本發明涉及離子液體制備領域，尤其涉及一種氨基酸酯陽離子型手性離子液體及其制備方法。
背景技術：
離子液體是由有機陽離子與有機陰離子或無機陰離子構成的、在室溫或接近室溫溫度下呈液體狀態的鹽類。離子液體具有優良的物理化學性質，如具有蒸汽壓低、揮發性小、導電性好、極性強、電化學窗口寬、熱穩定性高，以及對大量無機和有機物質具有較好的溶解性和催化性能，且離子液體具有可修飾/調變的陰陽離子結構，且還可以循環使用，因此被認為是替代常用揮發性有機溶劑的新型綠色溶劑，在化學化工領域得到了廣泛應用。
隨著離子液體設計合成技術的不斷發展，近年來一些學者開始研究在離子液體中設計引入手性中心，以拓展離子液體的研究領域和應用范圍。手性離子液體綜合了離子液體與手性物質的優點和特性，可應用于手性識別、不對稱合成、對映體拆分、立體選擇聚合、氣相色譜、NMR位移試劑和液晶等領域。因此，發展手性離子液體在手性合成領域具有重要的現實意義。
目前，在手性離子液體的合成及其應用研究方面已有不少報道，如以α-蒎烯、薄荷醇、麻黃堿等作為手性源合成了一系列手性離子液體。氨基酸是一類天然的手性源，將氨基酸作為手性源合成手性離子液體原料易得，大大降低了合成手性離子液體的成本。近年來，以氨基酸作為手性源合成離子液體的報道逐漸增多，如2002年12月11日公開的中國專利文獻CN1383920A中公開一種L-氨基酸硫酸鹽型手性離子液體及其制備方法、2002年12月11日公開的中國專利文獻CN1383921A中公開了一種L-氨基酸硫酸氫鹽型手性離子液體及其制備方法、2015年6月10日公開的中國專利文獻CN104693054A中公開了另一種L-氨基酸硫酸鹽型手性離子液體及其制備方法、2005年6月1日公開的中國專利文獻CN1621152A中公開了一種氨基酸酯陽離子的離子液體及制備方法。這些公開的專利文獻豐富了氨基酸手性離子液體的種類，為離子液體的應用提供了有益探索。但上述專利文獻描述的氨基酸手性離子液體的制備方法粗糙，氨基酸陽離子結構簡單(結構中存在羧基、氨基)，這極大限制了其使用范圍。
技術實現要素：
鑒于背景技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種氨基酸酯陽離子型手性離子液體及其制備方法，所述氨基酸酯陽離子型手性離子液體的手性位在氨基酸陽離子上，氨基上連接有大體積基團，立體選擇性更強，具有結構多樣性和可設計性。
為了達到上述目的，在本發明的一方面，本發明提供了一種氨基酸酯陽離子型手性離子液體，其結構式如下。其中，R為α-氨基酸的可變基團；R′為碳原子數為1～3的烷基；X-為BF4-、PF6-、HSO4-中的一種。
在本發明的另一方面，本發明提供了一種氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法，用于制備本發明一方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體，包括步驟：(1)在-5℃以下，將氯化亞砜滴加到無水R′-OH中進行反應，之后升溫至室溫后加入α-氨基酸，并在50℃～80℃下進行反應，之后除去雜質，得到氨基酸酯鹽酸鹽；(2)將氨基酸酯鹽酸鹽溶解在去離子水中，用堿液調整pH＝5～6，之后經分離提純得到氨基酸酯；(3)將氨基酸酯置于三頸燒瓶中，通入氮氣保護，升溫到50℃～60℃，加入醇類溶劑和苯甲醛的混合液進行反應，反應結束后除去雜質，得到氨基酸酯希夫堿；(4)將氨基酸酯希夫堿溶于醇類溶劑中，在0℃以下加入硼氫化鈉，加完后升溫至室溫進行反應，之后加去離子水淬滅，用酸溶液調整pH＝6～7，經分離提純后得到氨基酸酯仲胺中間體；(5)向氨基酸酯仲胺中間體中加入醇類溶劑和溴代正丁烷的混合溶液，升溫至50℃～65℃進行反應，反應結束后除去雜質，得到氨基酸酯溴化鹽；(6)將氨基酸酯溴化鹽與Me-X混合后，加入去離子水或丙酮進行反應，Me選自Na或K，反應結束后除去雜質，即得到氨基酸酯陽離子型手性離子液體。
相對于現有技術，本發明的有益效果為：
(1)本發明的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的手性位在氨基酸陽離子上，氨基上連接有大體積基團，立體選擇性更強，具有結構多樣性和可設計性。
(2)本發明的氨基酸酯陽離子型手性離子液體既具有離子液體的不揮發、無毒、無污染、液體范圍寬、蒸汽壓低、導電性好、極性強等特性，又具有手性物質的高選擇性、手性誘導效應等特性，可用于手性催化和手性分離，非常適合精細化工行業規模化生產。
(3)本發明氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，原料來源豐富、價格低廉、操作簡單。
具體實施方式
下面詳細說明根據本發明的氨基酸酯陽離子型手性離子液體及其制備方法。
首先說明根據本發明第一方面的氨基酸酯陽離子型手性離子液體。
根據本發明第一方面的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的結構式如下：
其中，R為α-氨基酸的可變基團；R′為碳原子數為1～3的烷基；X-為BF4-、PF6-、HSO4-中的一種。
在根據本發明第一方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體中，氨基酸酯陽離子型手性離子液體的手性位在氨基酸陽離子上，氨基上連接有大體積苯環，立體選擇性更強，具有結構多樣性和可設計性。
在根據本發明第一方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體中，優選地，R′為-CH3或-CH2CH3。
在根據本發明第一方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體中，α-氨基酸為D-半胱氨酸、L-半胱氨酸、D-絲氨酸、L-絲氨酸、D-丙氨酸、L-丙氨酸、D-纈氨酸、L-纈氨酸中的一種。
其次說明根據本發明第二方面的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法。
根據本發明第二方面的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法，用于制備本發明第一方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體，包括步驟：(1)在-5℃以下，將氯化亞砜滴加到無水R′-OH中進行反應，之后升溫至室溫后加入α-氨基酸，并在50℃～80℃下進行反應，之后除去雜質，得到氨基酸酯鹽酸鹽；(2)將氨基酸酯鹽酸鹽溶解在去離子水中，用堿液調整pH＝5～6，之后經分離提純得到氨基酸酯；(3)將氨基酸酯置于三頸燒瓶中，通入氮氣保護，升溫到50℃～60℃，加入醇類溶劑和苯甲醛的混合液進行反應，反應結束后除去雜質，得到氨基酸酯希夫堿；(4)將氨基酸酯希夫堿溶于醇類溶劑中，在0℃以下加入硼氫化鈉，加完后升溫至室溫進行反應，之后加去離子水淬滅，用酸溶液調整pH＝6～7，經分離提純后得到氨基酸酯仲胺中間體；(5)向氨基酸酯仲胺中間體中加入醇類溶劑和溴代正丁烷的混合溶液，升溫至50℃～65℃進行反應，反應結束后除去雜質，得到氨基酸酯溴化鹽；(6)將氨基酸酯溴化鹽與Me-X混合后，加入去離子水或丙酮進行反應，Me選自Na或K，反應結束后除去雜質，即得到氨基酸酯陽離子型手性離子液體。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(1)中，由于氯化亞砜遇醇R′-OH放出大量的熱，故滴加氯化亞砜時需要控制滴加速度使反應溫度始終維持在-5℃以下。優選地，維持溫度在-15℃～-10℃將氯化亞砜滴加到無水R′-OH中進行反應。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(1)中，氯化亞砜與無水R′-OH的反應時間可為1h～2h。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(1)中，α-氨基酸、氯化亞砜、R′-OH的物質的量之比為1:(1.1～1.5):(12～35)。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(1)中，在50℃～80℃下進行反應的時間可為3h～4h。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(1)中，除去雜質時，可先通過減壓蒸餾除去低沸點物質。減壓蒸餾可為普通減壓蒸餾也可為旋蒸。減壓蒸餾除去低沸點物質后還可以通過重結晶或柱層析進行進一步提純。重結晶時使用的溶劑可為無水乙醇或無水甲醇。柱層析時可使用二氯甲烷和無水甲醇或無水乙醇。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(2)中，堿液為NaOH或KOH溶液。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(2)中，堿液的濃度可為1mol/L～2mol/L。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(2)中，分離提純的步驟可包括：萃取、分液、干燥劑除水、抽濾除去干燥劑、除去萃取劑。其中，萃取劑可為二氯甲烷。干燥劑可為無水硫酸鈉或無水硫酸鎂。除去萃取劑時可通過減壓蒸餾。減壓蒸餾可為普通減壓蒸餾也可為旋蒸。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(3)中，氨基酸酯與苯甲醛的物質的量之比為1:(1～1.5)。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(3)中，醇類溶劑可為無水乙醇或無水甲醇。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(3)中，50℃～60℃下反應時間為3h～8h。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(3)中，除去雜質時，可先通過減壓蒸餾除去低沸點物質。減壓蒸餾可為普通減壓蒸餾也可為旋蒸。減壓蒸餾除去低沸點物質后還可以通過重結晶或柱層析進行進一步提純。重結晶時使用的溶劑可為無水乙醇或無水甲醇。柱層析時可使用二氯甲烷和無水甲醇或無水乙醇。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(4)中，硼氫化鈉與氨基酸酯希夫堿的物質的量之比為(1.5～4.5):1。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(4)中，醇類溶劑可為無水乙醇或無水甲醇。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(4)中，在0℃以下分批加入硼氫化鈉，加完后升溫至室溫反應1h～2h。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(4)中，酸溶液可為鹽酸溶液。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(4)中，分離提純的步驟可包括：萃取、分液、干燥劑除水、抽濾除去干燥劑、除去萃取劑以及加入的醇類溶劑。其中，萃取劑可為二氯甲烷。干燥劑可為無水硫酸鈉或無水硫酸鎂。除去萃取劑以及醇類溶劑時可通過減壓蒸餾。減壓蒸餾可為普通減壓蒸餾也可為旋蒸。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(5)中，溴代正丁烷與氨基酸酯仲胺中間體的物質的量之比為(2～2.5):1。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(5)中，在50℃～65℃下反應5h～8h。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(5)中，除去雜質時，可先通過減壓蒸餾除去低沸點物質。減壓蒸餾可為普通減壓蒸餾也可為旋蒸。減壓蒸餾除去低沸點物質后還可以通過重結晶或柱層析進行進一步提純。重結晶時使用的溶劑可為無水乙醇或無水甲醇。柱層析時可使用二氯甲烷和無水甲醇或無水乙醇。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(6)中，氨基酸酯溴化鹽與Me-X的物質的量之比為1:(1～1.5)。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(6)中，Me-X可為NaBF4、KBF4、KPF6、NaPF6、NaHSO4、KHSO4。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(6)中，反應時間可為室溫下攪拌3h～24h。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(6)中，當用去離子水作溶劑時，反應結束后靜置分層，棄去上層液體，將下層液體用乙醚洗滌后，真空干燥，即得到氨基酸酯陽離子型手性離子液體。
在根據本發明第二方面所述的氨基酸酯陽離子型手性離子液體的制備方法中，在步驟(6)中，當用丙酮作溶劑時，反應結束后，抽濾除去固體MeBr(NaBr或KBr)以及未反應完的原料，然后除去丙酮，即得到氨基酸酯陽離子型手性離子液體。除去丙酮可通過減壓蒸餾。減壓蒸餾可為普通減壓蒸餾也可為旋蒸。
下面結合實施例，進一步闡述本申請。應理解，這些實施例僅用于說明本申請而不用于限制本申請的范圍。
實施例1
(1)取60mL(1.48mol)無水甲醇加入到250mL帶有干燥管的三頸燒瓶中，在低溫恒溫水浴中冷卻至-13℃以下，磁力攪拌下緩慢滴加4.0mL(0.055mol)SOCl2，滴加時控制反應溫度在-10℃以下。待滴加完畢后，自然升至室溫，繼續攪拌2h。之后向三頸燒瓶中加入4.19g(0.047mol)L-丙氨酸，室溫反應2h后，升溫至80℃，攪拌反應4h。期間用TLC監測反應達到平衡后，停止反應，對產物進行旋蒸，蒸出溶劑后，出現大量淡黃色針狀結晶，即為L-丙氨酸甲酯鹽酸鹽，放入真空干燥箱60℃烘干6h，產率為82.5％。
(2)稱取4.33g(0.031mol)L-丙氨酸甲酯鹽酸鹽溶解在15mL去離子水中，用2mol/L的NaOH溶液調整pH＝6。用60mL的二氯甲烷萃取三次、分液、用無水硫酸鈉干燥除水、抽濾除去無水硫酸鈉、最后旋蒸除去二氯甲烷，得到3.09g(0.030mol)L-丙氨酸甲酯。
(3)將2.89g(0.028mol)L-丙氨酸甲酯溶于30mL無水甲醇中，加入到100mL三頸燒瓶中，通入氮氣保護，將溶有3.1mL(0.036mol)苯甲醛的10mL無水甲醇溶液緩慢滴加至上述混合液中，待滴加完畢，將溫度升至60℃，恒溫攪拌3h。TLC檢測至苯甲醛完全反應。反應結束后，減壓蒸出溶劑，得到黃色固體，即為L-丙氨酸甲酯希夫堿，用無水甲醇與二氯甲烷柱層析提純，產率為76.10％。
(4)將3.28g(0.017mol)L-丙氨酸甲酯希夫堿溶于30mL無水甲醇中，低溫攪拌反應浴中冷卻至0℃以下，分批加入2.15g(0.057mol)硼氫化鈉，加完后自然恢復至室溫反應2h，用TLC監測反應至結束后，用10％的鹽酸調整pH＝7，用60mL的二氯甲烷萃取三次、分液、加無水硫酸鎂干燥除水、抽濾除去無水硫酸鎂、減壓蒸除溶劑，得到棕色液體，即為L-丙氨酸甲酯仲胺中間體，產率為66.4％。
(5)取0.8395g(0.0041mol)L-丙氨酸甲酯仲胺中間體溶于30mL無水甲醇中，加入1.27g(0.0093mol)溴代正丁烷，磁力攪拌加熱到65℃反應8h，TLC監測至反應完全，減壓蒸出溶劑，得到深棕色粘稠狀液體L-丙氨酸甲酯溴化鹽，用無水甲醇和二氯甲烷柱層析分離得純品，產率為69.9％。
(6)取0.45g(0.00118mol)L-丙氨酸甲酯溴化鹽于50mL三口瓶中，加入0.21g(0.00118mol)KPF6，再加入10mL去離子水，室溫攪拌反應10h，停止反應，靜置分層，棄去上層液體，下層液體用10mL乙醚洗滌兩遍后，真空干燥，即得到L-丙氨酸甲酯陽離子型手性離子液體，產率為86％。
實施例2
(1)取120mL(2.96mol)無水甲醇加入到250mL帶有干燥管的三頸燒瓶中，在低溫恒溫水浴中使其冷卻至-15℃以下，磁力攪拌下緩慢滴加10mL(0.138mol)SOCl2，滴加時控制反應溫度在-10℃以下。待滴加完畢后繼續反應1h。自然升至室溫，加入14.74g(0.126mol)D-纈氨酸，在磁力攪拌下加熱升溫至60℃反應4h后停止反應。將產物減壓蒸出溶劑后，得到D-纈氨酸甲酯鹽酸鹽，為黃色粘稠狀液體，產率為93％。
(2)取11.15g(0.085mol)D-纈氨酸甲酯鹽酸鹽溶解在去離子水中，用2mol/L的NaOH溶液調整pH＝6。用60mL的二氯甲烷萃取三次、分液、用無水硫酸鈉干燥除水、抽濾除去無水硫酸鈉、旋蒸除去二氯甲烷，得到10.62g(0.081mol)D-纈氨酸甲酯。
(3)取8.66g(0.074mol)D-纈氨酸甲酯置于250mL三頸燒瓶中，加入80mL無水甲醇使其溶解，再加入9.12g(0.086mol)苯甲醛，通入氮氣保護，之后升溫至60℃，繼續攪拌反應8h。反應完畢后，減壓除掉大部分溶劑，冷卻放置析出晶體，經抽濾、干燥后得D-纈氨酸甲酯希夫堿，使用無水甲醇重結晶提純，得純品D-纈氨酸甲酯希夫堿，產率為83％。
(4)取4.12g(0.019mol)D-纈氨酸甲酯希夫堿溶于30mL無水甲醇中，低溫攪拌反應浴中冷卻至0℃以下，分批加入2.01g(0.0532mol)硼氫化鈉，加完后自然恢復至室溫反應2h，用TLC監測反應至結束后，用10％的鹽酸調pH＝7，用60mL的二氯甲烷萃取三次、分液、加無水硫酸鎂干燥除水、抽濾除去無水硫酸鎂、減壓蒸出溶劑，得到淡黃色液體，即D-纈氨酸甲酯仲胺中間體，產率為63.2％。
(5)取0.91g(0.0041mol)D-纈氨酸甲酯仲胺中間體溶于30mL無水甲醇中，加入1.27g(0.0093mol)溴代正丁烷，磁力攪拌加熱到65℃反應8h，TLC監測至反應完全，減壓蒸出溶劑，得到黃色粘稠狀液體，即為D-纈氨酸甲酯溴化鹽，用無水甲醇和二氯甲烷柱層析分離后得純品，產率為80.3％。
(6)取0.53g(0.00125mol)D-纈氨酸甲酯溴化鹽于50mL三口瓶中，加入0.23g(0.00125mol)KPF6，再加入10mL丙酮，常溫攪拌10h，停止反應，抽濾除去固體KBr，然后旋蒸除去丙酮，即得到D-纈氨酸甲酯陽離子型手性離子液體，產率為82％。