（物理化学专业论文）新型手性金属卟啉配合物的合成及其热力学性质研究.pdf

内容提要 厂 手性金属叶琳是近年来兴起的一类非常有效的不对称催化剂，也是生物功 一厂 能研究中一种重要的人工模型，手性叶琳的研究，日益引起了人们的广泛关注。 本文以l - ( + ) 一 酒石酸作为手性源， 合成了一类新型的手性金属叶琳配合物， 并初 步研究了这类手性叶琳配合物对某些咪哇类含氮配体进行轴配反应的热力学性 质;对于反应过程中出现的各类实验现象进行了探讨;比较全面的对化合物结 构和热力学性质之间的关系进行了 考查，并从理论上加以解释;对于应用于防 伪 技 术 的 发 光 材 料 也 进 行 了 初 步 的 研 究 。 产 文 的 研 究 工 作 主 要 包 括 有 以 下 几 个 方面: 1 .系统地总结了叶琳几十年来的研究状况、发展方向和应用前景，并着重介 绍 了 近几年来叶琳化学发展的新方向 一手性叶琳，及其在不对称催化领域 和手性分子识别领域内的研究和应用。 2 从廉价易得的手性源 l - 酒石酸为原料，经过多步合成，得到了一类具有手 性的新型锌叶琳配合物，对最终产物及其多种反应中间体用元素分析、核 磁共振、紫外光谱、比旋光等手段进行了表征。 3 初步研究了该类手性金属叶琳发生轴向配位反应的热力学性质。研究了三 种不同的含氮咪哇类配体: 咪哇、n 一 甲基咪哇、2 - 轻甲基一 1 一 甲基咪哇与手 性锌叶琳和四苯基锌叶琳的轴配反应，求得了不同温度下各个反应体系的 平衡常数，并由此求得了反应的标准摩尔焙变和标准摩尔嫡变，发现反应 都是放热、炳降低的过程。对各个不同的反应体系热力学性质的差异进行 了比较，对影响轴配反应热力学性质的因素，包括反应温度、叶琳和配体 的结构，进行了初步探讨。 4 .对四苯基叶琳、两种手性叶琳异构体以及三种咪哇类配体用分子力学的 mm 2 方法进行了构型优化，通过最优构象，得出手性叶琳的顺式异构体是 优势构象的结沦，和实验结果一致。并用半经验的量子化学a m1 方法对三 种配体进行了亲核性计算，解释了配位反应中咪哇类配体配位活性大小的 序列h o me - me l m me l m l m的现象。 5 总结了近年来用于防伪技术的发光材料研制和应用状况，并与天津戈德防 伪材料技术公司合作，合成了一类摩擦发光材料，摩擦可以发出红色荧光， 经过改进和发展，有望成为新一代防伪材料。 关键词: 叶琳 手性识别 一 一 _ 分子力学 mm2方法 to-p e a 陋 k a _ 量化计算 摩擦发光 a m1 方法 不对称催化 不对称合成 原子净电荷 分子静电势 abs tract c h ir a l m a t a ll o p o r p h y ri n i s a s e r i e s o f e ff e c t iv e a s y m m e t r ic c a t a ly s t s w h i c h h a s b e e n d e v e l o p e d in r e c e n t y e a r s , a n d i s a l s o a n i m p o rt a n t u n n a t u r a l b io l o g ic a l m o d e l i n t h e s t u d y o f l if e f u n c t i o n . t h e r e s e a r c h o f c h i r a l p o r p h y r in s , e x t e n s iv e ly i n t e r e s t s n u m e r o u s r e s e a r c h e r s . s t a r t e d w it h l - ( + ) - t a rt a r ic a c i d , a s e r i e s o f n o v e l c h i r a l m a t a ll o p o r p h y r i n is p r e p a r e d . a t h e r m o d y n a m i c s t u d y h a s b e e n p r e l i m i n a r i ly c a r r ie d o u t f o r t h e a x i a l c o o r d i n a t i o n r e a c t i o n b e t w e e n c h i r a l p o r p h y r i n a n d s o m e im i d a z o l e - l i k e l i g a n d s v a r io u s f a c t s in t h e r e a c t i o n s h a v e b e e n d i s c u s s e d . we h a v e a l s o e x p l o r e d t h e r e la t i o n s h ip b e t w e e n t h e s t r u c t u r e s o f t h e c h e m i c a ls a n d t h e i r t h e r m o d y n a m i c p r o p e rt i e s , a n d f u rt h e r m o r e , a n e x p l a n a t i o n in t h e o ry c h e m i s t ry h a s g iv e n . l u m i n o u s m a t e r i a l s a p p l i e d i n a n t i - f o r g e ry t e c h n o l o g y w e r e s t u d i e d p r e li m i n a r i ly a s w e l l . t h e m a i n it e m s in m y r e s e a r c h w o r k a r e a s f o l lo w s : 1 . s u m m a r i z e d s y s t e m a t i c a l ly t h e r e s e a r c h d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f p o r p h y r in s i n r e c e n t s e v e r a l d e c a d e s , a n d e m p h a t i c a l l y i n t h e i n t r o d u c t i o n f o r t h e n e w o b j e c t i o n i n t h e r e s e a r c h o f p o r p h y ri n s , t h e c h i r a l p o r p h y r i n , w h i c h p l a y a n i m p o rt a n t r o l e in t h e b o t h fi e l d s o f a s y m m e t r i c c a t a l y s i s a n d c h ir a l m o l e c u l a r r e c o g n it i o n 2 . b y m u lt i - s t e p s , a s e r ie s o f c h ir a l p o r p h y r in w a s p r e p a r e d , w h i c h c o o r d in a t e s z n ( i i ) , s t a r t i n g w it h t h e n o r m a l a n d c h e a p c h i r a l m a t e r i a l, l - ( + ) - t a rt a r i c a c i d . e l e m e n t s a n a ly s i s , n mr , u v - v i s a n d p o l a r i z a t i o n a n a l y s i s g a v e t h e c e rt i fi c a t i o n 3 . t h e r m o d y n a m i c p r o p e rt ie s o f a x i a l c o o r d in a t i o n r e a c t io n s o f t h e c h i r a l p o r p h y r i n s w i t h t h r e e d i ff e r e n t l ig a n d s , i n c lu d e s i m id a z o le , n - m e t h y l i m i d a z o le a n d 2 - h y d r o x y m e t h y l - l - m e t h y lim i d a z o l e h a v e b e e n s t u d ie d . t h e e q u i l ib r i u m c o n t a n t s w e r e o b t a i n e d i n d i ff e r e n t t e m p e r a t u r e , a n d fr o m w h i c h , m o l a r s t a n d a r d e n t h a l p i e s a n d m o l a r s t a n d a r d e n t r a p s w e r e a l s o o b t a i n e d . i t h a s b e e n f o u n d t h a t a l l t h e r e a c t io n s w e r e e x o t h e r m i c a n d r e d u c t iv e i n e n t r a p s . a l l t h e r e a c t i o n s y s t e m s w e r e c o m p a r e d , a n d s e v e r a l e ff e c t s , in c lu d e s t e m p r e t u r e , t h e s t r u c t u r e o f p o r p h y r in s a n d li g a n d s , w e r e d i s c u s s e d . 4 . wit h m o l e c u la r m e c h a n i c s m e t h o d , m m2 , c o n fi g u r a t i o n o p t i m iz a t i o n h a s b e e n c a r r i e d o u t o n t h e m o le c u l a r o f t p p , t w o i s o m e r s o f c h i r a l p o r p h y r in a n d t h r e e li g a n d s . t h e c o m p a ri s o n o f t h e b o t h p r e f e r e n c e c o n f o r m a t io n o f t w o p o r p h y r i n i s o m e r s s u g g e s t s t h a t t h e c o n f o r m a t i o n o f t h e t r a n s - i s o m e r i s t h e p ri o r o n e . t h i s r e s u lt i s in l i n e w i t h t h e f a c t i n m y e x p e r i m e n t . wi t h s e m i - e m p i r i c a l m e t h o d in q u a n t u m c h e m i s t ry , a mi , n u c le o p h i l ic a t io n o f t h r e e l ig a n d s w e r e c a lc u l a t e d , w h o s e r e s u l t s e x p l a i n e d t h e i r o r d e r i n r e a c t io n a c t iv it y : h o me - mc i m m e l m i m . 5 . s u m m a r iz e d t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f lu m i n o u s m a t e r i a l a p p l i e d i n a n t i - f o r g e ry t e c h n o l o g y . c o l l a b o r a t i n g w i t h t i a n j i n g u a r d a n t i - f o r g e ry t e c h n o l o g y c o m p a n y , s y n t h e s i z e d a k i n d o f f r ic t io n - lu m i n o u s m a rt ia l i n l a b o r a t o ry , w h i c h i s t o b e a n e w k in d o f a n t i - f o r g e ry m a t e r ie l w h e n im p r o v e d . k e y w o r d s : p o r p h y r i n me t a l lo p o r p h y r i n c h i r a l r e c o g n it i o n a x i a l c o o r d i n a t io n mo l e c u l a r m e c h a n i c s ( mmz ) mo l e c u l a r e l e c t r o s t a t i c p o t e n t ia l s e m i - e m p i r ic a l m e t h o d i n q u a n t u m c a l c u la t i o n , a mi a s y m m e t r i c c a t a l y s i s a s y m m e t r i c s y n t h e s i s a t o m s n e t c h a r g e s f r i c t i o n - l u mi n e s c e n c e 第一章前言 叶琳 ( p r o p h y ri n s ) 是在叶吩 ( p o r p h i n ) 环 r . 带有取代基的 一类化合物的 总称。叶吩是由四个毗咯环和四个次甲基桥联起来的大兀共! e 体系，分子结构 如图 1 - 1 所示。当叶吩外围的氢被各种其它基团取代时，就形成各种各样的衍 生物一 叶琳。叶琳与金属形成的配合物统称为金属叶琳 ( m e t a l l o p o r p h y r i n s )。 叶琳及金属叶琳广泛地存在于自 然界和生物体中， 如细胞色素( 如图1 - 2 ) , 血红素 ( 图1 - 3)、叶绿素 ( 图1 - 4 ) n 等都是金属叶琳配合物。 叶吩环上有 1 1 个共扼双键， 这个高度共骊的体系极易受到毗咯环及次甲基 的电子效应影响，从而表现为各不相同的电子光谱。如果在叶琳环上改变取代 基、调节四个氮原子的给电子能力、引入不同的中央金属离子，或者改变不同 亲核性的轴向配体，就会使金属叶琳具有不同的性质，因而也具有了不同的功 育 e a 长期以来，生物化学家和化学家们对金属叶琳配合物的研究倍加关注，主 要是因为这类配合物在动、植物体内具有极其重要的生物功能。广泛存在于自 然界的金属叶琳在生物体的生命过程中， 对诸如氧的传递 ( 血红蛋白h b )、 贮 存 ( 肌红蛋白m b)、活化 ( 细胞色素p 书0)、电子传递 ( 细胞色素 酶催化 ( 过氧化酶)和光合作用 叶绿素)等方面起着十分重要的作用 c ) 以外， 色素、 叶琳类化合物还可以用于光致敏化、痕量分析等。叶琳是血红素、 除此 细胞 叶绿素等生物大分子的核心部分，它在生物系统中的诸多功能己被人们 所认识， 并对其进行了各种生物功能模拟研究。 人们通过对叶琳配合物的研究， 试图了解这类化合物的生物功能、产生机理、作用条件到模拟各种反应、合成 类似化合物， 再将它们的特殊性质和功能应用于各个科技领域， 推动科学发展， 为此己经做了大量工作。至今为止，叶琳化学己经成为生物配位化学中的重要 组成部分。 随着手性化合物在医药、农药、生物技术、化学催化等许多领域内日益广 泛的应用，以及手性分离技术的发展，手性化合物和手性催化剂的研究也越来 越受到人们的重视，人们也开始进行手性叶琳配合物 的研究。生物体是 c o o 日 ho o c 图1 _ 1. 卜月 分的 幸 吉构 图卜2细 胞急素 cooh hooc 图1 一 3. rt 匕 玄 工素 % 9 /c o o c h 3 nn 图1 - 4叶 绿 索 具有手性特征的，用手性叶琳配合物进行生物大分子的模拟研究，更加接近于 生物体的真实功能，因而也具有突出重要的意义。 近年来，不对称催化领域的发展日新月异，三十年来取得了长足的进展。 研究发现，手性金属叶琳配合物是一种高性能的不对称催化剂，可以独特地催 化许多以非官能团化合物为底物的反应内型，例如烯烃的环氧化、烷烃的轻基 化、不饱和烃的氢化、不对称d i e l s - a l d e r 反应、 碳基加成反应和部分其他氧化- 还原反应等。手性金属叶琳作为一种不对称催化剂，有着极为深远的应用前景。 芬1 一 1 金属咔琳模拟生物功能研究 生物配位化学12 1是七十年代配位化学向生物科学渗透而形成的一门 边缘学 科，生物配位化学的发展和叶琳化学的发展密切相关。生物配位化学的研究一 般有两种方法，一种是应用配位化学理论和实验技术，研究生物体中配合物， 从而阐明金属离子和生物大分子形成配合物结构和功能的关系:另一种方法是 利用比 较简单的化学模型，来模拟结构上比较复杂的生命物质的活性中心及其 生物功能，从而揭示生物体的奥秘。近年来，许多化学家开始了与模拟生物现 象有关体系的研究工作，即 “ 模型研究”。叶琳类化合物正是进行这项研究中 一种非常好的常用分子模型。改变金属离子轴向配体及其周边取代基的立体构 型、电子效应、介质，金属叶琳就会具有不同的性质和功能。现己实现对以下 生 物 机 能 的 模 拟 3 1 , 1血红蛋白和肌红蛋白对氧分子的可逆结合模型 2 . 细胞色素p 4 5 0 及其过氧化h酶在温和条件下的催化氧化还原模型 3光合作用前期光能转移的化学系统模型 采用模拟的方法是生物配位化学研究的一个显著特点，一般有三种模拟方 法:第一种是用大小相近，配位类型相似的金属离子取代生物体系中的金属离 子， 而用作生物探针; 第二种方法是用一些简单的金属配合物作为生物原型的模 拟化合物:第三种是用化学方法再现生物体系的某些功能。无论是何种方法， 配位化学的理论仍然是其主要的理论基础4 1 对于天然叶琳模拟物的研究，最早是化学模拟天然氧载体的研究，因为这 项工作不仅有助于了解天然物的作用机理，而且为合成人造血代用品，寻找新 的氧化催化剂创造了条件，可以说这项工作在当时具有重大的理论意义和应用 价值。模拟天然氧载体h b 和mb 的活性中心一 f e ( 1 1 )叶琳配合物的工作至 今己 取得了 重大进展5 11 1 4 1 。 为造成类似于血红蛋白 和肌红蛋白的 血红素辅基的蛋 白质疏水环境，探索空间环境对血红素辅基的载氧性能的影响，人们己合成出 了多种具有特殊立体构型并能够可逆载氧的f e ( 11) 叶琳配合物， 如栅栏状叶 琳16 l帽型叶琳、 拖尾叶琳、 拖尾栅栏式叶琳、串带式叶琳、 带状叶琳、 王冠叶 琳h 1 等， 其中c o ll m a n 栅栏叶琳模型19 1 是目 前在室温条件下具有载氧性能最好的 模型。哺乳动物体内血液中约 7 0 %的铁元素与叶琳形成血红素，血红素与相应 的蛋白质结合成为血红蛋白，血红蛋白是生物体内载氧的生物化学单元，它含 有铁 ( 1 1 )口 卜 琳辅基，这一辅基中铁除与叶琳环上的四个氮配位，还与邻近的 组胺酸上的咪哇基配位， 剩下的一个位置则用来与o z 配位， 从而完成载氧的任 务。肌红蛋白也是含有亚铁叶琳辅基的物质，同样具有载氧功能。 为了模拟细胞色素 c，人们合成了一些金属叶琳的双核配合物，r e e d和 s c h e i d t己 用咪哇与铁外琳、锰叶琳分别合成了含咪哇桥的聚合物19 1 ，这些聚合 物虽然含有稳定的咪哇桥，但作为细胞色素c氧化酶的模拟物还受到一定的限 制，因为这些聚合物的金属离子在叶琳环境中并不能形成独立的双核单元。含 有咪哇取代基的铜席夫碱配合物与铁叶琳在碱性条件下反应，生成双核含咪哇 桥配合物己 有报道【 1 0 1 ， 但是，由于受产物的 低溶解性等因素的限制，使得对双 核金属叶琳、咪哇化合物亲核能力的考查遇到困难，并且，产物中铁的自 旋态 不是s = 5 / 2 ， 这 与生 物体 系中 细 胞 色素c 氧 化酶的 性 质 不符。c h a n g e u l建 立了 s = 5 / 2的铁叶琳与铜配合物的模拟体系，但体系中没有咪哇桥。 b r e w e r l 12 1 的工 作吸引我们开展这方面的研究。这个体系的血红素模拟化合物使用的是金属叶 琳类化合物，另一含顺磁中心的模拟物选择的是具有空间不对称结构的金属席 夫碱配合物，这种不对称是非常重要的，因为对不规则肤链的模拟研究需要的 是空间不对称金属席夫碱配合物，这种不对称性使得模拟体系从结构上更加接 近真实生物体系中的情况。 最初是由g r o v e s 1 3 1进行了金属叶琳模拟细胞色素p 4 5 0 氧化酶体系的工作， 至今这一模拟研究已做了很多工作。p 4 5 0 实际上是一类具有不同分子量、 不同 生物和免疫特征以及不同催化能力的血红素蛋白，能够将各种氧原子给予体的 氧转移至各种底物 ( 包括烷烃在内)的能力，可以参与许多代谢过程，催化许 多脂溶性物质进行氧化还原反应，增加它们的水溶性，从而加速肝脏和胆汁的 排泄，具有 “ 解毒”的功能。 光合作用是一种特殊和基本的生命现象，人1模拟光合作用，充分利用太 阳能，是儿个世纪以来人类梦寐以求的目标。经过近百年的研究，人们对光合 作用基本过程己有了比较深入的了解，金属叶琳可以作为光解水体系的光敏剂 己 得到证实 1 4 1在光合作用初级过程中关键性的步骤是电荷转移，即电子从激 发单线态转移到电子受体叶绿素上去。化学家们在此领域已经合成了一些有高 的光电转化率和电荷分离态寿命的模拟化合物， 这些化合物一般具有叶琳、 醒、 类胡萝卜 素三种组分， 至今这方面的研究仍十分活跃 1 5 _2 0 。 光敏催化剂和光合 作用模拟物的设计、合成及其性能的研究，是提高能量转换率，揭示光合作用 机理，利用太阳能的重要途径，也为新能源、新材料的研究和开发，开辟了广 阔的前景。 弓1 - 2 手性金属. 卜 琳的分子识别研究 分子手性在自 然界生命活动中起到了极为重要的作用，甚至可以认为人类 的生命本身就依赖于手性识别。 人们对l - 氨基酸和d - 酪类能够消化吸收， 但是 创门 的对映体就对人类没有营养价值，甚至有副作用，可见人类对营养物质的 吸收利用， 事实上可以说是人体机能的一种手性识别过程。5 0 年代中期，以消 旋体形式的沙利度胺 ( t h a l i d o m i d e ) 在欧洲批准上市， 是用作镇静剂以消除孕 妇早期反应，但是该药使用不久后悲剧发生了，服用此药的孕妇生出的胎儿出 现畸形。该事件在世界上引起了轩然大波， 后来的药理研究表明， ( r) 一 异构 体具有镇静作用，而 ( 5) 一 异构体则致畸。手性识别不仅在高、低等动物体中 存在，在植物体中也普遍存在。 作为生物体生命荃元分子的荃本组成结构。叶琳类化合物在完成其生物功 能的同时，即是对客体分子进行了手性识别，因而研究手性叶琳的分子识别就 更加接近于生命活动的真实过程，这项研究对于探究生命活动的奥秘也就具有 突出重要的意义。而手性叶琳作为一种十分有发展前景的新型不对称催化剂， 其分子识别研究将有助于人们了解催化剂的作用机理，从而设计出更加合理， 更加有效的手性催化剂，具有十分重要的理论意义和应用价值。近年来，随着 光学异构体制备拆分技术12 1 -2 4 1 ， 以 及手性色谱技术2 5 -2 6 1 的飞速发展， 手性叶琳的 这项研究发展很快，迅速成为叶琳化学的前沿课题之一。 分子识别原指生物体大分子之间的专一结合现象，它对于酶促反应、免疫 反应和蛋白质等许多生物化学过程具有十分重要的意义。配合物的分子识别是 指带有某种官能团并具有特定的空间构象的配体与有机分子或生物分子之间的 不同程度的专一结合现象，例如 b型和 z型 d n a的识别可以通过型和a型 邻菲 罗 琳金 属 配合 物的 选择 性 插 入而 实 现 。 氨基酸酷的手性识别一直是主客体化学的象征性研究对象。氨基酸是蛋白 质的基本成分，是自 然界生命体系的基元成分，研究叶琳对氨基酸的识别引起 了越来越多化学工作者的重视。氨基酸酷的拨基和氨基与叶琳主体活性中心之 间以轴向配位键、氢键等连接，或者是其他静电作用力，如库仑力、偶极一 偶极 相互作用力等等。 氨基酸分子。 一 碳上的基团也可以与主体分子之间通过v a n d e r wa a l s 作用力、 静电相互作用、 疏水作用、 空间排斥能等结合起来， 从而参与形 成一个新的识别点。典型的氨基酸脂识别机理可以 用下图1 - 5 2 7 表示: electrostatic interaction,v an der w aals interaction,-。 / c 0 2气 h ydrogen bonding,coulom bic interaction, h y d r o p h o b ic in te ra c tio n ,、 x d ip o le - d ip o le in t e r a c t io n , ste ric re p u lsio n ,、厂 一 了 c o o rd in a tio n in te r a c tio n , e t c i n h 2 r 声e t c 】 田 1 一 5勿 死 刁 口 级 百 旨n 1 子 白 匀 t 氏另9 布 几 美 眨 h q c h 3 0 尹 、 r= 、 了飞 ( t r a n s ) ( t r a n s ) 圈 1 - 6 t a d a s h i mi z n t a n i 用 门 户 氛 j 破 识 别 的锌 。 卜 琳 t a d a s h i m iz n t a n it i等人对锌叶 琳衍生 物与 氨基酸醋 这一体系做了 识 别研 究。首先他们选用图1 - 6 所示叶琳作为主体分子，其中主体2 是作为 1 的参照 来估计与h键有关的附加稳定化能。 对于芳香族的氨基酸醋，由于芳香堆积稳定作用的存在，它们与主体之间 的结合较脂肪族氨基酸酷为强，因其在氯仿中的溶解度较低， 故研究的体系非 常有限。他们的实验结果表明氨基酸酷中多余拨基的出 现并未引起配合常数数 量级的增加。 他们还研究了另外一种体系，是具有 c 2对称性的手性锌叶琳衍生物 ( 图 1 - 7 ) 与部分氨基酸酷2 9 1 的识别。 对于手性识别， 除了限制平动之外， 客体 相对 于主体的转动 ( 三维) 亦需限制。 象氨基酸酷那样具有内部运动自由度的分子， 内旋转的进一步限制是必须的，因此它的焙变将有效地诱导与客体分子内旋转 有关的焙变。在多点的手性识别中，叶琳刚性结构上的金属配合位置为一级识 别，它在主体的所有识别位置中，对于客体分子氨墓酸酣的键合是最强的，平 琳的刚性结构将使其上面官能团的构象柔性受到限制。对于叶琳与氨基酸醋的 手性识别，h键是推动力， 一级识别的大小相对而言不如手性识别来得重要， 因为对于手性识别，客体绕着z n - n轴的旋转是被限制的。 氏 刁t 州 h c 长以刀飞 z h 川日 aa 图 卜7其有 c 2 对称性的 . 卜 琳i r r 生物 芍1 - 3 手性金属水琳在不对称催化中的应用 过去的三十年，是金属有机化学和均相催化剂发展的黄金时代。 在这个研 究领域中最重要的突破，就是不对称催化剂的发明与应用。不对称催化发展过 程中 最重要的里程碑又当推由w. s . k n o w le s 3 0 1 等推出的 “ 孟山都左旋多巴工 艺”。此后，国际上掀起了一股不对称催化剂研制热潮，突破性的新发展及其 在工业上的实际应用也大量出现。比较引人注目的工业应用，除孟山都的左旋 多巴工艺外，还包括日 本高砂公司的左旋薄荷制造工艺、住友公司的除虫菊制 造工艺 、 高 砂和m a r c k 合作的 p - l a c t a m上艺， 以 及s h a r p l e s s 不对称环氧化反 应 等。 目 前， 某 些反 应类 型如 不 对称 环氧 化 13 1 )3 2 1 、 不 对称 氢 化 3 3 1 、 烷基 化 13 4 1轻 基化3 5 1氧化反应3 6 1拨基加成3 7 1和 mic h a e l 加成3 8 1 等反应中，己 有很好的 手 性催化剂，如下图 卜 8所示，这些催化剂了 f 很高的异构体选择j性，所得产物人 部分都有很理想的对映体过量百分率 ( % e e . )。 十h z ih( 1 0 0 % e .e . ) n h c och 3 p h i l - ( + ) 毛 贬t t ( op rv i ) , 、 o p h / 之 产 o o h ， 9 日 % ee c h , o 印%n n 日0 a) 11 一一 刁卜 t o l u e - p t c 夕丫丫渊 j p 卜 ( 洲%功 e ld , 9 4 9 (心启 j c. 户丫 50% f黔d um ep t. _ 留口1 , c 1 2 资 、 冗 - (95%yiew 丫* 即% e .e .) a省 田 l - 8. 具有 很 商 立 体 选 择 性 的 不 对 称 催 可 匕 反 应 但是这些反应物有个共同点，发生反应的中心碳原子附近 ( a位)都有一 个竣基、拨基或者轻基等官能团，反应时催化剂可以和官能团取代基配位从而 得到高的光学活性;但是对于非官能团化合物就比较困难了，因为从非官能团 取代基上很难形成立体异构的基团，催化剂和这类体系不能很好的配位，只能 依靠非键作用力来取得不对称效应，由于这些困难，非官能团化合物不对称催 化研究目 前尚不是很成熟， 在合成、选择性、稳定性和收率等方面都有待于改 进和提高。这类催化剂的研制 是一项富有挑战性，很有应用 前景的工作。 对于不对称催化非官能团 化合物，目前比较有效的催化 剂是一种s h i ff 碱类金属配合物 ( s a l e n ) 3 9 1 ， 结 构 如图1 - 9 所示 人r， . r户r ， . c h，r ,h r! . r i - r 2 - ft r3 二 e t r, - 曰 r, -r, = h r, - m b . 1 - 9 典 裂 的s a l e n类 手 忱 催 化 荆 这种催化剂有很强的对映异构体选择性，用n a o c i 作氧化剂时，环氧化链烯反 应的 对映异构体选择性很高，很多体系% e .e . 9 0 0 1 。使用这些催化剂最大的限 制是催化活性在氧化条件下逐渐减小， 一般催化剂的转换数( t u r n o v e r n u m b e r ) 小于4 0 ，实用价值不大，人们仍在寻找更好的催化剂。 近年来不对称催化非官能团化合物的另一种新型催化剂正逐渐成为研究的 热点，这就是一种具有手性的金属叶琳类配合物，此类催化剂最大的特点是具 有很高的转换数，大部分在 1 0 0 0以上，稳定性远远高于 s a l e n 类化合物，不足 之处是对映异构体选择性不是太理想。随着研究的深入和各种新的手性叶琳催 化剂的不断出现， 人们不断提高催化剂的e .e %和催化活性， 低的对映体选择性 也不再是应用的主要问题了。手性金属叶琳类配合物在不对称催化非官能团化 合物方面有着极为广阔的应用前景。 o c h ira l a u x ilia ry l a r g e gr o u ps crol l gr o u p a: pr e f e r r e d en a n t io f a c e b: di s f a v o r e d e n a n t io f a c e 图 1 一 】 0 手 tl . 卜 琳 的 立 体 选 择 性 诵 民 龙 图 手性叶琳催化剂的异构体择性主要还是手立体位阻的影响， 如图1 - 1 0 所示， 这是一个手性叶琳不对称催化烯烃环氧化反应的示意图。手性叶琳空间的不对 称性使反应底物只能从特定的方向接近催化剂的活性中心，完成转化过程，从 而使产物具有一定的立体构型。 手性叶琳催化剂近年来发展很快，在很多类型的反应中都有令人振奋的催 化效果。目 前，手性补琳在催化中的应用主要在以下几个方面: 1 . 烯烃的环氧化4 1 114 2 1 r c h e a l f b r o h y n n 环氧化合物在化工和制药方面有着广 泛的应用，非官能团烯烃的环氧化是手性 r 金属叶琳不对称催化应用最广的领域，在 这方面研究的也比较成熟，催化剂的选择性和转换数都比较理想，有% e x . 为 9 6 0/ 6 14 3 1 和转换数为 1 5 0 0 0 4 4 的文献报进。 2 烷烃的 狂 基化4 5 1 .八 101 own: .,chuel w，叉 _ ar r ar r 利用手性叶琳作为催化剂，可以把烷 烃氧化为有旋光活性的醇或酮。 在这类反应中，往往同时得到醇和酮 的混合物，产物还需经过分离，不同的反应体系和不同的催化剂，醇和酮的比 例 相 差很 大， 两者比 例 一 般 在1 0 : 1 以 下， 但也 有 2 0 : 1 的 报 道 4 6 14 7 1 3 . 环丙烷化 早 在1 9 8 6 年，d o y le 4 8 1研究 用 金 属 催 化 烯 烃的 环丙 烷化， 随 后 有人 开 始 合 成一些手性金属催化剂4 9 卜 5 1 1 ， 有些反应体系取得了 很高的 % e .e 值， 但是以 上所 有催化剂都只能给出非对映异构体的混合物，并且多数是反式结构。o ma ll e y . s .5 2 5 3 1等 人 用手 性叶 琳 作为 催 化剂， 使非 对映 异构 体 选择 性都 有了 很 大的 提 高， 对映异构体的选择性经过改进也有了提高。 4 - 硫氧 化反 应5 4 5 5 1 手性金属叶琳催化剂可以催化氧化 ， s - o 十o s 0 含 硫 化 合 物 ， 如 左 式 所 示 。 此 类 反 应 将 a r产 、 r c h r a l p ? a r / r a r/、 r 以很高的收率得到具有旋光活性的硫酞 和二硫酞的混合物，不同反应体系所得产物的比例不同，主要是硫酞化合物。 5 . 催化上的其他功能 在合成上，mi c h e l 加成是经常用到的一个反应，如果用手性叶琳作为催化 剂，将选择性地得到一定立体构型的产物，而且有很高的收率，催化剂的构型 不同， 所得产 物构型的比 例也刚 好相反 5 6 1 手性外琳还可以 催化氮丙健化5 7 1 反应，d i e l s - a ld e r 4 6 115 8 反应等。 从结构上看，手性金属叶琳可以分为以下三类: 1 .叶琳环上有2 个或4 个独立的手性取代基团， 形似 “ 栅栏” 状分布在叶 琳大环的周围，取代基之间互不牵连。 叶琳环对位上的取代基团之间互相连接，整个分子呈 “ 吊蓝”状。 叶琳环邻位上的取代基团相互连接，呈现出更加复杂的空间结构。 llm 这三类手性叶琳常见化合物的结构见图1 - 1 1 一图1 - 1 3 : 图 1 - 1 1 第 类 手 性 . 卜 琳 图 1 一 1 2第 二 二 类乎 性 . 卜 琳 0。 r- c ,.8 r o r , 丈) 于 气悉 w r0 r=a w - .蕊 - 图 1 一 】 3 第 i i i 类 . 卜 琳 的 结 构 以上三种手性叶琳的结构相差很大，导致催化性能也有比较大的差异。从 催化剂的稳定性和催化反应转换数上看.三类叶琳中，第 i 类叶琳有着最为严 整的结构，取代基与大环平面结合紧密，不易断裂或开环，有最高的稳定性， 其催化反应的转换数是最大的， 一般都在2 0 0 0以上，目前文献报道的最大转换 数为1 8 7 2 0 9 1 . 第i i 类和第i i i 类叶 琳环上很 松散的 覆盖 着手性取 代基， 取代基 团之间有很强的排斥力，容易开裂，催化剂的稳定性不高，在氧化剂中会逐渐 失活，转换数比第i 类叶琳也小得多，大部分为几百或者几十，甚至更少。 表 i一 】第 二 几 类 手 i 七 . 卜 琳 催 化 i 基 化 反 应 s u b s t r a te a l o h o l c o n fi g ne .e( %)y i e l d ( %)a l c o h o l / k e t o n e ( 0/ 9 ) e t h y l b e n z e n e 4 - m e t h o x y e t h y l b e n e n e 4 - p h e n y l p r o p a n e i n d a n t e t r a h y d r o n a o h t h a l e n e 2 - e t h y ln a p h t h a l e n e 4 - e t 衍i n a p h t h a l e n e r - ( + ) r - ( + ) r - ( + ) r - ( + ) r - ( + ) r - ( + ) r - ( + ) ma j o r e n a n t h o me r 7 0 ( 6 3 )4 0 ( 2 6 ) 4 0 ( 7 7 ) 2 . 3 ( 1 .3 ) 8 3 6 6 2 0 1 . 8 7 2 ( 5 8 ) 4 4 ( 1 6 ) 3 2 ( 9 8 ) 5 . 0 ( 1 .4 ) 7 7 ( 5 9 ) 5 4 ( 1 8 ) 7 2 ( 8 2 ) 7 . 2 ( 4 .5 ) 8 6 ( 5 6 ) 7 2 ( 1 2 ) 4 7 ( 4 6 ) 2 0 . 2 ( 1 . 3 ) 8 4 6 8 2 8 1 0 . 1 8 4 6 8 1 9 0 . 2 从催化反应的%e . e . 上看， 第i 类叶琳的% e . e 一般在7 0 %以下， 最大的也只 有8 5 % 0 0 1 ，第i i 类和第i i i 类叶琳% e .e 比 较高的也大多不会超出9 0 %， 三类催 化剂中， 第i i 类和第i i i 类叶琳由于有很强的位阻， 催化反应时对反应物有比较 强烈的选择性，比第i 类叶琳有更高的%e .e ， 例如用第二类催化剂 ( 图1 - 1 2 a) 催化经基化反应效果见表 1 - 1 14 5 1 ，文献报道这类催化剂最好的选择性是 9 6 % e e 4 3 ) 。 和目 前使用的一些官能团化合物手性催化剂相比 较， 总的来说， 这几 类叶琳催化剂的对映异构体选择性都不是太理想，有待于进一步提高。在合成 上，第 i 类叶琳是通过手性醛与毗咯反应得到，手性醛的制备路线十分冗长、 复杂，往往要经过多次手性分离，实现起来步骤较多、收率很低;第i i 类和第 i i i 类叶琳的合成一般是先制备四轻基苯或四苯胺取代的非手性叶琳，然后在环 上引入手性基团，实现起来就容易的多了。 手性叶琳特有的共辘大环结构使它比其他手性催化剂来说有着更大的稳定 性和更优越的催化效率，这类催化剂独特而有效的催化性能迎合了 大量的工业 需求，特别是可以直接地不对称催化非官能团化合物，这样可以使大量的化工 初级产品能够参与反应直接得到环氧化合物、环丙烷化合物、轻基化合物等目 标产物，从而简化工艺流程，使工业成本大大削减，手性叶琳催化剂具有非常 重大的应用价值。 手性叶琳在不对称催化上重要的 应用价值吸引了 越来越多的科学工作者， 有关此方面的研究文献和成果也与日 俱增。 但是到目 前为止，这项工作的研究 还不是很成熟， 仍然困难重重， 与官能团化合物的催化剂以 及s a l e m 催化剂相比， 手性叶琳在应用上的最突出问题是低的%e . e 值和目前在合成上的困难。大部分 催化剂的% e .e 在8 0 %以下，而且合成路线过长，制备起来费时费力，催化剂的 制作成本太大，