手性不對稱催化合成苯乙酮配合物

手性不對稱催化合成苯乙酮配合物

非對稱合成方法是獲得光學純度化合物的重要手段，包括由底物誘導的不對稱合成和由催化劑誘導的不對稱合成，最迷人的是由手性催化劑誘導的不對稱合成，現(xiàn)在是國際聚合物的中心研究熱點。不對稱催化,一般指利用合理設計的催化量的手性金屬配合物(也有一些催化劑體系中不含金屬元素,如手性氨基醇、手性硼烷化合物等)來精確地區(qū)分左、右手兩種進攻方式,從而產(chǎn)生高度對映純的化合物。它僅用少量的手性催化劑就可以得到大量特定的光學活性產(chǎn)物,既避免了用一般合成方法得到的外消旋體的繁瑣拆分又不象化學計量不對稱合成那樣需要大量的手性物質(zhì),因此尤為引人關(guān)注。第一個不對稱催化反應是1966年日本的Noyori研究小組發(fā)現(xiàn)的。它是由手性希夫堿與Cu(Ⅱ)形成的配合物作為催化劑催化環(huán)丙烷化反應,實現(xiàn)了約10%e.e.值。1968年Knowles和Homer報道了手性含磷原子上的甲基苯基丙基磷。此后,不對稱催化就迅速發(fā)展起來,不對稱催化反應的類型迅速增加。表1列出了主要的不對稱催化反應類型。1手性配體及鈦系催化劑氫硅烷與含碳碳或碳雜雙鍵的化合物在手性催化劑催化下發(fā)生Si-H鍵對雙鍵的不對稱加成反應,,經(jīng)進一步水解、氧化等反應可得到手性醇或手性胺。銠、釕過渡金屬配合物常作為這類反應的催化體系,茂金屬催化劑是目前催化研究最熱門的課題,也是我國的重點攻關(guān)課題。手性茂金屬催化不對稱硅氫化的研究分兩個階段。首先是早期的手性二茂鐵配合物。它與Rh(Ⅰ),Pd(Ⅱ)的配合物可分別催化酮及烯烴的不對稱硅氫化反應,但所得產(chǎn)物的光學收率都非常低,近年來該類配體的研究向著手性平面和手性中心結(jié)合的方向發(fā)展,并取得了成功。如手性配體DIPOF[2-(4,5-二苯基-2-咪啉基)二茂鐵基]可以與Rh(Ⅰ)和Ir(Ⅰ)組成配合物用于催化苯乙酮的不對稱硅氫化反應,達到幾乎定量的化學產(chǎn)率和91%的e.e.值。其中Ir(Ⅰ)的配合物用于催化這種反應尚屬首次。其次是近年來越來越引起重視的手性鈦系,包括鈦、鋯、鉿等茂金屬催化劑的應用。它們無需貴金屬,本身就表現(xiàn)出很高的催化活性及手性誘導效應。但該類催化劑的催化效果不是很理想,一個比較成功的例子是橋聯(lián)茚基配合物(1,Chart1)。它對芳香酮及α,β-不飽和酮具有良好的催化性能,光學收率通?？蛇_80%e.e.以上。怎樣使鈦系催化劑具有理想的催化效果正是當前研究的任務。在金屬方面,酮的不對稱硅氫化反應中,有關(guān)Ru配合物作為催化劑與相應的Rh配合物催化劑相比,相關(guān)的報道較少。最早研究Ru配合物的Zhang等人研究發(fā)現(xiàn),純P-P二齒手性膦配體(2,Chart1)或純N-三齒配體(3,Chart2)與Ru的配合物在催化乙酰苯的不對稱硅氫化反應時既沒有選擇性也沒有活性。一個重要的發(fā)現(xiàn)是混合的P-N配體對選擇性和活性有很大的作用。用配體(4,Chart2)和Ru的配合物催化不對稱硅氫化,反應e.e.值達到了54%。所以單單是二膦配體還是二齒N配體催化效果都不好,只有連接起來才可以觀察到一些對映選擇性。配合物5(Chart2)可應用于各種酮的不對稱硅氫化反應,其結(jié)果如下:2催化劑的催化氧化反應在過渡金屬催化的烯烴環(huán)氧化領(lǐng)域,得到廣泛應用的、對映選擇性高的方法是由Sharpless等發(fā)展并完善起來的烯丙醇類的不對稱催化環(huán)氧化,以烷基過氧化氫作氧源,以手性的酒石酸酯為不對稱誘導試劑,在鈦試劑催化下得到高e.e.值的環(huán)氧化物。近年來,高分子負載手性催化劑一直處于不斷發(fā)展中,它可以使均相過渡金屬配合物催化劑非均相化,因此它集中了均相和多相催化的優(yōu)點:分離簡單,催化劑可以多次循環(huán)使用且效果良好,反應時高分子溶脹,反應界面擴大,手性催化劑深入到反應液中,存在特色的高分子效應等。聚酒石酸擔載的Ti(OPri)4催化劑在Sharpless反應條件下可以催化烯丙醇的不對稱環(huán)氧化反應。其結(jié)果以及與均相酒石酸體系催化的結(jié)果列于表2,其e.e.值和產(chǎn)率都高于均相酒石酸體系。1985年KochiJ.K.等合成了席夫堿過渡金屬配合物(6,Chart3),以PhIO作氧源,室溫下用于催化不同非官能性烯烴的環(huán)氧化反應。1986年Kochi又報道了中心金屬離子是Mn(Ⅲ)的Salen型配合物(7,Chart3),以PhIO為氧源,室溫下催化烯烴環(huán)氧化反應。用手性金屬卟啉配合物也可實現(xiàn)非官能性烯烴的不對稱環(huán)氧化,其催化活性也較高,但其合成收率低,其應用受到很大限制。這種N,N,O,O-四配位席夫堿過渡金屬配合物催化烯烴環(huán)氧化反應擴大了不對稱環(huán)氧化反應的底物范圍。我國的奚祖威等研制得出的中心金屬離子為Fe和Ni的席夫堿過渡金屬配合物具有溫和條件下催化烯烴環(huán)氧化的功能,二者相比,Ni好于Fe,但催化性能遠較Mn席夫堿配合物差。JacobsenE.N.和KatsukiT兩個小組報道了以手性席夫堿Mn配合物為催化劑催化烯烴不對稱環(huán)氧化反應。最近,有關(guān)聚合物擔載的席夫堿Mn配合物催化的烯烴環(huán)氧化反應的研究也有報道。例如,用合適交聯(lián)劑高聚化可使Mn(Ⅱ)-Salen配合物非均相化。它們也用于催化烯烴的不對稱環(huán)氧化,但發(fā)現(xiàn)手性催化劑易從高分子載體上脫落,而且載體也被破壞了。3其他普通型聚羧酸料配體不對稱氫化是不對稱催化反應在工業(yè)生產(chǎn)上的首例應用,也是目前研究最深入、最廣泛的不對稱催化課題之一。1968年Kmowles和Horner成功地合成了手性膦配體并將其銠絡合物Rh(PPh3)3Cl應用于催化不對稱氫化反應,在其后的30多年中不對稱催化氫化反應的研究得到了長足的發(fā)展。用手性膦配體與金屬Rh和Ru的配合物催化不對稱氫化反應已取得了滿意的結(jié)果,對反應活性及對映選擇性起決定性作用。在這當中,BINAP(2,2′-二苯膦基-1,1′-聯(lián)二萘)是Noyori于1980年開發(fā)的一類新型的具有C2對稱性的阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體配體。BINAP與金屬Ru的配合物被廣泛用作許多均相不對稱反應的催化劑。特別是,它們可以成功的應用于催化烯丙醇,酮酯,不飽和羧酸,酰氨基丙烯酸的不對稱氫化反應。但是單獨的BINAP與金屬Ru的配合物不能催化非官能性酮。1995年,Noyori等把手性二胺{主要是DPEDA[(S,S)-1,2-二苯基乙二胺]}作為添加的配體和BINAP-Ru一起用來催化各種前手性酮的不對稱氫化,在這當中二胺起了協(xié)同作用。近幾年,高分子負載的含手性膦配體的體系應用于非均相不對稱催化越來越引起人們的興趣。最近,Bayston等成功地將BINAP負載在高分子化合物上制得配體8(Chart4),用于作均相反應在進行β-酮酸的氫化時,當n(底物)∶n(催化劑)為500時,反應轉(zhuǎn)化率80%～100%,e.e.值達90%;用于丙烯酸氫化時,轉(zhuǎn)化率達90%而e.e.值大約60%。Chan等將BINAP包含在聚合物的主鏈上制得配體9(Chart5),在進行丙烯酸氫化反應時,當n(底物)∶n(催化劑)為200時,轉(zhuǎn)化率65%～100%,e.e.值88%～95%。這種聚合物同樣也可以在DPEDA的協(xié)同作用下來催化苯乙酮的不對稱氫化。Lemaire等合成的poly-NAP(10,Chart5)在DEPDA存在下催化不對稱氫化,轉(zhuǎn)化率可達100%,e.e.值也有68%。在這個反應中,催化劑被過濾重復使用了4次,發(fā)現(xiàn)只損失少量e.e.值(從68%到61%)。4烯烴環(huán)烯反應不對稱羰基化反應的研究近年來發(fā)展迅速,它是合成多種手性分子的有效途徑。而這些手性分子是合成藥物和農(nóng)業(yè)化學品非常有價值的前體。不對稱羰基化反應包括不對稱氫甲?；磻?、氫酯基化反應和氫羧基化反應,其中人們研究最廣泛的是不對稱氫甲?；磻?而對氫酯基化反應的研究較少。Botteghi等首次報道了用PdCl2-(-)DIOP催化烯烴的氫酯基化反應。此后,人們對不對稱氫酯基化反應做了很多嘗試,企圖得到高的光學收率。Apler等用PdCl2-BNPPA(1,1′-聯(lián)萘-2,2′-二烷基磷酸)催化劑體系研究了6-甲氧基萘乙烯的氫羧基化反應,得到了91%e.e.的光學產(chǎn)率,并且有較高的化學產(chǎn)率。對環(huán)烯的不對稱羰基化反應的研究主要集中在氫甲酰化反應,但是所得的光學產(chǎn)率都較低,最高不超過30%。最近中國科學院蘭州化學物理所周宏英等用Pd(OAc)2-手性膦-p-TsOH催化劑體系對降冰片烯進行不對稱氫酯基化反應,得到了高的光學產(chǎn)率和較好的化學產(chǎn)率。5第一次的混合氫化反應氫轉(zhuǎn)移還原反應由于避免了用氫氣還原時存在氫氣壓力的問題而成為一種引人注意的方法。目前,均相和非均相催化劑都已成功地催化不同底物的不對稱氫轉(zhuǎn)移反應。這種反應一般包括氫接受體,如酮,α,β-不飽和烯烴,α,β-不飽和酸和酯,亞胺,硝基化合物;以及氫的供體,如醇(主要是i-PrOH)和甲酸/三乙胺體系。手性配體第一次應用于不對稱氫轉(zhuǎn)移反應是手性膦配體{DIOP[2,3-鄰-異亞丙基-2,3-二羥基-1,4-雙(二苯膦基)丁烷],CHZRPHOS[1,2-雙(二苯膦基)丙烷],NORPHOS(雙二苯膦基降冰片烯),BINAP}。從1990年開始,主要用手性二齒氮配體。二胺配體配合物均相催化劑用于催化前手性酮的不對稱氫轉(zhuǎn)移反應已取得了令人滿意的結(jié)果。而源于二胺得到的二種類型的配體也成功地被使用:一種是像雙脲和二硫代脲等具有C2對稱性的配體;另一種是像氨基氨磺酸沒有C2對稱性的配體。非均相催化劑可以通過有機高聚物負載來合成。沒有C2軸對稱的配體可以將配體的一部分作為聚苯乙烯的側(cè)基,而另一種高聚物負載配體可以將手性和配體都包含在高聚物的主鏈上。(1)其他化合物配體1995年,Noyori等報道了(1S,2S)-N-(對磺酰甲苯)-1,2-二苯甲基二胺和Ru的配合物用于催化苯乙酮的不對稱氫轉(zhuǎn)移反應,得到很高的e.e.值97%。Knochel等用N-甲苯磺酸基-1,2-二氨基環(huán)己烷衍生物得到92%e.e.值。Lemaire等將Noyori單體包含在高聚物基體上合成了一系列配體,這些配體隨后與Ir(Ⅰ)和Ru(Ⅱ)絡合用來催化苯乙酮的不對稱氫轉(zhuǎn)移反應。聚合物11(Chart6)作為配體催化苯乙酮的不對稱氫轉(zhuǎn)移反應的結(jié)果見表3。最近,Bayston等合成了聚合物12(Chart6),它與Ru的絡合物用作催化劑,得到了88%的轉(zhuǎn)化率和91%的e.e.值。(2)手性二胺lemaicavir的轉(zhuǎn)化率雙脲可以作為不對稱氫轉(zhuǎn)移反應中催化劑的配體,最好的結(jié)果是13(Chart6),可以得到87%的轉(zhuǎn)化率和80%的e.e.值。Lemaire等將手性二胺包含進高分子主鏈使其非均相化。如,聚脲14(Chart6),[Rh(COD)C]2作為前體,i-PrOH為氫供體,用于催化苯乙酮的不對稱氫轉(zhuǎn)移反應,轉(zhuǎn)化率100%,e.e.值60%。6環(huán)丙烷化反應中催化劑的多樣性實現(xiàn)催化不對稱反應的高效率、高對映選擇性,其關(guān)鍵在于選擇合適的手性催化劑和反應條件。手性金屬催化劑包含手性配體和中心離子,所以這兩者的選擇是反應立體選擇性優(yōu)劣的關(guān)鍵。如在不對稱環(huán)丙烷化反應中,近年來的研究表明,除了銅作為中心