空心聚合物纳米微球/碗负载手性有机催化剂的制备及其在不对称催化中的应用

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在均相催化反应体系中,手性有机催化剂(5-20 mol%)难于从反应体系中回收并重复使用,造成不对称反应运行成本高昂,难于实现工业化规模合成。催化剂的非均相化是解决昂贵手性催化剂重复使用并实现工业化规模合成的重要策略之一。然而,载体骨架微环境多样性及活性催化位点包埋等因素,使得非均相不对称反应面临催化过程传质受到限制和立体选择性下降等挑战。因此,构筑尺度小而规则、比表面积大、载体骨架结构可控、性能优异、可重复使用的非均相负载手性催化剂,成为不对称反应规模化合成重要而关键的策略。  为了提升非均相催化剂的催化效能,本文用兼容性好的两亲交联聚合物设计了具有中空结构(Hollow Structure)纳米微球(Microspheres)和纳米微碗(Microbowls)的聚合物负载有机手性催化剂,并以不对称Aldol反应和Michael加成反应为模版反应考察空心聚合物手性有机催化剂在非均相催化体系中的催化性能。  第一,本文使用交联剂DVB/乳化剂SDS、交联剂DVB/乳化剂PVA和交联剂EGDMA/乳化剂PVA三种方法通过乳液聚合制备了中空纳米球,以其形貌、反应体系稳定性和催化性能为依据,选定了交联剂EGDMA/乳化剂PVA的方法制备空心微球和空心微碗。对单体投量和溶剂类型和比例进行了筛选,并通过红外、元素分析、SEM、TEM、N2吸附-脱附比表面分析和热重等测试方法对其形貌,结构和组成等进行表征。空心微球负载金鸡纳碱催化剂用于催化不对称 Aldol反应,取得了良好的收率(63-87%)和立体选择性(95% ee anti,90/10 anti/syn)。空心微球负载二芳基脯氨醇硅醚催化剂用于催化不对称Michael反应,取得了较好的收率(59-82%)和优秀的立体选择性(95-98%ee,90/10-96/4 anti/syn)。  第二,通过控制空心壳层的厚度,制备了具有空心结构的微碗(Hollow Microbowls),在不对称Michael加成反应中获得了与均相催化相当的催化活性。调节反应条件对碗状形貌进行调控,制备了一系列负载二芳基脯氨醇硅醚功能化的聚合物空心微碗3a2、3d2、3e2、3h2和3i2,通过红外、元素分析、SEM、TEM、N2吸附-脱附比表面分析和热重等测试方法对其形貌、结构和组成等进行表征。在硝基烯与正丙的醛不对称 Michael加成反应,获得了优秀的收率(86-98%)立体选择性(96-99%ee,81/19-92/8 anti/syn)。催化剂重复使用性良好,循环使用5次,收率仅有小幅下降,ee值和dr值得到了保持。  第三,通过比较了不同制备条件对形貌的影响;采用 SEM监控制备过程及洗涤模版过程的形貌变化;对比空心微球和空心微碗的壳层厚度;探究溶剂挥发和离心作用力对碗状形貌形成的影响,研究并阐明了空心微碗的形成机理:由于混合溶剂中DMSO和H2O的先后加入顺序,影响了乳化聚合体系,使得核壳前驱体中壳层厚度不一致,碗状核壳前驱壳层厚度较小(<40 nm),当去除内核后,由于支撑强度小,导致在溶剂挥发和离心作用力下产生变形,向内部凹陷形成了空心微碗。
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