一种1，2，4，5‑四取代咪唑衍生物的制备方法及其制备用催化剂

摘要

本发明公开了一种1，2，4，5‑四取代咪唑衍生物的制备方法及其制备用催化剂，属于离子液体催化技术领域。本发明的制备反应中苯偶酰、芳香醛、芳香胺和乙酸铵的摩尔比为1：1：1：1～1.2，离子液体催化剂的摩尔量是所用苯偶酰摩尔量的7～12％，以毫升计的反应溶剂乙醇水溶液的体积量为以毫摩尔计的苯偶酰摩尔量的6～8倍，回流反应时间为15～45min，反应结束后冷却至室温，抽滤，滤渣经乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到1，2，4，5‑四取代咪唑衍生物。本发明具有催化剂活性高、可生物降解，产品提纯简单、原料利用率高和整个制备过程操作简单方便等特点，便于工业化大规模应用。

说明书

技术领域

本发明属于离子液体催化技术领域，更具体地说，涉及一种1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的制备方法及其制备用高酸度离子液体催化剂。

背景技术

咪唑是一类重要的含氮五元杂环化合物，其重要性不在于其单体，而是其含多种取代基的衍生物。多取代咪唑类化合物主要包括三取代咪唑和四取代咪唑，大多具有强烈的生理性能，如抗真菌、抗凋亡、抗病毒、消炎、抗肿瘤等活性，在医疗及农业领域具有广泛的应用。另外，多取代咪唑类化合物，特别是四取代咪唑衍生物还具有优良的光学性能，从而被广泛应用于荧光、图像显示、光信息存储、化学传感器及光控开关等领域。

其中，多组分合成法是合成四取代咪唑衍生物最重要的方法，它是将三种或三种以上的原料“一锅法”加入反应中，不经过中间体的分离，直接获得结构中含有原料片断的终产物的合成方法。该方法通过一步即可构筑起基本的分子骨架或关键的中间体，较传统的分步合成法，显示出更高的原子经济性和选择性，因此在有机合成中应用越来越广泛。目前用于该反应的催化剂主要有NaH₂PO₄、KH₂PO₄、对甲苯磺酸等无机或有机布朗斯特酸。但采用这些传统的酸催化剂普遍存在反应时间长、产率不够高、有毒有害、后处理繁琐、环境污染严重等缺点。因此，开发一种绿色、高效、方便快捷地合成四取代咪唑衍生物的方法成为许多有机合成工作者普遍关注的问题。

离子液体是由一种含氮杂环的有机阳离子和一种无机或有机阴离子组成的液态盐类，在有机合成中，它与传统的有机溶剂相比，具有不挥发、溶解能力强、不易燃、可以为反应提供一个全离子环境等特点，近年来离子液体作为溶剂在有机合成中得到了广泛的应用。作为离子液体中的一种功能化离子液体，酸性离子液体由于其具有较好的热稳定性、分布均匀的酸性位点及易与产物分离回收等优点而作为催化剂被运用到苯偶酰、芳香醛、芳香胺与乙酸铵制备1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的四组分合成反应中。

比如Hamid Reza Shaterian等首先以含有HSO₄^—的硫酸氢化2-哌啶鎓盐离子液体作为催化剂，无溶剂条件100℃下可以高效地催化苯偶酰、芳香醛、芳香胺与乙酸铵发生多组分合成反应制备出一系列的1，2，4，5-四取代咪唑衍生物，该方法具有较高的反应产率和催化剂可以循环使用7次等特点(An>

但由于上述离子液体的酸度相对较低，催化剂在制备过程中的使用量非常大，其摩尔用量占苯偶酰使用量的40％。为了提高酸性离子液体的酸度进而降低使用量，该课题组采用含有一个-SO₃H的离子液体作为催化剂，实验结果发现：在催化剂摩尔用量仅为苯偶酰使用量20％的情况下，其相应产物的收率相差不大(Synthesis>3H和HSO₄-的咪唑型离子液体作为催化剂，在无溶剂140℃条件下可以高效地催化制备出一系列的1，2，4，5-四取代咪唑衍生物，催化剂的摩尔用量仅为苯偶酰使用量的15％(Green，one-pot，solvent-free>

但上述方法中所采用的均是含有环状结构(哌啶环或咪唑环或苯环)的催化剂，生物可降解性较差，不易通过生物处理工艺或生物自净作用进行降解。此外，大量含有磷的离子液体进入水中后还会带来水体富营养化，进而影响水中动植物的生长。虽然上述制备方法的催化收率较高且没有采用可挥发性有机化合物作为反应溶剂，但是其整个反应的后处理过程也比较复杂，其中包括对产品1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的水洗涤、乙醇重结晶等提纯操作。再者，离子液体催化剂在循环使用前还需要进行除水处理，这些复杂的过程也带来了原料循环使用率较低、耗能较高的缺点，从而导致在工业化生产中难以被大规模使用。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中利用离子液体催化制备1，2，4，5-四取代咪唑衍生物时存在离子液体催化剂制备价格较高、不易生物降解，原料利用率低、反应温度高、产物提纯过程复杂以及催化剂循环使用前需要进行处理等缺点的不足，提供了一种1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的制备方法及其制备用催化剂。采用本发明的方法来制备1，2，4，5-四取代咪唑衍生物时，原料利用率较高、产物提纯简便，催化剂的催化效率高，易生物降解，且催化剂的循环使用次数较多，在循环使用前还无需进行任何处理，便于大规模工业推广。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种1，2，4，5-四取代咪唑衍生物制备用催化剂，该催化剂为酸性离子液体催化剂，其结构式为：

本发明的一种1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的制备方法，该方法是以苯偶酰、芳香醛、芳香胺和乙酸铵为反应原料，在酸性离子液体催化剂的催化作用下来制备1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的，其化学反应方程式为：

上式中，物质I为苯偶酰，物质II为芳香醛，物质III为芳香胺，物质IV为乙酸铵，物质V即为本发明制备的1，2，4，5-四取代咪唑衍生物。该制备方法的具体步骤为：

(1)原料称量：将反应原料苯偶酰、芳香醛、芳香胺和乙酸铵按照摩尔比为1:1:1:(1～1.2)进行准确称量；

(2)催化制备：将称好的反应原料分别加入到乙醇水溶液中，经充分溶解并混合均匀后向其中继续加入苯偶酰摩尔量7～12％的酸性离子液体催化剂，于搅拌条件下进行加热回流反应，得到固体析出物，上述以毫升计的乙醇水溶液的体积量为以毫摩尔计的苯偶酰摩尔量的6～8倍，且回流反应的反应压力为一个大气压，回流反应时间为15～45min；

(3)产物的提取：反应结束后冷却至室温，将得到的固体析出物冷却至室温后先进行碾碎，然后进行静置、抽滤操作，其滤渣经洗涤、真空干燥后即得到本发明的1，2，4，5-四取代咪唑衍生物。

更进一步的，所述酸性离子液体催化剂的结构式为：

更进一步的，所述的芳香醛为苯甲醛、对氯苯甲醛、对硝基苯甲醛、间硝基苯甲醛、对甲基苯甲醛、对甲氧基苯甲醛、对溴苯甲醛、间羟基苯甲醛、对羟基苯甲醛中的任一种。

更进一步的，所述的芳香胺为苯胺、苯甲胺、对氯苯胺、对甲基苯胺中的任一种。

更进一步的，所述步骤(2)中乙醇水溶液所含乙醇的体积百分比浓度为95～97％。

更进一步的，所述步骤(2)中乙醇水溶液所含乙醇的体积百分比浓度为97％。

更进一步的，所述步骤(3)中采用体积比浓度为97％的乙醇水溶液对滤渣进行洗涤。

更进一步的，经步骤(3)抽滤后的滤液中含有的酸性离子液体催化剂及少量未反应完的原料可不经处理重复使用至少6次。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的制备方法，发明人通过大量理论分析及实验研究最终选择本发明的酸性离子液体催化剂来催化制备1，2，4，5-四取代咪唑衍生物，并对各组分的含量及反应工艺参数进行优化设计，从而可以使催化剂的催化活性得到最好的发挥，催化剂的催化活性较高，显著提高了反应原料的利用率，原子经济性较好，且同时还可以显著提高1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的合成率及其合成的纯度，减少副反应及杂质的产生，保证1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的质量及性能满足使用要求。

(2)本发明的一种1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的制备方法，抽滤后所得滤液中所含酸性离子液体催化剂及反应溶剂可不经任何处理直接进行循环使用，催化剂在循环使用过程中流失损耗较少，循环使用次数较多，且其可生物降解性较好，易于通过生物处理工艺或生物自净作用进行降解，大大降低了对环境的影响。

(3)本发明的一种1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的制备方法，是于搅拌条件下使反应原料进行加热回流反应，其回流反应的反应压力为一个大气压，回流反应时间为15～45min，其反应条件比较温和，反应温度较低，便于实际操作，且产物的提纯过程简单，从而便于工业化推广生产。

附图说明

图1为本发明的一种1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的制备方法的工艺流程图；

图2为使用本发明的高酸度离子液体催化剂在催化制备1，2-双(4-氯苯基)-4，5-二苯基-1H-咪唑反应中循环使用时的产物收率变化图；

图3为使用本发明的高酸度离子液体催化剂在催化制备2-(3-硝基苯基)-4，5-二苯基-1-(4-甲基苯基)-1H-咪唑反应中循环使用时的产物收率变化图；

图4为使用本发明的高酸度离子液体催化剂在催化制备1-苯甲基-4，5-二苯基-2-(4-溴)-1H-咪唑反应中循环使用时的产物收率变化图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，现结合附图和实施例对本发明作详细描述。

本发明的一种1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的制备方法，该方法是以苯偶酰、芳香醛、芳香胺和乙酸铵为反应原料，在酸性离子液体催化剂的催化作用下来制备1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的，其化学反应方程式为：

上式中，物质I为苯偶酰，物质II为芳香醛，物质III为芳香胺，物质IV为乙酸铵，物质V即为本发明制备的1，2，4，5-四取代咪唑衍生物。其中，所述的芳香醛为苯甲醛、对氯苯甲醛、对硝基苯甲醛、间硝基苯甲醛、对甲基苯甲醛、对甲氧基苯甲醛、对溴苯甲醛、间羟基苯甲醛、对羟基苯甲醛中的任一种，所述的芳香胺为苯胺、苯甲胺、对氯苯胺、对甲基苯胺中的任一种(值得说明的是，由于篇幅有限，具体实施例中只列举了其中几种，不再进行一一列举)。该反应中酸性离子液体催化剂的结构式为：

本发明的1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的制备方法的具体步骤为：

(1)原料称量：将反应原料苯偶酰、芳香醛、芳香胺和乙酸铵按照摩尔比为1:1:1:(1～1.2)进行准确称量。

(2)催化制备：将称好的反应原料分别加入到乙醇水溶液中，经充分溶解并混合均匀后向其中继续加入苯偶酰摩尔量7～12％的酸性离子液体催化剂，于搅拌条件下进行加热回流反应，得到固体析出物，上述以毫升计的乙醇水溶液的体积量为以毫摩尔计的苯偶酰摩尔量的6～8倍，该乙醇水溶液所含乙醇的体积百分比浓度为95～97％，且回流反应的反应压力为一个大气压，回流反应时间为15～45min。

本发明所使用的酸性离子液体催化剂的制备方法，参考相关材料(Novel multiple-acidic ionic liquids:green and efficient catalysts for the synthesis of bis-indolylmethanes under solvent-free conditions[J],Journal of Industrial&Engineering Chemistry，2015，24：127～131)。

就我们所知，催化剂的种类及反应工艺参数等对最终制备所得物质的质量及性能均会产生较大的影响，而由于不同物质的性质均有所不同，因此其对催化剂种类及反应工艺参数的要求就有所不同，如何寻找适合于制备1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的催化剂是困扰发明人最大的问题。发明人根据1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的性质，通过大量理论分析及实验研究最终选择本发明的酸性离子液体催化剂来催化制备1，2，4，5-四取代咪唑衍生物，并对各组分的含量及反应工艺参数进行优化设计，从而可以使催化剂的催化活性得到最好的发挥，催化剂的催化活性较高，显著提高了反应原料的利用率，原子经济性较好，且同时还可以显著提高1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的合成率及其合成的纯度，减少副反应及杂质的产生，保证1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的质量及性能满足使用要求。

本发明还通过选用乙醇水溶液作为反应溶剂，并对其使用量及乙醇水溶液中乙醇的体积比浓度进行优化设计，从而可以对反应原料进行充分溶解，有利于提高其反应效率，且发明人通过大量实验发现，当乙醇水溶液所含乙醇的体积比浓度为97％时，反应原料的溶解最充分，最终所得1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的收率最高。

(3)产物的提取：反应结束后冷却至室温，将得到的固体析出物冷却至室温后先进行碾碎，然后进行静置、抽滤操作，其滤渣经体积比浓度为97％的乙醇水溶液洗涤并真空干燥后即得到本发明的1，2，4，5-四取代咪唑衍生物。本发明的反应条件比较温和，便于实际操作，且产物的提纯过程简单，从而便于工业化推广生产。

值得说明的是，本发明中经上述抽滤所得滤液中含有的酸性离子液体催化剂及反应溶剂可不经任何处理直接进行循环使用，催化剂在循环使用过程中流失损耗较少，循环使用次数较多，可不经处理重复使用至少6次，且其可生物降解性较好，易于通过生物处理工艺或生物自净作用进行降解，大大降低了对环境的影响。

本发明的实质特点和显著效果可以从下述的实施例中得以体现，但它们并不对本发明作任何限制，本领域的技术人员根据本发明的内容做出一些非本质的改进和调整，均属于本发明的保护范围。下面通过具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中实施例中反应产物的测试表征使用的是德国Bruker公司的型号为AVANCE 300MHz的核磁共振仪；红外光谱测试表征采用的是德国Bruker公司的型号为Bruker tensor 37 FT-IR红外光谱仪(KBr压片)；反应产物的熔点采用毛细管法测定。

实施例1

将1mmol苯偶酰、1mmol对氯苯甲醛、1mmol对氯苯胺、1mmol乙酸铵和0.08mmol离子液体催化剂分别加入到盛有8ml 97％乙醇水溶液的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应15min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置，抽滤，滤渣经97％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到1，2-双(4-氯苯基)-4，5-二苯基-1H-咪唑，收率为96％，收集的滤液中直接加入苯偶酰、对氯苯甲醛、对氯苯胺和乙酸铵后进行重复使用。

本实施例所得1，2-双(4-氯苯基)-4，5-二苯基-1H-咪唑：m.p.187～189℃；IR(KBr)：1597，1495，1409cm^-1；¹H>6)：δ＝6.89～7.65(m，18H，ArH)

实施例2

将1mmol苯偶酰、1mmol苯甲醛、1mmol苯甲胺、1.2mmol乙酸铵和0.10mmol离子液体分别加入到盛有6ml 97％乙醇水溶液的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应32min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置，抽滤，滤渣经97％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到1-苯甲基-4，5-二苯基-2-苯基-1H-咪唑，收率为88％，收集的滤液中直接加入苯偶酰、苯甲醛、苯甲胺和乙酸铵后进行重复使用。

本实施例所得1-苯甲基-4，5-二苯基-2-苯基-1H-咪唑的性能参数如下：m.p.163～165℃；IR(KBr)：1596，1493，1471，1412cm^-1；¹H>6)：δ＝5.07(s，2H，CH₂)，6.69～7.60(m，20H，ArH)。

实施例3

将1mmol苯偶酰、1mmol对硝基苯甲醛、1mmol对甲基苯胺、1.1mmol乙酸铵和0.09mmol离子液体分别加入到盛有7ml 97％乙醇水溶液的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应24min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置，抽滤，滤渣经97％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到2-(4-硝基苯基)-4，5-二苯基-1-(4-甲基苯基)-1H-咪唑，收率为92％，收集的滤液中直接加入苯偶酰、对硝基苯甲醛、对甲基苯胺和乙酸铵后进行重复使用。

本实施例所得2-(4-硝基苯基)-4，5-二苯基-1-(4-甲基苯基)-1H-咪唑的性能参数如下：m.p.222～224℃；IR(KBr)：1589，1503，1332cm^-1；¹H>6)：δ＝2.17(s，3H，CH₃)，7.15～7.51(m，18H，ArH)。

实施例4

将1mmol苯偶酰、1mmol间硝基苯甲醛、1mmol对甲基苯胺、1.2mmol乙酸铵和0.11mmol离子液体分别加入到盛有7ml 97％乙醇水溶液的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应31min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置，抽滤，滤渣经97％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到2-(3-硝基苯基)-4，5-二苯基-1-(4-甲基苯基)-1H-咪唑，收率为90％，收集的滤液中直接加入苯偶酰、间硝基苯甲醛、对甲基苯胺和乙酸铵后进行重复使用。

本实施例所得2-(3-硝基苯基)-4，5-二苯基-1-(4-甲基苯基)-1H-咪唑的性能参数如下：m.p.149～151℃；IR(KBr)：1597，1494，1410cm^-1；¹H>6)：δ＝2.27(s，3H，CH₃)，7.13～8.93(m，18H，ArH)。

实施例5

将1mmol苯偶酰、1mmol对甲基苯甲醛、1mmol苯甲胺、1.2mmol乙酸铵和0.11mmol离子液体分别加入到盛有7ml 97％乙醇水溶液的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应29min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置，抽滤，滤渣经97％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到1-苯甲基-4，5-二苯基-2-(4-甲基)-1H-咪唑，收率为92％，收集的滤液中直接加入苯偶酰、对甲基苯甲醛、苯甲胺和乙酸铵后进行重复使用。

本实施例所得1-苯甲基-4，5-二苯基-2-(4-甲基)-1H-咪唑的性能参数如下：m.p.164～166℃；IR(KBr)：1602，1496，1449cm^-1；¹H>6)：δ＝2.31(s，3H，CH₃)，5.12(s，2H，CH₂)，6.73～7.54(m，19H，ArH)。

实施例6

将1mmol苯偶酰、1mmol对溴苯甲醛、1mmol苯甲胺、1.2mmol乙酸铵和0.12mmol离子液体分别加入到盛有8ml 97％乙醇水溶液的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应27min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置，抽滤，滤渣经97％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到1-苯甲基-4，5-二苯基-2-(4-溴)-1H-咪唑，收率为88％，收集的滤液中直接加入苯偶酰、对溴苯甲醛、苯甲胺和乙酸铵后进行重复使用。

本实施例所得1-苯甲基-4，5-二苯基-2-(4-溴)-1H-咪唑的性能参数如下：m.p.170～172℃；IR(KBr)：1592，1476，1415cm^-1；¹H>6)：δ＝5.13(s，2H，CH₂)，6.77～7.51(m，19H，ArH)。

实施例7

将1mmol苯偶酰、1mmol间羟基苯甲醛、1mmol对甲基苯胺、1.2mmol乙酸铵和0.12mmol离子液体分别加入到盛有8ml 97％乙醇水溶液的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应45min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置，抽滤，滤渣经97％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到2-(3-羟基苯基)-4，5-二苯基-1-(4-甲基苯基)-1H-咪唑，收率为90％，收集的滤液中直接加入苯偶酰、间羟基苯甲醛、对甲基苯胺和乙酸铵后进行重复使用。

本实施例所得2-(3-羟基苯基)-4，5-二苯基-1-(4-甲基苯基)-1H-咪唑的性能参数如下：m.p.229～231℃；IR(KBr)：1601，1562，1484，1403cm^-1；¹H>6)：δ＝2.29(s，3H，CH₃)，6.50～7.47(m，18H，ArH)，8.98(s，1H，OH)。

实施例8

将1mmol苯偶酰、1mmol对氯苯甲醛、1mmol苯胺、1mmol乙酸铵和0.07mmol离子液体催化剂分别加入到盛有8ml 95％乙醇水溶液的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应15min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置，抽滤，滤渣经97％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到1，2-双(4-氯苯基)-4，5-二苯基-1H-咪唑，收率为94％，收集的滤液中直接加入苯偶酰、对氯苯甲醛、苯胺和乙酸铵后进行重复使用。

实施例9

将1mmol苯偶酰、1mmol苯甲醛、1mmol苯甲胺、1.2mmol乙酸铵和0.10mmol离子液体分别加入到盛有6ml 96％乙醇水溶液的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应32min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置，抽滤，滤渣经97％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到1-苯甲基-4，5-二苯基-2-苯基-1H-咪唑，收率为86％，收集的滤液中直接加入苯偶酰、苯甲醛、苯甲胺和乙酸铵后进行重复使用。

实施例10

以实施例1为探针反应，作反应催化剂离子液体的活性重复性试验，离子液体重复使用6次，产物1，2-双(4-氯苯基)-4，5-二苯基-1H-咪唑的收率变化见图2。

实施例11

以实施例4为探针反应，作反应催化剂离子液体的活性重复性试验，离子液体重复使用6次，产物2-(3-硝基苯基)-4，5-二苯基-1-(4-甲基苯基)-1H-咪唑的收率变化见图3。

实施例12

以实施例6为探针反应，作反应催化剂离子液体的活性重复性试验，离子液体重复使用6次，产物1-苯甲基-4，5-二苯基-2-(4-溴)-1H-咪唑的收率变化见图4。

由图2、3和4可以看出：催化剂离子液体在循环使用催化制备1，2-双(4-氯苯基)-4，5-二苯基-1H-咪唑、2-(3-硝基苯基)-4，5-二苯基-1-(4-甲基苯基)-1H-咪唑和1-苯甲基-4，5-二苯基-2-(4-溴)-1H-咪唑的过程中收率稍有降低，但降低幅度均比较小。因此，可以推断出该催化剂离子液体在催化制备1，2，4，5-四取代咪唑衍生物的过程中可以被循环使用，其催化活性未有明显降低。