不对称催化反应

不对称催化反应（精选5篇）

不对称催化反应 第1篇

关键词：手性咪唑啉酮,亚胺离子,烯胺,不对称反应

不对称催化反应是当前有机合成和催化科学的前沿研究领域。目前，人们获得纯物质的途径除了从天然产物中提纯或生物发酵之外，主要采用外消旋体拆分和对称合成的方法。催化不对称合成是制备手性化合物的重要方法之一。通过催化剂的手性增值作用，可以大量地合成手性目标化合物。随着人们对手性及对映异构体在生物活性上存在差异认识的提高，使得手性纯化学产品的市场需求大大增加，尤其在药物、农用化学产品、食品添加剂及香料等领域对手性纯化合物的需求十分巨大。酶和金属络合物是两类最主要和最有效的不对称化学催化剂。

2007年，Nature杂志上报道了Mac Millan研究小组所提出的用SOMO(单独占用分子轨道)活化方法进行不对称有机催化的创新性理论研究，文中指出了在相对无极性的醛和酮的α位不对称取代烯丙基和芳基等基团在有机合成中仍存在很大问题，但这些产物具有很大的潜在效用。Mac Millan研究小组用手性咪唑啉酮类有机催化剂的三氟醋酸盐通过形成烯胺使醛活化为亲电试剂，应用一个单电子的氧化剂CAN(硝酸胺高铈)从烯胺创造出一个瞬间的激发态从而完成此类反应，并通过醛的α位烯丙基化反应验证了SOMO活化的观点。不同的α位取代醛和取代烯丙基硅烷在催化作用下都得到了中等至高的产率(70%～88%)和高对映选择性(87%～95%ee)。

课题组紧跟国际研究潮流，从理论上对该体系进行了探讨，并得出了一些有益的结果。

1 计算方法

采用Guassian98程序中的标准AM1方法，对主反应的反应物和产物进行了焓变，熵变和吉布斯自由能变的计算，并且进行了几何构型全优化计算。

2 结果与讨论

反应历程及各物质符号如图1ㄢ

2.1 反应方向

自发反应总是向着吉布斯自由能减少的方向进行的，直到体系达到平衡，所以对反应进行吉布斯能的变化分析是有必要的，能清楚的说明反应进行的方向。

注：T=298.15K p=1 at m.

对本反应的第一，第二和第三步进行吉布斯自由能的计算得数据如下：

从上面所计算的数据可以看出，三步反应的标准吉布斯能的值均小于零。说明这三步反应在标准状态下均能正向自发的进行，这与实验的真实情况是吻合的。

2.2 平衡常数

平衡常数反映了反应的限度，根据其大小可得出产物的含量等数据。平衡常数越大，体系中产物比率越大，反之越小。由上表可知在标准状态下吉布斯能的大小，根据公式△yGmθ=-RTInKθ可得出各步骤中平衡常数的数据，如下：第一步的平衡常数K1θ=5.44×1027，第二步的平衡常数K2θ=1.90×103，第三步的平衡常数K3θ=17.63。平衡常数较大，说明产物的产率越大，这与实验结果吻合。

2.3 热效应

计算所得各物质构型如下所示：

由表(2)数据可得：△H1θ=-234.159155kJ/mol，△H2θ=-1.829448kJ/mol，△H3θ=-100.605747kJ/mol，可见反应1，反应2，反应3都为放热反应，其中△H1θ△H3θ值较大，△H2θ值较小。综合来看，反应为放热的（实验中未列出热效应数据）。

2.4 红外分析

Gaussian计算所得数据采用Gabidit软件绘图，可得到反应体系中各物质的红外光谱，所得结果如图2ㄢ

通过红外光谱的数据可以确定分子的结构。将计算所得的红外光谱图与标准谱图进行对照，并以I1为例进行了分析，结果如下：查阅标准谱图可知烯烃的特征吸收主要是烯烃C—H伸缩（3100～3010 cm-1）,C=C伸缩（1675～1640cm-1）以及烯烃C—H面外弯曲振动（1000～675cm-1）；芳烃一般在1600cm-1 1580cm-11500cm-1和1450cm-1可能出现强度不等的4个峰。图3 I1在1600,1580,1500和1450cm-1出现强度不等的4个峰说明芳香化合物存在，由芳香化合物中C—H面外弯曲振动吸收可知I1中有一取代芳烃，此外3100 cm-1为不饱和C-H伸缩振动吸收特征峰，1670 cm-1为不饱和C=C双键伸缩振动吸收特征峰。根据上述分析可得：计算所得的各反应物质的红外光谱图与标准的红外光谱图大体相符，从而证明计算结果的可靠性。

3 结论

采用AM1半经验法研究有机催化剂的不对称合成反应，得出以下结论：

(1）三步反应的吉布斯能都小于零，说明在标准状态下都能正向自发进行。

(2）计算所得红外谱图与标准谱图对照后，说明了计算结果是可信的。

不对称催化反应 第2篇

本文研究了由手性修饰剂(S,S)D-DPEN(DPEN:1,2-二苯基乙二胺)在反应条件下与NiCl2(PPh3)2原位生成的`手性催化剂对苯乙酮及其衍生物不对称加氢反应的催化性能,考察了反应温度、反应压力、(S,S)-DPEN浓度等变化因素对催化活性和对映选择性的影响.结果表明,在15℃,氢气压力为8.0MPa,乙醇作溶剂时,苯乙酮加氢产物(R)-苯乙醇的对映选择性达到了77.2%e.e.

作 者：杨朝芬 付海燕 熊伟 薛芳 林棋 陈华 李贤均 YANG Chao-fen FU Hai-yan XIONG Wei XUE Fang LIN Qi CHEN Hua LI Xian-jun  作者单位：杨朝芬,付海燕,薛芳,林棋,陈华,李贤均,YANG Chao-fen,FU Hai-yan,XUE Fang,LIN Qi,CHEN Hua,LI Xian-jun(绿色化学与技术教育部重点实验室,四川大学化学学院有机金属络合催化研究所,四川,成都,610064)

熊伟,XIONG Wei(绿色化学与技术教育部重点实验室,四川大学化学学院有机金属络合催化研究所,四川,成都,610064;重庆科技学院化学与生物工程学院,重庆,400050)

刊 名：化学研究与应用  ISTIC PKU英文刊名：CHEMICAL RESEARCH AND APPLICATION 年，卷(期)：2007 19(4) 分类号：O621.254 关键词：苯乙酮   NiCl2(PPh3)2   (S,S)-DPEN   不对称催化加氢   对映选择性  

★ 含苯并咪唑基配体的稀土配合物的合成、结构及量子化学研究

★ 以物为话题的作文

★ 以社区教育为载体促进全民技能素质提升

★ 我的心爱之物为题作文

★ 1,2-丙二胺Schiff碱双核铜配合物的合成与晶体结构

★ 六年级以状物为题材的作文500字

★ 三年级观察花为话题的状物作文

不对称催化反应 第3篇

不对称催化的Henry反应已经有很多的催化剂,主要包括金属络合物催化剂和有机小分子催化剂[4,5]。在金属络合物催化剂中,铜具有价格低廉、毒性小、配位能力好等优点,是较为理想的中心金属元素,许多基于铜的金属络合物催化剂也被设计并合成出来。本文按照配体的分类,对近几年铜催化的不对称Henry反应研究进行综述。

1 噁唑啉类配体

1.1 双噁唑啉配体

J⌀rgensen[6]首次报道了酮的不对称Henry反应,使用双噁唑啉类(bisoxazolines, box)配体,得到了光学活性的β-硝基-α-羟基酯。反应以一系列α-酮酯为底物,在box-Cu(II)络合物和碱的共同催化下与MeNO2进行Henry反应(图1)。在20 mol%配体1,Cu(OTf)2为Lewis酸,20 mmol% Et3N为碱,室温的条件下反应,得到了>95%的收率和92%ee。Et3N的用量对反应的对映选择性也有影响,将Et3N用量降至10 mol%时,ee值为81%,当升至40%,则几乎没有对映选择性了(ee值<5%)。作者亦对碱和反应温度进行了优化,在使用其他碱时,反应收率和ee值均有不同程度的下降,降低反应温度(0℃)也没有提高对映选择性(ee值为89%)。作者在进一步的研究中对部分碱所造成的影响进行了解释[7]。Bn3N和Et(i-Pr)2N (Hungis base)碱性和Et3N类似,且拥有更大的空间位阻,作者希望通过位阻效应来减少碱和手性催化剂的络合,从而降低催化剂用量,但仅得到了分别为10%和31%的收率及13%和69%ee。在使用嘧啶作碱时,由于嘧啶和铜络合物过度的络合导致了6%的收率和13%ee。在优化了反应条件后,底物也进行了扩展,进行了以不饱和α-酮酯为底物的不对称Henry反应。在同样的实验条件下,此反应显示出了很高的专一性,目标产物2的收率>96%。

Evans[8]使用box配体3催化了对硝基苯甲醛和硝基甲烷的Henry反应。反应在常温下,乙醇中进行,获得了81%ee。作者还对底物进行了扩展,选用了多种脂肪醛和芳香醛,ee值最高达94%。

杜大明等[9]合成了一系列以二苯基胺为骨架的双噻唑啉配体4,并对相同骨架的box配体5的合成方法进行了改进。作者将这一系列C2对称的三齿手性配体应用于α-酮酯与硝基甲烷的Henry反应。在进行Lewis酸的选择中发现,选用5a为配体,Zn(OTf)2和Cu(OTf)2会得到绝对构型相反的两种产物,ee值和绝对构型分别为16% R和50% S。在反应条件实验中,卤代烷烃显示出较好的结果,在室温下CH2Cl2中,ee值达到了80%,收率43%。低温对反应的对映选择性没有明显的促进作用,-20℃时ee值上升到82%,但收率下降到29%。作者随后对使用Cu(II)和Zn(II)造成产物绝对构型相反的情况进行了探讨[10]。

1.2 硼桥双噁唑啉配体

Pfaltz[11]使用硼桥双噁唑啉 (boron-bridged bisoxazoline, borabox)配体6和Cu(OTf)2催化醛和硝基甲烷的不对称Henry反应,乙醇为溶剂,在室温下进行,对于芳香醛和脂肪醛都取得了较好的结果(ee值最高81%)。作者对于Et3N的用量和投料方法进行了研究和改进。Et3N的最佳用量为10 mol%。其中,为了使borabox能够更好的与Lewis酸络合,将5.5 mol% (与borabox等量) Et3N与borabox一起投入,待质子化的borabox被碱夺去质子并与Cu(II)络合后,将剩余的4.5 mol% Et3N、醛和硝基烷烃一起加入。此催化体系还被用于催化醛和硝基丙烷的Henry反应,其中环己基甲醛的产物的dr (syn:anti)为93:7, ee值为94%(syn)和74%(anti)。

1.3 双噁唑烷配体

Wolf[12]报道了氨基茚醇衍生的双噁唑烷7为配体催化的不对称Henry反应,之前该小组已将其成功应用于醛的立体选择性炔基化反应和烷基化反应。在配体7和CuOAc所形成的络合物作用下,各种醛均得到了相应的Henry反应加成产物,ee值为74%～97%,值得一提的是,脂肪醛为底物的结果要好于芳香醛。随后作者将此催化体系用于4-氧代丁酸甲酯与硝基甲烷的对映选择性Henry反应,以85%的收率,89%ee生成了中间体8并进一步通过还原和内酰胺化生成了生物碱前体5-羟基哌啶-2-酮9和5-(氨甲基)二氢呋喃-2(3H)-酮10(图2)。

1.4 固相催化的噁唑啉类配体

Gade等[13]制备了含有双噁唑啉和三噁唑啉树枝状碳硅烷,将其和Cu(II)一起催化了2-甲基乙酰乙酸乙酯的α-酰肼化反应(α-hydrazination,图3)和邻硝基苯甲醛的不对称Henry反应。在Henry反应中,二代树枝状碳硅烷配体11a显示了最好的催化性能,产物的ee值达到了87%。由于不对称Henry反应是作为补充实验,因此作者并未进行深入的研究。但α-酰肼化反应的结果是有参考意义的。作者随后将配体11b与铜一起生成络合物11b-Cu,分子量大约在14500 g/mol,装入允许2000 g/mol分子迁移的薄膜中,固相循环催化,首次得到的产物ee值为82%。在经过7次催化之后,产物的ee值仍有77%。

2 氨基醇类配体

2.1 氨基醇配体

鉴于氨基醇配体12能够有效的催化不对称Strecker反应和不对称氰基硅烷化反应,Vilaivan [14]用同样的方法合成了2-烷硫基苄基配体和2-噻吩甲基配体,并将其应用于芳香醛和硝基甲烷的不对称Henry反应。其中,配体13显示了较好的催化效果,13与Cu(OAc)2的络合物催化的2-三氟甲基苯甲醛和硝基甲烷的Henry反应,在30℃下,异丙醇中,经过24 h得到产物,产率91%,ee值为88%。

Salen配体在不对称反应中得到了广泛应用。四川大学的冯小明[15]设计合成了四氢Salen配体14。Cu(I)-14络合物催化对硝基苯甲醛和硝基甲烷的Henry反应,产物ee值达93%。而随后进行的底物扩展结果表明,该催化体系对各种醛都有很好的效果,芳香醛、杂芳香醛、不饱和醛、脂肪醛的相应产物都能取得很好的对映选择性,ee值均在88%以上。其中邻羟基苯甲醛的Henry反应产物经过还原氢化以67%的总收率得到了(S)-norphenylephrine。作者还由手性二胺化合物合成了N,N’-二氧化物配体15[16],与Cu(OTf)2·C7H8生成络合物,催化醛和α-酮酯的不对称Henry反应,得到了优异的对映选择性。其中,2-呋喃甲醛的Henry反应产物收率为99%,ee值为98%,2-氧代戊酸乙酯的产率为79%,ee值达到了99%。优化后的反应条件如下:45℃,甲醇作溶剂,0.1 mmol的醛或α-酮酯,20 equiv硝基甲烷,5 mol% Cu(OTf)2·C7H8,10 mol%配体15,20 mg 4$\text{A}$MS,5 mol% iPr2NEt。

最近,Constable等[17]使用配体16和CuI体系催化对硝基苯甲醛和硝基甲烷的Henry反应,THF作溶剂,273K或295K下进行,产物的ee值分别为92%和90%。进行底物扩展后发现,对于含吸电子取代基的芳香醛以及吡啶甲醛为代表的简单N-杂环芳香醛,均有较高的产率和对映选择性,如邻硝基苯甲醛几乎定量地以95%的ee值得到了相应的Henry反应产物。但对于苯甲醛之类的简单芳香醛或含有Cl、OMe、Me等供电子基团的芳香醛,该催化体系就不太理想了。

2.2 亚胺醇配体和Schiff碱配体

汪志勇和Zhou[18]以L-和D-苯丙氨酸为原料制备了两组绝对构型相反的手性Schiff碱配体,并进一步生成了铜络合物17。在室温下,乙醇中,络合物17a和17b催化的醛和硝基甲烷的不对称Henry反应有不错的立体选择性,产物ee值最高可达86%,并且由于络合物的绝对构型相反,同一底物可以选择性的获得S型或R型。

苏州大学的毛金成[19]使用水杨醛为原料与氨基醇缩合生成Schiff碱,制备了一系列亚胺醇配体。经过比较,配体18的催化效果最好。反应使用0.2 mmol对硝基苯甲醛,加入0.3 mL硝基甲烷,以2 mL异丙醇为溶剂,在50℃,10 mol%配体18,10 mol% Cu(OAc)2·H2O的条件下,ee值达到81%。

3 含氮杂环类配体

3.1 氨基吡啶和亚胺吡啶配体

Pedro等[20]以酮和氨基吡啶生成的亚胺吡啶为模板,通过变更不同的手性酮、两个N原子之间的距离以及吡啶环上的取代基设计并合成了一系列莰烷和葑烷骨架的配体。在-65℃,乙醇作溶剂,加入0.1 equiv. DIPEA (二异丙基乙基胺)的条件下,Cu(OAc)2·H2O (20 mol%)和配体19 (22 mol%)的催化体系立体选择性地催化了邻茴香醛和硝基甲烷的Henry反应,S型产物的ee值达到84%。之后作者对这一催化体系进行了更广泛的研究,用相同的路线以(1S)-(+)-酮基蒎酸为原料合成了配体20[21]。在氯仿作溶剂,其他反应条件与配体19相同的情况下,Cu(OAc)2·H2O (10 mol%)和配体20 (11 mol%)的催化体系催化了邻茴香醛和硝基甲烷的不对称Henry反应,得到了绝对构型相反的R型的产物,ee值为84%。经过醛的不对称Henry反应的成功尝试,作者合成了新的亚胺醇配体21[22],并将这一体系应用于α-酮酯的不对称Henry反应。在室温下,硝基甲烷作溶剂,0.25 mmol苯基氧代乙酸乙酯,20 mol% Cu(OTf)2,20 mol%配体21,20 mol%Et3N的条件下,得到了R型产物,ee为70%。尽管配体的两个N原子属于不同的基团,但它们的杂化程度一样,使得两个N原子在与铜配位时的电子效应差别很小。而且由于莰型骨架上甲基的位阻效应,可能会阻碍反应底物接近金属。为了使配体N原子的电子效应差异增大,并增加配体骨架的柔性,使其能通过C-N键的旋转调节莰型骨架(图4),作者将亚胺吡啶配体还原为氨基吡啶配体[23]。在Cu(OAc)2·H2O-22的催化作用下,苯甲醛的Henry反应产物的ee值达到了98%,而且其他芳香醛、杂环芳香醛、脂肪醛以及不饱和醛相应的Henry反应产物都有不错的对映选择性(ee值为85%～98%)。其中,2,4-二氯苯甲醛的Henry反应产物是抗真菌药咪康唑23的前体,作者进行了咪康唑的合成,得到了ee值为98%的咪康唑。

3.2 双哌啶配体

Kanger[24]制备了(2S,2’S)-双哌啶配体24,将其与Cu(OAc)2·H2O络合后催化了苯甲醛的不对称Henry反应,产物的ee值达到94%。将配体换成ent-24之后,以96% ee得到了绝对构型相反的R型产物。

3.3 咪唑配体

Bure$\text{s}$[25]以2-苯基-4-氨甲基咪唑为基本骨架,与醛反应通过还原胺化得到了一系列咪唑衍生的三齿配体。其中,配体25催化的效果最好,对硝基苯甲醛的Henry产物ee为31.8%。该研究小组最近又报道了使用莰环咪唑配体26和醋酸铜催化对硝基苯甲醛的不对称Henry反应,产物是S构型,ee值为67%。

4 二胺类配体

Arai[26]设计合成了手性二胺配体27,利用27和CuCl的络合物,催化醛与硝基甲烷的Henry反应。在室温下,1 mol%～5 mol%,正丙醇为溶剂,反应20 h,对硝基苯甲醛的Henry反应产物ee值达到92%。该小组合成的磺酰二胺配体28和CuCl的络合物也能有效地催化醛的不对称Henry反应[27]。在室温下,乙醇作溶剂,5 mol% CuCl,5.5 mol% 28,25 equiv (相对于配体) Py作碱,获得了很好的对映选择性,尤其是脂肪醛,ee值均能达到80%以上,最高达93%。

Bandini等[28]合成了含噻吩基的手性二胺配体29。在0℃下,乙醇作溶剂,5 mol%催化剂(配体29:Cu(II)=1.2:1)的条件下,正辛醛的不对称Henry反应产物ee值达到99%,而其他醛的ee值也均在80%以上。该小组还合成了聚乙二醇修饰的噻吩基手性二胺配体30 [29]。在配体30和醋酸铜生成的络合物的催化下,正辛醛的不对称Henry反应产物ee值为93%。在催化苯甲醛的不对称Henry反应时,该络合物重复使用5次均保持了良好的对映选择性,ee值为84%～87%。

Skar$\dot{\text{z}}$ewski[30,31]也以环己二胺为骨架合成了N,N’-二芳基取代的手性二胺配体31和32。其中配体31和醋酸铜生成的络合物催化了苯甲醛和硝基甲烷的Henry反应,在0℃下,96%乙醇水溶液作溶剂,产率95%,ee值达到91%。配体32和醋酸铜的络合物用于催化苯甲醛和硝基乙烷的非对映选择性Henry反应,反应在-30℃下,异丙醇作溶剂,加入3.8 mol%二异丙基乙基胺作碱,得到的产物dr (anti:syn)为65:35,ee值分别为92%(anti)和91%(syn)。

Takana[32]报道了使用Cu(OAc)2-trianglamine络合物催化的无溶剂不对称Henry反应。由(S,S)-1,2-环己二胺衍生的trianglamine类配体33和34在CH2Cl2中,于室温下与Cu(OAc)2络合,生成相应的催化剂。值得一提的是,这两种催化剂对不同的底物各有高低。Cu(OAc)2-33络合物适合脂肪醛的催化,无论是直链、支链或环烷基醛都有较好的对映选择性(83%～93%ee)。而Cu(OAc)2-34络合物则适合催化芳香醛,且苯环上取代基的电子效应不明显,对苯甲醛和多个取代苯甲醛均显示了良好的对映选择性(74%～87%ee)。

5 生物碱类配体

番木鳖碱(brucine)衍生配体35也能有效地催化不对称Henry反应。Oh[33]将配体35与Cu(I)或Zn(II)反应分别生成了Cu(I)-35和Zn(II)2+n-35络合物,并将它们用于催化苯甲醛和硝基甲烷的不对称Henry反应。在-15℃下,以CuOAc为Lewis酸,CH2Cl2为溶剂,并且为了使铜盐有效地起到碱的作用,加入了t-BuOH (30 mol%),得到了ee值为95%的S型产物。而使用Zn(OTf)2作Lewis酸时,在-15℃下,THF为溶剂,加入H2O (30 mol%),得到了绝对构型相反的R型产物,ee值为80%。优化了反应条件之后,作者进行了底物扩展。CuOAc-35的底物适应性较好,无论是芳香醛还是脂肪醛都能获得很好的结果,产物的ee值为90%～97%,而Zn(OTf)2-35对芳香醛的催化效果较好,产物ee值为67%～90%,但脂肪醛只以中等的ee值 (最高为42%)获得相应的Henry反应产物。这二种催化体系还被用于醛和硝基烷烃的非对映选择性Henry反应,得到了令人满意的结果 (图5)。在Cu(I)-35催化体系中,产物dr(anti:syn)为50:50～20:80,ee值分别为78%～96%(anti)和92%～98%(syn)。在Zn(II)-35催化体系中,产物dr(anti:syn)为42:58～20:80,ee值分别为28%～60%(anti)和52%～92%(syn)。作者还对反应过渡态进行了探讨,在Cu(II)催化时,产生的是金属与配体摩尔比为1:1的单金属络合物,硝基甲烷通过一个椅式构象对醛进行Re面进攻。而在Zn(II)催化时,生成了双核心络合物,从而促进了硝基甲烷的Si面进攻(图6)。

Maheswaran[34]使用鹰爪豆碱和CuCl2的络合物催化醛与硝基甲烷的Henry反应。在0℃下,甲醇作溶剂,3 mol% Et3N,其中邻甲氧基苯甲醛的反应产率>95%,ee值达到97%。

Skar$\dot{\text{z}}$ewski[35]报道了金鸡纳碱衍生的配体36,与醋酸铜络合催化了苯甲醛和硝基甲烷的Henry反应。异丙醇作溶剂,0℃下,产物ee值达到了83%。

6 结 语

不对称加氢催化剂研究进展 第4篇

手性是自然界的一个普遍现象。许多具有光学活性的化合物都具有生理活性,在生命体内有着举足轻重的地位。 另外,许多药物、农药、食品添加剂等也是手性化合物。近年来随着生命科学的发展,人们对手性化学品的需求逐渐增加,从而促进了合成手性化合物的研究与开发。目前不对称催化法是获得手性化合物最有效、最有经济价值的方法。

其中不对称加氢反应是制备具有光活性物质的重要途径,如将蒎烯、苯乙酮、肉桂醛、巴豆醛、卤代硝基苯等中的C=C、C=O、C=N不饱和键加氢生成相应的手性物质。这些手性物质是合成具有生物活性化合物的重要中间体,可以合成很多不同用途的有机化合物,在医药、农药和香精等精细化学品的合成中有着广泛的应用。多年来,人们致力于研究合适的催化剂用于不对称氢化反应,以提高手性物质合成的选择性。本文将从均相、多相和非晶态三方面对不对称加氢催化剂进行概述。

1 均相催化剂

早期的不对称催化加氢使用的是均相催化剂。均相手性催化剂是具有手性配体的可溶性金属络合物,手性配体和金属中心离子相互作用而产生一个手性氛围,即不对称催化的活性中心。由于对底物的结构没有特殊要求,所以这类催化剂往往可用于不同类型底物的催化。均相催化剂手性配体包括手性膦、手性胺、手性硫化合物等。中心金属的选择多限于第Ⅷ族过渡金属,其中贵金属Ru、Rh、Ir、Pt等的应用最多,而非贵金属应用较少,主要是Ni。

Süss-Fink[1]使用HRu3(CO)9和HRu2(CO)4催化剂用于蒎烯催化加氢。这两种催化剂属于可溶性手性催化剂,在90℃、H2压力为5.0 MPa条件下反应15h,产物中顺式蒎烷的选择性接近100%。姜和等[2]研究了钌-双膦-二胺配合物催化剂RuCl2[(S)-P-Phos]-[(S)-DAIPEN][P-Phos: 2,2′,6,6′-四甲氧基-4,4′-双(二苯基膦基)-3,3′-二吡啶, DAIPEN:1,1-二(4-甲氧苯基)-2-异丙基-1,2-乙二胺]催化芳香酮不对称加氢反应的性能。在苯乙酮、叔丁醇钾、催化剂的物质的量比为1000∶20∶1,H2压力为2 MPa,反应温度为30℃时,苯乙酮的转化率达到了100%,α-苯乙醇的ee值达到88.5%,2′-溴苯乙醇的ee值可达97.1%。

Brown[3]采用可溶性Crabtee催化剂[(1,5-辛双烯)(吡啶)(三环己基膦)铱六氟磷酸盐]用于研究蒎烯的均相加氢反应。研究结果表明:蒎烯的氢化反应是从蒎烯的Endo面立体选择性进攻,顺式蒎烷含量达98%。

杨朝芬等[4]首次采用廉价的镍配合物NiCl2(PPh3)2,以(S,S)D-DPEN为手性修饰剂原位生成镍手性催化剂,用于苯乙酮及其衍生物不对称加氢反应的催化性能研究。实验结果表明,以乙醇作溶剂,于20 ℃反应115h,转化率可达98.1%,ee值达到了77.2%。

2 多相催化剂

多相催化是催化领域的另一大类型,具有催化剂活性组分变化广泛、温度范围广、产品易分离纯化等优点,同时,多相不对称催化剂可利用固体表面的不对称性和纳米孔中的立体选择性来提高对映选择性。因此,多相不对称催化在过去的几十年中备受化学家的重视,特别是近10年来,人们结合均相催化剂和多相催化剂的优点,对多相不对称催化的研究十分活跃。多相不对称催化剂可分为两种:一种是均相催化剂多相化,另一种是负载型金属催化剂。

2.1 均相催化剂多相化

在多相不对称催化加氢反应中,固体表面具有手性环境是进行不对称催化反应的先决条件。目前,均相催化剂多相化的技术主要有:(1)手性配体通过物理或化学吸附固定在载体表面;(2)将金属配合物包裹于固体基质中,或手性配体与高分子化学键合形成键合在高分子上的手性催化剂;(3) 水溶性手性催化剂,研究较多的是带磺化手性膦配体或手性二胺的金属配合物,多是两相体系。

2.1.1 均相催化剂固定化

均相催化剂固定化是将金属络合物催化剂负载在无机载体或高分子聚合物上,或将金属配合物包裹于固体基质中所形成的“多相化的均相手性催化剂”,但是仍然存在催化剂流失问题,目前此类的相关报道较少。刘建红等[5]采用自由配体法将(1S,2S)-DPEN-Ru(TPP)2配合物封装于NaY沸石分子筛超笼中,制备了(1S,2S)-DPEN-Ru(TPP)2/Y主客体材料,用于苯乙酮的不对称催化加氢反应。研究表明,封装于Y型分子筛超笼中的(1S,2S)-DPEN-Ru(TPP)2配合物保持了原有的物理化学性能,在优化条件下,苯乙酮的转化率达100%,(R)-苯乙醇的ee值可达61.0%。

2.1.2 两相体系中不对称加氢催化剂

两相体系的不对称催化加氢反应,所使用的溶剂包括水、离子液体、超临界CO2等。目前,研究最多的是水/有机两相催化体系,其次是离子液体催化体系,而超临界CO2催化体系研究较少。

以水溶性过渡金属络合物为催化剂的水/有机两相催化体系中,配体一般为手性膦配体或手性二胺配体,中心金属多采用Ru和Rh。杨晓等[6]考察了水促进的RuCl3催化α- 蒎烯加氢反应。结果表明,水对α-蒎烯加氢反应具有明显的促进作用,可显著提高蒎烷选择性及产物中蒎烷顺反比,且容易实现产物的分离及催化剂的循环使用。图1为水促进的RuCl3催化α-蒎烯加氢反应机理。在最佳工艺条件下,α- 蒎烯转化率达99.7%,蒎烷顺反比为28,顺式蒎烷选择性为96.3%。Qin等[7]在聚乙二醇-400-水介质中,以(1S,2S)-1, 2-二苯基乙二胺的磺酸钠盐为手性修饰剂,考察了水溶性三(间-磺酸钠苯基)膦稳定的Ru催化苯乙酮及其衍生物的不对称加氢反应。研究发现,该催化剂体系具有良好的催化活性和对映选择性。在优化工艺条件下,苯乙酮转化率和对映选择性分别为100%和84.9%,且催化剂可重复使用多次。 郑宏杰等[8]研究了RuCl3xH2O和TPPTS[P(m- C6H4SO3Na)3]原位合成的水溶性钌-膦络合物在水/有机两相体系中对肉桂醛的选择性加氢反应。结果表明,在DC- MAB助催化作用下,肉桂醛转化率为98.3%,肉桂醇ee值为96.9%。 周娅芬等[9]合成水溶性钌配合物[RuCl2- (TPPTS)2]2催化剂,用于水/有机两相体系中催化卤代硝基苯选择性加氢反应。研究发现,在100℃,H2压力3.0MPa时反应6h,对-氯硝基苯转化率达100%,对-氯苯胺的ee值达95.2%。

离子液体作为传统有机溶剂的替代品也被应用于不对称加氢反应中。王金波等[10]制备了离子液体1-丁基-3-甲基- 咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF4)、1-丁基-3-甲基-咪唑对甲基苯磺酸盐([BMIM][p-CH3C6H4SO3])介质中非手性膦配体TPPTS稳定的钌纳米粒子,用于催化苯乙酮及其衍生物的不对称加氢反应。在优化工艺条件下,获得了100%的转化率和79.1%的ee值。

Dalida[11]以超临界CO2为溶剂用Pd/C催化剂催化α-蒎烯液相加氢制备顺式蒎烷,发现反应速率在超临界CO2溶剂中比在通常条件下要快,因为超临界CO2液相可以使α-蒎烯 “膨胀”,有利于溶入更多的氢气,从而使反应速率加快。

2.2 负载型金属催化剂

负载型金属催化剂是将金属、金属氧化物或金属硫化物等负载于载体上形成的催化剂。负载型金属催化剂的中心金属多为Ru、Pt、Ir、Rh、Ni等,常见的载体有活性碳、Al2O3、 ZrO2、CeO、SiO2或复合载体等。根据中心金属是否经过改性或修饰,本文将负载型金属催化剂分为单金属催化剂、改性催化剂和手性修饰催化剂3类。

2.2.1 单金属催化剂

贵金属催化剂由于具有较高的加氢活性,因此广泛应用于不同底物的不对称加氢反应,其中Ru和Pt应用最广。 Mark等[12]以纯化的α-蒎烯为原料,用5%Ru/Al2O3(质量分数)作催化剂,在1.4MPa、25 ℃条件下催化α-蒎烯加氢,反应3h,所得产物中顺式蒎烷的选择性达96.2%。Gerhard等[13]在固定床反应器中采用1% Ru、Al2O3(质量分数)催化剂,在30MPa和50℃下催化氢化α-蒎烯,所得产物中顺式蒎烷的含量为95%~97%。郭方等[14]研究了高分散度Ru/ C催化对氯硝基苯(p-CNB)加氢反应的催化性能。结果表明,反应条件只影响p-CNB的加氢速率,对p-CAN的选择性没有影响,p-CNB完全转化时,p-CAN的选择性为100%,没有脱氯副反应发生,且催化剂连续使用30次活性保持稳定。 Komandur等[15]采用浸渍法制备了一系列Ru/SBA-15 (0.5%~6.0%)催化剂,测定气相硝基苯选择性加氢的催化活性。研究发现,4.5% Ru(质量分数)的催化剂有较高的转化率和选择性,硝基苯的转化率达96.5%,苯胺的选择性达99.9%。

郑海影等[16]采用浸渍法以高比表面积的ZrO2为载体制备负载型Pt催化剂,应用于常压下气相巴豆醛选择性加氢反应。实验结果表明,3%Pt/ZrO2(质量分数)催化剂经500 ℃还原后,巴豆醛选择性加氢性能较高:巴豆醛转化率为27%,巴豆醇的选择性为55%。Fatima Ammari等[17]制备了5%Pt(质量分数)负载型催化剂Pt30/ZnCl2/SiO2和Pt2/ ZnCl2/SiO2,用于巴豆醛选择性加氢反应。两种催化剂呈现出不同的催化活性和选择性。400℃时,Pt30催化剂上巴豆醛的选择性大于80%。

同时不同载体对Pt系催化剂性能的影响也是人们研究的热点。Ramos-Fernández等[18]研究了载体组成对Pt/ Ta2O5-ZrO2催化剂上气相巴豆醛选择性加氢催化性能的影响。采用溶胶-凝胶法制备不同Ta、Zr原子比的Ta2O5-ZrO2载体和纯Ta2O5载体负载Pt。结果表明,Pt、Ta2O5具有最高的催化活性和对巴豆醇的选择性,选择性达到28%。 Bhogeswararao等[19]首次研究了Pt/CeO2、Pt/ZrO2、Pt/ CeO2-ZrO2催化剂用于液相肉桂醛选择性加氢反应。实验结果表明,3种催化剂在低温时仍具有较高的活性和选择性,且添加碱(NaOH)可以增加催化剂的催化性能,在25℃、H2压力为2MPa下,反应8h,5%Pt/Ce2O-Zr2O(质量分数)催化剂上肉桂醛的转化率达到95.8%,肉桂醇的选择性达到93.4%。表1为Pt负载量对肉桂醛选择性加氢的影响。朱琳课题组[20]研究了不同载体对负载型Pt催化剂上气相巴豆醛选择性加氢催化性能的影响。他们发现,Pt/ZrO2催化剂上巴豆醇的选择性达48%且在反应过程中较稳定;在Pt/ CeO2催化剂上巴豆醇的选择性从51%降到33%。Pt/CeO2催化剂选择性降低是因为催化剂表面形成积碳,而Pt/ZrO2催化剂表面未形成积碳使选择性保持稳定。

朱琳课题组[21，22]还研究了Ir/ZrO2催化剂上Ir含量和还原温度对气相巴豆醛催化加氢选择性的影响。研究发现, 催化剂的活性随Ir含量的增加而增强,但是随反应的进行催化剂快速失活,其原因可能是脱碳反应引起催化剂CO中毒。 Ir含量为3%的催化剂具有最高的催化性能,巴豆醇选择性达82.2%。随着还原温度的升高,巴豆醛转化率和巴豆醇选择性先升高后降低。在400 ℃ 时,巴豆醛转化率最高达32.2%,巴豆醇选择性达74.3%。刘新梅等[23]用等体积浸渍法制备了Ir/γ-Al2O3催化剂用于对氯硝基苯加氢反应。 结果表明,在120℃活化1.0h得到的Ir/γ-Al2O3催化活性最高。在n(对氯硝基苯)∶n (Ir)=3000∶1,反应温度50 ℃,H2压力0.5MPa,乙醇为溶剂的条件下反应2.5h,对氯硝基苯的转化率和对氯苯胺的选择性均达到100%。

Reaction conditions:Catalyst(Pt/CeO2-ZrO2reduced at 300℃for 2h)=0.05g,cinnamaldehyde(CA)=4g,solvent(isopropanol)=40mL,alkali solution=0.02g of NaOH in 10mLwater(pH=13),p(H2)=2 MPa,reaction temperature=25℃,reaction time=8h,stirring speed=500r/min.HCA=hydrocinnamaldehyde,PPL=3-phenylpropanol,CAL=cinnamyl alcohol,other products include

Aoun等[24]采用浸渍法制备不同Zn、Rh原子比1%Rh/ ZnO-Al2O3(质量分数)催化剂用于气相巴豆醛的选择性加氢反应。实验表明,Zn对羰基的氢化有明显的促进作用。当Zn、Rh原子比为5∶1时,催化剂催化性能稳定,且巴豆醇选择性最高可达70%。

Sangeetha等[25]采用浸渍法制备了一系列铝镁水滑石负载的钯催化剂,研究其对气相硝基苯催化加氢反应的催化性能。结果表明,0.5%Pd(质量分数)的催化剂具有较高的催化性能,在225℃时,硝基苯的转化率为97%,苯胺的选择性达98%。

非贵金属催化剂的活性组分多为Ni、Co、Cu等。千禧年公司[26，27]将由松节油分馏得到的93%~95% α-蒎烯以镍为催化剂,在60~150 ℃、1.96~9.80 MPa下进行氢化,所得蒎烷接近理论产量,平均得率95.7%,其中95%~96%是顺式蒎烷,反式蒎烷少于5%。Raj等[28]研究了以Al2O3、SiO2和不同相态的TiO2为载体的15%Co(质量分数)催化剂用于液相肉桂醛选择性加氢反应,在120℃且H2压力为1MPa时,Co/TiO2催化剂具有高的转化率和选择性,转化率达到47.4%,肉桂醇选择性达到58%,且结晶态TiO2具有更好的稳定性,对肉桂醇的转化率和选择性更高。Gutierrez等[29]以Cu(AcAc)2为前驱体,采用水热法和浸渍法制备了一系列Cu/MCM-48催化剂用于液相巴豆醛加氢反应。研究发现, 7%Cu/SiO2(质量分数)催化剂具有较高的催化活性,巴豆醇的选择性为50%,巴豆醛的转化率为10%。

2.2.2 改性催化剂

改性催化剂是在单组分催化剂基础上加入其他活性组分,或在载体中掺杂其他元素进行改性,使催化剂催化性能大大提高。改性催化剂多以非贵金属元素Fe、Co、Cr等改性贵金属催化剂,改性后的催化剂多为双金属催化剂或多金属催化剂。

赵磊等[30]采用有机金属化合物Pt2(dba)3还原分解法制得均匀分布的粒径在2.0nm左右的Pt纳米颗粒,直接吸附到经预处理的Fe/C载体上,获得复合型Pt-Fe/C催化剂, 用于肉桂醛(CAL)选择性加氢反应。结果表明,其催化活性比浸渍法制备的Pt/C催化剂高1倍以上。在60°C,H2压力为4.0MPa条件下反应2.5h,1%Pt-1.5%Fe/C(质量分数)催化剂上肉桂醛加氢转化率为99.2%,肉桂醇(COL)选择性达到85.0%。刘长春等[31]采用浸渍法制备了负载Pd- Fe双金属催化剂,考察了催化剂常压下催化3-氯-4-氟硝基苯的选择性加氢性能。表2为不同载体对Pd催化剂性能的影响,表3为过渡金属对Pd/TiO2性能的影响。

Reaction conditions:3-chloro-4-fluoronitrobenzene 0.2 mol,Pd 5wt%,ethanol 80mL,p(H2)=0.1 MPa,50℃and reaction time 2h

Reaction conditions:3-chloro-fluoronitrobenzene 0.1 mol,catalyst 0.26g,Pd 5wt%,ethanol 80mL,p(H2)=0.1MPa,50℃and reaction time 2h

从表2、表3可以看出,以TiO2为载体的催化剂具有较高催化活性,添加Cu使Pd/TiO2催化剂失活,添加Fe、Co、 Mn后,Pd/TiO2催化3-氯-4-氟硝基苯加氢反应的活性和3- 氯-4-氟苯胺选择性都明显提高,添加Fe的催化剂催化性能最好。同时研究了Fe、Pd含量对催化剂催化性能的影响,发现含量为5%Pd(质量分数)、0.2%Fe(质量分数)的Pd-Fe/ TiO2催化剂具有很好的催化活性和选择性。在较优的工艺条件下,于50℃、0.1MPa反应2h,3-氯-4-氟苯胺反应产率达98.1%,3-氯-4-氟苯胺选择性达99.1%。Hidalgo-Carrillo等[32]首次以天然磷酸盐为载体制备了一系列的铂系催化剂, 用于液相巴豆醛催化加氢反应。用XPS进行表征,研究催化剂表面性能与巴豆醛催化加氢合成巴豆醇选择性的关系。 结果表明,活性最高的系统中P、O、Ca、F及C相互作用形成了新的催化剂表面,这种改变使Pt具有较低的结合能,用FeCl2对其进一步改性,巴豆醛的转化率达34%,巴豆醇的选择性达70%。

俞铁铭等[33]研究了Co的掺杂对Pt/CNTs催化剂催化加氢肉桂醛反应性能的影响。结果发现,Co的掺杂对Pt/ CNTs催化剂催化加氢活性起到明显促进作用,并有利于C=O基团的选择性加氢。Pt-0.17%Co/CNTs(质量分数)催化剂显示了较高的肉桂醇加氢选择性,在70 ℃、H2压力为2MPa,反应1.5h时,肉桂醛的加氢转化率达到97.1%,肉桂醇的选择性达到93.6%。Ramos-Fernández等[34]采用负载在掺杂Cr3+改性的ZnO上的Pt催化剂催化液相巴豆醛选择性加氢。实验表明,载体中Cr的存在使整体催化活性增强,对不饱和醇有较高的选择性。5%Pt/Cr-ZnO(质量分数) 的催化剂具有最高的选择性,肉桂醛转化率为100%时,生成肉桂醇的选择性达到95%。

刘新梅等[35]制备了以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)稳定的Ru-Pt/γ-Al2O3负载型双金属催化剂,用于2,5-二氯硝基苯中的硝基选择性加氢。结果表明,用乙醇还原的Ru-Pt/γ- Al2O3催化剂性能较好,在50℃,H2压力1.0MPa,反应1h时,转化率为41.4%,生成2,5-二氯苯胺的选择性为63.5%。 若向该催化体系中加入Sn4+,反应的活性和选择性会大幅度提高,转化率达100%,选择性为77.6%。Hung等[36]制备了以碳纳米管和活性炭为载体的Pt、Ru、Pt-Ru催化剂,用于研究肉桂醛生成相应肉桂醇的选择性。结果表明,双金属催化系统具有显著的选择性和转化率,选择性高达93%,转化率高达80%,以碳纳米管为载体的催化剂活性远大于以活性炭为载体的催化剂。

Krasuska等[37]使用负载在硅藻土上的含少量Pb、B和Mg的Ni作催化剂,负载镍高度分散在载体的整个表面上, 能产生较大的活性表面。α-蒎烯在2MPa和70℃条件下反应20h,产物中顺式蒎烷含量达98.9%,反式蒎烷含量为1%。Canova等[38]将镍催化剂表面部分毒化后制成Ni-Zr催化剂,研究了α-蒎烯氢化制顺式蒎烷反应,在1.4MPa压力下于30℃反应19h,产物中顺式蒎烷的选择性达95%,镍催化剂表面部分毒化后,获得了高的立体选择性,使氢化产物中的顺式蒎烷选择性大大提高。

2.2.3 手性修饰催化剂

通过在传统的多相催化剂中引入手性修饰剂分子作为不对称催化反应的立体控制功能团,是实现手性诱导即不对称催化的一种重要策略。手性修饰的负载型催化剂在对芳香酮的不对称加氢反应的研究还处于起步阶段,反应的催化活性不高,产物的对映选择性还很低。目前只有以下几种类型的催化剂:(1)金属-天然纤维体系(将金属Pt、Pd、Fe等负载在生物聚合物上催化加氢芳香酮);(2)Pd/C-(S)-脯氨酸体系;(3)Pt/Cinehona体系;(4)手性二胺修饰的负载型金属Ru、Ir体系。

王来来等[39]用亲水性、高比表面积、硅烷化硅小球负载钯,以(S)-脯氨酸为手性助剂、苯乙酮为反应底物,考察不对称加氢反应和不同有机碱助催化剂的影响。实验表明,当使用三辛胺助催化剂时,(R)-苯乙醇的对映催化异构体选择性可达17.5%。杨朝芬等[40，41]采用L-脯氨酸作稳定剂制备了不同载体负载的金属铱催化剂Ir/Al2O3和Ir/SiO2,在手性二胺(1S,2S)-DPEN修饰下催化苯乙酮不对称加氢反应。 其中,Ir/Al2O3催化剂上,以L-脯氨酸作稳定剂,一定条件下,苯乙酮不对称加氢ee值为71.3%,2-(三氟甲基)苯乙醇的ee值达到了79.8%。而在Ir/SiO2催化剂上,无稳定剂条件下,苯乙酮的ee值为70.0%。

蒋和雁等[42]以金鸡纳碱衍生物作为手性修饰剂,研究了三苯基膦稳定的1.0% Ru+0.2% Rh/γ-Al2O3催化剂催化芳香酮多相不对称加氢。结果表明,金鸡纳碱衍生物对1.0%Ru+0.2%Rh/γ-Al2O3-tpp催化剂具有较好的修饰作用,在优化反应条件下苯乙酮加氢反应的ee值高达84%。

目前,芳香酮及其衍生物的不对称加氢反应多采用手性二胺修饰的Ru、Ir负载型催化剂,选择性为80%左右。刘德荣等[43]制备了以三苯基膦(PPh3)作为助剂的Ru-Rh/γ- Al2O3催化剂,在氢氧化钾的异丙醇溶液中,用(1S,2S)-DPEN作手性修饰剂对苯乙酮及其衍生物进行不对称催化加氢。在优化反应条件下,此催化剂表现出较高的催化活性和良好的对映选择性。苯乙酮、乙基苯基酮和异丙基苯基酮的转化率分别达到92.5%、95.9%、100%,生成(R)-构型产物的ee值分别达到79.6%、81.2%和81.4%。黄艳轶等[44]在温和条件下制备了Ru-(S)-BINAP/γ-Al2O3催化剂,考察了其催化苯乙酮及其衍生物不对称加氢的性能。在优化的工艺条件下反应,结果表明:(1S,2S)-DPEN手性修饰剂修饰的Ru-(S)-BINAP/γ-Al2O3催化剂具有较高的活性和对映选择性,苯乙酮的转化率可达100%,(R)-苯乙醇的ee值为75.0%。熊伟等[45]将钌膦配合物RuCl2(PPh3)3负载在无机载体γ-Al2O3上,制备了负载型催化剂RuCl2(PPh3)3/ γ-Al2O3,并在(1S,2S)-DPEN的修饰下,研究了RuCl2- (PPh3)3/γ-Al2O3催化芳基烷基酮的不对称加氢反应。图2 为RuCl2(PPh3)3/γ-Al2O3催化苯乙酮不对称加氢反应。研究发现,在最优工艺条件下,苯乙酮不对称加氢的转化率达到85%,ee值为82%。张定林等[46]用共沉淀法制备了经手性胺修饰的以羟基磷灰石为载体的RuCl2(TPP)3催化剂,催化苯乙酮不对称加氢反应。结果表明,在H2压力为5.0 MPa、30℃条件下反应4h,苯乙酮的不对称加氢转化率为99.9%、ee值为77.8%,他们同时还制备了羟基磷灰石负载的铱催化剂Ir/HAP,以(1S,2S)-DPEN为手性修饰剂,催化苯乙酮及其衍生物不对称加氢反应。该催化剂表现出较高活性和对映选择性。苯乙酮及其衍生物的加氢转化率在94.7%以上,其中生成2′-(三氟甲基)苯乙醇的ee值高达81.5%[47]。

3 非晶态催化剂

非晶态合金的研究与应用是近20年来材料科学研究的一个重要领域,其作为催化剂具有很多独特的性质。其一, 可在较大范围内改变合金的组成,连续控制催化剂的电子性质;其二,由于非晶态的短程有序的特性,使催化活性中心可均匀地分布在化学均匀的环境中。此外,非晶态合金无孔, 可消除孔扩散阻力,减少副反应的竞争,提高反应选择性。 但亚稳态的非晶态合金容易导致催化剂团聚失活,所以需要经过改性以提高非晶态合金的稳定性和活性。最主要的途径是将其负载在载体上。负载型非晶态合金催化剂具有活性高、热稳定性好、寿命长等特点。近年来,有专家学者将非晶态合金催化剂用于C=C、C=O、C=N不对称加氢的研究,主要有Ni-B非晶态催化剂、Co-B非晶态催化剂。

李凝等[48]采用化学还原法制备了负载型Ni-B非晶态合金催化剂,用于α-蒎烯催化加氢,考察催化剂的活性和选择性。结果表明,在Ni-B非晶态合金和载体的表面酸中心协同作用下α-蒎烯形成化学吸附态,催化剂表面的酸中心强度影响催化剂的选择性,Ni-B/ZrO2-Al2O3催化剂使 α-蒎烯的转化率达到89.6%,蒎烷选择性达到91.2%。反应70h后, α-蒎烯的转化率下降了近10%,而蒎烷选择性几乎保持不变。杨师棣等[49]采用浸渍-化学还原法制备了一系列负载型Ni-B非晶态合金催化剂,并用于3种氯代硝基苯液相加氢反应。结果表明,负载型Ni-B非晶态合金催化剂在氯代硝基苯液相加氢反应中表现出较高的活性和良好的选择性。以CNTs为载体的非晶态合金Ni-B催化剂的催化性能优于其他载体催化剂,3种氯代硝基苯的转化率均达到了99.9%, 加氢脱氯率小于2.5%。

本课题组[50]研究了负载型Ni-B/分子筛非晶态催化剂对α-蒎烯催化加氢反应的催化性能,在最佳工艺条件(110 ℃,4.0MPa,催化剂用量为原料用量的3.03%,反应1h) 下,蒎烯转化率达99.76%,加氢产物中顺式蒎烷收率为97.61%,顺反比为23.99,顺式蒎烷选择性达96%;且在催化剂使用17次后,仍具有较高的催化性能,顺式蒎烷的收率和选择性均在90%以上。

陈兴凡等[51]采用化学还原法制备了Co-B/SiO2非晶态催化剂,考察其在液相肉桂醛选择性加氢中的催化性能。研究表明,添加3.7%Co(质量分数),反应3h,肉桂醛的转化率为93.3%,对肉桂醇选择性达83.3%。孟琦等[52]采用化学还原法制备了Th修饰的Co-B非晶态合金Co-Th-B催化剂, 应用于液相肉桂醛选择性加氢制肉桂醇,研究表明,Co-Th-B的活性和选择性显著高于非修饰的Co-B,当Th修饰量为10%时,肉桂醇得率可达81.4%,且能够多次重复使用。

4 结语

不对称催化反应 第5篇

关键词：手性,3-取代吲哚,不对称反应

手性是自然界的本质属性之一。对于手性药物,两个对映体往往具有不同的生物学活性、毒性,反应停就是最典型的例子。直接利用光学纯的手性药物不仅可以排除由于无效或不良对映体所引起的毒副作用,还能减少药剂量和生物体对无效对映体的代谢负担,对药物动力学及剂量有更好的控制,提高药物的专一性。因而具有十分广阔的市场前景和巨大的经济价值。在制备光学活性产物的诸多方法中,最理想的是催化不对称合成,它具有手性增殖、高对映选择性、经济,易于实现工业化的优点,其中的手性实体仅为催化量。不对称催化反应在近三十年来发展迅速,已经成为有机化学的研究热点。

吲哚在自然界中是分布最广的杂环化合物之一[1,2,3,4,5],由于它们具有广泛的生物活性和独特的药理活性,3- 取代手性吲哚衍生物的合成在研究领域一直是个热点[6]。大量文献报道,3-取代手性吲哚及其衍生物具有许多生物特性[7,8]。色氨酸是必要的氨基酸,也是各种色胺、吲哚和2,3-二氢吲哚(包含在二次代谢物中)的生物合成的前体;麦角酸二乙基酸胺(lysergids)是己知药力最强的迷幻剂;长春新碱是一种二聚的叫噪生物碱,在白血病的治疗中非常有用。它们(Secheme 1)是合成许多生物活性化合物和天然产物的重要结构单元,因此在不对称合成3-取代吲哚及其衍生物方面开展研究具有重要的意义。

1 金鸡钠碱催化剂

金鸡纳碱是从一种叫金鸡纳碱植物中提取的生物碱类化合物,其包含四种化学成分奎宁、奎尼丁、辛可宁、辛可尼丁。金鸡纳碱类化合物都具有立体结构,以及含有羟基酸性基团和刚性叔胺碱性基团,被认为是天然双功能有机小分子催化剂,广泛地应用于各类有机不对称催化反应。

2012年,Dawid等[9]在高压下,负载少量的手性铵盐催化剂,实现了吲哚和α,β-不饱和酮的不对称傅克烷基化反应,得到了92%的收率和90%的ee值(Scheme 2)。

2009年,Bui等[10]通过2,3-二氮杂萘将两个氢化奎尼丁联接起来,合成了新的催化剂cat.1,并用其催化了吲哚酮类和偶氮二甲酸二乙酯的不对称催化反应,以乙醚为溶剂,10mol% 的催化剂用量在室温下反应24～48 h就可以得97%的产率和99% 的ee值。其合成路线见Scheme 3。

2009年,Cheng等[11]设计并合成了催化剂cat.2,并成功应用于1-位没有保护的吲哚酮类和对甲苯磺酰亚胺的类Mannich反应,得到了90%的产率和89%的ee值(Scheme 4)。

2 硫脲催化剂

1998年,Jacbson小组[12]首次报道了手性硫脲在不对称催化反应中的成功应用。随后,手性硫脲催化剂迅速成为有机化学界的研究热点。现在,手性硫脲衍生物已成功实现了高对映选择性的3-取代手性吲哚的合成。

2010年,Chen等[13]用3-取代羟吲哚异硫氰酸酯和酮反应,间二甲苯为溶剂,零下40 ℃反应,在催化剂cat.3的作用下,立体选择性的合成了3-吲哚螺环类化合物,取得了95%的产率,98%的ee和95:5的dr(Scheme 5)。

2010年,Liao等[14]首次报道了手性硫脲-叔胺催化剂cat.4不对称催化潜手性的3-取代羟吲哚与二甲酰亚胺的反应,得到了92%的收率,99:1的非对映体选择性和99%的ee值(Scheme 6)。

在十多年时间里,已经有大量结构新颖的手性硫脲催化剂运用于3-取代手性吲哚基本骨架的构建,取得了阶段性的成果。但是目前,并没有催化剂在不对称合成3-取代吲哚衍生物上得到推广应用成功实例,说明在催化剂的设计上还存在不足,比如手性催化剂比较昂贵,反应条件比较苛刻,一种催化剂只对一种底物起到催化作用。因此,在催化剂的设计和优化方面还有待深入研究和探讨。

3 金鸡钠碱-硫脲催化剂

随着双活化机制理念的提出,人们将金鸡纳碱类化合物与硫脲有效的结合起来,设计并合成了一系列新的双功能催化剂,并将其运用在不对称构建3-取代手性吲哚的反应中,取得了优异的立体选择性。

2006年,Wang等[15]又将催化剂cat.5、cat.6应用于吲哚和α-酮酯的不对称付-克反应,在以乙醚为溶剂,23～70 ℃反应温度下,10mol% 的cat.5、cat.6催化剂催化反应均可得到96%的产率和99% ee值。其中cat.5、cat.6 也可以催化吲哚和醛的不对称付-克反应,同样可以取得高产率和对映体选择值的目标产物。其合成路线见Scheme 7。

2011年,Duan等[16]利用金鸡纳碱硫脲催化剂(cat.5)不对称催化合成了含吲哚的α-氨基酸酯衍生物(Scheme 8),ee大于99%。

4 总结与展望