因此离子液体的最佳用量为3mmol.温度对反应产率的影响，过高的温度会加速1,2,4,5-四嗪的挥发,从而降低反应物的实际浓度,降低了产率.363K时产率达到最大值为85.5%,所以最佳的反应温度为363K.反应时间对产率也有显著的影响,特别是在反应的起始阶段.如图1B所示,反应6h之前,由于反应物的浓度较高,随着时间的增加反应产率也在高速增加.6h后,产率基本保持不变.这表明该环加成反应在6h达到反应平衡态.从节省能源的角度考虑,反应的最佳时间为6h。

我们还考察了其他条件相同时,1,2,4,5-四嗪与苯乙炔的摩尔比对产物产率的影响,显然,1,2,4,5-四嗪与苯乙炔的物质的量比对产物产率具有很大的影响.在1到2范围内改变1,2,4,5-四嗪与苯乙炔的物质的量比,产物的产率起初逐渐上升然后下降,曲线的顶点位于物质的量比为1.5时.从理论上而言,1,2,4,5-四嗪与苯乙炔应按照1∶1的物质的量比进行反应,实际上物质的量比为1时,反应的产率仅为42.6%.这是因为1,2,4,5-四嗪极易挥发,实际物质的量比小于1.然而加入过多量的1,2,4,5-四嗪,即物质的量比超过1.5时,额外的1,2,4,5-四嗪就会与溶剂兼催化剂Bmim]Br形成氢键[19],这将降低溶剂兼催化剂[Bmim]Br的浓度,而且四嗪浓度过高也会降低另一反应物苯乙炔的相对浓度,从而降低反应产率.综合考虑1,2,4,5-四嗪与苯乙炔的最佳物质的量比为1.5。

为了扩大该反应的使用范围提高其普适性,我们又研究了多种不同亲二烯体在[Bmim]Br中与1,2,4,5-四嗪反应制备哒嗪衍生物的反应.如表2所示:1,2,4,5-四嗪与带有不同官能团的炔类和烯类亲二烯体反应均能获得72.4%～85.5%的产率.从实验数据可知,电子效应和取代效应对反应产率有影响.1,2,4,5-四嗪是缺电子化合物,因此富电子的炔类和烯类化合物是该反应的良好供体.理论上讲,携带供电子基团如甲氧基和甲基的炔类化合物的产率应高于未取代的苯乙炔或带有缺电子基团如硝基、氯原子的化合物,然而苯乙炔的产率却是最高的为85.5%.原因是以较大基团取代氢原子后将会产生空间位阻效应.我们的研究结果(表2,序号1,3,5)还表明,该反应中空间位阻效应大于电子效应,占据主导地位.此外,作为烯类亲二烯体的乙氧基乙烯在很短的反应时间里也可以获得81.6%的产率.上述反应的所有产物的结构都已经过核磁验证.

利用非常重要.与传统有机溶剂相比,易于回收并循环使用是离子液体的优势之一.因此,我们研究了离子液体[Bmim]Br在该反应中的可回收性及回收效果.反应结束后,将反应液冷却到室温并加入二氯甲烷和水进行萃取.将离子液体相从有机层分离出来,然后在343K真空干燥2h.根据表3结果可知,[Bmim]Br经回收使用六次后,产物产率仍无显著的下降.因此,[Bmim]Br是1,2,4,5-四嗪和苯乙炔反应的一种高效可回收的溶剂和催化剂。

1,2,4,5-四嗪和苯乙炔是逆电子效应的[4+2]环加成反应,该反应是由二烯体最低未占据轨道和亲二烯体最高占有轨道共同控制的[17].[Bmim]Br作为一种潜在的氢键供体,在反应过程中它可以通过咪唑环二号碳上的氢原子与1,2,4,5-四嗪形成氢键.将1,2,4,5-四嗪和[Bmim]Br以物质的量1∶1混合后直接打核磁,1HNMR.1,2,4,5-四嗪存在时,咪唑环二号碳氢的化学位移由原来的δ10.323移动到δ10.243(δ10.353是四嗪中两个氢的化学位移),这是因为与1,2,4,5-四嗪相比,溴离子是更好的氢键受体,[Bmim]+与1,2,4,5-四嗪形成的氢键没有与溴离子的氢键强烈,所以咪唑环二号碳氢的化学位移向高场低位移方向移动.类似地研究高国华课题组[20]也报道过.鉴于上述理论验证,本课题如Scheme1所示.[Bmim]Br与1,2,4,5-四嗪形成的氢键可以有效降低二烯体的最低未占用轨道的能量从而缩小它与亲二烯体最高占有轨道的能量差;根据前线轨道理论(FMO)这有利于增大环加成反应的速率常数最终提高反应产率[21]。

2结论

本文选用简便易得的传统咪唑离子液体作为反应介质,高效且环境友好地实现了1,2,4,5-四嗪与多种亲二烯体的环加成反应.与传统反应相比,离子液体兼作溶剂和催化剂,反应时间大大缩短,产物产率明显提高.反应条件温和,操作简便,避免了有毒挥发性有机溶剂和额外催化剂的使用,且离子液体可以很好地回收重复使用,更加符合绿色化学和原子经济性的要求,有助于推进哒嗪衍生物的工业化生产进程。

3实验部分

3.1仪器与试剂

苯乙炔、4-硝基苯乙炔、4-甲氧基苯乙炔、4-氯苯乙炔、4-甲基苯乙炔和乙氧基苯乙炔均从国药集团化学试剂有限公司购买并直接使用.离子液体[Bmim]Br,[Bmim]BF4,[Bmim]PF6,[Bmim]HSO4,[Bm2im]Br,[Bp]-Br和化合物1(Scheme2)分别根据文献[22～26]制备.使用Varian-300光谱仪测定1HNMR谱,均采用CDCl3作为溶剂,化学位移以四甲基亚硅(TMS)为标准.反应物的转换率通过薄层色谱(TLC)进行检测,所有的产率均是分离产率。

3.2实验方法

1,2,4,5-四嗪(9mmol),亲二烯体2a～2f(6mmol)和离子液体(IL,3mmol)分别加入到50mL的封管中,在给定温度下加热并持续搅拌直到反应结束为止(反应原理,Scheme3).反应进程通过薄层色谱(TLC)来指示,以二氯甲烷和甲醇的体积比为20∶1作为洗脱剂.反应结束后,反应液用二氯甲烷(25mL)萃取,然后再用蒸馏水(10mL)洗涤数次.将从水层中分离出的有机相进行真空旋蒸,然后再经过油泵进一步纯化以期获得纯净的产物.通过核磁1HNMR谱来验证产物的结构,表征数据均与文献[17]报道值一致.水相里的离子液体在343K真空下干燥2h,即可回收利用并直接用于下一轮的实验中。