卤化‑1‑(4‑巯基丁基)‑3‑甲基咪唑离子液体及其制备方法和应用与流程

本发明属于离子液体领域，具体涉及一种卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体及其制备方法和应用。

背景技术：

离子液体是在常温下完全由离子组成的有机液体物质，由有机阳离子与无机阴离子或有机阴离子组成，在室温或者室温附近呈现液态的盐；由于离子间的静电引力较弱，具有较小的晶格能，离子液体在室温下呈现液态。离子液体具有化学稳定性好，不易挥发，低熔点、宽液程的特点，并具有较高的电导率和较宽的电化学窗口等优点，其性能独特，应用领域广泛、对环境污染少，因此，近年来离子液体作为一种新型的“绿色溶剂”在分析化学领域得到了广泛的应用，多作为萃取剂或分散剂使用，取代常规的有机溶剂，使分析前处理技术更加绿色环保化。

目前，离子液体大体上可分为三类：AlCl₃型离子液体、非AlCl₃型离子液体及其他特殊离子液体。AlCl₃型离子液体是在电解Al等活泼金属时发展起来的，目前研究比较少。非AlCl₃型离子液体是目前研究探索最广泛的一类离子液体。离子液体的阳离子主要是三类：咪唑离子、吡啶离子、一般的季铵离子；研究较多的离子液体的阴离子主要有BF₄^-、PF₆^-、OTf^-(即CF₃SO₃^-)、NTf₂^-(即N(CF₃SO₂)₂^-)、NTf₃^-(即N(CF₃SO₂)₃^-)等，还有CF₃COO^-、C₃F₇COO^-、C₄F₉SO₃^-、N(C₂F₅SO₂)₂^-、PO₄^-等。非AlCl₃型离子液体里没有电中性的分子，100％是阴离子和阳离子，在-100℃至200℃之间均呈液体状态，具有良好的热稳定性和导电性；表现出酸性及超强酸性质，使得它不仅可以作为溶剂使用，而且还可以作为某些反应的催化剂使用；非AlCl₃型离子液体一般不具有饱和蒸汽压，作为溶剂不会产生对大气造成污染的有害气体。总之，非AlCl₃型离子液体的无味、无恶臭、无污染、不易燃、易于产物分离、易回收、可反复多次循环使用、使用方便等优点，是传统挥发性溶剂的理想替代品。

然而，目前常用的离子液体如咪唑六氟磷酸盐类[C_nMIM]PF₆、咪唑四氟硼酸盐类[C_nMIM]BF₄或卤代咪唑类[C_nMIM]Cl/Br等，分子结构本身的荧光效应较弱，且对一些弱荧光污染物如双酚A等常具有荧光猝灭效应，故在痕量污染物的灵敏荧光检测中使用价值不大。

王新刚研究了巯基功能化离子液体的荧光性能(河南师范大学硕士论文，2014年9月)，其制备方法包括以下步骤：步骤(1)是通过1,2-二溴乙烷、N-甲基咪唑于50℃下反应4天，合成溴化-1-(2-溴乙基)-3-甲基咪唑；步骤(2)将第一步的反应产物溶于乙腈和氯仿的混合溶剂中，再加入硫代乙酸钾，60℃下反应6h，合成溴化-1-(2-硫代乙酯基乙基)-3-甲基咪唑；步骤(3)将第二步的反应产物与NaOH、HBr反应，合成溴化-1-(2-巯基乙基)-3-甲基咪唑。其反应周期较长，步骤(1)、步骤(2)的后处理过程复杂，所得目标产物溴化-1-(2-巯基乙基)-3-甲基咪唑的荧光效应也较弱。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体，其具有强荧光效应的特点。

本发明的第二个目的是提供上述卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体的制备方法。

本发明的第三个目的是提供上述卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体作为分散液液微萃取程序中分散剂的应用。

本发明的第四个目的是提供上述卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体作为荧光增敏剂的应用。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体，结构式如式Ⅰ所示：

其中，R为Cl或Br。

优选的，R为Br，结构式如式Ⅱ所示：

本发明的卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体，以巯基丁基为取代基，巯基的孤对电子能够与咪唑环上的大π键产生p-π共轭，丁基使巯基与咪唑环的距离适宜，避免了距离过小时的斥力增加和距离过大时将巯基包覆的情形，结合离子液体的微环境效应，使离子液体的荧光性能达到最佳。该离子液体可应用于离子液体的微萃取体系，作为分散剂应用，适合推广应用于“无有机溶剂微萃取”技术中；该离子液体在弱荧光化合物或生物大分子荧光检测中，可大幅提高检测的荧光灵敏度，分析应用价值良好；该离子液体的成功开发，对持久性污染物的痕量检测和生物大分子的荧光检测具有良好的应用前景。

上述卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体的制备方法，包括以下步骤：

1)将1,4-二卤丁烷溶于溶剂中，再加入硫代乙酸钾于10～60℃反应，分离得到4-卤丁基-硫代乙酸酯；

2)将4-卤丁基-硫代乙酸酯、N-甲基咪唑加入溶剂中，在20～40℃进行反应，得到卤化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑；

3)将卤化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑溶于水后，依次加入NaOH、HBr反应，即得。

步骤1)中，反应的时间为7～9h。进一步优选的，步骤1)的反应温度为20～40℃，反应时间为8h。步骤1)中，硫代乙酸钾相对于1,4-二卤丁烷过量；优选的，硫代乙酸钾与1,4-二卤丁烷的摩尔比为1.1～1.2:1。

所述溶剂为二氯甲烷。以R为Br为例，步骤1)的反应过程如式Ⅲ所示：

步骤1)中，反应后蒸干溶剂，以体积比为3:1的石油醚、二氯甲烷的混合溶剂作为流动相进行柱层析分离，得到4-溴丁基-硫代乙酸酯。

步骤2)中，反应的时间为4～9h。优选的，步骤2)的反应温度为室温，反应时间为6h。具体反应时，保持N-甲基咪唑过量；优选的，N-甲基咪唑与4-卤丁基-硫代乙酸酯的摩尔比为1.1～1.2:1。

步骤2)中，所述溶剂为二氯甲烷、乙酸乙酯或正己烷。优选的，溶剂为二氯甲烷。步骤2)的反应过程如式Ⅳ所示：

步骤2)反应结束后，使用正己烷萃取除去N-甲基咪唑，保留二氯甲烷相并蒸干，得到卤化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑。

步骤3)中，将卤化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑溶于水后，加入NaOH，0℃反应，再加入HBr，20～30℃反应，即得。优化的，加入NaOH，在0℃反应的时间为5～7h；HBr的加入量是使体系pH＝1～4；在20～30℃反应的时间为6～8h。进一步优选的，加入NaOH，在0℃反应的时间为6h，再加入HBr调节pH＝3，室温反应8h，即得。

NaOH与卤化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑的摩尔比为1:1。步骤3)的反应过程如式Ⅴ所示：

步骤3)反应结束后，用二氯甲烷萃取，取水相，蒸干溶剂即得产物。可选择进一步向水相中加入乙醇，除去不溶物后，再蒸干溶剂，可获得纯度更高的产物。

以上各步骤中，可采用薄层色谱法(点板)或高效液相色谱检测反应，以判断反应是否结束。

本发明的卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体的制备方法，以N-甲基咪唑、硫代乙酸钾、1,4-二卤丁烷为原料，通过三步反应合成目标产物；反应周期短，各步骤反应条件温和，后处理工艺简单，重复性和稳定性好，适合推广应用。所得卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体为亲水性离子液体，具有强荧光性和荧光增敏效应。

上述卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体作为分散液液微萃取程序中分散剂的应用。

与常规的卤素咪唑类和咪唑四氟硼酸盐类离子液体不同，本发明的卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体易溶于水，可作为微萃取程序中的分散剂使用。

上述卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体作为荧光增敏剂的应用。

本发明的卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体，离子液体分子结构本身可以产生p-π共轭，荧光效应强，对于弱荧光化合物具有很强的荧光增敏效应，在弱荧光污染物的色谱或光谱分析中具有良好的利用价值，便于痕量分析应用。

本发明的卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体对弱荧光化合物(污染物)如酚类雌激素(双酚A、四溴双酚A和五氯酚等)、β-双酮类抗生素(伊诺沙星、氧氟沙星和氯代四环素等)具有较强的荧光增敏效应，在这些化合物的痕量色谱和荧光分析上具有良好的应用价值；该离子液体可方便用作弱荧光物质的荧光增敏剂，应用于行业性弱荧光污染物的痕量灵敏色谱或光谱分析。

附图说明

图1为本发明实施例1步骤1)产物4-溴丁基-硫代乙酸酯的核磁共振谱图；

图2为本发明实施例1步骤2)产物溴化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑的核磁共振谱图；

图3为本发明实施例1步骤3)产物溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑的核磁共振谱图；

图4为本发明实施例2的离子液体在微萃取程序中作为分散剂使用时，各操作因子的优化图；

图5为本发明实施例2的离子液体在微萃取程序中作为分散剂使用时，多种抗生素的检测色谱图；

图6为本发明实施例3的离子液体与常规离子液体的荧光效应检测结果；

图7为本发明实施例3的离子液体与常规离子液体在不同浓度下的荧光效应检测结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例的溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体，结构式如式Ⅱ所示：

本实施例的溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体的制备方法，采用以下步骤：

1)向单口烧瓶中加入3.21g(15.0mmol)1,4-二溴丁烷，加入二氯甲烷溶解，再称取硫代乙酸钾2.05g(18.0mmol)加入到体系中，35℃下反应8h，体系逐渐变黄；抽滤除去白色固体，蒸干溶剂，以体积比为3:1的石油醚、二氯甲烷的混合溶剂作为流动相进行柱层析分离，得到4-溴丁基-硫代乙酸酯1.64g，产率为52.1％；

2)称取N-甲基咪唑0.52g(6.3mmol)于单口烧瓶中，加入二氯甲烷溶解，再加入1.2g(5.7mmol)4-溴丁基-硫代乙酸酯，室温下反应6h；反应后，用正己烷萃取三次，蒸干溶剂二氯甲烷，得到溴化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑1.46g，产率为87.7％；

3)称取溴化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑1.2g(4.1mmol)于单口烧瓶中，加水溶解，冰水浴中加入NaOH 0.16g(4.1mmol)，反应6h；再加入HBr调节pH＝3，室温反应8h；反应结束后，使用二氯甲烷萃取，蒸干水相，再加入乙醇溶解，抽滤，蒸干乙醇溶剂，即得溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体0.99g，产率为96.1％。

实施例2

本实施例的溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体，结构式同实施例1。

本实施例的溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体的制备方法，采用以下步骤：

1)向单口烧瓶中加入3.05g(14.2mmol)1,4-二溴丁烷，加入二氯甲烷溶解，再称取硫代乙酸钾1.94g(17.0mmol)加入到体系中，60℃下反应8h，体系逐渐变黄；抽滤除去白色固体，蒸干溶剂，以体积比为3:1的石油醚、二氯甲烷的混合溶剂作为流动相进行柱层析分离，得到4-溴丁基-硫代乙酸酯1.01g，产率为33.9％；

2)称取N-甲基咪唑0.34g(4.2mmol)于单口烧瓶中，加入二氯甲烷溶解，再加入0.81g(3.8mmol)4-溴丁基-硫代乙酸酯，30℃反应6h；反应后，用正己烷萃取三次，蒸干溶剂二氯甲烷，得到溴化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑0.87g，产率为78.4％；

3)称取溴化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑0.7g(2.40mmol)于单口烧瓶中，加水溶解，冰水浴中加入NaOH 0.10g(2.40mmol)，反应6h；再加入HBr调节pH＝1，室温反应8h；反应结束后，使用二氯甲烷萃取，蒸干水相，再加入乙醇溶解，抽滤，蒸干乙醇溶剂，即得溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体0.43g，产率为71.3％。

实施例3

本实施例的溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体，结构式同实施例1。

本实施例的溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体的制备方法，采用以下步骤：

1)向单口烧瓶中加入2.51g(11.7mmol)1,4-二溴丁烷，加入二氯甲烷溶解，再称取硫代乙酸钾1.60g(14.0mmol)加入到体系中，10℃下反应8h，体系逐渐变黄；抽滤除去白色固体，蒸干溶剂，以体积比为3:1的石油醚、二氯甲烷的混合溶剂作为流动相进行柱层析分离，得到4-溴丁基-硫代乙酸酯0.76g，产率为31.0％；

2)称取N-甲基咪唑0.26g(3.2mmol)于单口烧瓶中，加入二氯甲烷溶解，再加入0.61g(2.9mmol)4-溴丁基-硫代乙酸酯，40℃反应8h；反应后，用正己烷萃取三次，蒸干溶剂二氯甲烷，得到溴化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑0.58g，产率为68.1％；

3)称取溴化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑0.47g(1.6mmol)于单口烧瓶中，加水溶解，冰水浴中加入NaOH 0.06g(1.6mmol)，反应6h；再加入HBr调节pH＝4，30℃反应6h；反应结束后，使用二氯甲烷萃取，蒸干水相，再加入乙醇溶解，抽滤，蒸干乙醇溶剂，即得溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体0.26g，产率为65.3％。

在本发明的其他实施例中，卤化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑离子液体中，R＝Cl，结构式如式Ⅵ所示：

可采用与实施例相同的制备方法和工艺参数，将1,4-二溴丁烷替换为1,4-二氯丁烷即可，在此不再详述。

试验例1

本试验例对实施例1各步骤的产物进行表征，相应的核磁谱图如图1～图3所示。

其中，步骤1)的产物为4-溴丁基-硫代乙酸酯，具体特征为：¹H NMR(600MHz,Chloroform-d)δ3.41(t,J＝6.6Hz,2H),2.90(t,J＝7.2Hz,2H),2.34(s,3H),1.97–1.88(m,2H),1.78–1.70(m,2H),1.58(s,1H)。

步骤2)的产物为溴化-1-(4-硫代乙酯基丁基)-3-甲基咪唑，具体特征为：¹H NMR(500MHz,Chloroform-d)δ10.40(d,J＝1.5Hz,1H),7.37(dt,J＝16.5,2.0Hz,2H),4.42(t,J＝7.5Hz,2H),4.11(s,3H),2.91(t,J＝7.0Hz,2H),2.34(s,3H),2.05–1.96(m,2H),1.67(p,J＝7.5Hz,2H)。

步骤3)的产物为溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑，具体特征为：¹H NMR(500MHz,Deuterium Oxide)δ8.64(s,1H,),7.44-7.32(m,1H),4.13(t,J＝7.0Hz,1H),3.79(s,1H),2.64(t,J＝7.1Hz,1H),1.92–1.83(m,1H),1.69–1.51(m,1H)。

试验例2

由于溴化-1-(4-巯基丁基)-3-甲基咪唑([C₄MIM-SH]Br)具有较强的水溶性，其非常适合在微萃取程序中作为分散剂应用。

以常规的离子液体分散微萃取为例，以[C₈MIM]PF₆(添加体积为60μL)作为萃取剂，比较[C₄MIM-SH]Br与常规离子液体[C₈MIM]BF₄(添加体积均为500μL)作为分散剂时对抗生素的萃取效率。上述萃取剂与分散剂混合后注入5mL水样或前处理后的血样和尿样中，上述样品中添加已知浓度的氟罗沙星(FLE)、诺氟沙星(NOR)、司珀沙星(CIP)、氧氟沙星(OFL)和依诺沙星(ENR)等抗生素标样，涡旋、离心后，将沉淀相用微量进样针吸出，添加适量乙腈溶液稀释，直接进高效液相色谱检测。上述前处理的各操作因子优化和尿样和血样检测色谱图如图4和图5所示。结果证明：以[C₄MIM-SH]Br作为分散剂与常规离子液体[C₈MIM]BF₄相比，在优化的参数条件下，在三个加标浓度下(10，20和50μg/L)血浆中上述抗生素的回收率为95.6-103.8％，尿样中的回收率为94.8-106.4％。其对抗生素的回收率与[C₈MIM]BF₄相比，平均增加10％-15％，检出限可达0.07-0.35μg/L，方法的相对标准偏差分别为日内1.53-4.35％和日间2.42-5.87％，显示出该新型离子液体在微萃取中作为分散剂的应用价值。因此，本发明的离子液体[C₄MIM-SH]Br与常规离子液体相比，更适合于在微萃取技术中作为分散剂应用。

试验例3

本试验例对实施例1的离子液体[C₄MIM-SH]Br与常规离子液体[C₄MIM]PF₆(1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐)和[C₄MIM]BF₄(1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)的荧光效应进行检测，结果如表1、图6和图7所示。

表1实施例1的离子液体与常规离子液体的荧光强度对比

由图6的结果可知：当[C₄MIM-SH]Br浓度为3.9×10^-4mol/L时，其荧光强度与常规离子液体[C₄MIM]PF₆和[C₄MIM]BF₄的浓度分别为2.4×10^-1和2.7×10^-1mol/L时的荧光强度相一致，即[C₄MIM-SH]Br被稀释600-700倍后才与常规六氟磷酸盐(PF₆)和四氟硼酸盐类(BF₄)离子液体的荧光强度相当，充分显示出新开发离子液体的分子强荧光效应。由表1和图7的结果也可以看出：当[C₄MIM-SH]Br(3.9×10^-4)与常规离子液体[C₄MIM]PF₆(2.4×10^-2mol/L)和[C₄MIM]BF₄和(2.7×10^-2mol/L)相比，其浓度被稀释600-700倍时，其荧光强度仍然是常规离子液体的6倍左右。故在相同浓度下，[C₄MIM-SH]Br比常规离子液体的荧光强度可增敏300倍以上，进一步证实了该离子液体的强荧光效应。