7.31 (s, 1H), 5.07-5.03 (m, 1H), 4.37-4.27 (m, 2H), 4.14 (s, 3H), 2.04-1.67 (m, 7H), 1.59-1.57 (d，3H), 1.53-1.48 (m, 1H), 1.43-1.34 (m, 1H), 1.30-1.13 (m, 1H), 1.00-0.98 (d, 3H)。
[0020] 、[C10(3,7)mim] CH3COO: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 10.61 (s，1H)，7. 37 (s， 1H), 7.23 (s, 1H), 4.33-4.22 (m, 2H), 4.06 (s, 3H), 2.20 (s, 1H), 1.98 (s, 2H), 1.92-1.82 (m, 1H), 1.72-1.63 (m, 1H), 1.53-1.43 (m, 2H), 1.31-1.06 (m, 6H), 0.93 (d, 3H), 0.83 (d, 6H)。
[0021] 、[C10(3,7z)mim] CH3COO: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 10. 96 (s，1H)，7. 28 (s, 1H), 7.19 (s, 1H), 5.07-5.03 (t, 1H), 4.32-4.28 (t, 2H), 4.06 (s, 3H), 2.01-1.85 (m, 6H), 1.75-1.65 (m, 4H), 1.59 (s, 3H), 1.51-1.18 (m, 3H), 0.99-0.97 (d，3H)。
[0022] 、[C1(l(3z，7z)mim] PF6: 1H NMR (400MHz，CDCl3) δ 5. 16 (t，1H)，5. 01 (t，1H)， 3.77-3.75 (d, 1H), 3.26-3.20 (m, 5H), 2.17 (s, 3H), 1.79 (s, 2H), 1.68 (s, 2H)，1.61 (s，2H)，1.35 (t，6H)〇
[0023] 、NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.42 (s，1H)，7. 27 (s，2H)， 4.24 - 3.99 (m, 2H), 3.82 (s, 3H), 1.82 (m, 1H), 1.75 - 1.55 (m, 1H), 1.54 -1.35 (m，2H)，1.33 - 1.01 (m，6H)，0.88 (s，3H)，0.79 (s，6H)〇
[0024] 、NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.81 (s，1H)，7. 35 (s，1H)， 7.26 (s, 1H), 5.05 (t, 1H), 4.32 - 4.05 (m, 2H), 3.95 (s, 3H), 2.07 - 1.64 (m，7H), 1.58 (s，3H), 1.54 - 1.28 (m, 2H), 1.21 (m, 1H), 0.96 (d，3H)。
[0025] 、NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.48 (s，1H)，7. 30 (s，1H)， 7.27 (s, 1H), 4.21 - 4.04 (m, 2H), 3.87 (s, 3H), 1.86 (m, 1H), 1.66 (m, 1H), 1.48 (m，2H)，1.36 - 1.03 (m，6H)，0.92 (d，3H)，0.83 (d，6H)。
[0026] 、[CH^Wmin^PF^H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8. 54 (s，1H)，7. 25 (t，2H)， 5.05 (t, 1H), 4.16 (m, 2H), 3.91 (s, 3H), 2.07 - 1.56 (m, 9H), 1.54 - 1.14 (m, 4H), 0.96 (d，3H)。
[0027] 以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和 范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的 范围。
【主权项】
L 一种咪唑基仿生离子液体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（U以天然醇类 香料和对甲苯磺酰氯为原料，以二氯甲烷为溶剂，以三乙胺为缚酸剂，在二甲基氨基吡啶的 催化作用下于l〇°C以下反应制得对甲苯磺酸酯类化合物；（2)将咪唑类化合物与对甲苯磺 酸酯类化合物于室温进行亲核取代反应制得咪唑对甲苯磺酸盐中间体；（3)采用阴离子交 换树脂将咪唑对甲苯磺酸盐中间体中的对甲苯磺酸根离子取代为氢氧根离子，再通过与酸 进行中和反应改变离子液体的阴离子制得目标产物咪唑基仿生离子液体。
2. 根据权利要求1所述的咪唑基仿生离子液体的制备方法，其特征在于反应过程中对 应的反应方程式为：其中R为2_甲基-1-戊基、3_甲基-1-戊基、（Z) _3_己條基、3, 7_二甲基辛基、3, 7_二 甲基-6-辛烯基或3, 7-二甲基-2, 6-辛二烯基，&为C i_4直链烷基或支链烷基，M _为BF4' PF6_、C1_或 CH3COO'
3. 根据权利要求1所述的咪唑基仿生离子液体的制备方法，其特征在于包括以下步 骤： (1) 对甲苯磺酸酯的合成 在圆底烧瓶中加入〇. Imol对甲苯磺酰氯，装上恒压滴液漏斗和抽气活塞，通过双排管 先抽真空，然后充入氮气，重复操作三次后在氮气保护下依次通过恒压滴液漏斗向烧瓶中 加入0.1mol叶醇和30ml二氯乙烷，冰盐浴控制反应体系温度在KTC以下，待烧瓶中固体溶 解后通过恒压滴液漏斗滴加由0. 6g二甲基氨基吡啶、20ml三乙胺和30ml二氯甲烷组成的 混合液，滴加完毕后封闭体系继续搅拌反应4小时，反应结束后反应液依次用冰冷的稀盐 酸溶液、冰水洗涤至中性，然后再用饱和碳酸氢钠溶液和冰水洗涤至中性，旋转蒸发除去反 应溶剂后将产物溶于石油醚中，用去离子水洗涤三次，收集的有机相用无水硫酸钠干燥，旋 转蒸发除去石油醚得到淡黄色透明油状液体对甲苯磺酸酯； (2) 甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体的合成 将步骤（1)得到的对甲苯磺酸酯和1-甲基咪唑按摩尔比为1:1的比例加入到圆底烧 瓶中，室温下搅拌反应3天，反应结束后反应液在分液漏斗中用乙醚洗涤三次，旋转蒸发除 去洗涤时夹带的乙醚，将产物密封后置于冰箱中冷冻一周待产物结晶，粗产物为黄色，加入 乙醚搅拌后抽滤，用乙醚、乙酸乙酯洗涤至白色固体，在真空干燥箱中于40°C干燥24小时 得到白色粉末状晶体甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体； (3) 甲基咪唑基四氟硼酸盐离子液体的合成 将强碱性阴离子交换树脂Amberlite IRN-78用去离子水洗涤两次，以除去其中的杂 质和失活树脂，将其连续注入长度为45. 7cm，内径2. 6cm的层析柱，保持树脂间无气泡，然 后将步骤（2)得到的甲基咪唑对甲苯磺酸盐中间体用去离子水充分溶解稀释后注入交换柱 中，控制流速使对甲苯磺酸根离子完全交换为氢氧根离子，向收集的碱性离子液体溶液中 滴加四氟硼酸水溶液至中性，室温下搅拌24小时，用二氯甲烷多次萃取反应液，收集有机 相加入无水硫酸钠干燥两天，室温下旋转蒸发除去二氯甲烷溶剂，在真空干燥箱中于70°C 干燥24小时制得甲基咪唑基四氟硼酸盐离子液体。
【专利摘要】本发明公开了一种咪唑基仿生离子液体的制备方法，包括以下步骤：（1）以天然醇类香料和对甲苯磺酰氯为原料，以二氯甲烷为溶剂，以三乙胺为缚酸剂，在二甲基氨基吡啶的催化作用下于10℃以下反应制得对甲苯磺酸酯类化合物；（2）将咪唑类化合物与对甲苯磺酸酯类化合物于室温进行亲核取代反应制得咪唑对甲苯磺酸盐中间体；（3）采用阴离子交换树脂将咪唑对甲苯磺酸盐中间体中的对甲苯磺酸根离子取代为氢氧根离子，再通过与酸进行中和反应改变离子液体的阴离子制得目标产物咪唑基仿生离子液体。本发明原材料价格低廉、产物纯度较高，利用仿生离子液体的高生物相容性，可以将其应用于生物传感器的制备，拓展该类离子液体在生物领域的应用范围。
【IPC分类】C07D233/58
【公开号】CN104892519
【申请号】CN201510194308
【发明人】卓克垒, 王之俊, 陈玉娟, 孙东, 付颖懿, 张洪浩, 王春风, 李奡麒
【申请人】河南师范大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月23日
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