《Catalysis Today》：Novel ternary (thio)urea-based eutectic-type mixtures as solvents/catalysts in organic reactions
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中文摘要翻译：三元氯化胆碱基低共熔溶剂（DESs）相较于传统二元体系通常表现出更优异的理化性质，包括更低的黏度和熔点，以及更高的热稳定性。这些改善源于氢键网络的修饰，该修饰降低了分子间内聚力并抑制了结晶。本研究制备了一系列新型三元液体混合物，以氯化胆碱作为氢键
中文摘要翻译：三元氯化胆碱基低共熔溶剂（DESs）相较于传统二元体系通常表现出更优异的理化性质，包括更低的黏度和熔点，以及更高的热稳定性。这些改善源于氢键网络的修饰，该修饰降低了分子间内聚力并抑制了结晶。本研究制备了一系列新型三元液体混合物，以氯化胆碱作为氢键受体（HBA），以（硫）脲衍生物与多元醇的组合作为氢键供体（HBD）。对所获得的低共熔体系进行了黏度、密度、含水量、水活度及pH值的全面表征。这些测量为三元混合物的理化行为及其作为替代反应介质的适用性提供了深入见解。此外，研究人员评估了所制备的三元液体混合物在代表性有机转化中作为溶剂和催化剂的双重性能。模型反应包括迈克尔加成反应以及不同羰基化合物的氰硅烷化/氢氰化反应。研究结果凸显了这些基于氯化胆碱的三元低共熔型混合物作为可持续有机合成中多功能、可调谐介质的潜力。
论文解读文章
一、研究背景与问题
溶剂在合成路线的开发中扮演着基础性角色，占化学工艺所用材料的最大份额。然而，常用的传统有机溶剂中，许多具有毒性和环境危害性。近年来，随着绿色化学原则的推广，开发更绿色、更安全的传统有机溶剂替代品已成为关键目标。低共熔溶剂（DESs）由Abbott等人于2003年首次提出，是一类新型环境友好型溶剂，由氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）按特定摩尔比组成，具有制备简单、设计空间大、成本效益高以及生物相容性、可生物降解性、低挥发性、不可燃性和低毒性等优点。然而，二元DESs的性能可通过引入第三组分进一步增强。三元氯化胆碱基DESs通常表现出更低的黏度和熔点以及更高的热稳定性，这归因于氢键网络的修饰降低了分子间内聚力并抑制了结晶。
尽管尿素基DESs在有机合成中展现了广泛的适用性，但迄今为止报道的此类体系数量有限。Omar和Sadeghi在2023年汇编了截至2021年文献中报道的1，356种DESs数据库，其中仅有16种是以尿素或硫脲作为氢键供体制备的二元DESs。此外，这些体系缺乏固液相平衡（SLE）图评估，其非理想热力学行为尚未得到证实，因此不能严格归类为DESs，而应称为低共熔型混合物。基于此，研究人员开展了本研究，旨在开发新型氯化胆碱基三元低共熔型混合物，系统表征其理化性质，并评估其在有机反应中作为溶剂和催化剂的双重性能。
二、研究内容与主要结论
研究人员制备了十二种新型三元液体混合物，以氯化胆碱（ChCl）作为氢键受体，以尿素或硫脲衍生物与多元醇的组合作为氢键供体。所选尿素衍生物为1-乙基脲（EU）和1-(2-羟乙基)脲（HEU），硫脲对应物为1-甲基硫脲（MTU）和1，3-二甲基硫脲（DMTU），多元醇为乙二醇（EG）、甘油（Gly）和木糖醇（Xyl）。初始按1:1:1摩尔比制备，若溶液不均匀或不稳定则增加多元醇含量0.5当量。所制备的混合物在黏度、密度、含水量、水活度和pH值等方面进行了全面表征，并在迈克尔加成、氰硅烷化和亨利反应中评估了其催化性能。
研究发现，含木糖醇的三元体系表现出显著更高的黏度和密度，这归因于其高分子量和多个羟基促进了广泛的氢键网络形成。含乙二醇的体系黏度最低，甘油体系居中。含1-(2-羟乙基)脲的体系黏度最高，因其额外羟基参与氢键网络增强了分子间相互作用。所有体系均表现出温度响应性，黏度随温度升高而降低。密度方面，所有三元体系均高于水，含木糖醇体系密度最高，乙二醇体系最低。含水量均低于0.60%，甘油体系含水量较高。水活度方面，木糖醇体系最高。pH值测定显示，含尿素衍生物的体系pH值较高（8.85-10.07），含硫脲衍生物的体系接近中性或略偏碱性（6.70-8.06）。
在催化性能评估中，迈克尔加成反应中，含1-乙基脲的三元体系实现了完全转化（≥97%），显著优于二元DESs氯化胆碱:尿素（ChCl:U，1:2）的67%转化率，而含硫脲的体系完全丧失催化活性。在氰硅烷化反应中，不同底物表现出不同趋势，含1-(2-羟乙基)脲和1-甲基硫脲的体系表现优异，部分体系转化率超过97%。亨利反应中，仅含1-乙基脲的体系表现出显著活性（42-68%），但低于二元ChCl:U体系的80%。
三、关键技术方法
研究人员采用了以下主要技术方法：卡尔·费休滴定法测定含水量；湿度变送器结合相对湿度测量计算水活度；模块化紧凑型流变仪进行动态黏度测量；紫外-可见分光光度法结合pH敏感指示剂分子测定表观pH值，该方法为三元液体混合物的首次应用；核磁共振氢谱（1H-NMR）测定反应转化率；气相色谱-质谱联用（GC-MS）用于亨利反应转化率测定。
四、研究结果
3.1 新型三元液体混合物的合成与表征
黏度测定结果表明，含木糖醇的体系黏度显著高于含乙二醇或甘油的体系，这归因于木糖醇的高分子量和多羟基结构促进的广泛氢键网络。含1-(2-羟乙基)脲的体系黏度最高，黏度按HEU > MTU > DMTU > EU的顺序递减，这与位阻效应相关。所有体系均表现出温度响应性黏度降低。
密度测量显示，所有三元体系密度均高于水，含木糖醇体系密度最高，乙二醇体系最低，甘油体系居中。含DMTU的体系密度略低于其他（硫）脲衍生物体系。
含水量测定显示所有体系含水量低于0.60%，甘油体系含水量较高。水活度方面，木糖醇体系最高，甘油和乙二醇体系依次降低。
表观pH值测定显示，含尿素衍生物的体系pH值较高（EU体系9.81-10.07，HEU体系8.85-9.27），含硫脲衍生物的体系pH值较低（MTU体系6.88-8.06，DMTU体系6.70-7.93）。多元醇对含尿素体系pH影响不显著，但对含硫脲体系有影响。
2.2 三元液体混合物在有机转化中的应用
迈克尔加成反应中，含1-乙基脲的三元体系实现完全转化（≥97%），含1-(2-羟乙基)脲的体系转化率中等（32-55%），含硫脲的体系无催化活性。这归因于EU体系较高的碱性和HEU体系中更强的氢键网络降低了底物可及性。
氰硅烷化反应中，以α-酮酯为底物时，含HEU和MTU的体系表现最佳（≥95%），含EU的体系转化率中等（61-74%）。以苯甲酰甲酸乙酯为底物时，含HEU:Xyl和MTU:Xyl的体系实现完全转化。以肉桂醛为底物时，含EU和HEU与EG或Gly组合的体系转化率超过90%。
以丙酮氰醇为氰源时，最佳转化率69%由ChCl:EU:Gly（1:1:1.5）、ChCl:HEU:EG（1:1:1）和ChCl:MTU:EG（1:1:1）实现。
亨利反应中，仅含EU的体系表现出显著活性（42-68%），其他体系几乎无转化，表明催化效果不具有普遍转移性。
五、结论
研究人员成功制备并系统表征了十二种新型氯化胆碱基三元低共熔型混合物，其理化性质强烈依赖于氢键供体的性质，尤其是多元醇组分。木糖醇基体系表现出更高的黏度和密度，乙二醇基体系具有更低的黏度和更好的流动性。水活度和表观pH值也受溶剂组成影响，含尿素体系比含硫脲体系更具碱性。
催化性能评估表明，三元液体混合物可作为溶剂和催化剂双重角色，催化活性强烈依赖于氢键供体结构。含1-乙基脲的体系在迈克尔反应中表现优异，含HEU和MTU的体系在氰硅烷化反应中高效。部分三元体系性能优于传统二元DESs，凸显了引入第三组分精细调控理化环境的优势。
这些发现表明，三元氯化胆碱基低共熔型混合物是可持续有机合成的多功能、可调谐介质。通过合理选择氢键供体调节溶剂性质和催化行为，为设计任务特异性低共熔体系用于绿色化学转化开辟了新机遇。未来工作将致力于探索将这些低共熔体系整合到化学酶级联过程中，结合生物催化和合成化学的优势于单一可持续反应介质中，实现更高效、选择性和环境友好的多步转化。
