（有机化学专业论文）负载型金属催化剂催化丙酮酸甲酯和苯乙酮不对称加氢反应的研究.pdf

负载型金属催化剂 催化丙酮酸甲酩和苯乙 酮 不对称加氢反应研究 专业有机化学研究方向 有机金属络合与催化 研究生黄艳软 指导教师李贤均 拨基化合物加氢产物仲醇是许多有机药物合成的重要中间体， 潜手性拨基 化合物催化加氢可形成手性醇， 故拨基的不对称加氢反应方面的研究较广泛。 其中均相不对称催化加氢反应显示了优越的对映选择性， 但由于多相催化体系 比 均相催化体系具有价格便宜、 催化剂与产物容易分离和循环使用的优点， 因 此多相不对称催化领域的研究十分活跃。 本文研究了 用高分子聚合物p v p 保护的负载在y - a 1 2 0 3 上的p t 纳米簇合物 p t - p v p - a 1 2 0 3 作催化剂催化丙 酮酸甲 酷的不对称加氢反应， 在该催化体系中引 入碱， 着重考察了无机碱的添加对催化剂活性和对映选择性的影响。 优化的反 应 条 件 为 0 0 c , 5 .o m p a h 2 , c in c h o n id in e = 3 .2 4 x 1 0 -3 m o l/ l , k o h = 0 .0 2 m o l/l , l h 内 丙酮酸甲酷不对称加氢的转化率为3 2 .2 %， 对映选择性达到5 2 .2 %; 发现 加入适量的无机碱k o h不但能提高催化剂p t - p v p - a 1 2 0 3 的活性， 而且能提高 丙酮酸甲酷不对称加氢反应的对映选择性。 添加适量的手性修饰剂辛可尼定不 仅可以 诱导丙酮酸甲 酩不对称加氢反应生成对映异构体过量的 ( r ) 一 ( + ) - 乳酸甲酷，而且可以使反应大大加速。 将 催 化剂p t - p v p - y - a 12 0 3 用于 苯乙 酮 及 其衍 生 物的 叛 基加 氢反 应， 研究了 催化剂对 2 - 氟代苯乙酮选择性加氢反应的活性和反应条件的优化，发现催化 剂对芳香酮拨基加氢反应表现出很高的活性和选择性。 加入k o h 可以使催化剂 活 性明显提高， 在1 0 0 0 c , 5 .o m p a h 2 , k o h异丙醇溶液中催化剂p t - p v p - a 1 2 0 3 表 现出 很高的 活性。 当 底 物: 催 化 剂= 2 1 4 0 0 : 1 时， 反 应1 6 h 转 化率 达到9 9 .7 % , 生成2 - 氟代苯乙醇的选择性达到1 0 0 %. 到目前为止，苯乙酮的多相不对称催化氢化还没有高对映选择性的催化 剂。 本文 研究了 容易 制备的 催 化剂a u - y - a 1 2 0 3 ，以( 1 s , 2 s ) 一 二苯 基乙 二 胺 ( d p e n) 为修饰剂， 在异丙醇的碱溶液中催化苯乙 酮的不对称加氢反应，取 得了较好的效果。 本文对反应过程中温度， 碱的浓度， 氢气压力和反应时间对 反应的影响， 以及催化剂的循环使用和此催化剂对苯乙酮的衍生物不对称加氢 反应的活性进行了考察。在优化的反应条件下:1 0 - c, p x 2 = 5 m p a , k o h = 0 .0 4 m o 1 几 ， 用( 1 s ,2 s 卜 d p e n修饰， 反 应2 8 h ， 苯乙 酮的 转化率达到1 0 0 %， e - 值达到7 5 . 0 。 研究发现 ( 1 s ,2 s ) - d p e n不但能诱导生成r 一 苯乙醇， 而且对苯乙酮的不对称加氢有加速作用。 关键词:负载型催化剂，不对称加氢，苯乙酮，丙酮酸甲酷，对映选择性 h e t e r o g e n e o u s a s y m m e t r i c h y d r o g e n a t i o n o f me t h y l p y r u v a t e . a c e t o p h e n o n e a n d i t s d e r i v a t i v e s ma j o r : o r g a n o m e t a l l i c c h e m i s t ry and c a t a l y s i s gr a d u a t e s t u d e n t : h u a n g y any i s u p e rvi s o r : p r o f l i x i anj u n c a t a l y t i c h y d r o g e n a t i o n o f o r g a n i c c o m p o u n d s c o n t a i n i n g c a r b o n y l g r o u p s i s a n im p o rt a n t f i e l d i n a v a r i e t y o f c h e m i c a l p r o c e s s e s f o r t h e s y n t h e s i s o f f i n e c h e m i c a l a n d p h a r m a c e u t i c a l s . t h e e n a n t i o s e l e c t i v e h y d r o g e n a t i o n o f m e t h y l p y r u v a t e i n t h e p r e s e n c e o f y - a 1 2 0 3 s u p p o rt e d p l a t i n u m n a n o c l u s t e r s a n d c h i r a l m o d i f i e r c i n c h o n i d i n e w a s i n v e s t i g a t e d . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t c i n c h o n i d i n e a s a c h i r a l m o d i f i e r n o t o n l y i n d u c e d t h e e n a n t i o s e l e c t i v it y b u t a l s o g r e a t l y a c c e l e r a t e d t h e r e a c t i o n r a t e . t h e e ff e c t s o f c o n c e n t r a t i o n o f k o h a n d c in c h o n i d i n e i n mc o h , t e m p e r a t u r e , h y d r o g e n a t i o n p r e s s u r e a n d r e a c t i o n t i m e o n t h e a s y m m e t r i c h y d r o g e n a t i o n o f m e t h y l p y r u v a t e h a d b e e n d e t e r m i n e d . u n d e r t h e o p t i m u m c o n d i t i o n s o f 0 0 c , 5 .o m p a h z a n d 3 .2 4 x 1 0 -3 m o u l o f c in c h o n i d i n e c o n c e n t r a t io n in k o h / m e o h ( 0 .0 2 m o 1 / l ) s o l u t i o n f o r 1 h , t h e c o n v e r s i o n o f m e t h y l p y ru v a t e a n d t h e e .e . v a l u e o f p r o d u c t w e r e 3 2 .2 % a n d 5 2 .5 %, r e s p e c t i v e ly . t h e s u p p o rt e d m e t a l c a t a l y s t s c o n s i s t i n g o f n i , p t , p d a n d r h h a d b e e n s t u d i e d f o r t h e h y d r o g e n a t i o n o f a c e t o p h e n o n e a n d i t s d e r i v a t i v e s . t h e h o m o g e n e o u s a s y m m e t r i c h y d r o g e n a t i o n o f c a r b o n y l g r o u p s h a d b e c o m e a r a p i d l y g r o w i n g f i e l d , b u t t h e h e t e r o g e n e o u s a s y m m e t r i c h y d r o g e n a t i o n o f s i m p l e a c h i r a l k e t o n e s w a s m o re d i f f i c u l t b e c a u s e t h e s e l e c t i v i ty t o a d e s i r e d p r o d u c t i s n o t s a t i s f a c t o ry w it h m a n y s i d e p r o d u c t s f o r m a t io n . i n t h i s p a p e r t h e e n a n t i o s e l e c t i v e h y d r o g e n a t i o n o f a c e t o p h e n o n e a n d i t s d e r iv a t iv e s in th e p r e s e n c e o f -f-a1203 s u p p o r te d ru t h e n iu m a n d ( s ) - b i n a p w a s i n v e s t i g a t e d w h e n ( 1 s ,2 s ) - d p e n w a s u s e d a s c h i r a l m o d i f i e r . i i i t h e e ff e c t s o f c o n c e n t r a t i o n o f k o h i n i - p r o h , t e m p e r a t u r e , h y d r o g e n a t i o n p r e s s u r e , r e a c t i o n t i m e a n d d i a m i n e o n t h e a s y m m e t r i c h y d r o g e n a t i o n o f a c e t o p h e n o n e h a d b e e n d e t e r m i n e d . u n d e r t h e o p t i m u m c o n d it i o n s o f 1 0 0 c , 5 .o m p a姚， c o n c e r t r a t i o n o f k o h / i - p r o h 0 .0 4 m o l / l s o l u t i o n f o r 2 8 h , t h e c o n v e r s i o n o f a c e t o p h e n o n e a n d t h e e .e . v a l u e o f p r o d u c t w e r e 1 0 0 % a n d 7 5 . 0 % , r e s p e c t i v e l y . t h e c a t a l y s t c o u l d b e u s e d t o t h e a s y m m e t r i c r e d u c t i o n o f a c e t o p h e n o n e d e r iv a t iv e s ( 2 一fl u o r o a c e t o p h e n o n e , 2 - c h o r o a c e t o p h e n o n e , 2 - b r o m o a c e t o p h e n - o n e ) , b u t e .e . v a lu e s o f t h e ir p r o d u c t s w e r e l o w e r t h a n th a t o f a - p h e n y l e t h a n o l . i t w a s o b s e r v e d t h a t ( 1 s , 2 s ) - d p e n n o t o n l y p l a y e d a k e y r o l e i n t h e c h i r a l i n d u c e m e n t , b u t a l s o a c c e l e r a t e d t h e r e a c t i o n . k e y wo r d s : p l a t i n u m n a n o c l u s t e r s ; m e t h y l p y r u v a t e ; a r o m a t i c k e t o n e s ; e n a n t i o s e l e c t i v e h y d r o g e n a t i o n ; h e t e r o g e n e o u s h y d rog e n a t i o n i v 四川大学硕士学位论文 第一章 多相不对称催化加氢反应研究进展 c h a p t e r i a d v a n c e s i n h e t e r o g e n e o u s e n a n t i o s e l e c t iv e h y d rog e n a t i o n 1引言( i n t r o d u c t i o n ) 在人类生存的自 然界中 ， 手性是一种普遍现象， 如常见的糖类为d 一 构型， 而氨基酸则为l 一 构型， 蛋白 质和d n a的螺旋构象都是右旋的。 在生命过程中 发生的各种生物一化学反应过程均与手性的识别和变化有关。 具有生物活性的 手性分子， 在光学活性的环境中， 构型不同的对映体往往呈现截然不同的作用 d 1 。由于人们逐渐认识到许多具有手性中心的药物， 香料， 食物添加剂， 生长 激素中不同对映异构体往往表现出 不同甚至完全相反的药理和生理效能 ( f i g 1 . 1 ) ， 使得手性纯化学 产品的 市场需求大大增加， 因 此高 对映异构纯化合物 的合成和研究都具有十分重要的 意义12 -6 1 弱d 角 ，o瘾 0 nh 2 且 喃， 不1 1划 商 0 n h 2 1( 八 - o ho h n h 2 o h了 、 h n h 2 c 5 )一 天冬酸胺 苦味 r ) 一 天冬陇胺 甜味 hn _二 h n_袱 口 o 5 - th a l id o mid e s e d a t i v e 0 r - t h a l i d o m id e t e t r a t o g e n f ig 1 . 1 t h e d i f f e r e n t e f f e c t o f e n a n t i o m e r s 近年来随着生命科学， 特别是生物化学和药物化学的发展， 对光学纯物质 的 需求越来越大。目 前获得对映异构纯化合物的 方 法主要有四 种: ( 1 ) 外消旋 体的物理或化学拆分; ( 2 ) 生物酶发酵; ( 3 ) 利用天然手性源合成; ( 4 ) 不对称催 一一一一卫1 il 左鲤竺到巡迷一一一一 化合成手性化合物。 不对称催化合成是利用催化剂量的手性络合物生产大量 的 对映异构体过量的手性目 标产物。 从工业的角度考虑， 方法( 4 ) 是催化量的 反应， 是发展前景和经济效益最好的获得手性化合物的方法， 因而不对称催化 反应成为当前有机化学和催化化学的一个前沿领域。 2不对称催化加氢反应研究进展 ( a d v a n c e s i n e n a n t i o s e l e c t iv e h y d rog e n a t i o n ) 拨基化合物包括醛、 酮、 二酮、 梭酸及其衍生物， 其加氢产物是许多有机 药物合成的重要中间体，故 c 基的加氢反应引起了化学家的兴趣， 这方面的 研 究很广 泛。 潜手性拨基化合物 催化加氢的 产物 醇可形成手 性c * , 基化合 物 的不对称还原为制药工业提供了有用的新合成法， 以下我们将主要讨论碳基的 不对称催化氢化。 在不对称对催化反应中， 不对称催化氢化反应是世界上第一个在工业上使 用的不对称催化反应7 1 。美国孟山都公司的 k n o w l e s s 1 和德国的 h o rn e r 9 1 在 1 9 6 8年分别发表了手性瞬配体与佬金属配合物组成的手性催化剂进行的不对 称均相催化氢化反应，这是不对称催化反应中高对映选择性的首例成功实例， 开拓了不对称催化反应的新领域， 引起了国际有机化学界和化学工业界的极大 关注和兴趣。 自 k n o w l e s s 和h o rn e r 9 1 发 现了 手 性 麟 一 锗 催 化 剂的 不 对 称 催化 氢 化反 应以 来， 人 们 发 现了 多 种 新 型 手 性 麟 配 体， 如d i p a m p s 1 , b i n a p 0 1, c h ir o p h o s p l1 , b p p m z 1 ,d p a m p p 3 1, s p ir o p 14 1等 这些 配 体 用 于 各 种 双 键化 合 物的 均 相 不 对 称催化氢化反应， 得到了 高对映选择性和高催化活性。 其中 l 一 多巴， ( s ) 一 蔡 普生， ( s ) 一 异丁基布洛芬等不对称催化合成己 用于工业化生产。 2 . 1拨基的不对称均相催化加氢 ( h o m o g e n e o u s h y d r o g e n a t i o n o f c a r b o n y l g ro u p s ) 光学活性的仲醇是合成许多生理活性药物的重要中间体， 从这类化合物出 发可以 合成许多不同用途的有机化合物如手性药物， 农药及香精香料等，同时 手性仲醇官能团本身也经常作为重要的结构单元出现在各种具有活性的化合 物中 1 1 5 。因此， 拨基化合物不对称催化氢化生成仲醇己 成为催化工作者感兴 四川大学硕士学位论文 趣的 研究课题。 均相不对称催化氢化是利用手性配体与金属相互作用形成可 溶于反应体相的金属配合物或配位不饱和的中间体， 作为催化剂前体， 这类催 化剂往往可用于不同类型底物的催化氢化。手性配体中最常见的为手性麟 2 ,1 6 1 。 均相不对称催化以 其高催化活性， 高选择性，反应条件温和为特色，目 前已广泛应用于许多工业生产领域。 目 前比较成功的拨基还原是在钉配合物存在下的不对称氢化反应。 在手性 配体b i n a p及手性二胺作用下，很多潜手性芳香酮化合物都可以通过钉配合 物进行催化氢化反应转化成相应的光学活性手性仲醇化合物， 这类化合物一般 都可以 作为合成医药的 重要中间 体 1 5 ,1 6 。 最近十年来， 酮的不对称催化氢化取 得了长足进展， 特别是r u - b i n a p 催化剂在许多毅基化合物的还原中显示了优 越的对映选择性。 1 9 8 7 年， n o y o r i 和t a k a y a 首次报道了r u x 2 ( b i n a p ) 对0 一 酮酸e3 9 的高对 映 选 择性催化氢化 1 7 1 ， 并 进一步的 努力 使这种 r u - b i n a p催化剂扩展到其它 的f3 一 酮酸 酉 肇s , y 一 酮 酸酗19 及 二 酮 2 0 】 的 高 对映 选择 性 氢 化。 n o y o r i 在解 释 这些反应取得高对映选择性的原因时认为酮基氧原子和杂原子与金属钉的同 时 鳌合对反应的 对映选择性起了关键作用2 1 1 简单芳基烷基酮由 于不具备可和催化剂中心金属进行配位的附属功能基， 通常 氢化的 对映选择性 不高。 n o y o r i 在该反 应中 加入一 定量的 手性二 胺和 氢 氧化钾的异丙醇溶液，实 现了 简单芳香酮的氢化( f i g 1 .2 ) ，由 于加入了手性诱 导剂，产生了双重的不对称诱导作用，获得了高光学纯度的 取代卞醇 2 2 1 oh ar - r h 进- b in a p , d p e n , k o h /i- p r o h s u b : r u : d i a mi n e : koh = 5 0 0 : 1 : 1 : 2 f i g 1 . 2 e n a n t i o s e l e c t i v e h y d r o g e n a t i o n o f s i m p l e - k e t o n e 均相不对称催化氢化中几乎所有的前手性化合物都能找到相应的催化剂 将其氢化成高对映异构体过量( e n a n t i o m e r i c e x c e s s : e .e .) 的手性产物，由 于固体 四川大学硕士学位论文 催化剂表面的复杂性和较难探明的反应机理， 光学选择性难于提高， 发展缓 慢。 但均相催化氢化体系一般对氧较敏感，操作要求比 较苛刻，而且成本高， 产 物与 催化剂难分离， 催化剂不易回收 2 3 1基于多相不对称催化氢化有均相 体系无法比拟的优点， 近年来制备手性固相催化剂己 经成为催化工作者追求的 目 标。以下将对均相和多相不对称催化进行简单的比 较。 2 . 2均相不对称催化加氮与多相不对称催化加氢对比 ( c o m p a r i s o n o f h o m o g e n e o u s a n d h e t e r o g e n e o u s e n a u t i o s e l e c t i v e h y d r o g e n a t i o n ) 到目 前为止， 多相不对称催化氢化比较成功的例子只有三个， 一个是1 9 5 6 年由日 本学者l z u m i 等发 现的用于碳一 碳和碳一 氮双键不对称加氢的p d / s i l k 体系 12 4 1 ， 催 化 剂的 制备 是 将p d 2 + 负 载 在 手 性 天 然 蚕 丝 上， 在 氢 气氛中p d 2 4 还原 成 p d “ 金 属粒子， 该体 系近年来研究得较 少， 人 们将 更多的 工作 集中 于手性试剂 对 金属的修饰作用的研究上， 由此产生了两种多相不对称催化氢化的催化剂体 系，即 分别用于p 一 酮酸酷和。 一 酮酸酷氢化的n i/ 酒石酸体系12 5 1 和p t / c i n c h o n a 体系2 6 , 2 7 1 虽然多相不对称催化氢化目 前在催化剂种类和催化反应所能适应的前手 性底物数量上少于均相不对称催化氢化， 在相似的反应条件下， 均相不对称催 化体系的对映异构体选择性高于多相不对称催化反应体系， 而且均相反应结果 容易重复， 反应容易控制， 但多相不对称催化体系有均相催化体系难以比拟的 优点 12 3 1 , 1 )多相催化反应容易操作， 均相不对称催化体系一般对氧较为敏感， 因此对均相催化体系操作的要求比多相体系更苛刻; 2 )多相不对称催化反应后，通过简单的过滤就可以 分离产物和催化 剂，而均相体系的分离到目 前为止还没有找到比 较妥善的办法， 所采用的蒸馏分离往往引起金属络合物或配体的破坏与流失，降 低甚至引起对映选择丧失。 3 )多相不对称催化剂成本低，催化剂可回收重复使用，进一步降低 了制备手性产物的成本。 本文将主要讨论拨基化合物的多相不对称催化氢化研究进展。 四川大学硕士学位论文 2 . 3拨基化合物多相不对称催化加氢反应研究进展 ( a d v a n c e s i n e n a u t i o s e l e c t i v e h e t e r o g e n e o u s h y d r o g e n a t i o n o f k e t o n e s ) 早 在3 0 年 代， 5 c h w a b 2 a 和l ip k in 2 9 1 已 经开 始 利用多 相 金属 催 化剂 催 化不 对称合成反应， 但由于多相催化剂往往受到载体性质的影响， 光学收率难以提 高。从7 0 年代开始，人们结合均相不对称催化剂和多相催化剂的优点，使多 相不对称催化方面的研究十分活跃， 多相不对称催化剂可分为均相手性催化剂 的多相化和手性修饰的负载型金属催化剂。 2 . 3 . 1 均相手性催化剂的多相化 ( h e t e r o g e n i z a t i o n o f h o m o g e n e o u s c h i r a l c a t a l y s t s ) 均相催化剂的多相化技术目 前主要有: ( 1 ) 手性催化剂通过物理或化学吸 附固定在载体表面，如利用过量的阳离子交换树脂固定阳离子型手性催化剂， 这样不仅可以大大减少催化剂的流失， 而且可以解决催化剂的回收和分离问题 3 0 1 ， 但 是其催化效果与 催 化剂制备 及催化反 应条件关系很大， 重复性较差; ( 2 ) 手性配体与高分子物质化学键合， 即先通过固相合成的方法将手性配体通过化 学键合锚定到高分子树脂上， 也可以 先将配体做成单体， 再发生自 聚或者与其 它高分子单体进行共聚， 从而生成聚合的高分子手性配体， 再与金属配位， 形 成 化学键 合在高分子上的手 性催化剂 3 1 1 ， 它与 相应的 均相不对称 催化所获 得 的 结果 接近; ( 3 ) 水溶性手性催化剂， 研究较多的是带磺化手性麟配体的金属 络 合物3 2 1 ， 这类催化剂既能发 挥均相催化 剂的高活性、高 选择性和反 应条件 温和等特点，又具有易与产物分离的水/ 有机两相特征。一般而言，均相催化 剂多 相化技术可以 保持均相催化剂的高反应活性、易重复性、 反应的专属性、 催化反应的可控性、 催化剂的热稳定性等， 更重要的是能简化反应后的催化剂 与产物的分离、 回收等操作， 但是均相手性催化剂多相化后仍然存在催化剂的 流失问题，多相化的结果降低了催化活性单元的活动能力， 导致不同程度地存 在传质问 题， 致使催化活性及对映体选择性较均相催化剂有一定的降 低，因 此 至今工业应用成功的例子很少。 四川大学硕士学位论文 2 . 3 . 2 手性修饰的负载型金属催化剂 ( c h i r a l mo d i fi e d s u p p o r t e d me t a l c a t a l y s t s ) 通过在传统多相催化剂中引入手性修饰分子作为不对称催化反应的立体控 制功能团， 是实现不对称催化及诱导的一个重要策略。目 前， 由于不对称催化 反应的机理研究不是十分清楚，还不能达到设计开发新的催化剂及催化反应， 因此， 在已知性能及用途的传统多相催化剂中加入手性修饰剂， 则是研究和开 发不对称催化剂及不对称催化反应的较为可行的方法。 当修饰剂具有手性时，至少从原则上来讲，反应就是具有对映选择性的， 而事实上， 这种手段只在少数的反应中有效。 这些催化剂对底物有特殊的要求， 例如， 只有某些金属、 修饰剂、 底物类型的特定组合， 才能得到较好的对映选 择性。 有很多研究结果都已经证明这三种成分中一些微小的变化， 都可能引起 对映选择性的巨大变化， 所以要想获得较高的对映选择性， 必须要选择一个催 化剂一 修饰剂一 底物的合适的组合体系。 到目 前为止研究过的多相催化体系已有很多， 而比较成功的只有3 个， 一 个是用于碳一 碳和碳一 氮双键不对称氢化的把/ 蚕丝 ( p d / s i l k )体系13 3 1 ， 催化 剂的制备是将p d 负载于具有手性的天然蚕丝上，p d 在氢气气氛中被还原成 p d ， 金属颗粒。 该体系自1 9 5 6 年由日 本学者i z u m i 等发现以来研究的较少， 人 们将更多的工作集中于手性试剂对金属的修饰作用，由此产生出另外两个体 系，即 分别用于0 一 酮酷和。 一 酮酷不对称氢化的n i / t a 和p t / c i n c h o n a 体系。 由于手性修饰剂不仅可以和金属作用产生手性氛围， 而且通常和底物之间有着 特殊的作用， 因而该种催化剂往往只能使用于特定底物的催化， 表现出酶催化 的特点。 2 . 3 . 2 . 1 . n i / t a体系多相不对称催化加氢反应研究 ( e n a n t io s e le c t iv e h e t e r o g e n e o u s h y d r o g e n a t i o n c a t a ly z e d b y n i/ t a ) 改 性 兰尼镍不对称催化 氢化是y i z u m i p a 1 6 0 年代初 最先 研究的， 当 时是 用 光学活性的a - 基酸或 a - 氨基酸修饰兰尼镍 ( r a n e y n i ) 用于催化乙 酞乙酸 甲 酷 ( m a a ) 氢化，所得产物3 - 轻基丁酸甲 酷有一定的旋光性。研究中发现 a 一 轻基酸作修饰剂效果比a 一 氨基酸好，a 一 经基酸中又以 酒石酸 ( t a ) 的对 四川大学硕士学位论文 映选择性最好，在催化0 - 酮酩和烷基酮不对称氢化时，其ee值可以达到 8 0 - 9 5 % 3 5 -3 9 1 。 另外由 于酒石酸价格较低， 使得以 它为修饰剂的镍催化剂 ( n i / t a)研究较为广泛。 研究表明镍的酒石酸修饰是一个复杂过程，吸附于 载体表面的n i 原子和t a反应生成可溶性的配合物，此配合物部分吸附于未 受腐蚀的镍表面 ( 对于负载型催化剂还可以吸附于载体表面) ，从而形成真正 的催化剂。催化体系中加入适量的钠盐，尤其是n a b r ，可使反应的对映选择 性大大提高， 从6 0 % 提高到8 0 %以上4 0 -0 4 1 对这种工艺可以 总结 如 下4 5 -4 6 1 : 使用新制备的 兰尼镍 作为 催化剂， 具 有较 高结晶度的有序结构诱导不对称加氢， 否则是消旋化反应; 唯一有效的修饰剂 是酒石酸和澳化钠，只有当体系中有n a b r 存在时才会有较好的对映选择性， 它们的协同修饰作用可得到很高的ee值， 这可能是由于b r - 对消旋化位置造成 位阻， 而n a i 则影响吸附于镍上的酒石酸的结构; 适宜的底物是带有大体积梭 酸基团的p 一 官能基的 酮和大体积的甲 基酮。 在这一催化剂体系中，n i - a i 合金的组成、浸渍程序和条件 ( 酒石酸和 n a b : 的 浓度、 p h值、 温度、时间、 超声波处理4 7 1 等)以 及反应条件 ( 溶剂、 压力、温度、酸性协同 修饰剂)都是影响反应结果的重要因素。负载n i 催化 剂或多 种镍粉在修饰后， 也常常有较好的 结果 4 3 1 。 通常催化剂的 制备过 程繁 杂而且这些催化剂活性较低， 在应用中一般要求催化剂负载量高以及高温高压 反 应条 件. o s a w a 等 在 3 7 甲3 9 1最 近的 论文中 讨 论了 这 些问 题， 他 提出 了 一 种 活 性 很好的催化剂， 预加氢的金属镍粉用酒石酸/ n a b : 原位修饰后，用于乙酞乙酸 甲醋的催化加氢，活性很好，尤其值得注意的是，这种催化剂可重复使用 3 0 次而活性只有很小的降低， e x值维持在8 0 - 8 4 %， 但目 前这种催化剂还未商业 化。 2 . 3 . 2 . 2 me t a l / c i n c h o n i d i n e体系催化不对称加氢 ( e n a n t i o s e l e c t i v e h e t e r o g e n e o u s h y d ro g e n a t i o n c a t a l y s z e d b y m e t a l/ c d ) c i n c h o n a修饰的过渡金属催化剂是另外一类研究的比较详细的多相不对 称催化剂体系， 由于这一类催化剂在修饰和不对称催化氢化反应中不会造成金 属组份的流失以及反应液体中含有重金属离子而造成对环境的威胁3 4 1 。 所以 c i n c h o n a生物碱修饰的过渡金属催化剂及其在不对称催化氢化反应的应用研 四川大学硕士学位论文 究己成为热门课题之一。 ( 1 ) 天然生物碱修饰的贵金属催化剂 这一体系最早是y .o r i t o 等14 8 -4 9 1 1 9 7 9 年报道的用于。 一 酮酸醋不对称氢化 反应的p t / c i n c h o n a 体系 ( 以丙酮酸乙酷不对称加氢为例，见f i g l .3 ) o 纪0 / c ataly st, 11 m o d i f i e rh ohy o,-, hc h/ ic i o 0 e y h y l p y r u v a t e o ( r ) 一 e t h y l l a c t a t e( s ) 一 e t h y l l a c t a t e f ig 1 .3 t h e e n a n t i o s e le c t iv e h y d r o g e n a t i o n o f e t h y l p y r u v a t e 其中c in c h o n a 生 物 碱有以 下一 些 异 构 体 ( f ig 1 .4 ) 1， 卜 5 4 1 。 金鸡 纳 碱是 天 然生 物碱的 一类， 由f i g 1 .4可以 看出c i n c h o n a 生物碱的结构主要是由 两个氮杂环 组 成 ， 即 喳 琳 环 和 哇宁 环， 两 者 之 间 有 一 个s p ， 杂 化 碳 原 子 连 接， 从 而 使 其 分 子结构具有较大的柔韧性。奎宁 q u in in e ) 和奎尼定( q u i n id i n e ) 比 辛可宁 ( c i n c h o n i n e ) 和辛 可尼定 ( c i n c h o n i d i n e ) 多出 一 个一 o m e 基团， 但是 他们都 有4 个 手性中 心( c 3 , c 4 , c 8 , c 9 ) ， 其中c 3 , q的手性中 心对所有的c i n c h o n a 生 物碱都 是一样的， 他们的区别在于c : 和c ， 两个手心中心上。 a : r = h 卜r = o c 旧a a : 2a : r = h 了、 b : r = o c h 3 a : r = c h 沁h 3 b : r : c h 2 c h = c h 2 r = 0 h r = 0 c h 3 c : r = c h 2 c h = c h 2 .r = h f i g 1 . 4 s o m e d e r i v a t e s o f c i n c h o n a a l k a l o i d 在p t/ c i n c h o n a 体系催化丙酮酸酷不对称氢化反应中，辛可尼定和奎宁作 修饰剂时产物的构型为( r ) 一 乳酸酷， 若用辛可宁和奎尼定作修饰剂则产物乳酸 乙 醋是 ( s ) 一 构型， 这说明 产物的 手性 诱导 作用主要由 修饰剂的c s 和c 9 两个手 性中 心 上的 环境所决定5 4 ， 而c 3 和c 。 手 性中 心 上的 手性环境 作用不是 很突出。 四川大学硕士学位论文 从文献看，所有的 c i n c h o n a生物碱都可以作为多相不对称催化氢化反应中 催化剂的手性修饰剂， 他们都有手性诱导作用， 】 ， h .u .b l a s e r 等 5 5 研究表明， c 9 上的经基醚化成甲氧基后作修饰剂时，在p t / c i n c h o n a 催化丙酮酸酩氢化反 应中的对映选择性不变，而经基被氢取代后， 产物的e .e .值就大大降低，所以 c ， 上的手性中 心对于丙酮酸酷的不对称催化氢化反应是个必要条件。 辛可尼 定( c i n c h o n i d i n e ) 是最常见和比较容易获得的， 所以 文献中用它作多相催化剂 的手性修饰剂较多。 以辛可尼定作修饰剂的多相催化剂研究得最多的是负载型p t 催化剂，而 且p t / 辛可尼定在丙酮酸酷多相不对称氢化时，产物的e .e . 值也最高。 y o r t i o 4 8 -4 9 等最先研究t c i n c h o n a 生 物碱修饰的5 % p v c , 5 % p t/ a l 2 0 3 催化剂催化丙酮酸醋不对称氢化，反应的转化率达到 9 0 %以上，对映选择性 也 达到 8 5 % 左右5 4 1 ， 他 们 对这 两 种催 化剂 的 制 备 条 件， 修饰剂 种 类， 修 饰 方 法， 反 应条 件和 反 应过 程中 的 添加 剂 等因 素 进 行了 较为 详细的 研究 4 8 -5 0 1 ， 发 现p t 催化剂在修饰之前， 于2 0 0 - 4 0 0 0 c 常压下用氢气彻底还原， 然后用。 i n c h o n a 生物碱在空气中修饰 2 4个小时，可得到较高的对映选择性 ( 7 8 . 2 %) e随后 h .u . b l a s e r . a . b a i k e r 等 5 5 -6 8 1 也对p t / c和p t/ a 1 2 0 3 进行了 研究，再次证明负 载p t 催化剂的制备方法、 催化剂制备所用的p t 盐类型、还原温度、 反应所用 溶剂都对反应速度和产物的光学活性有较大的影响， 也发现在丙酮酸酷不对称 氢化反应中，催化剂被c i n c h o n a生物碱修饰后它的活性升高 1 0 0多倍、对映 选择 性 可以 高 达9 5 % e .e . 16 8 1 ， 但该 体 系 也 和 酒 石 酸 修 饰的 镍催 化相 类 似， 这 种催化剂的制备及反应操作过程要求极为苛刻。 不同催化剂与处理方法， 生物 碱的加入程序， 反应体系压力， 温度， 溶剂的 变化以及搅拌情况的差异对催化 效果均有较大的影响， 甚至造成对映选择能力的完全丧失1 5 5 r . p .k . w e l l s 等 6 9 用m c m - 4 1 做载体， 负载p t 催化剂， c i n c h o n a 生物碱 修饰后不对称催化氢化丙酮酸酷可以 得到传统多相p t 催化剂相当的反应活性 和对映选择性。 p t 负载在y型、 z s m- 3 5 型等分子筛上， 在丙酮酸乙醋不对称 氢 化 中 有 较 高 的 活 性， 但 对 映 选 择 性 不 高， 最 高 能 得 到7 0 % e .e .值 0 1 e m .a .f r a g a 等 5 5 1将p t 负 载 在 活 性炭 上 不 对 称催 化 氢化 丙 酮 酸甲 酷， 仅得 到3 5 % e .e .值。 超声 波是刚 引 入多 相催 化反 应 研究中 的 一 种 技 术 11 1-7 5 1 , h .b o n n e m a n n 7 6 1 在p t 胶体半均相催化丙酮酸酷氢化中，使用超声波也可以得到7 6 - 7 8 %的e .e . 四川大学硕士学位论文 值。 m .b a t t o k 等 1 7 7 1 进一步 将超声 波技术 应用于p t / a 1 2 0 3 一 辛可 尼定体 系催化 丙酮酸乙酷不对称氢化中，使得反应的对映选择性达到历史上最好的水平 ( 9 7 % e e ) 。他们研究发现超声波在催化剂处理过程中，可以使 p t 金属颗粒直 径维持在 1 - 5 n m之间，从而使得催化剂的对映选择性提高。由 于看到了纳米 金属颗粒在这类多相不对称催化反应的应用前景，近几年来，在研究纳米 p t 催化剂及其负载型纳米催化剂方面的研究十分活跃。 近年来的研究表明， 纳米簇合物作为一类新型的催化剂， 有望将均相与多 相催化的优势结合起来，吸引了很多研究者的关注。纳米金属颗粒属介观相， 它具有与微观金属原子和宏观金属相所不同的电 子能态分布和性质， 作为新型 催化剂，它可以 得到用传统的催化剂制备方法所无法获得的具有独特结构一 反 应性能的新材料。 从宏观上， 纳米金属颗粒可以 均匀地分散于液相介质中， 是 一类典型的均相催化剂， 而从微观上， 纳米金属颗粒具有边、 角、 面， 是一类 典型的多相催化剂， 所以它是介于多相催化与均相催化之间的桥梁， 它的研究 具有重大的理论研究意义和良 好的应用前景。 在多相催化中，纳米技术的主要作用是将催化剂的金属颗粒直径固定在 1 - l 0 0 n m之间 ( 或者范围更窄一些) ， 从而可以改善催化剂的活性和选择性 7 8 -8 8 1 。 早在1 9 7 8 年，日 本学者4 1 1 就 较为 详细 地 研究了 聚乙 烯醇 保护的r h 纳 米簇形成的动力学及其催化环己烯加氢反应的性能。 纳米金属簇合物催化剂在多相不对称氢化反应的应用最早是 h . b o n n e m a n n 等1 7 5 1报道的用二氢辛可尼定( d h c d ) 作保护剂制备的1 . 5 - 3 .9 n m p t 纳米胶体催化剂。 此催化剂用在丙酮酸乙酷不对称氢化反应中， 所得产物的对 映选择性可达到 7 6 %