乳酸及其酯类是重要的生物质平台化合物[1-2]，已广泛用于食品、医药及化妆品等行业，近年来，其年产量已达300 kt以上[1,3].乳酸乙酯是乳酸酯中的主要品种之一[4]，可以用作绿色溶剂[5]，通过催化转化为多种重要的精细化学品及中间体[6-8].将乳酸乙酯中的羟基进行乙酰化，可以得到乳酸乙酯乙酸酯(O-乙酰基乳酸乙酯)，其香味浓郁纯正，可广泛用于食品、烟草、化妆品的调香，作为一种理想的酒类添加剂，在一些名酒中均有检出[9-10].作为具有光学活性的酯类前体，乳酸乙酯乙酸酯可用来制备具有光学活性的二醇类衍生物[11].迄今为止，有关用乳酸乙酯合成乳酸乙酯乙酸酯的报道相对较少，国内仅有分别用醋酸钠[12]、4-(二甲氨基)吡啶[9]和1-甲基咪唑[13]等碱催化剂进行相关探索的报道.

氨基酸离子液体(Amino Acid Ionic Liquid, AAIL)是低毒性、可生物降解的新型功能性离子液体[14-15]，可作为有机合成的绿色介质和有效催化剂[16-18].2006年，Tao等[16]以ProNO3等氨基酸离子液体催化环戊二烯与丙烯酸甲酯的Diels-Alder反应，产率可达95%以上；2013年，Tao 等[17]又以Brønsted酸性氨基酸离子液体ProHSO4催化戊酸酯化，优化条件下底物转化率在99.9%以上，戊酸乙酯选择性达到100%.最近，Ouyang等[18]以碱性四丁基磷氨基酸离子液体[P4444][Pro]催化多种芳香醛的Knoevenagel缩合反应，温和条件下所得产率都在85%以上；廖芳丽等[19]用谷氨酸1-乙基-2-甲基咪唑鎓离子液体催化水杨酸乙酰化合成阿司匹林，产率可达78.2%，而且催化剂可重复使用；Yue等[20]用氨基酸离子液体[bmim][ASP]等催化二氧化碳合成环状碳酸酯，产率高达96%～99%.尽管AAIL因其优良的催化性能而在有机合成中得到了快速发展，但迄今尚未见AAIL用于催化乳酸乙酯乙酸酯合成的相关报道.基于含氨基酸阴离子的AAIL所具有的较强碱性[15,18]，本文合成了系列咪唑基氨基酸离子液体，探讨其在乳酸乙酯乙酰化反应中的优良催化性能.

1 实验部分

1.1 催化剂制备与表征

采用置换法合成含咪唑阳离子基团的氨基酸离子液体[21]：称取定量丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)或半胱氨酸(Cys)，与等物质的量的KOH配制成氨基酸盐水溶液，将混合液逐滴加入等物质的量的[C4min]Cl中，在70～90 ℃搅拌反应4 h，反应完毕后过滤，滤液经减压蒸馏除去水分即得粗氨基酸离子液体.往氨基酸离子液体粗品中加入定量无水乙醇，充分搅拌，过滤除去固体，减压蒸馏后得到咪唑基氨基酸离子液体.在Avatar-370型红外光谱仪上进行红外表征，用Bruker 500 MHz核磁共振仪对氨基酸离子液体进行核磁共振分析，氘代DMSO为溶剂.

1.2 催化反应与产物分析

往25 mL三口瓶中加入定量乳酸乙酯、乙酸酐和催化剂，在一定温度下计时反应，冷却，加入定量去离子水分解未反应的乙酸酐.反应液经乙酸乙酯萃取后用Agilent 6890型气相色谱仪(φ 0.32 mm×30 m HP-5；FID)和Varian Saturn 2100型色谱-质谱联用仪分析.产物各组分的质谱图均与标准物相符，采用内标法定量.

2 结果与讨论

2.1 催化剂表征

咪唑基氨基酸离子液体的红外谱图见图1，其中3 400～3 415 cm-1为氨基酸离子液体的氨基N—H伸缩振动吸收峰，3 059～3 147 cm-1为离子液体咪唑环上CC—H上伸缩振动峰，2 775～2 983 cm-1为离子液体侧链上烷基C—H的伸缩振动吸收峰，1 592～1 633 cm-1为氨基酸上CO特征峰，均与文献[22]吻合.此外，1 462～1 574 cm-1及1 168～1 170 cm-1处的特征峰也说明了咪唑环的存在[21-23].然后，以氘代DMSO为溶剂对[C4mim][Ala]，[C4mim][Pro]及[C4mim][Cys]进行核磁共振分析，结果与文献[24]一致，产物结构得到了进一步的证实(见图2)[15,24].

[C4mim][Ala]的1H-NMR (DMSO-d6, δ/ppm): 0.86(t, 3H), 1.03(d, 3H), 1.23(m, 2H), 1.75(m, 2H), 2.91(q, 1H), 3.88(s, 3H), 4.19(t, 2H), 7.79(s, 1H), 7.85(s, 1H), 9.80(s, 1H). 产率: 81.2%.

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反应条件: 40 mmol乳酸乙酯, n (乳酸乙酯)∶n (乙酸酐) = 1∶1.2, AAIL为催化剂, 6 h.

表2给出了以物质的量分数为5.0%的丙氨酸离子液体[C4mim][Ala]为催化剂、110 ℃时反应时间对乳酸乙酯乙酰化的影响.可以看出，随着反应时间延长，乳酸乙酯的转化率先逐步增加，然后慢慢趋于稳定，而乳酸乙酯乙酸酯的选择性一直保持在98%以上.当反应时间为6 h 时，乳酸乙酯乙酸酯的收率可视为达到最佳.

[C4mim][Pro]的1H-NMR (DMSO-d6, δ/ppm): 0.90(t, 3H), 1.25(m, 2H), 1.40(m, 1H), 1.50(m, 1H), 1.60(broad, 1H), 1.71(m, 1H), 1.77(m, 2H), 2.60(broad, 1H), 2,91(m, 1H), 3.05(broad, 1H), 3.87(s, 3H), 4.17(t, 2H), 7.76(s, 1H), 7.83(s, 1H), 9.67(s, 1H). 产率: 79.6%.

  

图1 氨基酸离子液体的红外谱图Fig. 1 FT-IR spectra of AAILs

  

图2 氨基酸离子液体的结构Fig. 2 Structures of AAILs

2.2 AAIL的催化乙酰化性能

与常用的硫酸等乙酰化催化剂相比，碱性催化剂有利于减少乳酸乙酯的氧化、脱水等副反应，因而其选择性较高[9,12-13].表1为不同咪唑基氨基酸离子液体催化下乳酸乙酯乙酰化的反应结果，从表中可以看出：所得AAILs均具有较好的催化性能，这可能是由于三种由中性氨基酸得到的AAILs碱性相近的缘故[18,25-26].在[C4mim][Ala]，[C4mim][Pro]或[C4mim][Cys]催化下，乳酸乙酯呈现了50.7%～99.8%的较高转化率，目标产物乳酸乙酯乙酸酯有98%以上的优良选择性，其中[C4mim][Ala]的催化效果相对更佳.催化剂用量及反应温度对乳酸乙酯的转化影响较大：随着催化剂用量增加，乳酸乙酯的转化率呈先升高后降低的趋势，当催化剂物质的量为乳酸乙酯的5.0%时，乳酸乙酯的转化率达到最佳值.随着反应温度升高，乳酸乙酯的转化率先明显增加，当温度为110 ℃时，底物的转化率达到最大值.值得注意的是，该温度远低于通常采用无机碱醋酸钠[12]或有机碱1-甲基咪唑[13]时所需的回流温度(～150 ℃)，这也将有利于提高[C4mim][Ala]的乙酰化选择性.进一步升高反应温度至120 ℃，原料转化率及乳酸乙酯乙酸酯的选择性基本保持不变.在优化条件下，以摩尔分数5.0% [C4mim][Ala]为催化剂于110 ℃进行乙酰化，乳酸乙酯转化率及目标产物选择性分别可达99.8%及99.6%.

 

表1 AAIL催化剂作用下的乳酸乙酯乙酰化效果

 

Tab. 1 Effect of AAIL catalysts on the acetylation of ethyl lactate

  

催化剂摩尔分数/%温度/℃转化率(乳酸乙酯)/%选择性(乳酸乙酯乙酸酯)/%[C4mim][Ala]1.58050.798.83.08058.698.75.08076.299.35.09082.698.85.010087.398.45.011099.899.65.012099.798.26.58068.998.9[C4mim][Pro] 5.08072.499.4[C4mim][Cys]5.08071.699.3

1.4.1 比较不同浓度大豆卵磷脂替代卵黄作为稀释液中的防冷保护剂，在低温保存不同天数精子活率情况。试验共分6个组：(A1, 1. 25%; A2, 2. 5%; A3, 5%; A4, 7. 5%; A5, 10%)大豆卵磷脂组与TRIS专利卵黄稀释液(C)组将绵羊新鲜精液稀释分装并低温保存，在第0 d、1 d、3 d、6 d、9 d、12 d对精子活率与顶体完整率进行测定，选出大豆卵磷脂组中效果最优组。

2.3 反应时间的影响

[C4mim][Cys]的1H-NMR (DMSO-d6, δ/ppm): 0.92(t, 3H), 1.36(m, 2H), 1.77(m, 2H), 2.50(d, 1H), 2.67(d, 1H), 2.93(t,1H), 3.87(s, 3H), 4.17(t, 2H), 7.72(s, 1H), 7.79(s, 1H), 9.61(s, 1H). 产率: 92.4%.

2.1.5 加样回收试验。由表3可知，绿原酸、葫芦巴碱、D-(-)-奎宁酸、咖啡酸的回收率分别为97.12%、97.46%、95.25%、93.28 %，RSD值分别为1.77%、0.80%、2.23%、2.42%。表明该方法准确、可靠，可用于咖啡中绿原酸、葫芦巴碱、D-(-)-奎宁酸、咖啡酸的含量测定。

 

表2 反应时间对乳酸乙酯乙酰化的影响

 

Tab. 2 Effect of reaction time on acetylation of ethyl lactate

  

时间/h转化率(乳酸乙酯)/%选择性(乳酸乙酯乙酸酯)/%289.5 99.6 498.0 98.4 699.8 99.6 899.8 99.5

反应条件: 40 mmol乳酸乙酯, n (乳酸乙酯)∶n ([C4mim][Ala])∶n (乙酸酐) = 1∶0.05∶1.2, 110 ℃.

2.4 物料配比的影响

表3为乳酸乙酯与乙酸酐的配比对乳酸乙酯乙酰化的影响.从表3可知，随着乙酸酐的用量增加，乳酸乙酯的转化率先明显增加，当乳酸乙酯与乙酸酐的配比为1∶1.2时，产物的收率达到最高值.继续加大乙酸酐的用量，乳酸乙酯乙酸酯的收率反而略有降低.因此，物料配比选择n(乳酸乙酯)∶n([C4mim][Ala])∶n(乙酸酐)=1∶0.05∶1.2为最佳.

 

表3 物料配比对乳酸乙酯乙酰化的影响

 

Tab. 3 Effece of acetic anhydride dosage on acetylation of ethyl lactate

  

n(乳酸乙酯)∶n([C4mim][Ala])∶n(乙酸酐)转化率(乳酸乙酯)/%选择性(乳酸乙酯乙酸酯)/%1∶0.05∶1.089.399.21∶0.05∶1.299.899.61∶0.05∶1.497.898.91∶0.05∶1.695.998.7

反应条件: 40 mmol乳酸乙酯, [C4mim][Ala]为催化剂, 110 ℃, 6 h.

2.5 [C4mim][Ala]的重复使用性能

为了考察AAIL催化剂的重复使用性能，反应完成后将产物及剩余原料在减压下蒸出，由于离子液体具有高沸点及较高的热稳定性[19]，氨基酸离子液体催化剂[C4mim][Ala]将留在反应瓶中.重新加入乳酸乙酯及乙酸酐原料(n(乳酸乙酯)∶n(乙酸酐)=1∶1.2)于110 ℃进行反应，[C4mim][Ala]体现了较好的重复使用性能.其重复使用3次的结果见表4.

 

表4 [C4mim][Ala]在乳酸乙酯乙酰化中的重复使用性能

 

Tab. 4 Cycling use of [C4mim][Ala] for acetylation of ethyl lactate

  

使用次数转化率(乳酸乙酯)/%选择性(乳酸乙酯乙酸酯)/%199.899.6298.199.3396.798.8495.698.3

反应条件: 40 mmol乳酸乙酯, 2 mmol [C4mim][Ala], n (乳酸乙酯)∶n (乙酸酐) = 1∶1.2, 110 ℃, 6 h.

3 结论

采用置换法合成的咪唑基氨基酸离子液体对乳酸乙酯乙酰化具有较优良的催化性能.以[C4mim][Ala]为催化剂，当n(乳酸乙酯)∶n([C4mim][Ala])∶n(乙酸酐)=1∶0.05∶1.2时，于110 ℃反应6 h，底物转化率及乳酸乙酯乙酸酯选择性分别可达99.8%和99.6%.该工艺具有以下特点：1) 与使用无机碱催化剂(如醋酸钠)相比，其反应温度降低约40 ℃左右，在原料基本转化完全时大大提高了目标产物的选择性；2) 与有机碱催化剂相比，咪唑基氨基酸离子液体具有低毒性、热稳定性，几乎没有蒸汽压和挥发性，有利于提升乳酸乙酯乙酸酯作为高级香料及中间体的品位；3) 具有较好的碱催化性能；4) [C4mim][Ala]可循环使用.因此，该工艺将具有良好的工业应用及开发前景.

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