CN102127009A

CN102127009A - 一种取代吡啶类离子液体及其应用

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Publication number: CN102127009A
Application number: CN2010100341309A
Authority: CN
Inventors: 程春生; 于萍; 王鑫磊; 李鹏
Original assignee: Shenyang Research Institute of Chemical Industry Co Ltd; Sinochem Corp; Shenyang Sciencreat Chemicals Co Ltd
Current assignee: Shenyang Sciencreat Chemicals Co Ltd; Shenyang Sinochem Agrochemicals R&D Co Ltd
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2030-01-18
Also published as: CN102127009B

Abstract

本发明公开了一种取代吡啶类离子液体，具有通式(I)化学结构：

式中：R¹、R²、R³、R⁴可相同或不同，分别选自H、C₁-C₃烷基或C₂-C₄酰基；R选自C₂-C₄烷基、苄基或C₂-C₄酯基；Y选自三氟乙酸根(CF₃COO^-)、三氯乙酸根(CCl₃COO^-)、四氟硼酸根(BF₄ ^-)、高氯酸根(ClO₄ ^-)或乙酸根(CH₃COO^-)。本发明提供的如通式(I)所述取代吡啶类离子液体，可作为溶剂或催化剂应用于化学合成、分离萃取等领域。

Description

一种取代吡啶类离子液体及其应用

技术领域

本发明属于离子液体及其制备与应用技术领域，具体涉及一种取代吡啶类离子液体及其应用。

背景技术

凭借其独特的物理化学性能，室温离子液体成为当今科学工作者关注的重点。随着离子液体研究种类的增多，吡啶类离子液体合成及应用研究也相继出现。CN101092399A报道了一种阴离子为卤族离子的离子物质制备方法。Michael等人用N-甲基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐等十几种N-甲基取代吡啶四氟硼酸盐研究了铼羰基自由基的电子转移反应(Journal of theAmerican Chemical Society，1989，111(14)：5185-5191)。已经公开的3-乙酰基吡啶类离子液体种类较为单一，阳离子以N上甲基取代为主，阴离子以四氟硼酸根、三氟甲基磺酸根为主，其应用研究多集中在医药方面。例如：Bennasar等人采用N-甲基-2-氟-3-乙酰基吡啶三氟甲基磺酸盐制备了抗肿瘤药物喜树碱(Journal of Organic Chemistry，2002，67(21)：7465-7474)。

发明内容

本发明的目的在于开发一种结构新颖的取代吡啶类离子液体及其作为催化剂在农药合成中的应用，同时提供一种工艺简便、原料易得、成本低、易纯化的离子液体的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种取代吡啶类离子液体，具有通式(I)化学结构：

(I)

式中：

R¹、R²、R³、R⁴可相同或不同，分别选自H、C₁-C₃烷基或C₂-C₄酰基；

R选自C₂-C₄烷基、苄基或C₂-C₄酯基；

Y选自三氟乙酸根(CF₃COO^-)、三氯乙酸根(CCl₃COO^-)、四氟硼酸根(BF₄ ^-)、高氯酸根(ClO₄ ^-)或乙酸根(CH₃COO^-)。

本发明较优选的取代吡啶类离子液体为，通式(I)中：

R¹、R²、R³、R⁴选自H；

R选自C₂-C₄烷基、苄基或C₂-C₄酯基；

Y选自三氟乙酸根(CF₃COO^-)、三氯乙酸根(CCl₃COO^-)或四氟硼酸根(BF₄ ^-)。

进一步优选的取代吡啶类离子液体为，通式(I)中：

R¹、R²、R³、R⁴选自H；

R选自乙基、丁基、苄基或乙酸甲酯基；

Y选自三氟乙酸根(CF₃COO^-)、三氯乙酸根((CCl₃COO^-)或四氟硼酸根(BF₄ ^-)。

再进一步优选的取代吡啶类离子液体为，通式(I)中：

R¹、R²、R³、R⁴选自H；

R选自苄基或乙酸甲酯基；

更进一步，本发明优选的离子液体如下：

N-乙基-3-乙酰基吡啶三氟乙酸盐、N-乙基-3-乙酰基吡啶三氯乙酸盐、N-乙基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐、N-丁基-3-乙酰基吡啶三氟乙酸盐、N-丁基-3-乙酰基吡啶三氯乙酸盐、N-丁基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐、N-苄基-3-乙酰基吡啶三氟乙酸盐、N-苄基-3-乙酰基吡啶三氯乙酸盐、N-苄基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐、N-乙酸甲酯基-3-乙酰基吡啶三氟乙酸盐、N-乙酸甲酯基-3-乙酰基吡啶三氯乙酸盐、N-乙酸甲酯基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐。

通式(I)所示的新型取代吡啶类离子液体可以采用如下方法合成：

1.反应式：

前体制备反应式：

(V) (IV) (III)

离子液体制备反应式：

(III) (II) (I)

式中：X为卤原子，M为Na⁺或NH₄ ⁺，其他各取代基定义同前。

所用试剂均有市售或者可以按照已知方法自制。

2.具体操作步骤：

首先制备离子液体前体。回流温度下，将通式(V)所示的取代3-乙酰基吡啶缓慢滴加到卤化物(IV)或含有卤化物(IV)的有机溶剂中，反应4～16小时，以液相色谱跟踪确定反应终点(卤化物(IV)的加入量为通式(V)所示的取代3-乙酰基吡啶的1-3摩尔倍数以保证取代3-乙酰基吡啶反应完全)。选用的有机溶剂应该是对离子液体前体不溶或溶解度很小的有机溶剂，例如可以是甲苯、丙酮等。反应结束后过滤分出固体产物，用乙酸乙酯或甲苯洗涤、干燥，得到如式(III)所示的离子液体前体。

式中卤化物(IV)选自卤代烷、卤化苄、卤代羧酸酯等。优选的卤化物为卤乙烷、卤丁烷、卤化苄、卤乙酸甲酯等。进一步优选的卤化物为溴乙烷、氯丁烷、苄基氯或溴乙酸甲酯。

将前述制备的离子液体前体与等物质量的阴离子交换盐(II)置于有机溶剂中进行离子交换反应。反应所用的有机溶剂可以是丙酮或乙腈，优选以丙酮作溶剂。反应在室温下搅拌20～70小时完成。过滤分离得到深红色或红色滤液，溶剂洗涤滤渣，滤液合并。向其中加入酸性或中性氧化铝，搅拌约2小时，过滤分离固体杂质。滤液减压蒸除溶剂后，得到红色粘稠状液体，即结构如通式(I)的取代吡啶类离子液体。

上述阴离子交换盐(II)选自三氟乙酸钠、三氯乙酸钠、高氯酸钠、乙酸钠或四氟硼酸铵等，优选三氟乙酸钠、三氯乙酸钠或四氟硼酸铵。

本发明的取代吡啶类离子液体的结构表征分别采用了红外IR，核磁共振氢谱¹H NMR、碳谱¹³C NMR和氟谱¹⁹F NMR，以及液质联用LC-MS进行测定和分析。

本发明提供的制备方法，原料易得、操作经济简便、产品易纯化、储存简单方便，具有广阔的商业化前景。

本发明提供的如通式(I)所述取代吡啶类离子液体，可作为溶剂或催化剂应用于化学合成、分离萃取等领域，尤其是作为催化剂应用于农药合成中。因此，本发明的技术方案还包括如通式(I)所述的取代吡啶类离子液体的用途。

将本发明的取代吡啶类离子液体用于三氮唑类杀菌剂例如氟环唑的合成中，以此作为催化剂，可以将溶剂更换为甲醇。这样既可以替代传统工艺中使用的有毒、难回收、对环境有污染的DMF或DMSO、有利于环保；又可以降低反应温度、节能降耗。同时，应用本发明的取代吡啶类离子液体制备氟环唑与已有的取代吡啶类离子液体相比，还具有反应时间短、产品收率高、质量好等显著优点。本发明的取代吡啶类离子液体还可应用于啶菌恶唑、咪草烟和催吐剂等产品的合成中。通过添加少量本发明的取代吡啶类离子液体，可以实现催化反应，显著降耗减排。

具体实施方式

下面结合具体实例，进一步阐述本发明。但是本发明绝非仅限于这些实施例。

制备实施例

制备通式(III)所示的取代吡啶类离子液体前体的实施例如下。

实施例1

在250ml反应瓶中加入55.5g(0.6mol)氯丁烷，加热至回流，缓慢滴加25.2g(0.2mol，96.0％)3-乙酰吡啶，约0.5小时加完。继续回流反应16小时至反应结束。反应物冷却至室温后过滤分离，滤饼用60ml甲苯分三次洗涤，得到N-丁基-3-乙酰基吡啶氯盐5.46g，外观浅灰色固体粉末，含量99.4％，收率12.7％。放置在真空干燥箱中保存。

MP：162～164℃。

IR(cm^-1)v：3450～3430，3020，2960，2920，1690，1620，1570，1270，1045，1090，818，675～670。

¹HNMR(CDCl₃，300Hz)：δ10.614(s，1H)；10.073(dt，1H)；9.005(dt，1H)；8.3245(t，1H)；5.266(t，2H)；2.977(s，3H)；2.114(t，2H)；1.470(q，2H)；0.983(t，3H)。

实施例2

在250ml反应瓶中加入43.6g(0.4mol)溴乙烷，加热至回流，缓慢滴加25.2g(0.2mol，96.0％)3-乙酰吡啶，约0.5小时加完。反应条件及后处理操作同实施例1。得到N-乙基-3-乙酰基吡啶溴盐16.5g，外观淡黄色固体粉末，含量99.5％，收率35.7％。放置在真空干燥箱中保存。

MP：122～124℃。

IR(cm^-1)v：3440～3450，1680～1690，1620，1360～1370，1260，1160，670～680。

¹HNMR(DMSO，300Hz)：δ9.915(s，1H)；9.566(d，1H)；9.022(d，1H)；8.337(t，1H)；4.922(d，2H)；2.820(s，3H)；1.651(s，3H)。

实施例3

在250ml反应瓶中加入15.6g(0.1mol，98.0％)溴乙酸甲酯和50ml丙酮，加热至回流，缓慢滴加12.6g(0.1mol，96.0％)3-乙酰基吡啶，约0.5小时加完。反应4小时结束。后处理操作同实施例1。得到N-乙酸甲酯基-3-乙酰基吡啶溴盐26.6g，外观淡肤色固体粉末，含量99.1％，收率96.2％。

MP：138～140℃。

IR(cm^-1)v：3420～3460，1730～1740，1680～1690，1350～1360，1260～1270，1210～1220。

¹HNMR(D₂O，300Hz)δ：9.537(s，1H)；9.200(d，1H)；9.139(d，1H)；8.372(t，1H)；5.780(s，2H)；3.905(s，3H)；2.832(s，3H)。

实施例4

在250ml反应瓶中加入13.2g(0.1mol，95.5％)氯化苄和75ml甲苯，加热至回流，缓慢滴加12.6g(0.1mol，96.0％)3-乙酰基吡啶，约0.5小时加完。反应6小时结束。后处理操作同实施例1。得到N-苄基-3-乙酰基吡啶氯盐18.6g，外观淡黄色固体粉末，含量99.7％，收率74.9％。

MP：195～196℃。

IR(cm^-1)v：3430～3440，3040，2970，2920，2840，1690，1620，1565，1440，1355，1270～1280，800，710，695。

¹HNMR(DMSO，300Hz)δ：10.218(s，1H)；9.665(d，1H)；9.030(d，1H)；8.328(t，1H)；7.737(s，2H)；7.404(s，3H)；6.189(s，2H)；2.791(s，3H)。

制备通式(I)所示的取代吡啶类离子液体实施例如下。

实施例5

在50ml反应瓶中加入1.06g(0.01mol，98.5％)四氟硼酸铵、2.31g(0.01mol，99.5％)N-乙基-3-乙酰基吡啶溴盐(实施例2制备)和10ml丙酮。室温下搅拌24小时后，过滤分离。滤渣用30ml丙酮洗涤。合并滤液和洗液，向其中加入0.51g(0.005mol)中性氧化铝，混合搅拌2小时，过滤分除固相。液相经减压蒸馏去除丙酮(设定温度为40℃/0.09MPa)，得到N-乙基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐1.10g，外观红色粘稠液体，含量99.4％，收率46.1％。

IR(cm^-1)v：3420～3430，2960～3020，1720，1640，1385，1290，1080～1090，835。

¹HNMR(DMSO，300Hz)：δ9.717(s，1H)；9.393(dt，1H)；9.109(dt，1H)；8.394(t，1H)；4.992(q，2H)；2.836(s，3H)；2.114(t，3H)。

¹³CNMR(DMSO，300Hz)δ：207.045；194.156；147.770；144.622；136.647；129.249；54.078；25.442；16.494。

¹⁹FNMR(DMSO，300Hz)δ：-148.769；-148.752。

MS m/z(％)：150([M⁺+1]，100)。

实施例6

在50ml反应瓶中加入1.39g(0.01mol，98.0％)三氟甲基醋酸钠、2.48g(0.01mol，99.7％)N-苄基-3-乙酰基吡啶氯盐(实施例4制备)和10ml丙酮。反应条件及后处理操作同实施例5。得到N-苄基-3-乙酰基吡啶三氟乙酸盐2.16g，外观红色粘稠液体，含量99.1％，收率65.9％。

IR(cm^-1)v：3440～3400，3080～3070，1700～1690，1500，1370～1365，1280，1220～1210，1240～1235，830，810，765～760，730～725。

¹HNMR(CDCl₃，300Hz)δ：9.777(s，1H)；9.316(d，1H)；9.021(d，1H)；8.281(t，1H)；7.576(m，2H)；7.430(m，3H)；5.948(s，2H)；2.729(s，3H)。

¹³CNMR (DMSO，300Hz)δ：194.222；148.587；146.580；145.195；137.083；134.618；130.417；130.242；130.101；129.689；120.150；116.220；65.216；27.221。

¹⁹FNMR(DMSO，300Hz)δ：-74.292(s)。

实施例7

在50ml反应瓶中加入1.39g(0.01mol，98.0％)三氟甲基醋酸钠、2.76g(0.01mol，99.1％)N-乙酸甲酯基-3-乙酰基吡啶溴盐(实施例3制备)和10ml丙酮。反应条件及后处理操作同实施例5。得到N-乙酸甲酯基-3-乙酰基吡啶三氟乙酸盐1.94g，外观红色粘稠液体，含量97.2％，收率61.4％。

¹HNMR(CDCl₃，300Hz)δ：9.950(s，1H)；9.522(d，1H)；9.244(d，1H)；8.493(t，1H)；6.080(s，1H)；3.827(s，3H)；2.821(s，3H)。

实施例8

在50ml反应瓶中加入1.06g(0.01mol，98.5％)四氟硼酸铵、2.76g(0.01mol，99.1％)N-乙酸甲酯基-3-乙酰基吡啶溴盐(实施例3制备)和10ml丙酮。反应条件及后处理操作同实施例5。得到N-乙酸甲酯基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐1.83g，外观红色粘稠液体，含量95.7％，收率62.3％。

IR(cm^-1)v：3640～3600，3450～3440，3140，3030～3020，1775～1770，1725～1720，1645～1640，1450～1440，1385～1380，1300～1295，1260，1250，1200，1080～1090，840～835，765～760，730，690，630，540。

¹HNMR(CD₃COCD₃，300Hz)δ：9.672(s，1H)；9.281(t，2H)；8.490(t，1H)；5.524(s，2H)；3.836(s，3H)；2.812(s，3H)。

MS m/z(％)：194([M⁺+1]，100)。

以本发明的取代吡啶类离子液体作为催化剂在制备三氮唑类杀菌剂氟环唑的应用实例如下。

实施例9

在100ml反应瓶中加入7.2g(0.02mol，99.0％)3-(2-氯苯)-2-(4-氟苯)-2-甲基甲磺酰基环氧乙烷(简称：甲基磺酰化物)，20ml甲醇，再加入实施例6制备的0.66g(0.002mol，99.2％)N-苄基-3-乙酰基吡啶三氟乙酸盐，搅拌溶解，加入2.2g三氮唑钠(0.024mol)，回流反应7小时。液相色谱跟踪至甲基磺酰化物反应完全后，冷却，加水30ml，冷却至5～10℃后过滤，得到氟环唑6.4g，外观灰白色固体，含量96.7％，收率93.9％。用20ml异丙醇重结晶，提纯后含量98.9％，重结晶收率82.3％。

¹HNMR(DMSO，300Hz)δ：8.111(d，1H)；7.722(d，1H)；7.567(m，2H)；7.442(m，4H)；7.117(m，2H)；4.964(d，1H)；4.196(s，1H)；3.924(d，1H)。

同样的反应，采用DMF作溶剂时，反应温度90-100℃，反应时间6小时，反应产物需要加入大量水析出产品，合成收率约85％。DMF回收成本和三废处理成本则大幅度增加。

实例10

以实施例5制备的0.48g(0.002mol，99.4％)N-乙基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐替换实施例9中的催化剂，其他加料及操作条件均不变。反应结束后得到氟环唑6.5g，外观白色固体，含量为94.1％，收率为92.8％。用20ml异丙醇重结晶，提纯后含量为98.2％，重结晶收率806％。

实施例11-对比试验

在100ml反应瓶中加入7.20g(0.02mol，99.0％)3-(2-氯苯)-2-(4-氟苯)-2-甲基甲磺酰基环氧乙烷，20ml甲醇，2.25g(0.01mol，99.3％)N-甲基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐，搅拌溶解后加入2.2g三氮唑钠(0.024mol)，回流反应3小时后，液相色谱跟踪可以观察到甲基磺酰化物的转化率达到峰值，结束反应。冷却，加水30ml，继续冷却至5～10℃后过滤，得到氟环唑2.4g，外观灰白色固体，含量86.7％，收率31.6％。固体用20ml异丙醇重结晶，提纯后含量为92.2％。

Claims

1.一种取代吡啶类离子液体，具有通式(I)化学结构：

式中：

R选自C₂-C₄烷基、苄基或C₂-C₄酯基；

2.按照权利要求1所述的取代吡啶类离子液体，其特征在于：通式(I)中，

R¹、R²、R³、R⁴选自H；

R选自C₂-C₄烷基、苄基或C₂-C₄酯基；

3.按照权利要求2所述的取代吡啶类离子液体，其特征在于：通式(I)中，

R¹、R²、R³、R⁴选自H；

R选自乙基、丁基、苄基或乙酸甲酯基；

4.按照权利要求3所述的取代吡啶类离子液体，其特征在于：通式(I)中，

R¹、R²、R³、R⁴选自H；

R选自苄基或乙酸甲酯基；

5.按照权利要求4所述的取代吡啶类离子液体，其特征在于：所述的取代吡啶类离子液体选自N-乙基-3-乙酰基吡啶三氟乙酸盐、N-乙基-3-乙酰基吡啶三氯乙酸盐、N-乙基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐、N-丁基-3-乙酰基吡啶三氟乙酸盐、N-丁基-3-乙酰基吡啶三氯乙酸盐、N-丁基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐、N-苄基-3-乙酰基吡啶三氟乙酸盐、N-苄基-3-乙酰基吡啶三氯乙酸盐、N-苄基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐、N-乙酸甲酯基-3-乙酰基吡啶三氟乙酸盐、N-乙酸甲酯基-3-乙酰基吡啶三氯乙酸盐或N-乙酸甲酯基-3-乙酰基吡啶四氟硼酸盐。

6.一种按照权利要求1所述的取代吡啶类离子液体的用途，其特征在于：作为溶剂或催化剂应用于化学合成或分离萃取领域。

7.一种按照权利要求6所述的取代吡啶类离子液体的用途，其特征在于：作为催化剂应用于农药合成领域。