综述：离子液体介导的单氧三员和五员杂环化合物的可持续合成

《Tetrahedron Green Chem》：Ionic liquid-mediated sustainable synthesis of mono-oxygen 3- and 5-membered heterocycles

本文系统回顾了离子液体（ILs）在合成含氧杂环化合物，特别是环氧乙烷（oxiranes）和呋喃（furans）方面的绿色应用进展。文章从ILs的独特物理化学性质出发，探讨了其如何超越传统溶剂，在多种催化与反应体系中发挥关键作用，从而实现更高的反应选择性、更低的能耗以及高效催化剂回收。该综述强调了通过精细设计ILs结构，可将其发展为集反应介质、催化剂和反应工程平台于一体的新型绿色合成工具，为含氧杂环化学的未来发展提供了重要方向。

　　

离子液体（Ionic Liquids, ILs）已从实验室的新奇事物演变为现代合成中不可或缺的工具。它们以其独特的性质，如可忽略的蒸汽压、可调的极性、高热稳定性和出色的可回收性，成为绿色化学方法论中有吸引力的替代品。在众多应用中，含氧杂环化合物的合成，特别是环氧乙烷和呋喃的合成，因其在药物、天然产物和生物质衍生高附加值化学品中的核心地位，成为一个特别活跃且具有影响力的领域。

离子液体辅助的环氧乙烷合成

环氧乙烷（又称环氧化物）是用途广泛的三员环含氧杂环，其固有的环张力赋予了极高的反应活性。传统的环氧化方法虽然有效，但通常依赖于挥发性有机溶剂、化学计量的氧化剂以及存在环境和安全风险的苛刻条件。ILs的出现为更绿色、高效的环氧乙烷合成开辟了新途径。

1. 电化学辅助的分子氧活化

Gaillon等人报道了在离子液体[BMIM][PF₆]中，利用Jacobsen环氧化催化剂[Mn(III)]⁺，通过电化学方式活化分子氧进行烯烃环氧化。IL不仅有效固定了催化剂，还通过稳定高活性的锰-氧中间体，整合了分子氧利用、电化学控制和选择性环氧化，为在较可持续条件下进行清洁反应提供了范例。

2. 色酮和黄酮类化合物的环氧化

Bernini等人开发了在[BMIM][BF₄]中，使用碱性过氧化氢对色酮、异黄酮和查尔酮衍生物进行环氧化的高效方法。与传统溶剂丙酮相比，IL中的反应在2小时内转化率从40%提升至超过98%，显著提高了反应速率和产率，为生物活性黄酮类衍生物提供了更清洁、温和的合成方案。

3. Cp-Mo催化的烯烃环氧化

Kuhn等人研究了(η⁵-C₅R₅)Mo(CO)₃X配合物在不同RTILs中，以叔丁基过氧化氢（TBHP）为氧化剂对烯烃的环氧化。[BMIM][NTf₂]表现出最高的环氧化物产率和选择性。该体系展示了催化剂的可回收性，并强调了IL组成对产物稳定性的微妙影响。

4. 硅基微反应器中的离子液体氧化

Basheer等人首次报道了在硅基微反应器中使用[BMIM][BF₄]进行环己烯的环氧化。引入少量IL显著改善了疏水性底物在水相缓冲液中的溶解性和电化学效率，在微尺度上实现了优于常规规模的转化率，展现了IL在微反应器工程中的应用潜力。

5. 不对称柠檬烯环氧化

Pinto等人将Jacobsen的Mn(salen)催化剂固定在[BMIM][BF₄]中，用于以过氧化氢为氧化剂的不对称柠檬烯环氧化。IL不仅作为固定化介质便于催化剂回收，在某些匹配的催化剂-底物组合中，甚至能保持或提高反应的立体选择性，凸显了IL在不对称催化中的调控作用。

6. 手性噁唑啉-钼(VI)催化剂

Brito等人报道了新型单核和双核二氧钼配合物在ILs中对烯烃的环氧化。在[BMP][NTf₂]与二氯甲烷的两相体系中，催化剂表现出增强的活性和稳定性，并可多次循环使用。值得注意的是，双核催化剂在IL中对(R)-柠檬烯的环氧化表现出独特的非对映选择性，专一性地生成反式-1,2-环氧柠檬烯。

7. 离子液体介导的H₂O₂活化

Markovits等人合成了一系列高铼酸盐ILs [C_nmim][ReO₄]，并将其应用于烯烃环氧化。这些ILs自身作为溶剂和催化剂，高效活化过氧化氢，以接近定量的产率和100%的选择性生成环氧化物。[C₈mim][ReO₄]在强氧化条件下展现出卓越的稳定性，可循环使用八次以上，产率保持在98-99%。

8. 具有催化活性的过氧铌酸盐阴离子

Ma等人合成了一系列羧酸配位的单核过氧铌酸盐基ILs，[TBA][NbO(OH)₂(R)]。这些ILs作为高效可溶催化剂，在温和条件下催化多种烯烃的环氧化，产率高达60-98.5%。研究表明，α-羟基酸配体对稳定和增强Nb(V)-过氧中间体的活性起到了关键的配体导向作用。

离子液体辅助的呋喃衍生物合成

呋喃及其衍生物是五员环含氧杂环，广泛存在于天然产物、药物和功能材料中。ILs的引入为这类化合物的高效、可持续合成提供了强大工具。

1. 一步法合成四取代2,3-二氢呋喃

Calò等人意外发现，在[bpy⁺][BF₄^?]中，β-酮硫化物与醛类化合物在K₂CO₃存在下，不发生预期的环氧化，而是高立体选择性地一步生成四取代的2,3-二氢呋喃，产率优良且E/Z选择性极高。该IL体系显示出独特的反应导向能力，并可方便地回收利用。

2. 离子液体介导的取代2-氨基呋喃合成

Yadav等人开发了一种在[BMIM][BF₄]中，无需外加催化剂，由醛、DMAD和异腈三组分“一锅法”高效合成2-氨基呋喃衍生物的方法。反应条件温和（室温），在0.5-2小时内即可获得高产率（78-89%）产物。IL显著加速了反应，并可通过稳定反应过程中的两性离子中间体来提高选择性，且可循环使用多次。

3. Bi(OTf)₃/[BMIM][BF₄]催化的呋喃形成

同一研究组还报道了使用5 mol% Bi(OTf)₃固定在[BMIM][BF₄]中，高效催化1,4-二酮化合物环化生成多取代呋喃。该体系条件温和（90°C），在数小时内即可获得高产率呋喃产物，并显示出良好的底物适用性。

结论

综上所述，ILs在含氧杂环化合物的绿色合成中展现了巨大的潜力和多样性。它们已从单纯的“绿色”溶剂，演变为可调节反应性、稳定关键中间体、甚至自身作为催化剂的功能性介质。通过精确设计IL的阴阳离子结构，可以调控反应路径、提高选择性和产物收率，并实现催化剂和反应介质的循环利用，从而在原子经济性、能源效率和废物最小化等可持续化学指标上超越传统溶剂体系。未来的发展趋势包括开发功能化和生物来源的ILs、将其与可再生原料整合，以及构建连接均相和多相催化的混合系统。本综述表明，离子液体介导的小分子含氧杂环合成已超越简单的溶剂替代，迈向更广阔的反应工程范式，为绿色杂环化学的未来发展提供了宝贵方向。