烯烴不對稱環(huán)氧化綜述

1、手性Salen-Mn()配合物在烯烴不對稱環(huán)氧化中的應(yīng)用摘要 烯烴的不對稱環(huán)氧化物通過選擇性開環(huán)或者官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化, 可以生成一系列有價(jià)值的手性化合物, 被廣泛用作許多化學(xué)品的合成中間體。手性Salen-Mn()配合物被證明是烯烴不對稱環(huán)氧化最有效的催化劑。關(guān)鍵詞 Salen-Mn()配合物，烯烴，不對稱環(huán)氧化The application of Chiral Salen-Mn() Complex in Asymmetric Epoxidation of AlkenesAbstract Asymmetric epoxide by selective ring opening, or the co

2、nversion of functional groups, can generate a series of valuable chiral compounds, widely used in many chemical intermediates.Chiral Salen - Mn () complex was proved to be the most effective catalyst of alkene asymmetric epoxidation. Keywords chiral Salen-Mn() complex, alkenes, asymmetric epoxidatio

3、n烯烴的不對稱環(huán)氧化反應(yīng)是一類重要的有機(jī)反應(yīng)， 它可以使?jié)撌中缘南N轉(zhuǎn)化為帶有手性碳的環(huán)氧化合物, 然后通過選擇性開環(huán)或者官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化, 生成一系列有價(jià)值的手性化合物 1。而手性Salen-Mn()配合物催化劑是烯烴環(huán)氧化最有效的催化劑。Salen-Mn()配合物在結(jié)構(gòu)和催化活性上與細(xì)胞色素P45O(cytochromeP450)中的金屬葉琳類似,是一種仿生催化劑2。其特點(diǎn)是易于合成,結(jié)構(gòu)靈活可變,即可以使用不同種類的光學(xué)活性的二胺和不同種類的取代水楊醛合成Salen配體,從而協(xié)調(diào)配體的空間與電子效應(yīng),改變催化劑的活性中心即錳原子周圍的不對稱催化環(huán)境3。1 均相Salen-Mn()催化劑199

4、0年,Jacobsen和Katsuki兩個(gè)研究小組幾乎同時(shí)報(bào)道了含手性碳的salen配體的Mn(III)絡(luò)合物的合成,并將其成功地用于非官能烯烴的不對稱環(huán)氧化反應(yīng),成為開創(chuàng)烯烴環(huán)氧化劃時(shí)代的標(biāo)志,其中Jacobsen小組制備的手性Mn(salen)因制備簡單且催化效果優(yōu)異而更加備受青睞4。尤其是在3,3和5,5位上引入叔丁基的催化劑(圖1)(Jacobsen催化劑)取得的催化效果更加突出5。Jacobsen小組制備的手性Salen-Mn()配合物催化劑已經(jīng)被成功應(yīng)用于制備抗癌藥物紫杉醇側(cè)鏈的合成上（圖2）。圖1 Jacobsen催化劑圖2 紫杉醇側(cè)鏈的合成經(jīng)典的手性Salen-Mn（）配合物容

5、易制備，對多種非官能化烯烴的不對稱環(huán)氧化反應(yīng)顯示出很高的活性和對映選擇性，但對部分烯烴的不對稱環(huán)氧化反應(yīng)則活性較低，因此導(dǎo)致其在反應(yīng)體系中停留時(shí)間過長發(fā)生二聚而失活6。由于此類不對稱環(huán)氧化反應(yīng)通常在兩相體系中進(jìn)行，若增加催化劑的水溶性，使其兼具相轉(zhuǎn)移催化劑的功能，有望在一定程度上克服催化劑活性較低的問題。為此，人們通過在手性配體的骨架中引入叔胺或季銨鹽以提高手性Salen-Mn（）配合物的水溶性。這些配合物比非水溶性的經(jīng)典手性Salen-Mn（）配合物在兩相體系中顯示出更高的活性7。最近,許多課題組都報(bào)道了一類含季銨鹽修飾的Mn(salen)催化劑,并且在不對稱環(huán)氧化反應(yīng)中取得了較好的效果。其

6、中以離子液體修飾的Mn(salen)催化劑最為引人關(guān)注。離子液體是一種全部由離子組成的液體, 具有不揮發(fā)、不可燃、導(dǎo)電性較好和黏度比較低等特點(diǎn),被廣泛用于催化及其他領(lǐng)域。2006年,劉雙喜課題組報(bào)道了離子液體修飾的手性Mn(salen)催化劑(圖3),并在催化-甲基苯乙烯時(shí)取得了99%的轉(zhuǎn)化率和99%的ee值。Tan課題組8在2008年報(bào)道了一種新型的離子液體手性Mn(salen)催化劑(圖4),在用m-CPBA做氧化劑催化苯乙烯不對稱催化反應(yīng)中取得了99%的產(chǎn)率和40%的ee值。 圖3 離子液體修飾的手性Mn(salen)催化劑 圖4 離子液體手性Mn(salen)催化劑使用Salen-Mn

7、()進(jìn)行的催化環(huán)氧化，當(dāng)?shù)孜餅轫樖饺〈墓曹椣r(shí)取得最好的結(jié)果（表1）。2，2-二甲基苯并吡喃衍生物的環(huán)氧化反應(yīng)取得高的選擇性（97%）。當(dāng)反式取代的烯為簡單的烷基取代時(shí)環(huán)氧化給出低的選擇性（20%50%）。烯烴N-氧化物A（mol %）(1)(mol %)Yield(%)主要環(huán)氧產(chǎn)物的ee(%)0484b9220467860287980180880465c982015639420867d97*所使用的氮氧化物為4-苯基吡啶氮氧化物。b環(huán)氧混合物分離產(chǎn)率（順式：反式=11.5:1）。C環(huán)氧混合物分離產(chǎn)率（順式：反式=1:5.2）。d環(huán)氧混合物分離產(chǎn)率（順式：反式=5:1）。2 非均相Salen

8、-Mn()催化劑雖然手性salen Mn()配合物在催化非官能化烯烴環(huán)氧化中有著優(yōu)異的表現(xiàn),但是催化劑與產(chǎn)物難以分離,催化劑難以回收重復(fù)使用等均相催化劑固有的缺點(diǎn)大大限制了它的應(yīng)用,而固載化是解決這一系列問題的主要方法。相對于均相催化體系,非均相催化體系有著其獨(dú)有的優(yōu)勢,例如:催化劑易分離,可重復(fù)使用,能夠更好地控制其催化性能等等。依據(jù)載體種類不同，均相Salen-Mn(III)催化劑的多相化主要有兩種途徑:一種是將Salen-Mn()催化劑負(fù)載到有機(jī)聚合物，另一種將Salen-Mn()催化劑負(fù)載到無機(jī)載體上。2.1 有機(jī)物為載體的手性Salen-Mn( )固載催化劑在有機(jī)高分子負(fù)載催化劑中，

9、根據(jù)載體溶解性的不同，可分為不溶性和可溶性有機(jī)高分子催化劑兩類。對于不溶有機(jī)高分子負(fù)載催化來說，用于固載這種催化劑的有機(jī)聚合物載體中以不溶性高分子占大多數(shù)，包括聚苯乙烯、低分子量的Merrified樹脂和交聯(lián)的高分子大孔樹脂等。這種不溶性的高分子固載的催化劑具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)所制得催化劑催化效果較好，能接近甚至超過同骨架結(jié)構(gòu)的均相催化劑；2)聚合物載體的表面官能團(tuán)容易進(jìn)行修飾控制，便于對催化劑進(jìn)行改性；3)催化劑柔韌性較好，可以做成膜、線等多種結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是：固載的催化劑的熱穩(wěn)定性及剛性較差9。Minutol等人通過聚合的方法合成了兩種高分子負(fù)載的手性催化劑（圖5中a和b）。催化劑a是將Sal

10、en配體直接連在載體上，而b是用連接臂將Salen與載體隔開，以減小因聚合物骨架結(jié)構(gòu)所造成的空間位阻，使底物更容易接近金屬離子，從而提高反應(yīng)速率和ee值。實(shí)驗(yàn)表明，此固載催化劑的催化活性較高，產(chǎn)率可達(dá)97%，與均相催化劑不相上下，但對映體選擇性較低(e.e.62%)。因此，連接臂的引入明顯提高了產(chǎn)物得率，但在提高ee值方面視乎效果不明顯。另外這兩個(gè)高分子固載的催化劑在使用幾次后仍有較好的催化活性。以上敘述的載體都是不溶性高分子，雖然不溶性高分子作為載體有其理想的功能，但也有無法克服的不足之處：底物難于接近催化劑的活性位點(diǎn)、催化劑負(fù)載的不均勻無規(guī)律性等。為了解決這些問題,化學(xué)家們希望在進(jìn)行催化反

11、應(yīng)時(shí)，催化劑能夠溶解，然后再利用合適的溶劑或高分子的低臨界溶解溫度(LCST)使高分子從混合物中選擇性沉淀出來。比較典型的例子有聚乙二醇，功能化聚乙烯和N-異丙烯基丙烯酰胺共聚物等。Pozzi等利用氟代雙相系統(tǒng)(FBS)制備了一種可溶、可分離的手性Mn(Salen)配合物合物c和d(如圖6中所示)。當(dāng)以NaOCl或者H2O2為氧源，以茚為底物時(shí)，得到了較差的對應(yīng)選擇性，但利用分子氧/新戊醛系統(tǒng)為氧源時(shí)，卻得到了90%的ee值。2.2 無機(jī)物為載體的手性 Salen-Mn()固載催化劑目前將Salen配合物負(fù)載到無機(jī)載體上的方式主要有兩種，第一種方法是將Salen配體以非共價(jià)鍵的物理方式嵌入到剛

12、性基質(zhì)中，如沸石、硅烷、粘土等。Fraile等人成功地將 Salen-Mn()配合物固載到蘭膨、膨潤土、蒙脫石等一系列無機(jī)載體上10，并使用亞碘酰苯為氧源進(jìn)行不對稱環(huán)氧化反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)該固載的催化劑催化不對稱環(huán)氧化的產(chǎn)率與均相催化劑不相上下，但ee值卻較低。這種方法存在的缺點(diǎn)是對映體選擇性較低及絡(luò)合物易從基質(zhì)中滲出。第二種方法是通過共價(jià)鍵的化學(xué)方法將Salen配體催化劑負(fù)載到硅膠、分子篩等無機(jī)物上面。Pini等人就將Salen-Mn()配合物固載到硅膠的表面上，得到了硅凝膠固載的手性Salen-Mn()配合物催化劑。在以m-CPBA為氧源，NMO為軸向配體，芳香烯為底物的不對稱環(huán)氧化反應(yīng)中得到

13、了較好的的對映體選擇性和產(chǎn)率。圖5 Minutol等合成的催化劑a和b c d圖6 Pozzi等制備的手性Mn(Salen)配合物合物c和d3 Salen-Mn()催化烯烴環(huán)氧化機(jī)理公認(rèn)的手性Salen-Mn（）配合物催化的烯烴不對稱環(huán)氧化反應(yīng)機(jī)理見圖7。如圖7所示，氧化劑首先將Salen-Mn（）配合物（a）氧化為活性中間體氧合Salen-Mn（）配合物（b）；然后，氧合Salen-Mn（）配合物再與烯烴的雙鍵作用生成四元環(huán)中間體（c）；四元環(huán)中間體（c）再轉(zhuǎn)化為三元環(huán)中間體（d）；最后，三元環(huán)中間體（d）在釋放出環(huán)氧化物的同時(shí)，氧合Salen-Mn（）配合物（b）被還原成Salen-Mn（

14、）配合物（a）。 圖7 Salen-Mn（）配合物催化的烯烴不對稱環(huán)氧化反應(yīng)機(jī)理L*：手性配體4 結(jié)束語與展望高對映選擇性、高產(chǎn)率的獲得手性環(huán)氧化物中間體對于醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料等精細(xì)化學(xué)品領(lǐng)域有著重要的意義,尤其對于醫(yī)藥行業(yè)。由于手性Salen- Mn(III)配合物是非官能團(tuán)化烯烴不對稱環(huán)氧化反應(yīng)的優(yōu)秀催化劑,它可以使?jié)撌中缘南N轉(zhuǎn)化為帶有手性碳的環(huán)氧化合物, 然后通過選擇性開環(huán)或者官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化,生成一系列有價(jià)值的手性化合物如手性二醇、硫醇及氰基、烷氧基取代的手性醇類化合物。因此,手性環(huán)氧化物在天然產(chǎn)物合成、藥物合成和有機(jī)合成化學(xué)中占有重要地位。盡管過去的十多年中不對稱催化烯烴的環(huán)氧化反應(yīng)取得

15、了令人矚目的成績,但現(xiàn)有的綜述中表明在實(shí)際應(yīng)用方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能令人滿意,在諸多的體系中,對于不對稱環(huán)氧化反應(yīng)的對映選擇性、化學(xué)選擇性以及區(qū)域選擇性均還具有很大的改善空間。日后, 對于不對稱環(huán)氧化反應(yīng)機(jī)理的更深入的了解可以指導(dǎo)我們設(shè)計(jì)更加合理、高效的催化劑指明道路。參考文獻(xiàn)：1 羅云飛,鄒曉川,傅相鍇等.手性salen(Mn)催化烯烴不對稱環(huán)氧化反應(yīng)的研究進(jìn)展J.中國科學(xué)，2011,41（3）：433-4502 周智明,李連友,徐巧等.仿生催化劑一Salen金屬絡(luò)和物催化不對稱環(huán)氧化烯烴的基礎(chǔ).有機(jī)化學(xué),2005,25(4):34-353 Yoon TP,Jacobsen EN.Privileged

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