（有机化学专业论文）环糊精协同作用下dioxiranes对烯烃的不对称环氧化研究.pdf

中文摘要 环糊精手性诱导下烯烃的不对称环氧化反应以水为介质，避免了 有机溶剂和金属催化剂的使用，反应路线简单，操作简便，反应条件 温和，符合绿色化学的发展要求。本文在对苯乙烯与环糊精包合作用 研究的基础上，以非手性酮与过氧硫酸氢钾原位产生的d i o x i r a n e s ( s - 氧杂环丙烷) 为氧化剂，研究了几种烯烃在环糊精手性微反应器中的 环氧化反应行为，并对环糊精与非手性酮的协同催化作用规律及其在 烯烃不对称环氧化中的对映体控制机制进行了探讨和研究。 本课题组发现在乒环糊精存在下，丙酮与过氧硫酸氢钾原位生成 的二氧杂环丙烷能实现对苯乙烯的不对称环氧化反应，但产物的e e 值只有2 9 。我们采用饱和水溶液法将烯烃与环糊精制成包合物，发 现以包合物为底物可以更好地实现烯烃不对称环氧化，在对系列环糊 精及其衍生物在烯烃不对称环氧化中的手性诱导性能进行系统考察 后发现，芦环糊精对烯烃不对称环氧化产生较理想的手性诱导作用： 不同的烯烃在伊环糊精协同作用下，要得到较理想的环氧化物e e 值 需与不同的酮配合，研究中主要获得了以下几个方面的结果： l 。采用饱和溶液法制备了苯乙烯与环糊精的包合物，通过正交 实验设计确定了苯乙烯与伊环糊精包合物制备的优化工艺，并用 t i 孓d t a 、x r d 、f t - i r 、1 h n m r 等方法进行表征，证实了包合物的 形成。紫外分光光度法研究了苯乙烯与甜、伊、) ，环糊精包合物的稳 定常数，并用g a u s s i a n 0 3 化学计算软件对包合物结构进行了模拟。研 究结果表明，采用优化条件制备的包合物收率达7 1 8 5 ，苯乙烯含 量8 2 6 2m g 昏1 ；苯乙烯与昏、伊、弘环糊精均能形成较稳定的包合物。 2 系统地考察了西，伊y 环糊精与不同的酮协同催化苯乙烯不 对称环氧化反应效果。根据文献合成了七啦，3 ，6 三_ o 一甲基) 环糊 精、七- ( 2 ，6 二o 甲基) 毋环糊精二种甲基化衍生物和2 - 0 叫2 ，3 二羟 丙基) 伊环糊精、2 - o - ( 2 - 羟丙基) 毋环糊精、单2 - 0 - ( 2 羟丙基) 环糊 精三种羟丙基化衍生物以及一种单丙酮基移环糊精。将其应用于烯烃 的不对称环氧化反应中，探讨了其协同催化反应机理。研究中发现卢 环糊精和甲基异丁基( 甲) 酮( m i n k ) 与o x o n e 原位产生的二氧杂环丙 烷存在着较好的手性协同催化性能，在优化条件下，苯乙烯不对称环 氧化反应可获得4 6 的e e 值。修饰后的环糊精在苯乙烯不对称环氧 化中手性诱导作用减弱。 3 叶甲基苯乙烯、1 已烯和1 辛烯在环糊精酮o x o n e 圆复合体系 中，生成了相应的环氧化物，得到了一定的e e 值，研究中发现伊环 糊精与3 戊酮协同催化小甲基苯乙烯的不对称环氧化反应可以使环 氧化产物获得高达5 9 的e f 值，而1 已烯、1 辛烯不对称环氧化产 物o o 值较低。 该合成方法揭示了环糊精及其衍生物在有机合成中新的应用价 值。既丰富了环糊精化学的内容，又为烯烃的不对称环氧化提供了一 条简单易行的新路线：不仅具有一定的理论研究价值，而且具有一定 的实际应用前景。 关键词：烯烃，环糊精，包合物，不对称环氧化，二氧杂环丙烷，协 同催化 t h ea s y m m e t r i ce p o x i d a t i o no fo l e f i u ss y n e r g i c a u yc a t a l y z e db y e y c l o d e 触( c d s ) a n dd i o x i r a n e s h a ss o l f f l ea d v a n t a g e so v e r p a s t r e s e a r c hr e s u l t s t h es y n t h e t i cm e t h o du s i n gw a t e ra ss o l v e n tc a na v o i d t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nf r o mo r g a n i cs o l v e n t sa n dm e t a lc a t a l y s t s t h er e a c t i o nc o n d i t i o ni sm o d e r a t ea n dt h eo p e r a t i o ni sc o n v e n i e n ta n d s i m p l e t h es y n t h e t i cr o u t ei ss t r a i g h t f o r w a r da n dt h ec o n s u m p t i o no f e n e r g yr e s o u r c e si sl o w i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t e dt h ea s y m m e t r i ce p o x i d a t i o no fo l e f i u s i n c l u d e db yc d s i nt h er e a c t i o n , c di sa c t e da sak i n do fc h i r a l u l t r a m i c r o r e a c t o ra n dd i o x i r a n ei so x i d a n tw h i c hi sg e n e r a t e df r o m k e t o n e sa n dp o t a s s i u mp e r o x y m o n o s u l f a t e ( o x o n e ) i ns i t u t h ea s y m m e t r i ce p o x i d a t i o no fs t y r e n ew i t hd i m e t h y l d i o x i r a n ei n t h ep r e s e n c eo f 3 - c y c l o d e x t r i n ( b - c d ) h a sb e e nd i s c o v e r e d h o w e v e r , t h e e n a n t i o m e r i ce x c e s so f1 , 2 - e p o x y e t h y l b e n z e n ew a so n l yu pt o2 9 i n t h et h e s i s ，t h es y n e r g i s t i cc a t a l y t i cr e a c t i o nr u l eo fc d sa n dk e t o n e sw a s s t u d i e da n dm e c h a n i s mo fa s y m m e t r i ce p o x i d a t i o no fo l e f i n sw a s d i s c u s s e d t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a ni n c l u s i o nc o m p l e xo fs t y r e n ea n dp - c dw a sp r e p a r e db y s a t u r a t e ds o l u t i o nm e t h o d 1 1 1 ei n f l u e n c e so ft h ei n c l u s i o nc o n d i t i o n s w e r es t u d i e da n dt h eo p t i m u mp r e p a r a t i o np r o c e s sw a se s t a b l i s h e db y o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s t h ef o r m a t i o no fs t y r e n e - p - c dc o m p l e xw a s c o n f i r m e db yf t - i r , t g - d t a ，t d ，1 h n m 喂t h ea s s o c i a t i o nc o n s t a n t s o fs t y r e n ea n dc d sw e r ed e t e r m i n e db yu v t h er e c o v e r yo fi n c l u s i o n c o m p l e xp r e p a r e dw i t ht h eo p t i m u m i n c l u s i o nc o n d i t i o nw a s7 1 8 5 a n d n i t h ec o n t e n to fs t y r e n ew a s8 2 6 2n a g g - 1 t h ei n c l u s i o nc o m p l e xo fc d s a n ds t y r e n ea r em o r es u i t a b l ef o ra s y m m e t r i ce p o x i d a t i o n ( 2 ) t h ea s y m m e t r i ce p o x i d a t i o no fs t y r e n ei n c l u d e db yc d sw i t h d i o x i r a n e sp r o d u c e df r o mk e t o n e sa n do x o n e oi ns i t uh a sb e e na c h i e v e d t h ev a r i o u sf a c t o r s , s u c ha sr e a c t i o nt i m ea n dt e m p e r a t u r e ，m o l a rr a t i oo f m e t h y li s o b u t y lk e t o n e ( m i b k ) t oc o m p l e xa n dt h ea m o u n to fn a h c 0 3 ， t h a tc o n t r o lt h ee n a n t i o s e l e c t i v i t yo ft h ep r o c e s sh a v e b e e ne x a m i n e d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a t f l - c dh a sg o o da b i l i 哆o fc h i r a l r e c o g n i t i o nt od i o x i r a n ew h i c hw a sg e n e r a t e df r o mm i b k a n do x o n e 雪i n s i t u t h em a x i m u me n a n t i o m e r i ce x c e s so f1 , 2 - e p o x ye t h y l b e n z e n ew a s u pt o4 6 as e r i e so fc dd e r i v a n t sw e r ep r e p a r e da c c o r d i n gt ot h e l i t e r a t u r e s t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tc dd e r i v a n t sa n dk e t o n e so i l a s y m m e t r i ce p o x i d a t i o no fs t y r e n eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ep o s s i b l e m e c h a n i s mh a sb e e np r o p o s e da n de f f e c to fc d sh y d r o x y la n dh y d r o g e n b o n dh a v e b e e ns u g g e s t e d ( 3 ) s o m eo l e f m sw e r es e l e c t i v e l ye p o x i d a t e dt ot h ec o r r e s p o n d i n g o p t i c a le p o x i d e s ，w h i c hc a no f f e ran e ws y n t h e t i cm e t h o d o l o g yo fo p t i c a l e p o x i d e s t h er e a c t i o no fa s y m m e t r i ce p o x i d a t i o no fa - m e t h y l s t y r e n e w a sp e r f o r m e db yu s i n g 3 - p e n t a n o n e o x o n e 鸯a so x i d a n t sa n d 伊c da s a l l u l t r a m i c r o r e a c t o r t h em a x i m u me n a n t i o m e r i ce x c e s so f a - m e t h y l s t y r e n e e p o x i d ew a su p t o5 9 t h es y n t h e t i cm e t h o de x p a n d sn e wa p p l i c a t i o no ft h ei n c l u s i o n c o m p l e x e so ff l - c di no r g a n i cs y n t h e s i s t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i s t h e s i sn o to n l ye n r i c h e dc y c l o d e x t r i n sc h e m i s t r yb u ta l s oo f f e r e dag r e e n s y n t h e t i cm e t h o d ，w h i c hh a v eg o o dp r o s p e c ti nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n x e ) rw o r d s ：o l e f m s ，c y c l o d e x t r i n s ，i n c l u s i o nc o m p l e x ，d i o x i r a n e s ， e p o x i d a t i o n ，s y n e r g i s t i cc a t a l y s i s i v 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要责献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 捕媾 6 月6 e l 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阒。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密臼。 、( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名：1 俐日期：山哆年 石月 6 日 导师签名：荔，l 叭 日期：年月 日 1 环糊精协同催化下d i o x i m n 对烯烃的不对称环氧化研究 第一章绪论 1 1 烯烃不对称环氧化概述 环氧化合物是有机合成的重要中间体。由于三元环的特殊张力使 其很容易通过选择性开环或官能团转换来合成人们需要的多种物质。 环氧化合物在国民经济中有着重要的地位，现已广泛应用于石油化 工、精细化工、有机合成、制药、香料等行业。具有光学活性的环氧 化物则更是合成许多天然产物、光学活性材料、光学活性药物等必不 可少的有机中间体【1 。3 1 ，在合成手性药物及农药等高附加值精细化学 品的过程中具有不可替代的作用。因此，制备环氧化合物，特别是制 备高纯度的光学活性环氧化合物现已成为当今化学研究的热门课题 之一。 获得手性环氧化合物的方法很多，如甜卤代酮的不对称还原 4 1 、 二醇的不对称消去【5 1 、外消旋环氧化物的动力学拆分1 6 1 以及酶催化不 对称环氧化 v l 等。但烯烃对映面选择性的环氧化反应是获得光学环氧 化物最简单和最行之有效的方法之一。手性催化剂【8 】诱导的烯烃不对 称环氧化因只需催化量的手性化合物即可得到大量的光学活性环氧 化物，因而深得广大化学工作者的青睐。烯烃不对称环氧化研究已经 在如下几个方面取得巨大的成功： ( 1 ) s h a r p l e s s 钛催化剂【9 】催化的烯丙醇类官能团化烯烃的高对映 选择性环氧化反应。s h a r p l e s s 手性钛催化剂借助于烯醇底物中羟基配 位的次级作用力，限定了烯烃双键对活性氧进攻的方向，从而使反应 获得高立体选择性，但该体系只适应于烯丙醇类底物的不对称环氧化 反应。 ( 2 ) 使用金属卟啉类催化剂【1 0 1 及手性( s a l ) h 亿( i ) 络合物【催化 的非官能团化烯烃的j a c o b s e n 不对称反应。j a c o b s e n 催化剂和金属卟 硕士学位论文 啉类催化剂对非官能团化顺式烯烃不对称环氧化十分有效，对反式烯 烃和端基烯烃的对映面选择性却不尽人意。 ( 3 ) 手性亚胺盐类f 1 2 i 。手性亚胺盐类应用于烯烃不对称环氧化， 也是令人感兴趣的课题之一，某些手性亚胺盐对三取代的烯烃也有较 好的e e 值【珏l ，但对端基烯烃的效果却很不乐观。 ( 4 ) 手性酮5 罐化的非官能团化烯烃不对称环氧化反应。近年来 新型手性酮催化剂对于非官能团化反式烯烃的不对称环氧化取得了 突破性的进展【1 6 i ，且在端基烯烃的不对称环氧化中产物的e e 值得到 一定的提高1 7 1 ，这为端基烯烃的不对称环氧化反应研究开辟了一条新 的道路。 以上这几种不对称环氧化反应体系有着很强的互补性而广泛应 用于不同烯烃底物。 1 2 二氧杂环丙烷研究概述 手性酮催化烯烃不对称环氧化反应是以二氧杂环丙烷( 英文名： d i o x i r a n e s ) 为氧化媒介实现的。二氧杂环丙烷是一类温和高效的氧化 剂，它具有氧传递效率高、反应选择性较好、反应条件温和、多余的 氧化剂对产物的破坏性较小，使用方便、后处理简单等特点。 二氧杂环丙烷的制备方法很爹博l ，可分为非过酸法和过酸法。二 氧杂环丙烷的制备与分离及其理化性质研究已有相关文献报道【1 9 l 。二 氧杂环丙烷的热力学稳定性较低 2 0 l ，易发生分解及二聚等f 2 l 】反应而使 活性氧降低，因而二氧杂环丙烷特别是手性二氧杂环丙烷通常是由手 性酮与o x o n e ( 过氧硫酸氢钾复合盐，2 k h s 0 5 k h s 0 4 k 2 s 0 4 ) 原 位反应制得。用h 2 0 2 为氧化剂【2 甜、以乙腈为助溶剂也可将手性酮氧 化成手性二氧杂环丙烷。 二氧杂环丙烷因其结构中氧原子的特殊活性而在氧化反应中具 有广泛的用途。以二氧杂环丙烷为氧化剂可以实现饱和烃类中c - h 环糊精协同催化下d i o x i r a n e s 对烯烃的不对称环氧化研究 的氧原子插入反应l 、可以将有机硫化物氧化成亚砜或砜 2 4 1 ，还能实 现醇、醛、胺、炔类化合物等的氧化【13 ，2 蜘，在这些反应中二氧杂环丙 烷展现了其优良的特性。 利用酮与o x o n e 原位产生的二氧杂环丙烷为氧化剂的反应中， 酮在此反应过程中充当了催化剂的角色，并经图1 - 1 所示的方式实现 了催化循环【2 6 l 。o x o n e 。首先与酮作用生成二氧杂环丙烷，当手性二 氧杂环丙烷i 把活性氧转移到烯烃底物时，由于分子手性因素或其所 处手性微环境的影响使氧a 和氧b 成为不等性的活性氧，它们在对烯 烃双键的对映面进攻时会给出两种不同的对映选择性，从而使环氧化 产物具有一定的e e 值。 h s o s ab h s o i 图1 - 1 手性酮o x o n e 雪催化烯烃不对称环氧化原理图 s c h e m e l 1 a s y m m e t r i ce p o x i d a t i o nm e c h a n i s mo f t h e c h i r a lk e t o n ea n do x o n e * c u r i c t 2 7 1 是利用二氧杂环丙烷进行烯烃不对称环氧化反应的开拓 者，但在早期的研究中，e e 值始终未超过2 0 。1 9 9 6 年，y a n g 等【2 s 】 开发的联萘手性酮和s h i 等四】研发的果糖酮在催化烯烃不对称环氧化 中产物e e 值大大提高，并进一步揭示了手性酮催化不对称环氧化反 应的过渡态问题。近年来应用于烯烃不对称环氧化中的新型手性酮主 要有如下几种： i y a n g 等设计应用的具有c 2 对称轴的联萘结构手性酮系列( 图 1 - 2 ) 。实验结果表明该系列手性酮催化烯烃不对称环氧化反应时，反 式二取代或三取代的烯烃能给出较高的对映选择性【3 们，但顺式烯烃和 1 鼍 坟。严r 尸 硕士学位论文 端基烯烃却未得到较好的实验结果。 ：x l hb ：x = c ic x - 丑rd ：x = l e ：x - m e f ：x = c i l 2 0 c h ，x i - - o o i r x = s i m e 3 图1 - 2y a n g 的手性酮催化剂 s c h e m e l - 2c h i r a lk e t o n ec a t a l y s t so f y a n gd a n 由果糖衍生的系列手性酮。s h i 等【3 1 1 以果糖为原料合成的系列 果糖酮( 图l - 3 ，1 5 ) 。经由二氧杂环丙烷实现了系列烯烃的不对称环 氧化，在二取代反式烯烃和三取代烯烃的环氧化中表现出很高的对映 选择性，但对于端基烯烃和二取代顺式烯烃的对映选择性却很低。 稍汪 舻车小 。r = m e b r = b n a 删：c 0 妒鼬 6 4 图1 - 3s h i 的手性酮催化剂 s c h e m e l 3c h i r a lk e t o n ec a t a l y s t so f s h iy i 趾 2 0 0 5 年，s h i 等又设计合成了系列用一个嗯唑烷酮取代一个缩酮 环的新型手性酮口2 1 ( 图1 3 ，6 8 ) ，并考察了它们在各种烯烃不对称环 环糊精协同催化下d i o x i r a n e s 对烯烃的不对称环氧化研究 氧化反应中的催化性能。其中7 对顺式烯烃和端基烯烃表现出很高的 对映选择性，在苯乙烯环氧化中e e 值最高可达8 5 。 ，a - 氟代托品酮系列。1 9 9 8 年a r m s t r o n g 以a - 氟代托品酮为起 始物合成了系列的手性酮1 3 3 l ，其中酮a ( 图1 4 ，a ) 对三苯基乙烯的环 氧化可获得高达8 3 的e e 值。 其它类型的手性酮( 图1 - - 4 ，b - k ) 。这些酮与o x o n e 原位产生 的二氧杂环丙烷均能实现对烯烃的环氧化反应，某些烯烃还能获得一 定的对映选择性。其中手性酮b 和c 2 7 1 为1 9 8 4 年c u r c i 等首次用来催 化反1 苯基丙烯环氧化反应的手性酮，其e e 值为1 2 5 。c u r c i 3 4 l 将 制得的a 三氟甲基酮d 和e 催化2 正庚烯的环氧化，其e e 值可达 2 0 。1 9 9 5 年m a p l e s 等1 3 5 1 以酮f l 、f 2 、g 和h 作催化剂，催化活仁k 很好，但没有对映选择性。 玟涉帕亨。孙 图1 4 其它常见的手性酮催化剂 s c h e m e l - 4s o m eo t h e r sc o m m o nc h i r a lk e t o n ec a t a l y s t s 随后出现的系列具有c ：对称轴的手性酮，催化效果较好的有酮i 和j ，a d a m 等【3 6 1 利用酮i 可使肉桂醇和三苯基乙烯环氧化的e e 值均 在8 0 左右。而d e n m a r k 纠3 7 1 用酮h 能使反1 ，2 二苯基乙烯环氧化 祭。 j 窿带 硕士学位论文 e e 值达9 4 ，s o n g 3 硼利用酮k 在对烯烃环氧化中也得到中等的e e 值。 在二氧杂环丙烷催化烯烃不对称环氧化研究中人们提出了两种 可能的过渡态：螺旋过渡态和平面过渡态。b a c h 3 9 1 的理论计算支持螺 旋过渡态的假说。y a n g 和s h i 从他们获得的立体化学结果出发进一步 揭示了反应的关键过渡态问题。他们的研究结果均支持螺旋过渡态的 假说随2 9 1 ，u p - 氧杂环丙烷对烯烃双键的环氧化反应取螺旋位接近双 键并将活性氧转移至双键。其过渡态如图1 - 5 所示。 图1 5 二氧杂环丙烷对烯烃环氧化的螺旋和平面过渡态 s c h e m e1 - 5s p i r o - a n d p l a n a r - t r a n s i t i o ns t a t e so f o l e f m se p o x i d a t e db yd i o x i r a n e s 总之，近几年发展起来的手性酮催化剂对反式烯烃及三取代烯烃 具有良好的不对称诱导效果，但对于端基烯烃的作用却不尽人意。发 展适于端基烯烃的不对称环氧化体系，依然是一个任重道远的课题。 环糊精因其结构的特殊性在不对称合成中扮演着越来越重要的角色， 本课题小组在对手性酮催化烯烃不对称环氧化反应的研究中，结合环 糊精的特殊结构设计了环糊精与非手性酮协同催化实现端基烯烃不 对称环氧化的反应体系。 1 3 环糊精化学概述 环糊精( c y c l o d e x t r i n s ，简称c d s ) 是由葡萄糖转移酶( c g t ) 作用于 淀粉所产生的一组环状低聚寡糖。v i l l i i e r s ! 删于1 8 9 1 年首次发现。1 9 0 3 年s c h a r d i n g e r f 4 q 采用分离的菌株消化淀粉得到两种晶体化合物，根据 它们与1 2 - 显色的不同将其命名为a 一环糊精( a c d ) 和卢环糊精 f 环糊精协同催化下d i o x i r a n e s 对烯烃的不对称环氧化研究 ( 伊c d ) 。1 9 3 6 年至1 9 5 3 年间，f r e u d e n b e r g 和c r a m e l l 4 2 j 提出并确定 了c d s 的结构，从而为开创环糊精化学奠定了基础。目前c d s 已经 发展成为超分子化学中最重要的研究主体之一。 1 3 1 环糊精的结构 c d s 是以d 吡喃糖为单元，由a - ( 1 ，4 ) - 糖苷键连的环状分子，常 见的为含有6 8 个吡喃糖单元构成的c d s ，分别称为a - 卢- 、y - c d ( 图 1 6 ) 。其中# - c d 因其普遍易得、价格低廉而应用广泛。 c d s 分子中n 吡喃糖单元均以椅式构象相连，由于在椅式构象 中各糖单元不能围绕糖苷键自由旋转，因而c d s 分子呈截顶圆台形 花环状。其c - 2 和c 3 原子上的仲羟基均位于环状分子的一个边缘( 第 一面) ，而c 6 伯羟基则排在另一个边缘( 第二面) 。吡喃糖环c 3 ，c 5 的氢原子位于空腔内并覆盖配糖键氧原子，使空腔内部成为疏水性空 间，而c d s 外侧和边缘由于众多羟基的聚集而呈亲水性。不同的是 伊c d 分子中c 2 上的羟基易与相邻吡喃糖单元上的c 3 上的羟基形 成氢键环【4 3 j ，该环形氢键带使分子具有相当的刚性，进一步稳定了 伊c d 的分子构象，并使伊c d 在溶解性等性质上与n 、? - c d 存在 定的差异。 癸l 蛰 a - c d p - c d7 - c d 图l - 6 伽，伊，y c d 的分子结构示意图 s c h e m e l - 6t h em o l e c u l a rs t r u c t u r e so f a - ，p - ，y - c y c l o d e x t r i n 1 3 2 环糊精的性质 c d s 分子的特殊结构决定了其具有独特的性能。不同种类的c d s 硕士学位论文 之间其性质也存在着较大的差异，a 、争、y - c d 的性质比较如表1 - 1 所示h 1 4 3 】。 c d s 耐酸、碱、热和机械作用比淀粉和小分子糖类物质都要弱。 c d s 与某些有机溶剂共存时，能形成溶解度更低的包合物而沉淀。由 于其具有“外亲水，内疏水”的空腔结构，可以与大小相匹配的客体 分子形成较稳定的包合物，从而为处于内腔中的客体分子提供特殊的 手性微环境。 表i - 1a 一，p - ，y - c d 的性质比较 里塑! ! ! ：! 堡查! 翌塑! 里竺堡堂竺! 垒：垒：2 = 塑 性质 a - c d b - c d7 - c d 1 3 3 环糊精的包合作用 c d s 的疏水空腔可包合有机分子、卤素和无机化合物，从而形成 主客体包合物。如果客体分子大小与c d s 空腔尺寸匹配，分子的极 性小于水，则有可能代替环内的水分子进入空腔形成包合物。客体分 环糊精协同催化下d i o x i r a n e s 对烯烃的不对称环氧化研究 子与c d s 包合时，主要依靠以下几种作用力 4 4 1 ： ( 1 ) 主客体基团之间的氢键作用。 ( 2 ) 主客体分子之间的范德华力和色散力。 ( 3 ) 疏水疏水作用，即疏水性客体与c d s 疏水性空腔的相互作用。 ( 4 ) 主客体分子之间形成包合物时高能水的释放和张力能作用。 ( 5 ) 疏水空腔内的水分子被客体分子取代时，释放出的水分子由于 物相的改变，引起熵、焓的变化，部分地补偿主客体分子结合时引起 的熵变。 c d s 与客体分子形成包合物后，c d s 对客体分子的影响主要表现 在以下几个方面： ( 1 ) 通过对客体分子的包合减少客体分子挥发性。 ( 2 ) 增强客体分子对热、光、空气等的稳定性。 ( 3 ) 改变客体分子的某些物理性质或化学性质。 ( 4 ) 改变客体的反应性能，为客体分子的反应提供手性微环境。 c d s 已广泛应用于医药、食品、农药、日用化学品等众多行业， 而且在人工模拟酶的构筑1 4 5 , 4 6 1 、人工膜技术m 、生命活性物质的手性 拆分 4 s 1 ，有机催化合成1 4 9 , 5 0 1 等研究领域有着广泛的应用前景。 1 3 4 环糊精在氧化反应中的应用研究进展 c d s 的疏水空腔为客体分子的反应提供特殊的微环境，从而使客 体分子的反应呈现特异选择性。因此，c d s 可用于包括氧化、还原、 羧基化、加氢、脱氧、水解、加成等各种有机反应中1 5 ，可以改变某 些通常的有机反应规律，提高反应效率，增强立体选择性，提高产物 区域选择性。本部分就c d s 在氧化反应方面的应用作一综述。 1 3 4 1c d s 在非手性氧化中的应用研究 在非手性氧化反应中，主要是利用c d s 作为催化剂或相转移催 化剂，通过其对底物的包合作用，实现对底物某些反应部位的屏蔽作 硕士学位论文 用，提高反应速率，增强反应选择性。 r a o 等陋2 1 用f l - c d 作催化剂，在水一丙酮体积比为8 6 ：1 4 的混合溶 液中，用邻碘酰基苯甲酸( i b x ) 为氧化剂，在室温条件下实现了系列 醇及邻二醇的高效氧化( 图1 7 ) 。该反应条件温和，酮及a 羟基酮的 分离产率达8 5 9 8 。而在无c d s 存在下，该反应几乎难以进行。 只，篁上 r r 2 闪2 洳“mr l 、r 2 图l - 7 p - c d 催化醇及二醇的氧化反应 s c h e m e l 7 伊y c l o d e x t r i n - c a t a l y z e do x i d a t i o n o f a l c o h o l sa n dd i o l s s u r d a r a 等3 1 发现在伊c d 的手性诱导下，环氧环丙烷、氮杂环 丙烷等在水溶液中与邻碘酰基苯甲酸( r e x ) 作用，可选择性地将原料 氧化成a 羟基酮或a 氨基酮，收率高达9 2 ( 图1 - 8 ) 。 r 矿号砂x r f f i - t , b r , c i , m c , o m ea n dn 0 2 j x y 一= o 。 ；：懋 2 x = ：n t s _ 一一n l s 图1 8p - c d 舭f 氧环丙烷和氮杂环丙烷的氧化反应 s c h e m c l 8f l - c y c l o d e x t r i n - c a t a l y z e do x i d a t i o no f o x i r i n e sa n da z i r i d i n e s k r i s l l f l a v 朗i 等5 4 1 报道在伊c d 催化下，采用“一锅法”用- 溴代 丁二酰亚胺( n b s ) 选择性氧化醇及环氧环丙烷生成相应的酮和a 一羟基 酮( 图1 9 ) 。反应中，底物与伊c d 形成包合物后，再被n b s 氧化。该反 应以水溶剂，产率9 0 以上。 环糊精协同催化下d i o x i r a n e s 对烯烃的不对称环氧化研究 r 足毒r 少0 r ： r 、r 2 邮d ，h 2 0 ，万r 厂、r 2 厶愚塑! p h f i b - c d ，h 2 0 ，l l r i l l , a l l 哆l ；r 2 = h c h j , c h 2 0 h r 3 c h 2 0 h ，c o o m e , c o o e r , c h 2 0 t b d m s 图1 9 卢c d 催化醇与环氧化物的氧化反应 s c h e m e l - 9 p - c y c l o d e x t r i n - c a l a l y z e do x i d a t i o no f a l c o h o l sa n de p o x i d e s 核黄素是n a d h 脱氢氧化酶的辅酶，t a b u s h i 5 习将核黄素引入到 a - c d 的第一面，得到模拟酶模型( 图i - 1 0 ) ，将其用于烟酰胺底物s 1 s 4 的氧化。然而该酶对底物的包合常数却只有天然n a d h f m n 酶的 i 8 、氧化速率只有1 3 0 。这可能是由核黄素与烟酰胺作用形式不同 所决定的。该人工酶还能催化烟酰胺与金属卟啉间的电子转移，其催 化速率比f m n 快5 5 倍。 图1 1 0 口c d 与核黄素衍生的氧化酶 s c h e m e l - 1 0t h eo x i d a s eo f a c da n df l a v o e n z y m e d ，s o u z a 掣酃7 1 分别将核黄素辅酶引入c d s 的第一面与第二面 得到的模拟酶具有不同的催化结果。其中2 - 位键联核黄素的p - c i ：) ( 图 l - 1 1 ) 可催化氧化对叔丁基苯酚，其催化效果是同等条件下核黄素催 化反应速率的6 5 0 倍。 曹驽 图1 1 ic d s 与核黄素衍生的氧化酶 s c h e m e l - 1 1t h eo x i d a s eo f c d sa n d f l a v o e n z y m e 硕士学位论文 1 9 9 8 年任维衡掣5 8 厍j p - c d 、氯乙酸和三氯化铁反应合成了双【6 氧仔羧甲基丁二酸1 ，4 单酯4 ) 】- p - c d f e 3 + 配合物的模拟酶( 图l 1 2 ) 。该模拟酶能催化琥珀酸脱氢氧化生成延胡索酸；该酶还能催化 氧气氧化甲苯生成苯甲醛和苯甲酸，其催化氧化速率比仅用f e c l 3 要 高得多。 一著一- 彳要i t - - o o o t l 十一e 卜 h t 一w “u ”1 6 也l6 三6 。茹。 r o s s i 等5 9 1 报道f e b r 3 c d s 复合体系可高化学选择催化氧化硫醇 或硫醚生成砜类化合物( 图1 1 3 ) ，且产率较高。反应中f e b r 3 一c d s 复 合物与底物分子选择性地形成稳定的包合物。同时还发现y - c d f e b f 3 复合物循环利用的催化效果很好，重复使用5 次以上，催化活性仅降 低5 。 图l - 1 3 三澳化铁一环糊精催化氧化反应 s e h e m e l - 1 3 f e b r 3 - c d s - c a t a l y z e do x i d a t i o nr e a c t i o n k a r a k h a n o v 掣删则以多取代的乙基化伊c d 为相转移催化剂，在 f e c l 3 h 2 0 2 体系中催化氧化苯生成苯酚，产率达6 9 。乙基制6 f l - c d 与 苯形成包合物后，将苯转移至水相，从而被f e c l 3 n 2 0 2 体系氧化，使 反应顺利进行。如果无乙基们d f l - c d 催化时，反应速率仅为该速率的 5 。 沈静茹等1 6 1 i 以f l - c d 的二问羧基苯磺酸酯与f e c l 3 形成配合物， 环糊精协同催化下d i o x i r a n e s 对烯烃的不对称环氧化研究 再与h 2 0 2 作用构筑了新型的模拟酶催化体系( 图1 1 4 ) 。该模拟酶在 催化苯胺氧化成硝基苯时，催化速率是f e c l 3 - h 2 0 2 体系的9 1 倍。该 模拟酶还能有效地将葡萄糖催化氧化为葡萄糖酸f 6 2 l ，每摩尔模拟酶平 均催化速率是f e c l y h 2 0 2 的7 4 倍。该模拟酶制各简单，可反复使用， 是_ 种较理想的模拟酶。以该模拟酶为催化剂在5 0 ，酸性条件下， 可成功地将糠醛催化氧化成糠酸【6 3 l 。 c 。鼢舀竖肛d f 。吨扩h1 驴 肿+ 2 c l 鼢- 一塑肛4 s 0 2 飞i 驴 一斗舀一卜嗡 图i - 1 4f e c l 3 - h 2 0 2 房c d 氧化酶的合成过程 s c h e m e l 1 4t h ev r e d a r a t i o np r o c e s so f o x i d a s eo f f e c l l h ，0 ，毋c d 2 0 0 6 年，m a r i n e s c u “ 以c a r l 、c a t 2 为超分子氧化模拟酶( 图1 1 5 ) ， 以h 2 0 2 为氧化剂高效地实现了对苯胺类化合物的氧化。反应中该超 分子体系活化了h 2 0 2 的氧化性能，实现了一系列苯胺类化合物的氧 化，其氧化反应的速率遵循m i c h a e l i s m e n t e n 动力学方程且与底物的 结构有关，其中c a t 2 在对2 氨基苯酚的氧化反应中，反应速率比未 使用该模拟酶的速率几乎要快11 0 0 倍。 罾暂 擀擀 图1 1 5c d s 衍生的超分子氧化酶 s c h e m e l 1 5 s u p e r m o l e c u l a ro x i d a s vo f c d - k e t o n e s 硕士学位论文 1 3 4 2c d s 在手性氧化中的应用研究 利用c d s 分子结构的特殊性为反应体系提供一定的手性微环境， 从而实现对底物的手性氧化，以此获得产物的e e 值。近些年来，在 该方面的研究较多，特别是将修饰改性的c d s 应用于手性氧化的研究 已获得了一定的进展。 1 9 8 8 年，t a k a h a s h i 等【6 习将c d s 用于不对称环氧化反应，以h 2 0 2 为氧化剂，在n a h c 0 3 水溶液中率先实现了反式肉桂醛及查尔酮的不 对称环氧化，其e e 值为8 。在对肉桂醛的不对称环氧化研究中发现 不同种类的c d s 对产物e e 值存在着较大的影响，其影响顺序是y - c d a - c d p - c d 。同时还发现舡c d 在查尔酮的不对称环氧化中有一定影 响，而在此之前认为口一c d 对该反应没有作用。 1 9 9 0 年，c o l o n n a 等哪】在c d s 仿生催化下，利用叔丁基过氧化氢 实现了对维生素k 3 及