本发明涉及离子液体制备领域，尤其涉及一种氨基酸酯阳离子型手性离子液体及其制备方法。
背景技术：
离子液体是由有机阳离子与有机阴离子或无机阴离子构成的、在室温或接近室温温度下呈液体状态的盐类。离子液体具有优良的物理化学性质，如具有蒸汽压低、挥发性小、导电性好、极性强、电化学窗口宽、热稳定性高，以及对大量无机和有机物质具有较好的溶解性和催化性能，且离子液体具有可修饰/调变的阴阳离子结构，且还可以循环使用，因此被认为是替代常用挥发性有机溶剂的新型绿色溶剂，在化学化工领域得到了广泛应用。
随着离子液体设计合成技术的不断发展，近年来一些学者开始研究在离子液体中设计引入手性中心，以拓展离子液体的研究领域和应用范围。手性离子液体综合了离子液体与手性物质的优点和特性，可应用于手性识别、不对称合成、对映体拆分、立体选择聚合、气相色谱、NMR位移试剂和液晶等领域。因此，发展手性离子液体在手性合成领域具有重要的现实意义。
目前，在手性离子液体的合成及其应用研究方面已有不少报道，如以α-蒎烯、薄荷醇、麻黄碱等作为手性源合成了一系列手性离子液体。氨基酸是一类天然的手性源，将氨基酸作为手性源合成手性离子液体原料易得，大大降低了合成手性离子液体的成本。近年来，以氨基酸作为手性源合成离子液体的报道逐渐增多，如2002年12月11日公开的中国专利文献CN1383920A中公开一种L-氨基酸硫酸盐型手性离子液体及其制备方法、2002年12月11日公开的中国专利文献CN1383921A中公开了一种L-氨基酸硫酸氢盐型手性离子液体及其制备方法、2015年6月10日公开的中国专利文献CN104693054A中公开了另一种L-氨基酸硫酸盐型手性离子液体及其制备方法、2005年6月1日公开的中国专利文献CN1621152A中公开了一种氨基酸酯阳离子的离子液体及制备方法。这些公开的专利文献丰富了氨基酸手性离子液体的种类，为离子液体的应用提供了有益探索。但上述专利文献描述的氨基酸手性离子液体的制备方法粗糙，氨基酸阳离子结构简单(结构中存在羧基、氨基)，这极大限制了其使用范围。
技术实现要素：
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种氨基酸酯阳离子型手性离子液体及其制备方法，所述氨基酸酯阳离子型手性离子液体的手性位在氨基酸阳离子上，氨基上连接有大体积基团，立体选择性更强，具有结构多样性和可设计性。
为了达到上述目的，在本发明的一方面，本发明提供了一种氨基酸酯阳离子型手性离子液体，其结构式如下。其中，R为α-氨基酸的可变基团；R′为碳原子数为1～3的烷基；X-为BF4-、PF6-、HSO4-中的一种。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法，用于制备本发明一方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体，包括步骤：(1)在-5℃以下，将氯化亚砜滴加到无水R′-OH中进行反应，之后升温至室温后加入α-氨基酸，并在50℃～80℃下进行反应，之后除去杂质，得到氨基酸酯盐酸盐；(2)将氨基酸酯盐酸盐溶解在去离子水中，用碱液调整pH＝5～6，之后经分离提纯得到氨基酸酯；(3)将氨基酸酯置于三颈烧瓶中，通入氮气保护，升温到50℃～60℃，加入醇类溶剂和苯甲醛的混合液进行反应，反应结束后除去杂质，得到氨基酸酯希夫碱；(4)将氨基酸酯希夫碱溶于醇类溶剂中，在0℃以下加入硼氢化钠，加完后升温至室温进行反应，之后加去离子水淬灭，用酸溶液调整pH＝6～7，经分离提纯后得到氨基酸酯仲胺中间体；(5)向氨基酸酯仲胺中间体中加入醇类溶剂和溴代正丁烷的混合溶液，升温至50℃～65℃进行反应，反应结束后除去杂质，得到氨基酸酯溴化盐；(6)将氨基酸酯溴化盐与Me-X混合后，加入去离子水或丙酮进行反应，Me选自Na或K，反应结束后除去杂质，即得到氨基酸酯阳离子型手性离子液体。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的手性位在氨基酸阳离子上，氨基上连接有大体积基团，立体选择性更强，具有结构多样性和可设计性。
(2)本发明的氨基酸酯阳离子型手性离子液体既具有离子液体的不挥发、无毒、无污染、液体范围宽、蒸汽压低、导电性好、极性强等特性，又具有手性物质的高选择性、手性诱导效应等特性，可用于手性催化和手性分离，非常适合精细化工行业规模化生产。
(3)本发明氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，原料来源丰富、价格低廉、操作简单。
具体实施方式
下面详细说明根据本发明的氨基酸酯阳离子型手性离子液体及其制备方法。
首先说明根据本发明第一方面的氨基酸酯阳离子型手性离子液体。
根据本发明第一方面的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的结构式如下：
其中，R为α-氨基酸的可变基团；R′为碳原子数为1～3的烷基；X-为BF4-、PF6-、HSO4-中的一种。
在根据本发明第一方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体中，氨基酸酯阳离子型手性离子液体的手性位在氨基酸阳离子上，氨基上连接有大体积苯环，立体选择性更强，具有结构多样性和可设计性。
在根据本发明第一方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体中，优选地，R′为-CH3或-CH2CH3。
在根据本发明第一方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体中，α-氨基酸为D-半胱氨酸、L-半胱氨酸、D-丝氨酸、L-丝氨酸、D-丙氨酸、L-丙氨酸、D-缬氨酸、L-缬氨酸中的一种。
其次说明根据本发明第二方面的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法。
根据本发明第二方面的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法，用于制备本发明第一方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体，包括步骤：(1)在-5℃以下，将氯化亚砜滴加到无水R′-OH中进行反应，之后升温至室温后加入α-氨基酸，并在50℃～80℃下进行反应，之后除去杂质，得到氨基酸酯盐酸盐；(2)将氨基酸酯盐酸盐溶解在去离子水中，用碱液调整pH＝5～6，之后经分离提纯得到氨基酸酯；(3)将氨基酸酯置于三颈烧瓶中，通入氮气保护，升温到50℃～60℃，加入醇类溶剂和苯甲醛的混合液进行反应，反应结束后除去杂质，得到氨基酸酯希夫碱；(4)将氨基酸酯希夫碱溶于醇类溶剂中，在0℃以下加入硼氢化钠，加完后升温至室温进行反应，之后加去离子水淬灭，用酸溶液调整pH＝6～7，经分离提纯后得到氨基酸酯仲胺中间体；(5)向氨基酸酯仲胺中间体中加入醇类溶剂和溴代正丁烷的混合溶液，升温至50℃～65℃进行反应，反应结束后除去杂质，得到氨基酸酯溴化盐；(6)将氨基酸酯溴化盐与Me-X混合后，加入去离子水或丙酮进行反应，Me选自Na或K，反应结束后除去杂质，即得到氨基酸酯阳离子型手性离子液体。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(1)中，由于氯化亚砜遇醇R′-OH放出大量的热，故滴加氯化亚砜时需要控制滴加速度使反应温度始终维持在-5℃以下。优选地，维持温度在-15℃～-10℃将氯化亚砜滴加到无水R′-OH中进行反应。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(1)中，氯化亚砜与无水R′-OH的反应时间可为1h～2h。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(1)中，α-氨基酸、氯化亚砜、R′-OH的物质的量之比为1:(1.1～1.5):(12～35)。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(1)中，在50℃～80℃下进行反应的时间可为3h～4h。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(1)中，除去杂质时，可先通过减压蒸馏除去低沸点物质。减压蒸馏可为普通减压蒸馏也可为旋蒸。减压蒸馏除去低沸点物质后还可以通过重结晶或柱层析进行进一步提纯。重结晶时使用的溶剂可为无水乙醇或无水甲醇。柱层析时可使用二氯甲烷和无水甲醇或无水乙醇。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(2)中，碱液为NaOH或KOH溶液。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(2)中，碱液的浓度可为1mol/L～2mol/L。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(2)中，分离提纯的步骤可包括：萃取、分液、干燥剂除水、抽滤除去干燥剂、除去萃取剂。其中，萃取剂可为二氯甲烷。干燥剂可为无水硫酸钠或无水硫酸镁。除去萃取剂时可通过减压蒸馏。减压蒸馏可为普通减压蒸馏也可为旋蒸。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(3)中，氨基酸酯与苯甲醛的物质的量之比为1:(1～1.5)。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(3)中，醇类溶剂可为无水乙醇或无水甲醇。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(3)中，50℃～60℃下反应时间为3h～8h。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(3)中，除去杂质时，可先通过减压蒸馏除去低沸点物质。减压蒸馏可为普通减压蒸馏也可为旋蒸。减压蒸馏除去低沸点物质后还可以通过重结晶或柱层析进行进一步提纯。重结晶时使用的溶剂可为无水乙醇或无水甲醇。柱层析时可使用二氯甲烷和无水甲醇或无水乙醇。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(4)中，硼氢化钠与氨基酸酯希夫碱的物质的量之比为(1.5～4.5):1。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(4)中，醇类溶剂可为无水乙醇或无水甲醇。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(4)中，在0℃以下分批加入硼氢化钠，加完后升温至室温反应1h～2h。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(4)中，酸溶液可为盐酸溶液。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(4)中，分离提纯的步骤可包括：萃取、分液、干燥剂除水、抽滤除去干燥剂、除去萃取剂以及加入的醇类溶剂。其中，萃取剂可为二氯甲烷。干燥剂可为无水硫酸钠或无水硫酸镁。除去萃取剂以及醇类溶剂时可通过减压蒸馏。减压蒸馏可为普通减压蒸馏也可为旋蒸。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(5)中，溴代正丁烷与氨基酸酯仲胺中间体的物质的量之比为(2～2.5):1。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(5)中，在50℃～65℃下反应5h～8h。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(5)中，除去杂质时，可先通过减压蒸馏除去低沸点物质。减压蒸馏可为普通减压蒸馏也可为旋蒸。减压蒸馏除去低沸点物质后还可以通过重结晶或柱层析进行进一步提纯。重结晶时使用的溶剂可为无水乙醇或无水甲醇。柱层析时可使用二氯甲烷和无水甲醇或无水乙醇。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(6)中，氨基酸酯溴化盐与Me-X的物质的量之比为1:(1～1.5)。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(6)中，Me-X可为NaBF4、KBF4、KPF6、NaPF6、NaHSO4、KHSO4。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(6)中，反应时间可为室温下搅拌3h～24h。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(6)中，当用去离子水作溶剂时，反应结束后静置分层，弃去上层液体，将下层液体用乙醚洗涤后，真空干燥，即得到氨基酸酯阳离子型手性离子液体。
在根据本发明第二方面所述的氨基酸酯阳离子型手性离子液体的制备方法中，在步骤(6)中，当用丙酮作溶剂时，反应结束后，抽滤除去固体MeBr(NaBr或KBr)以及未反应完的原料，然后除去丙酮，即得到氨基酸酯阳离子型手性离子液体。除去丙酮可通过减压蒸馏。减压蒸馏可为普通减压蒸馏也可为旋蒸。
下面结合实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
实施例1
(1)取60mL(1.48mol)无水甲醇加入到250mL带有干燥管的三颈烧瓶中，在低温恒温水浴中冷却至-13℃以下，磁力搅拌下缓慢滴加4.0mL(0.055mol)SOCl2，滴加时控制反应温度在-10℃以下。待滴加完毕后，自然升至室温，继续搅拌2h。之后向三颈烧瓶中加入4.19g(0.047mol)L-丙氨酸，室温反应2h后，升温至80℃，搅拌反应4h。期间用TLC监测反应达到平衡后，停止反应，对产物进行旋蒸，蒸出溶剂后，出现大量淡黄色针状结晶，即为L-丙氨酸甲酯盐酸盐，放入真空干燥箱60℃烘干6h，产率为82.5％。
(2)称取4.33g(0.031mol)L-丙氨酸甲酯盐酸盐溶解在15mL去离子水中，用2mol/L的NaOH溶液调整pH＝6。用60mL的二氯甲烷萃取三次、分液、用无水硫酸钠干燥除水、抽滤除去无水硫酸钠、最后旋蒸除去二氯甲烷，得到3.09g(0.030mol)L-丙氨酸甲酯。
(3)将2.89g(0.028mol)L-丙氨酸甲酯溶于30mL无水甲醇中，加入到100mL三颈烧瓶中，通入氮气保护，将溶有3.1mL(0.036mol)苯甲醛的10mL无水甲醇溶液缓慢滴加至上述混合液中，待滴加完毕，将温度升至60℃，恒温搅拌3h。TLC检测至苯甲醛完全反应。反应结束后，减压蒸出溶剂，得到黄色固体，即为L-丙氨酸甲酯希夫碱，用无水甲醇与二氯甲烷柱层析提纯，产率为76.10％。
(4)将3.28g(0.017mol)L-丙氨酸甲酯希夫碱溶于30mL无水甲醇中，低温搅拌反应浴中冷却至0℃以下，分批加入2.15g(0.057mol)硼氢化钠，加完后自然恢复至室温反应2h，用TLC监测反应至结束后，用10％的盐酸调整pH＝7，用60mL的二氯甲烷萃取三次、分液、加无水硫酸镁干燥除水、抽滤除去无水硫酸镁、减压蒸除溶剂，得到棕色液体，即为L-丙氨酸甲酯仲胺中间体，产率为66.4％。
(5)取0.8395g(0.0041mol)L-丙氨酸甲酯仲胺中间体溶于30mL无水甲醇中，加入1.27g(0.0093mol)溴代正丁烷，磁力搅拌加热到65℃反应8h，TLC监测至反应完全，减压蒸出溶剂，得到深棕色粘稠状液体L-丙氨酸甲酯溴化盐，用无水甲醇和二氯甲烷柱层析分离得纯品，产率为69.9％。
(6)取0.45g(0.00118mol)L-丙氨酸甲酯溴化盐于50mL三口瓶中，加入0.21g(0.00118mol)KPF6，再加入10mL去离子水，室温搅拌反应10h，停止反应，静置分层，弃去上层液体，下层液体用10mL乙醚洗涤两遍后，真空干燥，即得到L-丙氨酸甲酯阳离子型手性离子液体，产率为86％。
实施例2
(1)取120mL(2.96mol)无水甲醇加入到250mL带有干燥管的三颈烧瓶中，在低温恒温水浴中使其冷却至-15℃以下，磁力搅拌下缓慢滴加10mL(0.138mol)SOCl2，滴加时控制反应温度在-10℃以下。待滴加完毕后继续反应1h。自然升至室温，加入14.74g(0.126mol)D-缬氨酸，在磁力搅拌下加热升温至60℃反应4h后停止反应。将产物减压蒸出溶剂后，得到D-缬氨酸甲酯盐酸盐，为黄色粘稠状液体，产率为93％。
(2)取11.15g(0.085mol)D-缬氨酸甲酯盐酸盐溶解在去离子水中，用2mol/L的NaOH溶液调整pH＝6。用60mL的二氯甲烷萃取三次、分液、用无水硫酸钠干燥除水、抽滤除去无水硫酸钠、旋蒸除去二氯甲烷，得到10.62g(0.081mol)D-缬氨酸甲酯。
(3)取8.66g(0.074mol)D-缬氨酸甲酯置于250mL三颈烧瓶中，加入80mL无水甲醇使其溶解，再加入9.12g(0.086mol)苯甲醛，通入氮气保护，之后升温至60℃，继续搅拌反应8h。反应完毕后，减压除掉大部分溶剂，冷却放置析出晶体，经抽滤、干燥后得D-缬氨酸甲酯希夫碱，使用无水甲醇重结晶提纯，得纯品D-缬氨酸甲酯希夫碱，产率为83％。
(4)取4.12g(0.019mol)D-缬氨酸甲酯希夫碱溶于30mL无水甲醇中，低温搅拌反应浴中冷却至0℃以下，分批加入2.01g(0.0532mol)硼氢化钠，加完后自然恢复至室温反应2h，用TLC监测反应至结束后，用10％的盐酸调pH＝7，用60mL的二氯甲烷萃取三次、分液、加无水硫酸镁干燥除水、抽滤除去无水硫酸镁、减压蒸出溶剂，得到淡黄色液体，即D-缬氨酸甲酯仲胺中间体，产率为63.2％。
(5)取0.91g(0.0041mol)D-缬氨酸甲酯仲胺中间体溶于30mL无水甲醇中，加入1.27g(0.0093mol)溴代正丁烷，磁力搅拌加热到65℃反应8h，TLC监测至反应完全，减压蒸出溶剂，得到黄色粘稠状液体，即为D-缬氨酸甲酯溴化盐，用无水甲醇和二氯甲烷柱层析分离后得纯品，产率为80.3％。
(6)取0.53g(0.00125mol)D-缬氨酸甲酯溴化盐于50mL三口瓶中，加入0.23g(0.00125mol)KPF6，再加入10mL丙酮，常温搅拌10h，停止反应，抽滤除去固体KBr，然后旋蒸除去丙酮，即得到D-缬氨酸甲酯阳离子型手性离子液体，产率为82％。