[BMim] OH功能化离子液体介导的铁茂基β-酮砜衍生物的合成

《ACS Omega》：[BMim]OH Functionalized Ionic Liquid-Mediated Construction of Ferrocenyl β-Ketosulfone Derivatives

高效合成铁杂环β-酮砜衍生物的新方法：以功能化离子液体[BMim]OH为催化剂，在温和条件下实现了氯乙酰基铁杂环与磺酸盐的高效偶联，产率达71%，且可循环使用3次，适用于多种取代基磺酸盐，原子经济性达86.3%。

　　
本研究提出了一种基于功能化离子液体[BMim]OH的催化策略，用于高效合成结构多样的亚铁氰化β-酮砜衍生物。该方法的创新性在于利用离子液体特有的电子效应和空间位阻调控能力，在温和条件下实现氯代乙酰亚铁氰与磺酸盐的缩合反应，突破了传统合成方法对铁夹心结构的高度敏感性限制。

研究首先系统考察了反应条件的关键参数。实验表明，当[BMim]OH催化剂的负载量控制在20 mol%时，在40℃下反应24小时，目标产物3a的产率达到71%。进一步优化发现，提高底物2a的摩尔比至1.2:1时，产率提升至88%，而超过该比例则对产率影响不大。溶剂体系的选择同样重要，仅二氯甲烷（DCM）能实现较高产率，其他极性溶剂如N-甲基吡咯烷酮（NMP）或乙腈（CH3CN）的产率显著降低。这些数据揭示了离子液体催化剂与反应体系的协同作用机制。

在反应适用性方面，研究展示了广泛的底物普适性。除苯环磺酸盐外，还成功合成了萘环、苯甲醚、环丙烷等取代基的磺酸盐衍生物。值得注意的是，当磺酸根基团带有强吸电子基团（如三氟甲基）时，反应产率显著下降。这可能与离子液体催化剂与磺酸根的电子相互作用减弱有关。特别引人关注的是，具有共轭结构的萘环磺酸盐在反应中展现出与苯环类似的高产率，证实了该催化体系对空间位阻的耐受性。

产物结构表征方面，通过核磁共振（1H/13C NMR）和质谱（HRMS）证实了所有目标产物的结构。其中3a、3d、3f通过单晶X射线衍射进一步验证了其分子构型。结构分析显示，铁夹心结构通过乙酰基与磺酸基的共价键形成稳定的桥连结构，其中3d和3f呈现特殊的“Z”形构象，而3a则具有“N”形构型。这种构象差异可能直接影响后续应用中的电子传输特性。

催化循环研究表明，离子液体[BMim]OH通过形成氮杂环卡宾（NHC）中间体实现催化循环。具体机制包括：首先，[BMim]OH中的酸性氢与亚铁氰化物中的羰基碳发生配位作用，形成NHC中间体；随后，NHC的强亲核性攻击氯代乙酰亚铁氰的羰基碳，形成四元环过渡态；最后通过S_N2机制完成磺酸根的取代反应，再生催化剂。该机制通过核磁实时监测实验得到验证，当单独将[BMim]OH与氯代乙酰亚铁氰反应时，NMR谱图显示催化剂结构稳定，且未观察到副产物生成。

经济性和环保性评估显示，该催化体系具有显著优势。通过原子经济性计算（0.863），证明反应中仅13.7%的原料转化为副产物。离子液体催化剂经三次循环后仍保持80%以上的活性，其再生过程仅需简单过滤即可重复使用。与传统金属催化剂相比，本方法完全避免了过渡金属残留，且离子液体的热稳定性（在60℃下仍有效）和化学惰性（耐受多数有机溶剂）使其在连续化生产中具有应用潜力。

在应用拓展方面，研究团队展示了该骨架在功能材料领域的应用前景。通过引入不同取代基的磺酸基团，成功合成了具有光敏特性的3a（带苯环磺酸基）、热稳定的3j（甲基磺酸基）以及导电性优异的3o（噻吩磺酸基）等衍生物。其中3o的晶体结构显示，铁夹心与磺酸基团形成π-π共轭体系，这为后续开发光电材料提供了结构基础。

实验优化过程中发现，离子液体浓度与反应效率存在非线性关系。当催化剂负载量超过30 mol%时，产率反而下降，这可能与空间位阻增大导致底物接触困难有关。温度控制同样关键，虽然60℃下反应时间缩短至10小时，但产物分解率增加，最终产率仍低于40℃条件下的71%。溶剂极性研究表明，中等极性溶剂（如DCM）最有利于离子液体形成稳定的胶束结构，从而增强传质效率。

该研究在方法学层面实现了多重突破：首先，建立了铁夹心化合物与磺酸基团的新型连接方式，突破了传统合成中需高温高压或过渡金属催化的限制；其次，开发了基于离子液体配体的定制化催化体系，可根据目标产物需求灵活调整取代基；最后，通过循环使用催化剂（3次循环后活性保持率>80%），将原料成本降低至传统方法的1/5。

从应用价值来看，合成的亚铁氰化β-酮砜衍生物展现出多重潜在用途。在传感器领域，3a的苯环磺酸基团可通过改变pH值实现离子交换，结合铁夹心的导电性，有望开发成新型离子敏感电极。在催化领域，3d的刚性结构可能作为高效配体用于金属催化反应。此外，3k和3l的环状磺酸基团为制备大环分子受体提供了基础材料。

研究团队还深入探讨了离子液体与底物的相互作用机制。通过核磁共振实时监测发现，当[BMim]OH与氯代乙酰亚铁氰接触后，NMR谱图中对应亚铁氰基的质子化学位移发生显著变化（Δδ=?0.20 ppm），表明形成了稳定的中间体。而磺酸盐底物与催化剂的相互作用较弱，仅在反应后期才发生显著变化。这种差异化的结合特性解释了为何反应需要维持特定的摩尔比（1.2:1）。

在绿色化学指标方面，研究不仅实现了原子经济性（86.3%），还通过溶剂回收系统将DCM的重复使用率提升至95%。根据生命周期评估（LCA）模型，与传统方法相比，本工艺的碳排放减少42%，废弃物产生量降低至原来的1/3。特别是离子液体的可循环性，使吨级生产中催化剂用量减少90%以上。

未来发展方向可能包括：1）开发复合型离子液体，集成酸碱双功能催化位点；2）拓展至生物基磺酸盐原料，构建可降解的功能材料；3）探索非氯代乙酰亚铁氰底物的反应体系，扩大适用性范围。此外，结合计算化学方法，对中间体的电子结构进行深入解析，有望揭示不同取代基对催化活性的影响规律。

该研究为功能化铁基化合物的理性设计提供了新范式，其模块化合成策略可推广至其他配位化学体系。特别是将离子液体作为反应介质和催化剂的双重角色，极大简化了工艺流程。通过系统优化反应参数，研究团队成功将亚铁氰化β-酮砜的合成成本降低至$25/kg，为产业化应用奠定了基础。这些发现不仅推动了有机金属化学的发展，更为绿色化学在精细化学品合成中的应用开辟了新路径。