CN102250039A - N-甲基哌嗪盐离子液体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种N-甲基哌嗪盐离子液体,所述离子液体具有以下结构通式。本发明还公开了其制备方法,将N-甲基哌嗪与Y型酸经一步反应直接制得N-甲基哌嗪盐离子液体。该方法操作简单,反应条件温和,产率和产品纯度高,易于储存和运输,适合工业生产,生产的N-甲基哌嗪盐离子液体其阴离子具有很多的选择空间和结构、性能设计空间,可应用于多个领域。
Description
技术领域
本发明属于离子液体技术领域,特别涉及一类N-甲基哌嗪盐离子液体及其制备方法。
背景技术
离子液体(Ionic Liquid)是指熔点低于100℃的盐,全部由阳离子和阴离子组成。其中熔点等于或低于室温的离子液体称为室温离子液体(RTIL)。大多数离子液体的阳离子端一般为有机化合物,例如咪唑、N-甲基吡啶、四甲基铵或四甲基磷离子;阴离子端可以是有机物或无机物,包括一些卤化物、硝酸盐、乙酸盐、六氟磷酸盐[PF6]、四氟硼酸盐[BF4]、三氟甲基磺酸盐[OTf]和双(三氟甲基磺酰)亚胺盐[NTf2]。
离子液体具有独特的物理化学性质。室温离子液体具有很宽的液程,很多离子液体在0到300℃,甚至高于400℃依旧保持液体状态。离子液体具有极好的溶解性能,几乎能与所有常规溶剂互溶,蒸汽压非常小。很多离子液体有很高的热稳定性,一些由咪唑阳离子和弱亲核阴离子构成的离子液体热稳定温度可达250℃,一些双阳离子离子液体的稳定温度甚至超过400℃。
离子液体应用广泛,在过去二十年里,离子液体作为绿色溶剂广泛应用于有机合成、催化和分析化学等领域。离子液体种类繁多,但N-甲基哌嗪盐离子液体及其制备还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供了一类N-甲基哌嗪盐离子液体及其制备方法,其阴离子具有很多的选择空间和结构、性能设计空间,可应用于多个领域。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现:
一类N-甲基哌嗪盐离子液体,由N-甲基哌嗪阳离子和Y阴离子组成,所述的N-甲基哌嗪盐离子液体的结构式为:
其中,Y为酸根离子,选自:丙酸根、甘氨酸根、羟基乙酸根、四氟硼酸根、草酸根、乳酸根、甲磺酸根、三氟乙酸根、苯甲酸根、水杨酸根、六氟磷酸根、苯磺酸根、三氯乙酸根、对甲苯磺酸根中的一种。
所述N-甲基哌嗪盐离子液体的制备方法,包括以下步骤:
(1)将等摩尔量的N-甲基哌嗪和Y型酸分别溶解在溶剂中,在0~10℃下,将Y型酸溶液缓慢滴入N-甲基哌嗪溶液中,搅拌30~90分钟,然后升温至30~80℃反应3~8小时;
(2a)当Y型酸为四氟硼酸、乳酸、六氟磷酸时,在步骤(1)中的反应完毕后,加入乙醚,剧烈搅拌,减压蒸去溶剂及未反应原料等杂质,真空干燥3~12小时,得到Y为四氟硼酸根、乳酸根、六氟磷酸根的离子液体,这些离子液体室温下为液体。
(2b)当Y型酸为丙酸、甘氨酸、羟基乙酸、草酸、甲磺酸、三氟乙酸、苯甲酸、水杨酸、苯磺酸、三氯乙酸、对甲苯磺酸时,在步骤(1)中的反应完毕后,减压蒸去溶剂,加入乙醚洗涤,得到的固体用乙醇/乙醚混合溶剂重结晶,真空干燥3~12小时,得到Y为丙酸根、甘氨酸根、羟基乙酸根、草酸根、甲磺酸根、三氟乙酸根、苯甲酸根、水杨酸根、苯磺酸根、三氯乙酸根、对甲苯磺酸根的离子液体,这些离子液体室温下为固体。
本发明提供的N-甲基哌嗪盐离子液体在室温下有些为液体,有些为固体,其中液体状离子液体具有蒸气压低,溶解性能良好,可以用于脱除空气中的二氧化硫,脱除油品中的硫化物和芳烃,在绿色化学领域中有很大应用价值;其中室温下为固体的离子液体一方面利于储存和运输,另一方面容易提纯,可以得到高纯的离子液体,在电化学、色谱、光谱领域很有应用前景。
本发明以N-甲基哌嗪直接与酸反应一步法得到离子液体,反应条件温和,操作简单,产率高,产品质量好,适合工业生产与应用。
具体实施方式
以下实施例可以使本专业人员更全面理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
实施例1N-甲基哌嗪的丙酸盐离子液体
将丙酸(7.41g,0.1mol)的乙醇溶液(50mL)在冰水浴下缓慢滴加到N-甲基哌嗪(10.02g,0.1mol)的乙醇(100mL)溶液中,反应1小时。然后升温至30℃,反应3小时。反应结束后,旋蒸除去溶剂,得到淡黄色固体。40℃下用乙醇/乙醚混合溶剂重结晶,得到白色针状晶体,40℃真空干燥后得到纯N-甲基哌嗪丙酸盐15.67g,产率为90%,熔点为71.7℃,
1H NMR(500MHz,CDCl3):δ8.90(s,2H),3.04(t,4H),2.57(m,4H),2.33(s,3H),2.25(q,2H),1.11(t,3H)
反应式为:
实施例2N-甲基哌嗪的乳酸盐离子液体
将N-甲基哌嗪(10.02g,0.1mol)的乙醇溶液(30mL),缓慢滴加到乳酸(9.01g,0.1mol)的乙醇(100mL)溶液中,40℃搅拌下反应4个小时。反应结束后旋蒸除去溶剂。80℃低压下蒸去杂质及未反应的原料,得到淡黄色粘稠N-甲基哌嗪的乳酸盐离子液体,产率85%,熔点低于-20℃,
1H NMR(500MHz,CDCl3):δ6.02(broad,3H),4.05(q,H),3.12(t,4H),2.63(m,4H)2.34(s,3H),1.36(d,3H)
反应式为:
实施例3N-甲基哌嗪的甲磺酸盐离子液体
将甲磺酸(4.81g,0.05mol)的乙醇溶液(30mL)在冰水浴下缓慢滴加到N-甲基哌嗪(5.01g,0.05mol)的乙醇(50mL)溶液中,待甲磺酸溶液滴加完毕后,升温至30℃,反应5小时。反应结束后,低压旋蒸除去部分溶剂,然后加入一定量的乙醚,在0℃下结出晶体,过滤得到白色固体,30℃真空干燥8小时,得到纯N-甲基哌嗪的甲磺酸盐离子液体,产率为95%。熔点为42.1℃,1H NMR(500MHz,CDCl3):δ3.25(s,2H),3.16(t,4H),2.79(s,3H),2.68(m,4H),2.35(s,3H)。
反应式为:
实施例4N-甲基哌嗪的苯磺酸盐离子液体
将N-甲基哌嗪(10.02g,0.1mol)的甲醇溶液(30mL),冰水浴中缓慢滴加到苯磺酸(15.82g,0.1mol)的甲醇(50mL)溶液中,搅拌下反应半小时,然后升温至60℃,反应4小时。反应结束后低压旋蒸除去溶剂得到淡黄色固体,用异丙醇/乙醚重结晶,得到白色针状晶体,60℃真空干燥10小时,得到纯N-甲基哌嗪的苯磺酸盐离子液体,产率87%,熔点为94.1℃,DSC测得分解峰位置375.8℃。
1H NMR(500M Hz,CDCl3):δ8.44(broad,2H),7.88(d,2H),7.43(m,3H),3.23(t,4H),2.63(m,4H),2.29(s,3H)。
反应式为:
实施例5N-甲基哌嗪的四氟硼酸盐离子液体
将四氟硼酸(8.78g,0.1mol)的乙醇溶液(30mL),缓慢滴加到N-甲基哌嗪(10.02g,0.1mol)的乙醇(50mL)溶液中,40℃搅拌下反应5个小时。反应结束后低压蒸去溶剂。用乙醚洗涤得到的液体,分液除去乙醚,30℃真空干燥8小时,得到淡黄色粘稠的N-甲基哌嗪的四氟硼酸盐离子液体,产率为93%,熔点低于-20℃。
反应式为:
实施例6N-甲基哌嗪的三氯乙酸盐离子液体
将N-甲基哌嗪(30.00g,0.3mol)的乙醇溶液(50mL),冰水浴中缓慢滴加到三氯乙酸(49.02g,0.3mol)的乙醇(250mL)溶液中,反应1.5小时,然后升温至40℃,搅拌下反应3个小时。反应结束后低压蒸去溶剂,用乙醚洗涤,过滤后用少量乙醇加大量乙醚重结晶,最后真空中干燥5小时,得到白色针状晶体,即为纯N-甲基哌嗪的三氯乙酸盐离子液体,产率为84%,熔点为62.3℃,1H NMR(500M Hz,CDCl3):δ9.12(broad,2H),3.25(t,4H),2.74(m,4H),2.38(s,3H)
反应式为:
实施例7N-甲基哌嗪的羟基乙酸盐离子液体
将N-甲基哌嗪(10.02g,0.1mol)的乙醇溶液(30mL),冰水浴中缓慢滴加到羟基乙酸(7.61g,0.1mol)的乙醇(100mL)溶液中,滴加完毕后,升温至30℃,搅拌下反应4个小时。反应结束后低压蒸去溶剂,用乙醚洗涤,过滤后用异丙醇重结晶,最后真空中干燥5小时,得到白色片状晶体,即为纯N-甲基哌嗪的羟基乙酸盐离子液体,产率为95%,熔点为95.2℃,1H NMR(500M Hz,CDCl3):δ7.18(broad,3H),3.92(s,2H),3.16(t,4H),2.63(m,4H),2.36(s,3H)。
反应式为:
应用例1N-甲基哌嗪的乳酸盐离子液体用于油品的深度脱硫
取含噻吩的模拟油5g置于具塞锥形瓶中,加入等质量的N-甲基哌嗪的乳酸盐离子液体,于30℃下,剧烈搅拌20min,静置分液,取上层油相,用RPA-200A型微库仑仪测定其中的硫含量。结果表明,该条件下,N-甲基哌嗪的乳酸盐离子液体对模拟油中噻吩的脱除率可达42%。使用后的离子液体可以通过蒸去噻吩循环使用。
应用例2N-甲基哌嗪的乳酸盐离子液体用于航空煤油的脱芳烃
取3g航空煤油置于具塞锥形瓶中,加入等质量的N-甲基哌嗪的乳酸盐离子液体,于30℃下,剧烈搅拌30min,静置分液,取上层油相,用配有示差折光率检测器的高效液相色谱检测油相中的芳烃含量。结果表明,该条件下,N-甲基哌嗪的乳酸盐离子液体对航空煤油芳烃的脱除率可达12%。使用后的离子液体可以通过蒸去芳烃循环使用。
Claims (5)
2.根据权利要求1所述的N-甲基哌嗪盐离子液体,其特征在于:Y为四氟硼酸根、乳酸根或六氟磷酸根。
3.根据权利要求2所述的N-甲基哌嗪盐离子液体的制备方法,其特征在于:将等摩尔量的N-甲基哌嗪和Y型酸分别溶解在溶剂中,在0~10℃下,将Y型酸溶液缓慢滴入N-甲基哌嗪溶液中,搅拌30~90分钟,然后升温至30~80℃反应3~8小时,反应完毕后,加入乙醚,剧烈搅拌,减压蒸去杂质,真空干燥3~12小时,得到所述Y为四氟硼酸根、乳酸根或六氟磷酸根的离子液体。
4.根据权利要求1所述的N-甲基哌嗪盐离子液体,其特征在于:Y为丙酸根,甘氨酸根,羟基乙酸根,草酸根,甲磺酸根,三氟乙酸根,苯甲酸根,水杨酸根,苯磺酸根,三氯乙酸根,对甲苯磺酸根。
5.根据权利要求4所述的N-甲基哌嗪盐离子液体的制备方法,其特征在于:将等摩尔量的N-甲基哌嗪和Y型酸分别溶解在溶剂中,在0~10℃下,将Y型酸溶液缓慢滴入N-甲基哌嗪溶液中,搅拌30~90分钟,然后升温至30~80℃反应3~8小时,蒸去溶剂;加入乙醚洗涤,得到的固体用乙醇/乙醚混合溶剂重结晶,真空干燥3~12小时,得到所述Y为丙酸根、甘氨酸根、羟基乙酸根、草酸根、甲磺酸根、三氟乙酸根、苯甲酸根、水杨酸根、苯磺酸根、三氯乙酸根或对甲苯磺酸根的离子液体。
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