CN102671709A - 一种负载型酸性离子液体催化剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负载型酸性离子液体催化剂及其应用，所述负载型酸性离子液体催化剂通过如下方法制备：将无水三氯化铝溶解在吡啶类酸性离子液体中，并将溶解了三氯化铝的吡啶类酸性离子液体负载在γ-Al₂O₃载体上，得到负载型酸性离子液体催化剂。所述的负载型酸性离子液体催化剂可应用于噻吩与3-氯丙酰氯的傅-克酰基化反应中；所述噻吩与3-氯丙酰氯的傅-克酰基化反应的反应方程式如下所示。所述催化剂有效防止了三氯化铝与水份的接触且易于分离，在噻吩与氯丙酰氯的傅-克酰基化反应中具有高催化活性。

Description

一种负载型酸性离子液体催化剂及其应用

一、技术领域

本发明涉及一种负载型酸性离子液体催化剂及其应用，特别是在傅-克酰基化反应中的应用，更特别是在噻吩与3-氯丙酰氯通过傅-克酰基化反应制备3-氯-1-(2-噻吩基)-1-丙酮中的应用。

二、背景技术

Freidel-Cratfs酸基化反应是一类重要的基础有机反应，可以在芳香环上引入具有羰基官能团，从而使芳香环功能化。如抗抑郁药度洛西汀的制备中有一条合路线是利用噻吩为原料，与氯丙酰氯进行傅-克反应。

利用NaI取代底物分子上的Cl，再与甲胺反应，得到3-甲氨基-1-(2-噻吩基)-1-丙酮。

在催化剂的作用下，使3-甲氨基-1-(2-噻吩基)-1-丙酮还原成3-甲氨基-1-(2-噻吩基)-1-丙醇，再拆分得到手性抗抑郁药度洛西汀中间体(S)-3-甲氨基-1-(2-噻吩基)-1-丙醇。

该工艺原料易得，但产率只有39％，限制了该工艺在工业上的应用。

纵观傅克酰基化反应，其产率的影响因素很多，主要是催化剂、反应溶剂、反应条件。传统的傅克酰基化催化剂有Lewis酸和质子酸，如Al₂O₃，FeCl₃、TiCl₄、BF₃、HF、H₂SO₄、HCl等。其中无水三氯化铝催化活性最强、在室温常压下能发生催化反应。

三氯化铝催化的傅克酰基化反应，工艺易实现，催化剂价格便宜。然而三氯化铝存在许多弊端，如自身有腐蚀性，在酰基化反应中副产物较多，用量大，遇水放出大量热，并释放大量氯化氢气体，富含铝的酸性废液在工业上难以处理。为了解决这些问题，近几年来，国内外的学者尝试使用不同种类的催化剂，如三氟甲磺酸盐类、沸石类、杂多酸类和液体酸的负载类，以提高酰基化反应的选择性、产率、催化剂的可回收性和使用寿命。其中负载型酸性催化剂具有易于分离、选择性高等优势得到重视。

众所周知，通过结构设计制备的酸性离子液体可能比普通的质子酸酸性要强，并大量的实验证明某些离子液体催化剂的选择性更高，将酸性离子液体负载并应用于傅克酰基化反应将是一类新型的傅克酰基化催化剂。

三、发明内容

本发明的第一个发明目的是提供一种负载型酸性离子液体催化剂，该催化剂有效防止了三氯化铝与水份的接触且易于分离，在噻吩与氯丙酰氯的傅-克酰基化反应中具有高催化活性。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种负载型酸性离子液体催化剂，通过如下方法制备：将无水三氯化铝溶解在吡啶类酸性离子液体中，并将溶解了三氯化铝的吡啶类酸性离子液体负载在γ-Al₂O₃载体上，得到负载型酸性离子液体催化剂。

本发明中，优选所述的吡啶类酸性离子液体的结构式如式(I)所示，

式(I)中，R为乙基、丙基或丁基；优选R为乙基。

所述的吡啶类酸性离子液体可按照常规的酸性离子液体制备方法进行制备，例如：将吡啶和溴代烷烃RBr以物质的量比1∶1～1.8混合，在45kHz超声波的作用下，控制反应温度60～80℃，加热回流反应4～10小时，然后将反应液在旋转蒸发仪上80～100℃进行旋转蒸发，得到[RPy]Br离子液体，然后在0～-10℃下将98％的浓硫酸滴加到上述的离子液体中，然后在45kHz超声波的作用下，60～80℃反应10～12h，反应结束后在25～30℃、100Pa下旋转除水4～6h，得到酸性离子液体[RPy]HSO₄，反应所放出的尾气用30％NaOH溶液吸收。

本发明中，所述无水三氯化铝的加入质量为吡啶类酸性离子液体质量的10～30％，优选为15～25％。

本发明推荐通过下述方法将溶解了三氯化铝的吡啶类酸性离子液体负载在γ-Al₂O₃上：在30～50℃，在溶解了三氯化铝的吡啶类酸性离子液体中浸渍γ-Al₂O₃载体2～3h，然后取出充分干燥，得到负载型酸性离子液体催化剂。

本发明的第二个发明目的是将所述的负载型酸性离子液体催化剂应用于噻吩与3-氯丙酰氯的傅-克酰基化反应中；所述噻吩与3-氯丙酰氯的傅-克酰基化反应的反应方程式如下所示：

所述的应用具体为：将3-氯丙酰氯加入到反应容器中，并加入负载型酸性离子液体催化剂，降低温度到0～-10℃，滴加噻吩，滴加过程中控制温度在0～-10℃，噻吩滴加结束后保持温度在0～-10℃范围内再反应10～12h，制得3-氯-1-(2-噻吩基)-1-丙酮。

本发明中，所述3-氯丙酰氯与噻吩的投料摩尔比为1～1.2∶1；

本发明中，所述负载型酸性离子液体催化剂的加入质量为3-氯丙酰氯质量的1～10％，优选为3～8％。

本发明优选所述应用按照如下步骤进行：将3-氯丙酰氯加入到反应容器中，并加入负载型酸性离子液体催化剂，降低温度到0～-5℃，滴加噻吩，滴加过程中控制温度在0～-5℃，噻吩滴加结束后保持温度在0～-5℃范围内再反应10～12h，制得3-氯-1-(2-噻吩基)-1-丙酮。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

(1)本发明所述的催化剂是三氯化铝与酸性离子液体的复合，使催化剂的活性极大的提高；所述的催化剂三氯化铝，其周围形成离子液体的微环境，有效的防止了三氯化铝与水份的接触，防止三氯化铝遇水分解；所述催化剂是负载型催化剂，易于从反应体系中分离出来；

(2)本发明所述的噻吩与氯丙酰氯的傅克酰基化反应是在本体中进行的，没有使用溶剂，不用后处理，反应收率高。

四、附图说明

图1a和1b分别为γ-Al₂O₃载体和实施例1制得的负载型酸性离子液体催化剂的照片。

图2是实施例1制得的离子液体[EPy]HSO₄的IR谱图。

图3是实施例2中产物的气相色谱-质谱谱图，其中图3A为3-氯-1-(2-噻吩基)-1-丙酮的气相色谱图；图3B为3-氯-1-(2-噻吩基)-1-丙酮的质谱图；图3C为副产质谱图。

五、具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1：负载型酸性离子液体催化剂的制备

取158g吡啶和218g的溴乙烷，加入带有干燥管的圆底烧瓶中，然后将圆底烧瓶固定在超声波反应器中。在45kHz超声波的作用下，控制温度60℃，持续回流反应4h后得到溴代吡啶乙烷[EPy]Br粗产品，将粗产品在旋转蒸发仪上80℃进行旋转蒸发，得到370g白色产物[EPy]Br，然后取188g[EPy]Br于三口瓶中，将其降温至0℃，滴加98％浓硫酸100g，控制滴加速率，不使体系温度升高(≤0℃)，待硫酸滴加完了后，反应2h，在45kHz超声波的作用下，控制温度60℃反应10h，利用旋转蒸发仪在25℃、100Pa下旋转蒸发6h，得到280g酸性离子液体[EPy]HSO₄。

取210g酸性离子液体[EPy]HSO₄，加入90g无水三氯化铝，在45kHz超声波的作用下，控制温度50℃，超声波处理使三氯化铝完全溶解，加入γ-Al₂O₃载体5700g，浸渍2h后，在烘箱中105℃干燥12h，得到催化剂备用。

实施例2

将实施例1中制备的催化剂6.35g、127g(1mol)3-氯丙酰氯置于三口瓶中，降低反应温度为-5℃，滴加噻吩84g(1mol)于三口瓶中进行傅-克反应中，滴加噻吩的速率不使反应系统的温度升高，即控制温度在-5℃，噻吩滴加结束后反应保持温度不变，再反应10h，反应结束利用气相色谱仪分析反应产物的产率，产率为90％(采用气相色谱仪检测的条件：色谱柱，上海天美公司TM-1701(30m×0.53mm)毛细管色谱柱，柱温为120℃，气化室温度：250℃，用氢火焰离子化检测器FID)。

实施例3

取79g吡啶和137g的溴丁烷，加入带有干燥管的圆底烧瓶中，然后将圆底烧瓶固定在超声波反应器中。在45kHz超声波的作用下，控制温度80℃，持续回流反应10h后得到溴代吡啶丁烷[BPy]Br粗产品，将粗产品在100℃进行旋转蒸发，得到210g白色产物[BPy]Br，然后取108g[BPy]Br于三口瓶中，将其降温至-5℃，滴加98％浓硫酸50g，控制滴加速率，不使体系温度升高(≤-5℃)，待硫酸滴加完了后，再反应2h，在45kHz超声波的作用下，控制温度60℃反应12h，利用旋转蒸发仪在30℃、100Pa下旋转蒸发4h，得到150g酸性离子液体[BPy]HSO₄。

取130g酸性离子液体[BPy]HSO₄，加入15g无水三氯化铝，在45kHz超声波的作用下，控制温度60℃，超声波处理使三氯化铝完全溶解，加入γ-Al₂O₃载体1450g，浸渍3h后，在烘箱中105℃干燥14h，得到催化剂备用。

实施例4

将实施例3中制备的催化剂1.27g，127g(1mol)氯丙酰氯于三口瓶中，降低反应温度为-10℃，滴加噻吩84g(1mol)于三口瓶中进行傅-克反应中，滴加噻吩的速率不使反应系统的温度升高，即控制温度在-10℃，噻吩滴加结束后，保持温度不变，反应12h，反应结束利用气相色谱分析仪检测反应产物的产率，产率为93％(色谱条件同实施例2)。

实施例5

取79g吡啶和123g的溴丙烷，加入带有干燥管的圆底烧瓶中，然后将圆底烧瓶固定在超声波反应器中。在45kHz超声波的作用下，控制温度70℃，持续回流反应5h后得到溴代吡啶丙烷[PPy]Br粗产品，将粗产品在90℃进行旋转蒸发，得到200g白色产物[PPy]Br，然后取101g[PPy]Br于三口瓶中，将其降温至-7℃，滴加98％浓硫酸50g，控制滴加速率，不使体系温度升高(≤-7℃)，待硫酸滴加完了后反应2h，在45kHz超声波的作用下，控制温度70℃反应11h，利用旋转蒸发仪在30℃、100Pa下旋转蒸发5h，得到150g酸性离子液体[PPy]HSO₄。

取100g酸性离子液体[PPy]HSO₄，加入20g无水三氯化铝，在45kHz超声波的作用下，控制温度60℃，超声波处理到三氯化铝完全溶解，加入γ-Al₂O₃载体11880g，浸渍10h后，在烘箱中105℃，干燥12h，得到催化剂备用。

实施例6

将实施例5中制备的催化剂12.7g，127g(1mol)3-氯丙酰氯与三口瓶中，降低反应温度为-5℃，滴加噻吩84g(1mol)于三口瓶中进行傅-克反应中，滴加噻吩的速率不使反应系统的温度升高，即控制温度在0℃，噻吩滴加结束后反应保持温度不变，再反应10h，反应结束利用气相色谱分析反应产物的产率，产率为85％(色谱条件同实施例2)。

Claims (10)

1.一种负载型酸性离子液体催化剂，通过如下方法制备：将无水三氯化铝溶解在吡啶类酸性离子液体中，并将溶解了三氯化铝的吡啶类酸性离子液体负载在γ-Al₂O₃载体上，得到负载型酸性离子液体催化剂。

2.如权利要求1所述的负载型酸性离子液体催化剂，其特征在于：所述的吡啶类酸性离子液体的结构式如式(I)所示，其中R为乙基、丙基或丁基；

3.如权利要求1或2所述的负载型酸性离子液体催化剂，其特征在于：所述无水三氯化铝的加入质量为吡啶类酸性离子液体质量的10～30％。

4.如权利要求3所述的负载型酸性离子液体催化剂，其特征在于：所述无水三氯化铝的加入质量为吡啶类酸性离子液体质量的15～25％。

5.如权利要求1或2所述的负载型酸性离子液体催化剂，其特征在于：通过下述方法将溶解了三氯化铝的吡啶类酸性离子液体负载在γ-Al₂O₃上：在30～50℃，在溶解了三氯化铝的吡啶类酸性离子液体中浸渍γ-Al₂O₃载体2～3h，然后取出充分干燥，得到负载型酸性离子液体催化剂。

6.如权利要求1所述的负载型酸性离子液体催化剂在噻吩与3-氯丙酰氯的傅-克酰基化反应中的应用；所述噻吩与3-氯丙酰氯的傅-克酰基化反应的反应方程式如下所示：

7.如权利要求6所述的应用，其特征在于：所述的应用具体为：将3-氯丙酰氯加入到反应容器中，并加入负载型酸性离子液体催化剂，降低温度到0～-10℃，滴加噻吩，滴加过程中控制温度在0～-10℃，噻吩滴加结束后保持温度在0～-10℃范围内再反应10～12h，制得3-氯-1-(2-噻吩基)-1-丙酮。

8.如权利要求7所述的应用，其特征在于：所述3-氯丙酰氯与噻吩的投料摩尔比为1～1.2∶1；所述负载型酸性离子液体催化剂的加入质量为3-氯丙酰氯质量的1～10％。

9.如权利要求8所述的应用，其特征在于：所述负载型酸性离子液体催化剂的加入质量为3-氯丙酰氯质量的3～8％。

10.如权利要求7～9之一所述的应用，其特征在于：将3-氯丙酰氯加入到反应容器中，并加入负载型酸性离子液体催化剂，降低温度到0～-5℃，滴加噻吩，滴加过程中控制温度在0～-5℃，噻吩滴加结束后保持温度在0～-5℃范围内再反应10～12h，制得3-氯-1-(2-噻吩基)-1-丙酮。

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