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许多年来,人们对各种诸如C-H、C-C、C-O和C-N键等化学键生成的均相不对称反应进行了系统的研究,并合成了各种各样的催化剂。在这些催化剂中,许多是含有手性配体的过渡金属配合物。但是,目前仅有极少数成为成熟的工艺应用于工业生产中,其中一个主要的原因是用于不对称催化反应的催化剂的价格比较昂贵,工业生产中还缺乏有效的方法来实现这些贵重催化剂的回收与再利用。均相催化剂的负载化是一个有效的解决途径,不仅能够解决催化剂回收利用的难题,还可以减少来自于催化剂中的金属污染物,避免复杂的分离工艺。目前,已有多种策略用于均相催化剂的负载化。本文针对传统负载模式中存在的问题,我们提出了一种新型的负载模式-自负载模式,即通过含双或多官能团的配体与金属离子配位形成组装体作为催化剂。组装体中的手性桥联配体参与提供手性环境,金属离子作为催化活性中心,从而使这种催化剂具有高密度催化活性单元,这样可能使得催化剂具有较高的催化活性和对映选择性。这种催化剂在一般有机溶剂中不溶,因此为非均相催化提供了可能,从而使催化剂易于回收和再利用。由于这类通过配体与金属自组装形成的非均相催化剂不使用任何载体,因此称为自负载的手性催化剂。本文运用这种方法合成了多种手性催化剂并成功应用于不对称羰基-烯反应、α,β-不饱和酮的不对称环氧化反应、烯烃衍生物的不对称催化氢化反应中,表现出高的催化活性和优秀的对映选择性,催化剂并可多次回收与再利用。
一、联BINOL-Ti手性自负载催化剂的合成及其在不对称羰基-烯反应中的应用
在催化不对称羰基-Ene反应的各种金属配合物路易斯酸催化剂中,如Al、Ti、Pt、Pd、Yb、Cu和多种配体形成的配合物,BINOL/Ti配合物是最优秀的催化剂。我们采用手性催化剂自负载的方法,以联萘手性骨架为基础,合成了十种具有不同结构的手性桥联BINOL配体,然后与Ti(OiPr)4发生配位反应,得到一系列手性自负载催化剂。将这些催化剂应用于α-甲基苯乙烯和乙醛酸酯的不对称羰基-烯反应,能够实现定量的收率和最高达到98.5%的对映选择性。我们发现手性配体中桥联单元的空间取向、长短、几何形状的不同都直接影响到所形成的手性组装体催化剂的催化性能。手性自负载催化剂在α-苯乙烯和乙醛酸酯的不对称羰基-烯反应中实现了5次回收和再利用,产物的收率和对映选择性逐渐下降。通过电感耦合等离子发射光谱(ICP-AES)对反应液进行了流失金属含量的分析表明,反应液中的金属钛的含量为0.92~3.15 ppm,证实组装体催化剂在反应体系中确实存在一定量的流失。
二、联BINOL-La手性自负载催化剂的合成及其在α,β-不饱和酮不对称环氧化反应中的应用
将上述合成的手性桥联BINOL配体与La(Oipr)3进行配位反应,得到一系列BINOL-La手性自负载催化剂。将这些催化剂应用于α,β-不饱和酮的不对称环氧化反应,产物的收率>95%,对映选择性在94.3-97.6%之间。同前面的规律类似,手性自负载催化剂中手性配体单元之间距离的大小直接影响到自负载催化剂的催化性能。对查耳酮的不对称环氧化反应进行手性自负载催化剂的回收和再循环,能以高的收率和优秀的对映选择性(96.5~93.2%)实现六次循环。对反应过程中金属流失测定表明,反应过程中金属镧的含量仅为0.2~0.3 ppm,证明该催化过程,是在完全非均相条件下进行的。
三、联MonoPhos-Rh手性自负载催化剂的合成及其在烯烃衍生物不对称氢化反应中的应用
运用桥联MonoPhos手性配体与过渡金属离子Rh(Ⅰ)通过配位作用形成八种手性自负载催化剂,并应用于α-脱氢氨基酸和烯胺衍生物的不对称氢化反应中,使用1 mol%的催化剂用量,能以定量的转化和90~98%的ee值得到相应的氢化产物;回收实验表明,催化剂反复使用10次,都能以定量的收率和优秀的对映体过量得到产物。对反应液中金属铑离子、配体的流失量进行分析,没有检测出Rh的含量,磷的含量小于3 ppm。进一步证实,不对称催化氢化过程是在完全非均相条件下进行的。
这种“自负载”(Self-supported)的非均相手性催化剂,不但催化剂的制备简单、重复性好;手性催化剂的催化活性位点密度高,催化活性和选择性类似于甚至优于均相催化剂;催化剂稳定性好,反应过程中催化剂的活性成分损失很小;催化剂回收方便,通过简单的过滤即可实现,能保持较高的催化活性和对映选择性。展示了一种高效便捷的催化剂负载模式,这种策略也为寻求更高效实用的非均相不对称催化剂提供了一种可能途径。