（有机化学专业论文）新型高效催化剂y（otf）3催化的michael加成反应的研究.pdf

中文摘要 m i c h a e l 加成反应是合成药物、天然产物和精细中间体的重要反应，特别是 d ，1 3 不饱和醛、酮和杂环化合物的m i c h a e l 加成是延长碳链和引进活泼反应基 团的最为有效的方法之一，其产物具有重要的生物活性。近几年来，l e w i s 酸催 化的m i c h a e l 加成反应是现在有机化学中一个研究热点，并且取得了许多令人满 意的成果。在此基础上，本文首次将绿色高效的y ( o t f ) 3 催化剂应用至m i c h a e l 加成反应，并进行了较为深入的研究和探讨。 首先采用多种不同方法合成了一系列不饱和醛和酮，从而获得了m i c h a d 反 应所需的各种底物。由于m i c h a e l 加成反应在有机相的应用受到诸多因素的影响， 如催化剂种类、催化剂和反应底物的配比、反应时间、反应温度以及溶剂等，通 过对这些影响反应因素广泛的研究，首先找到了较为满意的催化体系，并对相应 的反应条件进行了最优化研究。进一步拓展了稀土金属催化剂y ( o t 0 3 催化的 a , 1 3 不饱和醛、酮和一系列化合物的m i c h a e l 加成反应，合成了一系列富含电子 的芳香杂环化合物。 该方法具有操作简单、反应条件温和、化学产率较高、催化剂可重复使用等 优点，且对环境友好，是一种简便的绿色合成方法。 关键词：l e w i s 酸催化剂；v ( o t f ) 3 ；不饱和醛酮；m i c h a e l 加成反应 a b s t r a c t 1 1 l em i c h a e la d d i t i o ni sa l li m p o r t a n tr e a c t o ni nt h es y n t h e s i so f p h a r m a c e u t i c a l s n a t u r a lp r o d u c t sa n di n t e r m e d i a t e s ，e s p e c i a l l yf o rs o m es u b s t r a t e s ，s u c ha s a ，b - u n s a t u r a t e da l d e h y d e sa n dk e t o n e s ，a n dh e t e r o c y l i cc o m p o u n d s ，m i c h a e la d d i t i o ni s o n eo fe f f i c i e n tp r o t a c o lo fc - cb o n df o r m a t i o n , a n di t sp r o d u c t se x h i b i te r s a t i l e b i o a c t i v i t y i nt h ep a s ts e v e r a ly e a r s ，l e w i sa c i d - c a t a l y z e dm i c h a e la d d i t i o ni s b e c o m i n gm o r ei m p o r t a n ti nm o d e mo r g a n i cc h e m i s t r y b a s e do nt h eo t h e rw e l l s t u d i e dc a t a l y s t ，h e r e i nw ei n t r o d u c e dag r e e n , h i g h l ye f f e c t i v ec a t a l y s t , y ( o t f ) 3 ，t o m i c h a e la d d i t i o nf o rt h ef i r s tt i m e ，a n df u r t h e rs t u d i e da n dd i s c u s s e dt h er e s u l t s f i r s t l y , a l o to fv e r s a t i l ep r o c e s s e sw e r e e m p l o y e d t o a ，1 3 - u n s a t u r a t e d a l d e h y d e sa n dk e t o n e sa ss u b s t r a t e sf o rm i c h a e la d d i t i o n s e c o n d l y , w ef o u n dt h e y ( o t f ) sc a t a l y s ts y s t e m , a n dt h e nt h o u g hr e s e a r c ho fs e v e r a lf a c t o r s ，e x a m p l e sf o r c a t a l y s t s ，t h er a t i oo f c a t a l y s tt os u b s t r a t e ，r e a c t i o nt i m ea n dt e m p e r t u r e ，a n ds o l v e n t s ， w eg o to p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o ni nf i n a l m o r e o v e r , t h er a r em e t a lc a t a l y s ts y s t e m w a se x t e n d e dt ot h ep r e p a r a t i o no fe l e c t r o n - e f f i c i e n ta r o m a t i ch e t r e o c y l i cc o m p o u n d s w i t l lq 1 3 u n s a t u r a t e da l d e h y d e sa n dk e t o n e sa n do t h e rc o m p o u n d sa ss u b s t r a t e s 髓ep r o c e s si so p e r a t e i o n a l l ys i m p l e ，e n v i r o n m e n t a l l yb e n i g na n dm i l d ，a n dh a s e x c e l l e n ty i e l sw i t h o u ta n ys i d er e a c t i o n s f u r t h e r m o r e , t h e c a t a l y s tc o u n db e r e c o v e r e dc o n v e n i e n t l ya n dr e u s e de 伍c i e n t l y k e yw o r d s ：l e w i sa c i dc a t a l y s t , y ( o t f b ，旺，1 3 - u n s a t u r a t e dk e t o n e s ，m i c h a e l a d d i f i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一签游期：多年月 ；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 签名撕。j 2 签字日期：么旧6 年2 月哆日 导师签名：孙钦帛 签字日期： 伊1 睁月乃日 ， 天津大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 1 1 现代精细有机合成化学 1 1 1 金属有机化学概述 科学技术飞速发展的今天，化学在现代生活中占着极其重要的地位，然而到 目前为止，人们只是对碳、氢、氧、氮等少数元素进行了详细的研究，而对于占 了元素周期表大多数的金属和类金属元素的有机化学还所知甚少。在这个广阔的 领域内，可能蕴藏着极为丰富的化学现象，有待于人们去开发和探索。因此可以 预言，将来化学的主要发展方向之一必然是金属有机化学【l 】。 金属有机化学是化学领域中的一门交叉学科，首先，它是在有机化学和无机 化学互相渗透中发展起来的；此外，它还和一系列的相邻学科有密切的关系。例 如，过渡金属和稀土元素的络合物化学大大丰富了经典的络合物化学的内容；金 属有机化合物多种多样的结构类型，为结构化学提供了丰富的信息，这种例子举 不胜举。总之，发展金属有机化学不仅具有重要的科学意义，还和开辟新能源， 开发新型化学，研究新的合成方法，探索生命现象的本质，合成新型材料，试制 抗癌药物和其他特效药及环境保护等一系列当前世界上最重要的课题研究，有着 十分密切的关系。 金属有机化学具有悠久的历史，可追溯到1 7 6 0 年，当时巴黎的一家军用药 房正在合成一种含砷药物，这里被称为金属有机化学的发源地。至1 8 2 7 年，由 丹麦的z e i s e 合成第一个烯烃金属络合物z e i s e 盐n a c 2 n 4 p t c l 3 ，标志着过渡金 属化学的开始【1 】。自此之后，化学工作者相继研究了有机锌、有机镁和有机锂等 主族元素的化学，但并未引起广泛兴趣。直到1 9 5 1 年，由两组科学家分别独立 地发现二茂铁，次年g 【_ w i l k i n s o n 和r b w o o d w a r d 等人提出二茂铁“夹心面包” 的结构；1 9 5 3 年k z i e g e r 和c t n a t t a 用有机锂和有机铝作为催化剂对丙烯和丁二 烯在温和条件下成功聚合，至此，使人们对化学键有了全新的认识，发现周期表 上所有元素( 甚至稀有气体) 无一不可与碳形成化合物或配合物。从此金属有机化 学发展成为一门独立的分支学科，成千上万的新型金属有机化合物在实验室中合 成成功，为数众多的金属有机催化有机合成反应不断出现，使金属有机化学的发 天津大学硕士学位论文第一章前言 展呈现出一种前所未有的欣欣向荣的景象。自6 0 年代以来，先后已有8 位从事 金属有机化学研究的科学家获得了诺贝尔化学奖。 5 0 多年来，金属有机化合物发展迅速，现在不仅作为化学领域的个重要 物质，而且渗透到化学其他领域。例如，在催化化学上用作均相催化剂；在有机 化学中用作有机试剂；在生物化学中用作金属酶的模拟物；在高分子化学中，用 作聚合催化剂和高分子配合物；在物理化学中对新的键型及其物理性质等方面， 金属有机配合物都成为新的研究对象；在有机材料方面，作为功能性材料，其应 用范围也在不断扩大。不少金属元素在生命过程中起着重要的作用，而许多金属 有机化合物本身就是有效的抗癌药物、杀菌剂和抗生素，所以金属有机化学的发 展对于深入了解生命现象的化学本质有着重要意义【2 】。 由此可见，金属有机化学是由多学科交叉渗透而发展起来的一门分支学科， 它的繁荣发展必然会有力推动相关学科的发展。 金属有机化学与催化科学紧密相关，它的发展不仅提供了一系列高活性和高 选择性的新型催化剂，而且为在分子水平上研究现代催化理论提供了科学依据。 金属有机化合物多种多样的结构类型，在键型、键长、键角和空间相对位置与排 列对化学活性与化学选择性的影响等方面规律性结果，为结构化学的发展提供了 丰富的信息。含有金属原子的聚合物己成了金属有机化学的重要组成部分，它们 不仅可以用作高分子催化剂，还可以成为具有多种特殊性能的功能高分子材料。 新型金属有机催化剂或试剂提供了众多的高活性和高选择性的有机合成方法，使 有机合成技术提高到崭新的水平。 基础化学工业中的碳一化学的研究，即将c o 、c 0 2 、c i - h 的小分子在一定 条件，在过渡金属化合物催化下，通过插入、氧化加成、还原消除等一系列纪元 反应，实现定向催化转化为目标分子。 生活中所用到染料、医药、农药、香料、表面活性剂等化学品常具有复杂的 化学结构，甚至多个手性中心，这就需要有高选择性的合成技术。同时，现代有 机合成也正向高选择性( 包括化学选择性、区域选择性、立体选择性和对映选择 性) 、催化、高产率，温和简便、原料易得，不产生或少产生废料的方向发展。 要实现上述要求，金属有机化学是最有希望的途径。因此，近年来以合成化学为 目标的金属有机化学，简称o m c o s 化学( o r g a n o m e t a l l i cc h e m i s t r yd i r e c t e dt o o r g a n i cs y n t h e s i s ) ，发展得十分迅速。其核心研究内容就是以金属有机催化为基 础的精细有机合成方法学的研究。其中，不对称催化有机合成是近年来发展较快 的研究领域，而不对称均相催化氢化又是最成功的例子。带有b i n a p 配体或其 他手性双膦配体的过渡金属络合物往往可以在温和的条件下使c = c 或c = o 不饱 和键高效和高选择性地氢化，e e 值常可达9 5 以上，成为合成光活性氨基酸和 天津大学硕士学位论文 第一章前言 某些重要医药中间体的理想途径。s h a r p l e s s 发现的烯丙醇衍生物的催化环氧化， 经过众多化学家的共同努力，e e 值一般可以达到9 0 以上，反应时间大大缩短， 反应条件温和简便。这个方法在人工合成天然产物中发挥了很大的作用。此外， 在手性催化剂作用下，许多重要的有机反应，例如，羰基化合物的还原与分子内 环化、醛的烷基化、环丙烷化、d i e l s - a l d e r 反应、a l d o l 反应、m i c h a e l 反应、 e n e 反应等等，均可得到9 0 以上的光学纯度。 在催化不对称合成之外，金属有机催化反应在其高选择性精细有机合成反应 中也有一定的作用。比如，舡烯丙基过渡金属络合物用于烯丙基烷基化，环化和 环加成；过渡金属化合物催化的交叉偶联反应( c r o s sc o u p l i n gr e a c t i o n ) ，如 k u m a d a 、s u z u k i 、s f i l l e 、n 画s l d 偶联反应、金属卡宾络合物的环加成反应及其 它有关反应；低价钛用于醛酮的还原偶联、醇和桥氧化合物的还原消去；卤化物 的还原偶联和烃化；氮化物的还原偶联和还原环化反应；有机钴催化的不饱和酮 和醛的分子内环化和羰基钴催化的环氧开环反应；有机锆催化的a ，睁双烯的环 化；稀土化合物的c l a i s e n 重排和d i e l s a l d e r 反应；锰催化烯烃的环氧化；稀土 化合物催化或促进的多种多样的有机合成反应等都具有独特的选择性，方法简 便，反应条件温和及原料来源易得的优点。 因此，金属有机催化或其参与的有机合成反应，日益受到化学工作者的重视， 已使有机合成进入了一个新的时期，也必将对化学工业的发展和有机合成方法的 开拓发挥重大作用i j j 。 1 1 2 金属有机化学进展 有机过渡金属化学在化学上自成一个独特的领域还不n - - 十年。大约在 1 9 6 0 年以前，人们对它几乎还没有什么兴趣。虽然早在1 8 2 7 年就制得了第一个 公认的有机络合物z e i s e 盐，k e p t c l 3 ( c 2 地) 】，但直到1 9 5 2 年二茂铁结构被测定后， 才对这些化合物产生了极大的兴趣，接着又了解到过渡金属能够生成各种各样可 离析出来的有机金属络合物。由于这些化合物的稳定性要取决于在金属上的连接 的特有基团，而且并未发现过它们之间的稳定结合，因此早期制取这些化合物的 尝试大都归于失败，在发现二茂铁之前，工业上对于应用过渡金属来催化有机反 应虽已进行了相当大量的工作，但是，对反应中所生成的有机金属中间体却了解 甚少。 过度金属化合物在合成有机化学领域中的应用，不论现在还是将来都可能是 至关重要的，而且由于在这些化合物中发现了许多新的结构和新的键型，因而他 们在理论上也有重要的意义。由于许多在生物学上有重要的意义的化合物含有过 渡金属，而他们的特殊的生物功能也是由这些金属引起的，因此某些生物化学领 天津大学硕士学位论文第一章前言 域也属于有机过渡金属化学的范畴。在含有过渡金属的生物活性化合物中，人们 比较熟悉的有维生素b 1 2 ( 钴) ，血红素( 铁) 和细胞色素c ( 铁) 等。由于过度金属以 痕迹量广泛存在于所有各类有生命的机体中，所以毫无疑问尚有许多这样的化合 物有待发现，然而，这些化合物的大多数生物反应可能不涉及碳金属键合化合 物。 有机过渡金属化学以其极大的活动性区别于有机主族金属化学。虽然活泼的 主族有机金属化合物对羰基化合物和某些活泼的碳，碳双键通常可以进行加成反 应，但是过度金属化合物却常常在催化的情况下和许多不活泼，不饱和的有机化 合物反应。过度金属化合物的反应性能与它和各种有机及无机化合物的强烈络合 倾向有关系，这种倾向是为了要获得更多的电子，来完成其配位范围并达到最邻 近的较高原子序数的惰性气体的电子构型。和主族金属相比，过渡金属同氧及其 衍生物的化合倾向较小，这是有机过渡金属化学和有机主族金属有机化学的又一 个重要而基本的差别。 在温和的温度条件下( 通常低于2 0 0 ) ，过渡金属络合物所引起的最重要 的反应是各种不饱和分子之间，以及它们和其他试剂之间，以各种特定方式进行 化合，生成含有新的碳碳键的产物。在多数情况下，过渡金属和不饱和分子的 络合显然是引起不饱和基团发生反应的关键所在。已知道由过渡金属化合物所引 起的大量新的、独特的反应，但是，这个领域仍处于幼年时期。研究的最终目标 在于掌握如何选择过渡金属催化剂，使得两个或多个活性分子能按照人们的要 求，专一的以线型或环化方式化合在一起，这方面已获得一些进展，可是为了挖 掘这个领域的全部潜力，还需要做很多的工作，有机过渡金属化学的巨大价值在 于应用有机过渡有机化合物常常可使有机反应比通常的有机反应更容易进行。 过渡金属所能引起的两类重要反应是分子重排和降解。降解既可以是复杂分 子变成简单分子的反应，也可以是较小分子降解成许多碎片，随即又再化合成为 结构更复杂的碎片的反应。重排反应的范围，包括由简单的双键迁移到复杂的骨 架改组。许多过渡金属化合物常常使具有张力的烃重排为张力较小的异构体。一 个典型的例子就是立方烷( e u b a n e ) 在室温下被氯化钯催化重排为楔形烷 ( e u n e a n e ) 。 降解反应的范围包括由醛变成烃或烯的较简单的脱碳反应到复杂的重新断 裂和再化合反应。在可能发生的再化合反应中，一个特别有趣的例子是：在3 0 0 摄氏度下，任何一种烯烃和四氯化钛反应，生成舻五甲基环戊二烯基三氯化钛， 其产率约2 5 。 在许多应用过渡金属催化有机合成反应中，所使用的催化剂在反应过程中一 直以分离的固相存在，这类反应叫做异相催化反应。反应物可在液相或者气相中 提供给催化剂。某些反应既可以在异相中进行，也可以用一种或其他的催化剂在 天津大学硕士学位论文第一章前言 均相中进行。均相反应中，所有的试剂同处于一项之中，通常为液相；另一方面， 人们知道许多反应只能在异相中进行，而另一些反应则只能在均相中进行。这些 差异是由于不同的化合物在不溶相中存在，而不能在溶液中存在的缘故。过渡金 属络合物的反应性能常常由键合在金属上的分子或配位基及其数目所决定。因为 异相催化剂易于回收而被重新使用，又没有从反应产物中分离催化剂的问题，因 此，工业上一般优先选用它，尽管这些实际考虑在经济上非常重要，并且许多有 用的反应又只能在异相中进行，但是，研究起这类异相反应却很复杂。人们对异 相催化已经进行了大量的研究，但对反应历程却知道甚少。问题主要在于异相催 化剂不是由单一的活性物质组成的，并且没有一个很好的方法去纯化、鉴定活性 物质组分或反应中间体。很幸运，均相反应却没有这些困难，且均相催化的许多 研究结果看来也适用于相应的异相反应。 过渡金属化合物独特的反应性能时常是由于这个金属和具有孤对电子的二 个或多个分子进行配合，然后在金属配位范围内，这些分子互相反应形成一些新 键并重新连接到金属上。过渡金属具有获得电子的强烈倾向可由以下事实看出， 于高真空下所制得的单分子态的过渡金属在低温下迅速的和各类有机化合物，甚 至和饱和烃发生反应，生成各种金属氢化物、烷基化合物、烯烃络合物和碳化物。 另一方面，晶态过渡金属由于存在着强烈的金属金属键，因此它们是比较不活 泼的。我们知道许多具有金属金属键的化合物，它们往往十分稳定。金属金属 键一定存在于纯金属晶体中，其相互作用强烈，结果使这些元素的熔点和沸点都 很高。键合在过渡金属上的基团数可由该金属从这些基团上所能得到的电子数来 确定。金属上通常有足够数量的基团，已达到惰性气体结构所必需的电子数。然 而，在金属周围基团的几何排布取决于以下几个因素：金属原字上的d 电子数， 佩维基团的电子特性和配位体的大小等。 现代有机合成也正向高选择性( 包括化学选择性、区域选择性、立体选择性 和对映选择性) 、催化、高产率、温和简便、原料易得，不产生或少产生废料的 方向发展。要实现上述要求，金属有机化学是最有希望的途径。因此，近年来以 合成化学为目标的金属有机化学，简称o m c o s 化学( o r g a n o m e t a l l i ec h e m i s t r y d i r e c t e dt oo r g a n i cs y n t h e s i s ) ，发展得十分迅速。其核心研究内容就是以金属有 机催化为基础的精细有机合成方法学的研究，其中不对称催化有机合成是近年来 发展较快的研究领域，而不对称均相催化氢化又是最成功的例子。带有b i n a p 配体或其他手性双膦配体的过渡金属络合物往往可以在温和的条件下使c = c 或 c = o 不饱和键高效和高选择性地氢化，e c 值可达9 5 以上，成为合成光活性氨 基酸和某些重要医药中间体的理想途径。s h a r p l e s s 发现的烯丙醇衍生物的催化环 氧化，经过众多化学家的共同努力，e e 值一般可以达到9 0 以上，反应时间大 天津大学硕士学位论文 第一章前言 大缩短，反应条件温和简便。这个方法在人工合成天然产物中发挥了很大的作用。 s h a r p l e s s 所报道的催化不对称双羰基化反应最近也有重大进展。此外，在手性催 化剂作用下，许多重要的有机反应，例如，羰基化合物的还原与分子内环化、醛 的烷基化、环丙烷化、d i e l s - a l d e r 反应、a d o l 反应、m i c h a e l 反应、e n e 反应等 等，均可得到9 0 以上的光学纯度嘲。 1 1 3 稀土催化剂在有机合成中的应用 科学家们在稀土分离和稀土作为材料方面的研究已经取得了很大的成就，但 是对于稀土金属有机化学的研究还是近2 0 多年的事。2 0 世纪8 0 年代以来，由 于稀土金属有机配合物具有独特催化性能，为了开发新型高效的催化剂，研究稀 土金属有机配合物的合成、结构和反应性能己成为化学家们的研究重点。随着以 二碘化钐为代表的稀土化合物在有机合成反应中的应用，研究开发稀土有机试剂 在有机合成化反应中的应用已逐渐成为化学家们研究热点。以金属有机化学的观 点来看，稀土元素具有以下特点。 首先，稀土金属离子具有较高的正电性与碱金属、碱土金属一样容易形成离 子键。除少数几个元素因其特殊的电子层结构而稳定存在正二价和正四价外，稀 土离子通常仅形成正三价离子。镧系元素的屏蔽相似，由于4 f 轨道与正常价电 子轨道6 s 、6 p 和5 b 轨道相比处于内层，受到极大的屏蔽作用，与配体轨道相互 作用较弱，这决定了稀土金属有机配合物化学与d 区过渡金属配合物化学有较大 差别。首先是镧系元素l n 能进行轨道对称理论不允许的反应；其次是稀土离子 与配体之间的主要是静电作用。稀土离子是硬酸，易与属于硬碱的配体形成配合 物。稀土离子的酸性处于s r 和n 之间，其强的离子性键合引起了阳离子的亲氧 性，极易与氧、氮原子等配位成键，使得l n - o 键能变大。 其次是电子填充方式不同于d 区过渡金属，与d 轨道顺次充满的过渡金属不 同，电子从5 d 轨道向内壳的4 f 轨道顺次充满，称它们为内部过渡元素或f 区过 渡元素。从c e 到l l l ，l n 阳离子的电子结为 x e 4 f 5 s 2 5 p 6 ( n - 1 1 4 ) ，它们都 具有5 s 2 5 p 6 被充满的相同外壳。对应于d - b l o c k 过渡金属的宽的d - d 吸收波带， l n 的f f 吸收波带较狭窄。l n 很少像d b l o c k 那样存在d 给予体受体键化合物。 稀土很难合成卡宾、和c o 配合物，不能进行双电子氧化加成和还原消除反应， 迄今也没有l n = o t 和l n = n 的键合，即随着原子序号的增加，离子半径反而减小。 这是由于4 f 电子并不能遮蔽增加的核电荷所致。 同时，由于稀土元素所具有的一些特殊性质，使其在有机合成反应中得到了 广泛的应用。例如，稀土元素具有较强的还原能力；由于其盐为较强l e w i s 酸性， 天津大学硕士学位论文 第一章前言 能与氧、硫等有很强的亲和力；此外，其离子半径大，在进行反应时，可在离反 应点较远的部位，生成不寻常的过渡态，并具有高的配位数，而且，因为容易处 于不饱和状态，所以具有较高的反应性。 1 2 本反应研究内容和研究意义 十几年来，关于绿色化学的概念，基本原理和基本方法的研究已取得一定的 成绩，逐步形成了多学科相互渗透相互交叉的新的研究领域。具体的讲，绿色化 学又称环境无害化学，环境友好化学，清洁化学。绿色化学的理想在于实现生态 化，不再使用有毒，有害的物质，不再产生废物，无需处理废物：从科学角度看， 绿色化学是化学科学基础内容的更新；从环境角度看，它是从源头上消除污染， 实行环境友好；从经济角度看，它合理整和资源和能源，降低生产成本，符合提 高经济效益的原则。 近年来，绿色化学的研究主要是围绕化学反应，原料，催化剂，溶剂和产品 的绿色化开展的。 图1 1 三氟甲基磺酸基稀土化合物是一类重要的l e w i s 酸催化剂，近年来，其作为 催化剂在有机合成反应中得到广泛的应用，特别是随着人们生活水平的提高和环 保意识的增强，环境友好绿色催化剂的研究与应用日益受到人们的关注，三氟甲 天津大学硕士学位论文第一章前言 基磺酸基稀土化合物水解速度常数很慢，在水中很稳定，有效的克服传统的l e 嘶s 酸( 如a 1 c 1 3 、1 r i c l 4 和s n c l 4 等) 遇水不稳定的缺点，可从水中回收得到，然 后重复使用而活性不下降。所以该催化剂和传统的l e w i s 酸和质子酸等催化剂相 比是一种对环境友好的催化剂【4 】。本文报道了在无毒、无腐蚀、易处理的绿色路 易斯酸y ( o t f ) 3 催化下，吲哚和呋喃同q ，1 3 - 不饱和醛、酮的m i c h a e l 加成反应， 高产率地合成其衍生物，且方法简单，反应条件温和，催化剂易于回收重复使用， 是一种简便的绿色合成方法。 吲哚和呋喃等与a ，b 不饱和醛、酮的m i c h a e l 加成反应，在稀土y ( o t f ) 3 催化下，合成了芳香化合物衍生物。该合成方法简单、反应条件温和、产率较高 i s ；避免了普通合成方法使用的强酸h c l 催化剂，克服了产物易于分解的不足， 并且稀土y ( o t f ) 3 催化剂易于回收，可以重复使用，是环境友好的合成方法，符 合绿色化学的要求，为杂环化合物衍生物的合成提供新的简单易行的方法，有潜 在的应用前景。三氟甲基磺酸基稀土催化剂已成为当前的一个热点研究领域。催 化效率高，廉价易得，可以有效地避免缩合、重排、聚合等副反应的发生，为工 业化应用奠定了良好基础。 1 3 本论文的研究背景 1 3 1m i c h e a l 加成反应 1 3 1 1 经典的m i c h e a l 加成反应 在有机化学中，碳负离子对a ，b 不饱和醛酮共轭体系( 醛、酮、酯、腈、硝 基化合物等) 进行的共轭加成称为m i c h a e l 加成反应。反应机理是碱夺取给予体 中的一个活泼氢，生成碳负离子，然后碳负离子进攻接受体分子中的碳原子进行 的亲核加成。有两种进攻方式，一种是进攻接受体的c - 2 位，称为1 2 加成；一 种是进攻接受体的c - 4 位，称为1 , 4 加成。从进攻产物的结构可以看出，由于1 。4 - 加成物中有p 呱共轭体系产生共轭效应，负电荷能够被很好的分散，生成比较稳 定的碳负离子，再经质子化即得加成产物。它与碱催化的酮的烃化反应不同，只 需要催化量的碱即可。常用的碱有氢氧化钠( 钾) 、乙醇钠、叔丁醇钾、氨基钠等 强碱和三乙胺、六氢吡啶等弱碱，除用碱进行催化外，部分反应还可以用质子酸 如三氟甲磺酸，l e w i s 酸，氧化铝甚至于沸石催化。 此反应可以用来增长碳链，合成c c 链状化合物，尤其是合成l ，5 一二羰基化 合物；与羟醛反应相结合即为r o b i n s o n 增环反应，用来合成环状化合物，常用 于甾族，萜类化合物的合成，特别是可以在两环稠和的碳原子上引入角甲基，在 一8 天津大学硕士学位论文第一章前言 合成中的应用非常广泛。用不对称催化的方法可以有效控制加成反应产物的立体 构型，从而进入了该反应的不对称研究。但是由于经典的m i c h a e l 反应一般在强 碱的催化下进行，反应条件比较苛刻，使其应用受到了限制。 金属有机化合物催化的发展，有力地推动了有机合成化学的发展。因为金属 有机化合物进行催化的反应一般都具有方法简便，反应条件温和，选择性独特等 特点，使得一些经过改良后的经典的化学反应有了更加广泛的应用。在有机化学 家们的努力下，深入研究了如何把合适的有机金属催化剂引入m i c h a e l 反应中， 使得m i c h a e l 反应有了长足的发展，反应条件有了很大的改变。另外一方面，由 于手性催化剂的引入，在构筑碳碳键的同时也构筑了手性碳。手性金属络合物 催化的不对称m i c h a e l 加成反应被认是对映选择性地形成碳碳键的一个非常有 效的方法，反应产物是合成许多功能化合物的重要光学合成中间体，基于其重要 性，该反应的不对称研究近来也有了长足的进步。 目前，有机化学家们研究的比较多的是利用亲核试剂对不饱和有机底物的催 化不对称m i c h a e l 加成反应来对映选择性地形成碳碳键的新合成方法。现在研究 方向主要集中在用金属钯、铑等金属的配体或杂双金属多功能手性催化剂进行催 化，也有部分关于铝催化剂的报道。除了对合适的金属催化剂的研究之外，科学 家们也在寻找与不同催化剂相适用的合适的质子给予体以及接受体，以期待 m i e h e f l 加成反应能有更广阔的应用空间。1 9 9 7 年，m i y a u r a s 首次报道了在铑膦 络合物催化下烷基和烯基取代硼酸对不饱和醛酮的1 , 4 - 力成，这一新的金属铑催 化的反应引起了有机合成化学的关注。至今，钯、铑等金属催化已经得很好的效 果。 1 3 1 2y b ( o t f ) 3 催化的新型m i c h a e l 反应 m u k a i y a m a 首次将具有选择性，碱性更弱的有机金属亲核试剂等引入 m i c h a e l 加成反应中，称为m i c h a e l m u k a i y a m a 反应，其反应效果因不同l e w i s 酸催化的影响而不同。与其他的烯醇式的加成不同，这个反应允许使用对碱敏感 的m i c h a e l 反应接受体，并且没有l ，2 加成和烯醇式加成的副反应发生，从而高 产率地生成具有季碳的化合物。 人已经报道了用三氟甲磺酸基稀土金属进行烯醇硅醚和q ，b 不饱和化合物 的共轭加成反应，生成了相应的1 ，5 二基化合物，在y b ( o t 0 3 的存在下也能够 催化硝基酯在水中的m i c h a e l 加成反应，其产物是合成氨基酸的有效单元。 吲哚的不饱和基化合物的共轭加成反应需要强酸性条件和较长时间的反应 时间以及反应试剂等其他诸多要素，例如，只有反应活性较高的甲基乙烯基酮和 天津大学硕士学位论文第一章前言 硝基苯乙烯能够和吲哚进行反应。黏土和l e w i s 酸作为催化剂能够加速这类反 应。v b ( o t 0 3 作为催化剂可以促进氮原子上有取代或未取代的吲哚和各种缺电子 烯烃的共轭加成反应。 图1 2 1 3 2 三氟甲磺酸基稀土金属催化的反应 r 研究和开发环境友好的有机合成反应是“绿色化学”研究的一个重要内容， 其中也包括新型绿色催化剂的研究。本文对近两年来y b ( 0 t f ) 3 作为催化剂的有机 合成反应按照反应类型进行了综述。进一步总结和拓展了v b ( o t i ) 3 的催化范围， 证明了稀土化合物广泛的应用前景。 酸催化的反应由于其独特的反应活性，高效的选择性以及温和的使用条件而 引起科学家们极大的兴趣。许多这类反应都得到了深入的研究并且应用于各种天 然和非天然化合物的合成之中，如a j c l 3 ，b f 3 ，t i c l 4 ，s r i c l 4 等都已经得到了应 用，但是，在许多情况下，l e w i s 酸的用量通常都需要多于反应的化学计量数， 而且这些酸都对水蒸气非常的敏感，少量水汽的存在就容易导致它们的分解或者 是失活，还有，当反应结束之后，它们并不能回收和再利用。三氟甲磺酸基斓系 金属l n ( o t f ) 3 ( l a c e ，p r , n d ，s m ，e u ，o d ，t b ，n y ，h o ，e r , t m ，y b ，l u ) 最大的特性是他们作为l e w i s 酸能够在水溶液中稳定存在。近年来，水性介质中 进行的有机合成反应得到了广泛的关注，无疑水与一般的有机溶剂相比，具有便 宜、安全和洁净等特点，而且水是一种生物体内的溶剂，研究在其中的反应尤其 具有认识生命和自然的特殊意义，在水介质中能够作用的手性催化剂自然就能够 成为生物酶的模拟物。除了斓系金属之外，s c 和y 也显示了良好的水溶液稳定 性，这些三氟甲磺酸基稀土金属已经被认为是一类新型的l e w i s 酸并且能够用作 许多在水介质中进行的重要反应的催化剂，在大多数反应中都只需要用催化剂量 就可以将反应进行完全，而且在反应之后都能够简便的回收和再利用而不损失其 詈卜 天津大学硕士学位论文第一章前言 反应活性。除了在水溶液之中，y b ( o t f ) 3 还能够在许多有机溶剂中并且在许多 l e w i s 碱包括n 、o 、p 、s 等原子的存在下起作用，并且几乎所有耐反应之后都 能够将催化剂加以回收再利用，这就使得稀土成为干净、高效、环境友好的催化 剂，大大减少了一般l e w i s 酸的排放给环境带来的危害问题。 k o b a y a s h i 等对2 0 0 1 年以前关于y b ( o t f ) 3 催化的化学反应进行了总结，从 中可以看出这一领域研究的活跃性，在过去的两年里，人们对此又进行了更深入 的研究，使其作用范围更加广泛。 1 3 2 1a l d o l 反应 不对称a l d o l 反应是制备带手性r - 羟基的羰基化合物的最有效方法之一，在 过去的2 0 年中得到了广泛的研究和应用。其中，利用醛和烯醇硅醚在手性l e w i s 酸催化下进行的不对称a l d o l 反应( m u k a i y a m aa l d o l 反应) 已经成为其中最为重 要的类别。最近，k o b a y a s h i l 6 1 等利用手性冠醚和r e ( o t f ) 3 作为催化剂在水溶液 中完成了此反应，从而为研究能够在水性介质中起作用的催化剂提供了一个新思 路。 0 o s i m e 3 ，久手以p h r e ( o t 0 3 ，( 2 0 t o oj ) 图1 3 在确定了最佳稀士金属类别和最佳条件后，他们又选择了一系列醛和烯醇 硅醚的衍生物对此反应做了迸一步延伸，其产率和对映选择性都较好。 1 3 2 2m a n n i c h 类反应 曼尼希类反应是合成氨基酮或氨基酯并进一步合成内酰胺的最基本和最有 用的方法，在一般的曼尼希类反应中，经常会因为有副反应的发生而导致产率的 下降，例如在剧烈的反应条件下发生脱氨基化反应，为了使反应能够在较温和的 条件下进行们，但是这些中间体通常都是吸湿性的或者是热不稳定的物质，在 1 9 7 7 年，首次报道了亚胺和烯醇硅醚在反应剂量的t i c h 作用下发生反应，从此 陆续研究了一些高效的催化剂。 天津大学硕士学位论文 第一章前言 m v m bl s q ，c n 2 c h x 0 b 图l - 4 h v t , ( o t t h 最近，南开大学的一个研究小组利用此反应研究了一系列色氨酸衍生物的合 成【l l 】，n a k a g a w a 小组也研究了y b ( o t f ) 3 t m s c i 催化的p i c t e t - s p e n g l e r 类曼尼烯 反应【1 2 】： 2 r 吗c b t h f r = p h ；p 1 蜒扛 i ；p 1 3 2 n c 6 h 4 ；r m e o c 讪 图1 5 1 3 。2 3e r i e 反应 e n e 反应是两个烯烃分子反应生成l ，4 一二烯的一类重要反应，近年来得到 了有机化学家的深人研究，通常其都使用昂贵钯催化剂y b ( o t f ) 3 也可以催化亚 胺和烯烃作用生成烯丙基胺的e n e 反应【1 3 】，如n a k a g a w ad , g l 最近的研究成果， 各种l e w i s 酸催化的效果比较。y b ( o t f ) 3 作为催化剂在反应时间和产率方面都有 非常明显的优势d 4 。 帕广人孙一孙t s 从n p hj i + 入孙与。几人一 附 p n 。 1 3 2 4b a y l i s h i l m a n 反应 近年来，b a y l i s h i l l r n 觚反应由于其原子经济性和选择性较好逐渐得到合成 化学家的重视旧，y b ( o t f ) 3 作为一种能够活化羰基的催化剂在其中也发挥了很重 要的作用。 勾 天津大学硕士学位论文 第一章前言 最近，k m m m i n d , 组研究了用它和各种手性配体进行络合作为催化剂的不对 称b a y l i s h i l l m a n 曼应1 6 1 ，如图l - 7 所示，催化剂对反应产率和选择性方面都有很 大的作用。 r 1 c h o + a ：r 2 = c h 3 b r 。= t - e m c ：r 2 = p h d ：r 2 锄 e ：r 2 = na p h t h y l + r t 图1 7 1 3 2 5 分子内f r i e d d c m t t s 反应 f r i e d e l c r a f t 型酞化和烷基化反应是有机合成和化学工业中的一个重要反应 过程f l7 1 ，其所需的l e w i s 酸的量也要多于相应的化学计量数，如在合成芳香酮的 过程中就需要非常大量的a i c l 3 或b f 3 等催化剂，而l n ( o t f ) 3 型催化剂却只需要少 量就可完成反应，最近，s h i m a d a d , 组就研究了分子t 勾f d e d e l c r a f t s 反应【嘲，如 图1 8 所示： x n _ 芋 3 a ：r = j 铒y = o 3 1 0 ：r = m e 。煳y 略 图1 8 r 1 3 2 6 烯丙基化反应 羰基化合物的烯丙化反应可同时得到含羟基和c = c 键的双官能团化合物。近 2 0 年来水相中金属试剂( 如锡、锌、铟) 参与的b a x b i e r 型烯丙化反应得到了广 泛的研引1 9 1 稀土的使用可使反应条件温和，而且敏感官能团不受影响。在 s e ( o t f ) 3 催化下，四烯丙基锡烷与羰基化合物的反应在水相中也可顺利进行( 如 图1 ，9 所示) 。 天津大学硕士学位论文 第一章前言 + f 础8 n 4 图1 - 9 s e ( o t 0 3 m - i - - 烯丙基化反应一般是利用烯丙基型金属有机化合物和碳基化合物在l e w i s 酸 催化下的反应来实现的。最近，b a n d y o p a d h y a y d 、组研究t y b ( o t 0 3 催化下环氧 化合物和烯丙基锡的烯丙基化开环反应，其产率和e e 值都较高。 a p + 加蛐，嵩 1 3 2 7d i e l s a l d e r 反应 d i e l s - a l d e r 反应是合成六元环化合物最重要的方法之一 2 0 1 。b r e s l o w 发现水 相中的d i e l s a l d e r 反应的速度可增加很多，而且区域选择性也有改善这主要是由 于憎水效应使非极性的底物在水相中形成紧密的聚集，减小了底物与水的界面， 从而更有利于具有活化体积的d i e l s - a l d e r 反应的进行。 而l e w i s 酸，如镧系金属盐e u ( f o d ) 3 ，y b ( f o d ) 3 等，在d i e l s - a l d e r 反应中作为 催化剂虽然已知能够大大提高反应速度，并增强选择性【2 l 】，但通常l e w i s 酸无法 在水中应用近年有研究表明，镧系金属三氟甲基磺酸盐l n ( o t f ) 3 ，在水中有很好 的溶解性与稳定性这使得其成为水相反应l e w i s 酸催化剂的一个非常好的选择s c 与镧系金属性质相似室温下，s