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一种咪唑类离子液体及其合成方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种咪唑类离子液体1‑烯丙基‑3‑乙烯基咪唑醋酸盐的合成方法,先以N‑乙烯基咪唑与烯丙基氯进行一步法反应,得到离子液体中间体1‑烯丙基‑3‑乙烯基咪唑氯盐,然后用这个中间体与乙酸钾进行阴离子交换得到1‑烯丙基‑3‑乙烯基咪唑醋酸盐([AVIM][OAc])。本发明的离子液体1‑烯丙基‑3‑乙烯基咪唑醋酸盐可作为溶剂,可用于淀粉以及纤维素等生物大分子的溶解。

Description

一种咪唑类离子液体及其合成方法和应用
技术领域
本发明属于有机化学制备领域,尤其涉及一种咪唑类离子液体1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸盐及其合成和应用。
背景技术
离子液体是一种熔点低于100℃的有机盐。它们由有机阳离子和较小的有机或无机阴离子组成,近年来在学术界和工业界引起了人们的兴趣。由于其独特的性质,如耐燃性、不挥发性、离子导电性、催化活性、热稳定性、化学以及电化学稳定性和可以回收再利用性,在最近的十几年中引起了很大的兴趣,离子液体被称为“绿色溶剂”。为了溶解各种宽范围极性的溶质,并与其他溶剂显示不同的兼容性,可以通过改变阳离子和阴离子的化学结构来改变离子液体的性质。根据离子的不同,他们可能表现出亲水性或疏水性。
近几年来,离子液体作用淀粉,纤维素等碳水化合物的研究,引起了学者很大的科研兴趣。但是天然淀粉和纤维素在水和一般溶剂中不溶,所以在很大程度上限制了淀粉和纤维素的应用,需要一种溶剂来溶解淀粉和纤维素。目前应用于淀粉和纤维素的溶剂有:NaOH水溶液,N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO),二甲基亚砜(DMSO),离子液体。相比较而言,离子液体被作为一种新兴的绿色无毒溶剂,越来越多受到研究者关注。但离子液体可用于淀粉以及纤维素的溶解等领域,目前尚未见报道。
发明内容
本发明合成了一种咪唑类离子液体,即1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸盐,缩写式为[AVIM][OAc],提供了它的制备合成方法。
一、本发明合成的[AVIM][OAc],其化学结构式如下:
二、[AVIM][OAc]的制备
[AVIM][OAc]的制备方法,是先以N-乙烯基咪唑与烯丙基氯进行一步法反应,得到离子液体中间体1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐,然后用这个中间体与乙酸钾进行阴离子交换得到[AVIM][OAc]。
其具体合成包括以下工艺步骤:
1. 1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐缩写式为[AVIM][Cl]的合成
在装有冷凝管的三口在圆底烧瓶中,添加N-乙烯基咪唑与烯丙基氯以及乙腈,在氮气保护和机械搅拌的条件下,55-85℃,反应12-36h,然后通过旋转蒸发除去过量的烯丙基氯,用乙酸乙酯萃取未反应的N-乙烯基咪唑,最后在真空干燥箱里干燥24-96h即得1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐。其反应方式如下:
优选的N-乙烯基咪唑与烯丙基氯反应的摩尔比是1:1-1:3,乙腈完全溶解N-乙烯基咪唑和烯丙基氯。
2. 1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸盐缩写式为[AVIM][OAc]的合成
将已制备的1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐与乙酸钾以及异丙醇加入到圆底烧瓶中,伴随着机械搅拌,在室温下反应25-72h,真空抽滤除去过量的乙酸钾和反应生成的氯化钾,旋转蒸发除去过量的异丙醇,然后用丙酮复溶,取丙酮相,旋蒸除去丙酮,在真空干燥箱里干燥24-96h即得[AVIM][OAc]。
其反应方程式如下:
优选的,1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐与乙酸钾的反应摩尔比为1:1-1:5,异丙醇完全溶解1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐和乙酸钾。
本发明的优点是:本发明的咪唑类离子液体1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸盐用于溶解生物大分子,具有很好的溶解性:在水和[AVIM][OAc]摩尔比为4:1的混合溶液中,淀粉可以在室温下快速溶解,溶解度为25%(w/v);纤维素可以在纯[AVIM][OAc]中80℃溶解,溶解度为5%(w/v)。本离子液体采用两步法合成,合成的杂质少,易纯化。
附图说明
图1为本发明离子液体的核磁图谱氢谱
图2为本发明离子液体的核磁图谱碳谱
图3为本发明离子液体的毛细管电泳曲线
图4为本发明离子液体的红外图谱曲线
图5为普通玉米淀粉静置在不同摩尔比例的水/[AVIM][OAc]混合溶液1h图(a:0min,b:60min)
图6为纤维素在[AVIM][OAc]中80℃水浴2h偏光显微镜图(a1:明场下原纤维素,a2:偏光下原纤维素,b1:明场下[AVIM][OAc]溶解后的纤维素,b2:偏光下[AVIM][OAc]溶解后的纤维素)
具体实施方式
实施例1
1.[AVIM]Cl的合成。添加1molN-乙烯基咪唑和1.5mol烯丙基氯,同时加入230mL乙腈到一个三口的圆底烧瓶中,伴随着机械搅拌和循环冷凝水。这个反应是在氮气的保护下,70℃,24h。然后通过旋转蒸发除去反应中过量的烯丙基氯,用乙酸乙酯萃取未反应的N-乙烯基咪唑。最后在真空干燥箱里干燥48h得到具有粘性的琥珀色离子液体[AVIM]Cl。
2.[AVIM][OAc]的合成。用得到1mol1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐和2mol乙酸钾,同时加入340mL异丙醇加入到圆底烧瓶中,机械搅拌,在室温下反应36h。然后通过真空抽滤除去过量的乙酸钾和反应生成的氯化钾,再通过旋转蒸发除去过量的异丙醇,然后用丙酮复溶,取丙酮相,再旋蒸掉丙酮,最后在真空干燥箱里干燥48h得到具有粘性的琥珀色离子液体[AVIM][OAc]。
实施例2
1、按照实施例1方法制备的[AVIM][OAc]的核磁表征如下
1H NMR(400MHz,DMSO)δ10.38(s,1H),8.28(s,1H),7.88(s,1H),7.41(dd,J=15.7,8.8Hz,1H),6.19–5.96(m,2H),5.35(ddd,J=12.5,9.9,1.7Hz,3H),4.91(d,J=6.0Hz,2H),1.57(s,3H)ppm.
13C NMR:(400MHz,D2O-d2)δ:134.54,130.09,128.30,123.11,122.00,119.63,109.62,51.98。[AVIM][OAc]的核磁表征图谱见说明书附图1,2。
2、按照实施例1方法制备的[AVIM][OAc]的毛细管电泳分析(醋酸根的含量:98.79%)
[AVIM][OAc]的醋酸根离子毛细管电泳曲线见说明书附图3
3、按照实施例1方法制备的[AVIM][OAc]的红外图谱分析
通过红外图谱(附图4)可以看到离子液体的特征峰。3086.9cm-1代表着咪唑环上N=C-H上的C-H的伸缩振动,1651.6cm-1代表着C=C的伸缩振动,1575.2cm-1代表着C-C和咪唑环上C=N的面内伸缩振动,1575.2cm-1和1393.9cm-1代表着醋酸根的伸缩振动,1175.1cm-1代表着咪唑环上C-N的伸展运动,956.0cm-1代表着咪唑环的伸缩振动,2968.6cm-1代表着醋酸根上甲基的C-H伸缩振动,且在红外图谱上没有看到新的峰出现,说明离子液体对纤维素的溶解,没有产生衍生化反应。
实施例3
按照实施例1方法制备的新离子液体[AVIM][OAc]应用于生物大分子的溶解
1.[AVIM][OAc]应用于淀粉的溶解
将水和[AVIM][OAc]配成摩尔比为8/1,6/1,4/1,2/1,1/1以及纯的离子液体等不同的混合溶液。水和[AVIM][OAc]的混合溶液与玉米淀粉按照3/1(V/W)的比例混合,28℃溶解1h见附图5。纯的离子液体中玉米淀粉溶解90%以上。从图5可以看出,在a和b两张图片中,最大的区别在于水和[AVIM][OAc]摩尔比为4/1这个比例,室温条件下能将淀粉完全溶解,而其他比例却能看见纤维素的白色沉淀。说明离子液体在水和[AVIM][OAc]摩尔比为4/1时,能够很好地溶解淀粉,要优于其他的摩尔比例。
2.[AVIM][OAc]应用于纤维素的溶解
在可密封的玻璃瓶中加入离子液体[AVIM][OAc],80℃和搅拌的条件下添加适量的纤维素进行溶解,在溶解过程中取少量液体转移至载玻片上,并立刻盖上盖玻片。分别在自然光和偏振光下观察微晶纤维素的形态直至完全消失,以此确定纤维素在离子液体中的溶解度5%(W/V)见附图6。从图6中可以看出,a1和a2分别是原纤维素在偏光显微镜的明场和暗场下的结构状态,b1和b2分别是纤维素在离子液体中进行80℃水浴处理2h后,在偏光显微镜的明场和暗场下的结构状态。相对于原纤维素而言,处理过的纤维素无论是在偏光显微镜的明场还是暗场,都看不到有纤维素结构的残留,说明离子液体将纤维素完全溶解。
实施例4
1.[AVIM]Cl的合成。添加1molN-乙烯基咪唑和1.2mol烯丙基氯,同时添加220mL乙腈到一个三口的圆底烧瓶中,伴随着机械搅拌和循环冷凝水。这个反应是在氮气的保护下,75℃,24h。然后通过旋转蒸发除去反应中过量的烯丙基氯,用乙酸乙酯萃取未反应的N-乙烯基咪唑。最后在真空干燥箱里干燥48h得到具有粘性的琥珀色离子液体[AVIM]Cl。
2.[AVIM][OAc]的合成。添加得到的1mol1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐和3mol乙酸钾,同时添加330mL异丙醇到圆底烧瓶中,机械搅拌,在室温下反应36h。然后通过真空抽滤除去过量的乙酸钾和反应生成的氯化钾,再通过旋转蒸发除去过量的异丙醇,然后用丙酮复溶,取丙酮相,再旋蒸掉丙酮,最后在真空干燥箱里干燥48h得到具有粘性的琥珀色离子液体[AVIM][OAc]。
实施例5
1.[AVIM]Cl的合成。添加1molN-乙烯基咪唑、2mol烯丙基氯和250mL乙腈到一个三口的圆底烧瓶中,伴随着机械搅拌和循环冷凝水。这个反应是在氮气的保护下,80℃,36h。然后通过旋转蒸发除去反应中过量的烯丙基氯,用乙酸乙酯萃取未反应的N-乙烯基咪唑。最后在真空干燥箱里干燥72h得到具有粘性的琥珀色离子液体[AVIM]Cl。
2.[AVIM][OAc]的合成。添加得到的1mol1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐,和4mol乙酸钾,同时添加350mL异丙醇加入到圆底烧瓶中,机械搅拌,在室温下反应48h。然后通过真空抽滤除去过量的乙酸钾和反应生成的氯化钾,再通过旋转蒸发除去过量的异丙醇,然后用丙酮复溶,取丙酮相,再旋蒸掉丙酮,最后在真空干燥箱里干燥72h得到具有粘性的琥珀色离子液体[AVIM][OAc]。

Claims (8)

1.一种咪唑类离子液体,即1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸盐,缩写式为[AVIM][OAc],其化学结构式如下:
2.如权利要求1所述的一种咪唑类离子液体的合成方法,其特征在于,先以N-乙烯基咪唑与烯丙基氯进行一步法反应,得到离子液体中间体1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐,然后用这个中间体与乙酸钾进行阴离子交换得到[AVIM][OAc]。
3.如权利要求2所述的一种咪唑类离子液体的合成方法,其特征在于,1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐的合成方法为:
在装有冷凝管的三口在圆底烧瓶中,添加N-乙烯基咪唑与烯丙基氯以及乙腈,在氮气保护和机械搅拌的条件下,55-85℃,反应12-36h,然后通过旋转蒸发除去过量的烯丙基氯,用乙酸乙酯萃取未反应的N-乙烯基咪唑,最后在真空干燥箱里干燥24-96h即得1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐。
4.如权利要求3所述的一种咪唑类离子液体的合成方法,其特征在于,N-乙烯基咪唑与烯丙基氯反应的摩尔比是1:1-1:3。
5.如权利要求2所述的一种咪唑类离子液体的合成方法,其特征在于,中间体1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐与乙酸钾进行阴离子交换的方法为:
将已制备的1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐与乙酸钾以及异丙醇加入到圆底烧瓶中,伴随着机械搅拌,在室温下反应25-72h,真空抽滤除去过量的乙酸钾和反应生成的氯化钾,旋转蒸发除去过量的异丙醇,然后用丙酮复溶,取丙酮相,旋蒸除去丙酮,在真空干燥箱里干燥24-96h即得[AVIM][OAc]。
6.如权利要求5所述的一种咪唑类离子液体的合成方法,其特征在于,1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐与乙酸钾的反应摩尔比为1:1-1:5。
7.如权利要求1所述的咪唑类离子液体的应用,其特征在于,作为溶剂溶解生物大分子。
8.如权利要求7所述的应用,其特征在于,所述的生物大分子是淀粉和纤维素及其衍生物。
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