（物理化学专业论文）咪唑型离子液体在不对称催化及催化材料合成中的应用研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着绿色化学概念的提出，离子液体因其独特物化性质成为热门 研究课题之一。由于离子液体对无机、有机化合物的良好溶解性，特别是离子 液体具有一些不同于传统溶剂的物理化学性质，使其在有机合成和催化反应中 得到了广泛的应用和关注。 离子液体。有机溶剂双液相体系兼备均相催化与非均相催化的优势，无需设 计合成特殊的配体以实现催化剂的负载化，同时反应结束后只需要简单的萃取 分离即可将催化剂回收。本文采用离子液体有机溶剂双液相体系，以由手性双 胺及非手性单膦配体修饰的r u 配合物为催化剂，催化潜手性酮的不对称加氢反 应，同时考察了一系列反应条件对反应结果的影响。催化剂回收再次使用时， 转化率有所下降，但e e 值变化不大。为增大催化剂在离子液体中的溶解度，本 文首次尝试用咪唑环对上述催化剂进行修饰，得到了很好的分离效果。经 i c p a e s 测试有机溶剂相中r u 离子含量仅为0 0 5 7 p p m ，与未修饰前的催化剂相 比，流失量减少了9 0 。 本文还对双液相体系中手性n i 配合物对苯乙酮不对称加氢反应的催化活性 以及催化剂s d p e n r u 催化苯乙酮的不对称硼氢化反应活性进行了试探性研究， 得到了较好的结果。 随着新型离子液体不断涌现，离子液体的应用领域也不断拓展。离子液体 因具有低界面能易形成有序结构，因而可作为合成孔材料的新型模板剂。本文 以离子液体1 十六烷基3 一甲基咪唑氯盐为模板剂合成了纳米z r - s i 0 2 固体酸材 料，分别考察了晶化温度、晶化时间、碱源及杂原子锆等因素的影响。通过x r d 、 s e m 、u v - v i s 、n h 3 t p d 、吡啶吸附红外及氮气吸附等技术对合成材料进行表 征，结果表明：以该方法合成的纳米z r - s i 0 2 材料结构规整、比表面积大( 1 0 0 0 m 2 g ) 。z r 原子进入到z r - s i 0 2 分子筛骨架中，并且该材料具有强酸性，强酸性 位的量随锆含量增加而增多。 关键词：离子液体，双液相体系，手性r u 配合物，不对称加氢，z r - s i 0 2 材料 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y ，a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fg r e e nc h e m i s t r y , r o o mt e m p e r a t u r e i o n i cl i q u i d sh a v ea t t r a c t e dn o t i c e a b l ea t t e n t i o no w i n gt ot h e i ru n i q u ep r o p e r t i e s e s p e c i a l l y , r o o mt e m p e r a t u r ei o n i cl i q u i d sh a v eb e e nn o t i c e de x t e n s i v e l ya si m p o r t a n t s o l v e n t si nt h es y n t h e s i sa n dc a t a l y s i so w i n gt ot h e i re x c e l l e n ts o l v e n tp o w e rf o r m a n yo r g a n i ca n di n o r g a n i cs u b s t a n c e s t h eb i p h a s i ci o n i cl i q u i d o r g a n i cs y s t e mf o ra s y m m e t r i cc a t a l y s i sc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so fh o m o g e n e o u sa n dh e t e r o g e n e o u sc a t a l y s i s t h ec h i r a lc a t a l y s tc a nb e i m m o b i l i z e di ni o n i cl i q u i d sw i t h o u tp r e p a r i n ga n ys p e c i a ll i g a n d ，a n di tc o u l db e r e c y c l e dw i t hi o n i cl i q u i da f t e ras i m p l ee x t r a c t i o n i nt h ep r e s e n tr e s e a r c h ，t h ec h i r a l r u c o m p l e xc o n t a i n i n g a c h i r a l m o n o p h o s p h i n el i g a n d i s s y n t h e s i z e d a n d i m m o b i l i z e di ni m i d a z o l i u mi o n i cl i q u i d s t h er e s u l t i n gc a t a l y t i cs y s t e mi se v a l u a t e d i nt h ea s y m m e t r i ch y d r o g e n a t i o no fa c e t o p h e n o n e t h ee f f e c t so fv a r i o u sr e a c t i o n c o n d i t i o n so nt h ec a t a l y t i ca c t i v i t ya res t u d i e di nd e t a i l i nt h es e c o n dr u n ，t h e c a t a l y t i ca c t i v i t yw a sd e c r e a s e d ，b u tn oo b v i o u sd e c r e a s ei ne n a n t i o s e l e c t i v i t yw a s o b s e r v e d m o r e o v e r , t h ec h i r a lr uc o m p l e xm o d i f i e dw i t hi m i d a z o l i u mg r o u pi s f i r s t l yp r e p a r e dw i t ht h ea i mt oe n h a n c et h es o l u b i l i t yo fc h i r a lc a t a l y s ti ni o n i cl i q u i d t h er e s u l to fi c p a e ss h o w st h a tn oo b v i o u sr u l e a c h i n g ( 0 1p p m ) i sf o u n di nt h e i s o p r o p a n o ll a y e rs e p a r a t e df r o mt h ef i r s tr u ns y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h ec a t a l y t i cp e r f o r m a n c e so fc h i r a ln ic o m p l e xf o ra c e t o p h e n o n e h y d r o g e n a t i o na n dc a t a l y s ts d p e n r uf o ra c e t o p h e n o n eh y d r o b o r a t i o ni nb i p h a s i c s y s t e ma r ea l s os t u d i e d ，t h ea c c e p t a b l er e s u l t sa leo b t a i n e d m o r e o v e r , r o o mt e m p e r a t u r ei o n i cl i q u i d sc a nb eu s e da sn e wt e m p l a t e s ，o w i n g t ot h eo r d e r e ds t r u c t u r ei nl i q u i d ，e s p e c i a l l yw i t hb o t ha h y d r o p h i l i ci o n i ch e a da n da h y d r o p h o b i co r g a n i cc h a i n i nt h i sr e s e a r c h ，n a n o - p o r o u sz r - s i 0 2s o l i da c i dm a t e r i a l s a r ep r e p a r e db yu s i n gi o n i cl i q u i do f1 - h e x a d e c y l - - 3 m e t h y l i m i d a z o l i u mc h l o r i d ea s t h et e m p l a t e t h ee f f e c t so fc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，c r y s t a l l i z a t i o nt i m e ，a l k a l i s o u r c ea n dh e t e r o a t o mz i r c o n i u ma r es t u d i e d t h er e s u l t so fx r d ，n 2 s o r p t i o n ，s e m ， i i a b s t r a c t d ru v - v i s ，i rs p e c t r ao fp y r i d i n ea d s o r b e da n dn h 3 - t p ds h o wt h a tt h ep r e p a r e d m a t e r i a l sp o s s e s sh i g h l yo r d e r e ds t r u c t u r ew i t hl a r g es u r f a c ea r e ao fm o r et h a n l0 0 0 m 2 g t h eh e t e r o a t o mz i r c o n i u mh a sb e e ni n c o r p o r a t e di n t ot h ef r a m e w o r ko f z r - s i 0 2m a t e r i a l t h ep r e p a r e dz r - s i 0 2e x h i b i t st h ep r o p e r t yo fs t r o n ga c i da n dt h e a m o u n to fa c i ds i t e si n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s i n go fz i r c o n i u mc o n t e n t k e yw o r d s ：i o n i cl i q u i d ，b i p h a s i cs y s t e m ，c h i r a l r uc o m p l e x ，a s y m m e t r i c h y d r o g e n a t i o n ，z r - s i 0 2m a t e r i a l i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：密7 弓 堡! 羔翌昱- - - 一 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开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，是本人在导师指导下，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，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：宠范 溯年占月2 7 日 第一章前言 第一章前言弟一早刖i 第一节离子液体简介 1 1 1 离子液体研究背景 离子液体( i o n i cl i q u i d s ) 是指由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的、在 室温或室温附近温度下呈液态的盐类，也被称为室温熔融盐。它与常规的离子 化合物有很大的不同，常规的离子化合物只有在高温下才能变为液态，而离子 液体在室温附近很宽的温度范围内均为液态，有的离子液体凝固点可达一9 6 。c 。 早在1 9 1 4 年，人们就在无意中合成了第一个离子液体一一硝基乙铵盐 ( e t n h 3 n 0 3 】) ，其熔点为1 2 。c 【2 1 。1 9 4 8 年，h u r l e y 和w i e r 在利用乙基吡啶溴 盐三氯化铝对铝进行电镀的研究中，首次发现了氯铝酸盐型离子液体【3 1 ，不过 当时并未引起人们的关注。直到2 0 世纪7 0 年代，o s t e r y o u n g 等【4 】在开发高效储 能电池时，重新合成了- 烷基吡啶氯铝酸盐离子液体，并通过大量实验发现这 类离子液体是一种很好的电解液。此后有关离子液体的研究主要集中在氯铝酸 盐离子液体作为电解液的基础研究及应用，但是氯铝酸盐对水的敏感性成为该 类离子液体应用中无法避免的问题。 直到2 0 世纪9 0 年代，w i l k e s 5 j 等合成了第一个对水和空气都很稳定的咪唑 型离子液体1 乙基3 甲基咪唑四氟硼酸盐 e m i m b f 4 1 后，人们才对离子液体有 了深入的研究。之后，吡咯类、季铵盐类、季鳞盐类等一系列新型的离子液体 相继被开发并应用到化学反应中。 进入2 l 世纪，离子液体的研究进入了一个新的阶段，特别是随着绿色化学 概念的提出，离子液体成为热门研究课题之一。离子液体在室温或近室温状态 下呈液态，具有独特的物化性质，这使它能够代替传统的有机溶剂，进一步实 现反应过程的绿色化，从而成为一类富有重要应用前景的反应介质。近年来， 新型离子液体不断涌现，并且向着“功能化 研究方向发展，即可以根据某一 反应的应用需求，设计合成具有特定功能的离子液体。同时离子液体的应用领 域也不断扩大【6 ，7 j ，逐步从合成化学和催化反应扩展到过程工程、产品工程、功 第一章前言 能材料、资源环境以及生命科学等诸多领域，离子液体与超临界流体、电化学、 生物、纳米、信息等技术的结合，将进一步拓展离子液体的发展空问。 近年来，离子液体的研究报道同趋活跃。据统计，发表在国际学术期刊上 的有关离子液体的文章从1 0 年前的每年约l o 篇发展到现在每周2 0 多篇。2 0 0 3 年，世界上第一套基于离子液体的脱酸工艺技术在德国b a s f 实现大规模工业 应用；2 0 0 5 年，我国建立了离子液体的大规模制备装置；目前在英国、法国等 国家，离子液体应用的多项技术已进入了中试或工业化设计阶段。2 0 0 5 年6 月， 第一届离子液体国际会议在奥地利举行。离子液体研究已受到世界各国科学家 的高度重视，同时随着绿色化学的兴起，也给离子液体的有关研究提出了新的 问题与挑战。 1 1 2 离子液体的结构和分类 离子液体一般由含氮、磷的有机阳离子和无机阴离子( 如b f 4 - 、p f 6 - 等) 所组 成。目前常用的分类方法是根据有机阳离子母体的不同将离子液体主要分为四 类【8 】，分别是咪哗盐类、吡啶盐类、季铵盐类和季鳞盐类( 见表1 1 ) 。 表1 1 常见离子液体的刚离子和阴离子 t a b l e1 1t y p i c a lc a t i o n sa n da n i o n si ni o n i cl i q u i d s 2 第一章前言 其中，n , n - - - 烷基咪唑类离子液体由于具有良好的物理化学性质而得到了 广泛的研究与关注。季铵盐类离子液体( 通常熔点较高) 可商业获得，因此也经常 用于催化反应中。当然，离子液体的私，类已不仅限于这些，其它具备代表性的 离子液体还有胍类离子液体 9 , 1 0 】、锍盐离子液体【l l , 1 2 、两性离子液体1 孔、手性离 子液体9 1 、含氨基酸和d n a 的离子液体【4 1 等( 图示1 1 ) 。 x ：至兰他移h 砖- - 7 - - 。争扩s 毋 图示1 1 部分具有功能化基团的离子液体结构 s c h e m e1 1t h es t r u c t u r e so fs o m ef u n c t i o n a l i z e di o n i cl i q u i d s 1 1 3 离子液体的性质 与传统的液态物质相比，离子液体具有以下独特的物化性质f l5 1 ，从而使其 在分离过程、电化学、有机合成、聚合反应、新材料制备等方面有着十分广阔 的应用前景。 ( 1 ) 无有效蒸汽压：离子液体是一种盐，它们不会蒸发，因而不会污染空气， 是绿色化学介质的理想选择。反应产物可以通过简单蒸馏进行分离。 ( 2 ) 优异的溶解性：离子液体能溶解各种类型的有机化合物、有机金属化合 物、无机化合物以及聚合物。其对反应底物和催化剂良好的溶解性使得 相应的反应能够在较高的浓度条件下进行，而且气体在离子液体中的溶 解度通常大于在传统有机溶剂中的溶解度。 ( 3 ) 热稳定性好：离子液体呈液态的温度范围可宽达3 0 0 ，熔点甚至可以低 至一9 6 。与传统的有机溶剂和水相比，其动力学控制更加容易。 ( 4 ) 与许多有机溶剂不互溶：这种不互溶性使得它能被应用到一些两相体系， 这一性能在一些催化反应中的价值显得尤为突出，因为产物可以用有机 溶剂从离子液体中萃取出来，而残留在离子液体中的催化剂可以直接回 收循环使用。 ( 5 )良好的导电性：离子液体完全是由离子构成的，其离子电导率很高，因 3 第一章前言 而可替代传统的有机电解质溶液，应用于电解、电镀、电池、光电池等 领域。 ( 6 ) 结构可调变：离子液体的种类繁多，通过阴阳离子的设计可以调变离子 液体的物理化学性质，因而离子液体也是性质最易于调节的一种溶剂。 1 1 4 离子液体的应用研究 目前离子液体的应用研究领域主要涉及到电化学、萃取分离技术、化学反 应和材料合成等方面。 1 1 4 1 在电化学中的应用 离子液体最早是在人们寻找温和的电解环境时偶然发现的，由于离子液体 具有高热稳定性、不挥发、不易燃、离子电导率高、电化学窗口宽等特点，使 其在电化学中有很好的应用，作为电解液既可以起溶剂的作用又可以起电解质 的作用，因而在二次电池、光电池、双电层电容器、金属的电沉积以及电有机 合成等许多方面可得到应用。f u l l e r 等人【1 6 】研究了室温离子液体1 一乙基3 甲基 咪唑四氟硼酸盐中二茂铁、四硫富瓦烯的电氧化行为，结果表明，二茂铁和四 硫富瓦烯在 e m i m b f 4 】中可形成可逆程度很高的氧化还原对。 1 1 4 2 在分离中的应用 由于离子液体具备不挥发、无有效蒸汽压等优点，特别是通过改变阴阳离 子对其进行设计，便可改变其一些物化性质，如极性、溶解性等，因而离子液 体在分离技术中具有很好的应用。它可以用来从原料液中提取回收有用组分或 去除有害组分，以达到综合利用资源、消除污染的目的。传统的萃取溶剂均为 分子型溶剂，离子液体则为由阴离子和阳离子组成的液体，它可与水或有机溶 剂形成两相，根据溶质在两相中的不同分配系数达到萃取的目的。离子液体主 要应用在有机物如生物制品、芳烃的分离及油品的脱硫脱氮等过程中，也可用 于无机金属离子的萃取过程中【l 。由于离子液体的可设计性，可以使之适应不 同的体系，这一点对于分离过程是极其有利的。 1 1 4 3 在化学反应中的应用 离子液体的另一重要用途是用作化学反应中的介质，许多以前在有机溶剂 4 第一章前言 中进行的反应都已在这种新型溶剂中进行了尝试。已有一些工作报道了以离子 液体作反应溶剂得以改进的反应，包括提高产率、提高反应的区域选择性和对 映异构体选择性、或其它的一些实际因素( 如产物更加容易分离、产生较少的废 物或反应速度加快等) 。 作为绿色替代溶剂，离子液体具备独特的物理化学性质( 表1 2 ) ，它在烷基 化、氢化、酯化、聚合等反应中的广泛应用以及在化学反应中所展现出的清洁、 友好的独特魅力，使离子液体这一新的绿色溶剂替代技术成为发展清洁合成的 重要途径。 表1 2 离子液体的一些重要性质及其在化学反应中的作用 t a b l e1 2s o m ei m p o r t a n tp r o p e r t i e so fi o n i cl i q u i da n dt h e i rr o l ei nc h e m i c a lr e a c t i o n 性质作用 盐结构 对有机试剂和催化剂的溶解性好 气溶性强 与一些有机溶剂不互溶 可调性强 促进新的反应和选择性的改变 反应可以在高浓度条件下进行 可以加快气体参与反应的速度 催化剂可循环再利用；有效进行两相反应 反应溶剂可针对特定的应用向特殊设计 近年来离子液体在络合催化反应中的应用备受关注，作为过渡金属络合催 化反应的溶剂，从化学反应出发，希望它有以下特性： 1 能溶解金属络合物又保持它的离子特性； 2 溶剂化作用弱，与金属只形成弱而不稳定的金属一溶剂键。 在过渡金属络合催化反应中，通常阴离子对中心金属原子的反应性( 配位能 力) 起决定性作用，而阴离子的配位特性很大程度上取决于它自身的大小和电荷， 当然也与中心金属的( 酸) 硬度、氧化态及周围存在的配体有关。因此，离子液体 特别适合用作以离子型过渡金属配合物 l m 1 m + x 一为催化剂的均相络合催化反 应的溶剂。因离子型催化剂既能很好溶于离子液体又能保持自身的稳定。而对 于非离子型的过渡金属配合物催化剂，则可以通过设计或选择相应的配体，使 配合物催化剂能够溶于极性的离子液体。c h a u v i n 等【i 剐研究发现，中性配合物 r h ( c o ) 2 a c a c 虽在离子液体中有一定的溶解度，但在有机一离子液体两相体系中该 配合物在有机相中的流失量很大，研究者在体系中加入t p p t s ( - 三磺酸基三苯基 5 第一章前言 膦) 或t p p m s ( 单磺化的三苯基膦) 后则可减少中性r h 配合物催化剂从离子液体 中流失【1 9 1w a s s e r s c h e i d 等及f a v r e 【2 1 1 等证实，添加具有阳离子性能的配体可 提高配合物在离子液体中的溶解性和稳定性。此外，离子液体的阴离子在一定 程度上对催化中心的金属阳离子有配位作用，即阳离子型过渡金属配合物更容 易溶解在相应的离子液体中，进而有利于与反应物的充分接触，同时可减少催 化剂在回收使用时从离子液体中流失。总之，离子型过渡金属配合物在离子液 体中的溶解度好，同时也不会被萃取到含产物的有机相，从而达到既有较好的 反应速率又能通过液一液两相萃取有效分离催化剂的目的。 另外，有机化合物在离子液体中的溶解性也关系到催化反应的进行。目前 有研究表明离子液体的溶剂特性大致与偶极非质子溶剂如低碳醇相似【珏2 4 1 ，非 极性溶剂不溶于离子液体，极性溶剂( 如氯仿、乙腈、甲醇) 则能与离子液体 混溶，在极性较大的溶剂中，酯( 如乙酸乙酯) 在离子液体中的溶解性随离子 液体的本性而变化。 1 1 4 4 在材料合成中的应用 离子液体的特殊性质和结构使其在材料合成领域也得到了初步的应用研 究。目前离子液体在材料合成方面的研究主要集中在有机聚合物的合成、无机 纳米材料的制备以及天然高分子的加工等方面。 第二节离子液体在手性催化中的应用 1 2 1 手性催化简介 手性是指物质的一种不对称性，是自然界的基本属性之一。不论是宏观世 界的物质还是微观生物分子都普遍存在手性。人们对生物体手性分子的产生、 复制、再生这种自发生长的生命天然属性的认识和研究，有助于开辟人工合成 手性物质的新途径及探索生命的起源。 手性是指因碳原子连接的4 个原子或基团在空间排布上可以以两种形式形 成不同结构的对映体，互成镜像，彼此对称而不重合的一种现象1 2 引。如果一个 物体不能与其镜像重合，该物体就称为手性物体。例如，甘油醛可以以两种形 态存在，两者在同一平面内任意翻转均不能重合，二者互为镜像关系( 图示1 2 ) 。 6 第一章前言 互为对映体的两个手性分子常常具有不同的性质，它们可能有不同的气味与味 道，有些甚至表现出极其不同的生理活性。 c h o h 一o h c h 2 0 h c h o h o _ - 三h c h 2 0 h d 一( + ) 一g l y c e r a l d e h y d el 一( 一) 一g l y c e r a l d e h y d e 图示1 2 互为对映体的甘油醛分子 s c h e m e1 2t h ee n a l l t i o m e r so fg y l c e r a l d e h y d e 手性是自然界中最重要的属性之一，分子手性识别在生命活动中起着极为 重要的作用。生命物质如蛋白质、核酸、多糖( 如纤维素、淀粉等) 等都是手 性物质，并且其组成部分如氨基酸、核苷酸及单糖等也都是手性的，但它们在 生物体内几乎都是以单一的对映形态存在。具有生物活性的手性药物与其受体 部位都是以手性的方式相互作用。因此，手性药物的两个对映体有可能以不同 的方式参与作用并导致不同的效果。与此同时，生物体对手性药物不同对映异 构体的作用也是不同的，对映体在体内可能以不同的途径被吸收、活化或降解。 手性药物的两种对映体可能具有相同的药理活性，也可能表现出截然不同的药 理活性( 表1 3 ) 。上个世纪6 0 年代的沙利度胺事件就是一个惨痛的教t ) l l 2 6 2 7 】：外消 旋的沙利度胺( t h a l i d o m i d e ) 曾被用作抑制孕妇早期妊娠反应的镇静剂和止吐药； 不幸的是，服用过这种药物的孕妇产下了畸形婴儿。通过调查很快发现它是一 种极强烈的致畸剂，进一步研究表明其致畸性是由该药物的异构体所引起， 而僻) 异构体即使在高剂量时在动物中也不会引起畸变。 正是由于手性化合物不同对映体之间存在的这些差别，通过有效的途径获 得单一对映体的化合物在生命科学、药物化学、精细化工、材料化学等领域均 具有非常重要的意义。随着人们对光学纯手性药物的认识逐渐加深，特别是相 关的法规( 规定手性药物必须以单一对映体形式分别进行药理、毒理试验，而不 得以外消旋体的形式上市) 出台后，世界各国在手性药物合成上的财力物力投入 迅速增长，单一对映体药物的市场逐年扩大，其研究已成为目前国际新药研究 7 第一章前言 的新方向之一。 表1 3 手性药物不同对映异构体的生物效应 t a b l e1 3b i o l o g i c a le f f e c t so fd i f f e r e n te n a n t i o m e r si nc h i r a ld r u g s 到目前为止，合成光学纯手性化合物的主要方法包括：手性源合成法【2 引、 外消旋体拆分法【2 9 】、化学手性合成( 也称不对称合成) 法【3 0 ，3 。 手性源合成法【2 8 l 主要是以天然手性物质为合成原料制备手性化合物，天然 来源的手性物质，价廉易得，但因天然手性物质种类有限并且合成路线繁琐等 缺点，其应用受到限制。外消旋体拆分法是指在手性助剂的作用下将外消旋体 拆分成单一对映体化合物【2 引，但从制备的角度看，如果拆分外消旋体得到的产 物中只有一种光学对映体是有用的，合成产物的另外一半对映体将是一种浪费， 即使它可以被转化为有用的光学对映体，也需要再次投入大量财力人力。因此， 从产率和原子一经济的角度出发，就要求在合成路线中选择一个早期步骤来进行 不对称操作，最终通过简捷的合成方法得到需要的对映体。 化学手性合成法是一种在手性环境中把非手性原料转化为手性产物的方 法，也是目前最有效最通用的方法。根据所使用手性物质的不同，又可以将手 性合成分成三种：使用手性助剂、手性试剂和手性催化剂。其中使用手性催化 剂的手性催化是唯一具有手性放大作用的手性合成方法，仅使用少量的手性催 化剂就可获得大量的手性产物，是最符合原子经济观点的手性化合物生产技术。 手性催化【3 2 】是指在手性催化剂的作用下，通过潜手性底物的各种不对称转 8 第一章前言 换反应得到光学活性化合物。通常，设计合成的手性催化剂由过渡金属、手性 配体、非手性配体和或配基组成，其中手性配体是手性诱导的来源。在手性催 化合成中，只需极少量的手性催化剂( 烯丙醇的手性催化合成需要催化剂仅为底 物的0 0 2 m 0 1 3 3 1 ) 就可以合成大量特定的光学活性产物，既避免了用一般合成 方法得到外消旋体拆分的繁琐，又不像化学计量不对称合成那样需要大量的手 性物质。手性催化因其高选择性、原子经济性、低成本、环境友好等特点引起 科学家们的广泛关注。 早期的手性催化研究集中在二十世纪六十年代。n o z a k i 教授等人研究发现 了第一个利用结构确定的手性过渡金属配合物进行的不对称催化反应【3 4 , 3 5 j ：当 l m 0 1 的c u ( i i ) 手性s c h i f f 碱配合物作为催化剂应用于苯乙烯和重氮基乙酸酯 的反应时，得到了顺式环丙烷羧酸酯 对映体过量( e n a n t i o m e r i ce x c e s s ，e e ) 值为 1 0 】和反式环丙烷羧酸酯( e e 值为6 ) 。w i k i n s o n 小组采用r h c i p ( c 6 h 5 ) 3 b 为催化剂在比较温和的条件下催化氢化烯烃化合物【3 6 1 ，得到了极高的活性。1 9 6 8 年，k n o w l e s ”】和h o m e r 3 8 】首次独立报道了利用单齿三甲基膦铑化合物均相不 对称催化烯烃加氢反应，对映选择性为3 5 。随后，k a g a n 等【3 9 】在这个领域又 取得了重大突破，他们从酒石酸出发设计合成了c 2 对称的手性双膦配体( d i o p ) ， 利用该配体与r h 配合作为催化剂不对称催化氢化脱氢氨基酸，产生的苯丙氨酸 e e 值高达8 0 左右。这一研究成果证明了含有手性碳与手性膦配体一样具有不 对称诱导作用，为手性配体开发提供了更多的途径，同时也标志着手性催化领 域的研究又获突破性进展。这些早期的不对称催化研究成果极大地促进了此后 广大科研工作者对该领域的深入研究。从此，不对称催化逐步发展起来，时至 今日，该领域已成为有机合成中的热门研究课题之一。 手性催化历经几十年的研究后，人们不仅对一些催化体系的反应机理进行 了比较深入的研究，而且已经成功开发了千余种有效的膦配体( 如图示1 3 所 示) ，并且一些通过手性催化合成手性化合物的反应已经成功工业化，其中第一 个成功的例子是m o n s a n t o 公司的抗帕金森病特效药三多巴的生产。该生产流程 由k n o w l e s 等于2 0 世纪7 0 年代中期开发成功，其合成过程中的关键步骤采用 了r h d i p a m p 作为手性催化剂催化氢化潜手性烯酰胺l 4 0 】。目前，手性催化已经 在加氢、环氧化、羟醛缩合、烯烃异构化、氢氰化、氢硅烷化、双烯加成、烯 丙基烷基化等几十种反应中取得了成功。 9 第一。章前言 r 卜民 x p p h 2 p p h 2 吖p p h 2 s s - c h i r a l p h o s p p h 2 n o r p h o s o m e m e 0 p p h 2 m e o p p h 2 图示1 3 部分膦配体的结构 s c h e m e1 3t h es t r u c t u r e so f p h o s p h i n el i g a n d s p p h 2 o m e p - p h o s p a r 2 p a r 2 手性催化可分为均相手性催化和非均相手性催化两大类。均相手性催化在 过去的几十年里取得了巨大的研究进展，它利用手性配体与会属相互作用形成 可溶于反应体系的金属配合物和配位不饱和的中间体，即不对称催化的活性中 心。均相手性催化往往具有高催化活性、高选择性、反应体系条件温和等特点。 但随着对手性催化研究的进一步深入，人们逐步发现均相催化剂与产品的分离 问题是阻碍手性催化向前发展的重要因素，尤其是含有贵金属的催化剂无法有 效回收利用，在某种程度上也提高了成本，这都给大规模工业生产带来很大的 困难。而伴随着“环境友好化学”等绿色环保概念的提出，非均相手性催化剂 以其易分离、可回收、可循环使用等优势受到科研工作者和工业生产者的青睐， 被誉为“环境友好催化剂”【4 。 在已有的非均相催化研究报道中提到了多种非均相催化剂的制备方法，其中 绝大多数是通过各种物理或化学方法将均相催化剂与固体载体相结合制备出固 相化的手性催化剂。不过大多数非均相手性催化剂催化反应的时间要明显长于 相应的均相催化，并且部分均相手性催化剂固相化后活性中心的催化能力会有 所降低，这可能是因为催化剂固载后活性位和底物之间不能及时充分的接触， 即存在一定程度的传质问题，另外固载过程有可能影响活性中心的手性诱导能 力，从而导致催化活性及对映选择性较均相催化剂有一定的降低。此外一些非 1 0 第一章前言 均相催化剂的制备过程较为复杂，在多步固载的过程中传统的均相催化剂在反 应条件下容易发生变化，进而影响催化剂的活性。因此，寻求一种更为简便可 行的制备方法，既能避免催化剂的流失，又不影响传统催化剂的催化活性，成 为催化领域的热门研究课题。 近年来随着绿色化学概念的提出，离子液体作为一种新型绿色反应介质【4 2 】 受到了越来越多的关注。离子液体一有机溶剂双液相体系在手性催化反应中的成 功应用，兼顾了均相催化体系和非均相催化体系的优点。目前，离子液体一有机 溶剂双液相体系作为反应介质已经有了一些成功的应用【4 3 舯】。特别是离子液体在 分离过程中显示出的优势，使该体系成为贵会属催化剂回收的一种新途径。 1 2 2离子液体在手性催化反应中的应用 离子液体本身具有绿色溶剂的特性并且对多数会属有机络合物有较好的溶 解性，因而在以过渡金属配合物为催化剂的手性催化领域得到了广泛的应用。 自2 0 世纪9 0 年代中期以来，该领域的研究迅速升温，相关研究论文和专利数 量猛增。其中有文献报道，体系中离子液体的引入会改变反应机理，导致新的 催化活性，从而有利于转化率和立体选择性的提高。目前，离子液体在不对称 氢化【1 8 4 5 - 5 1 1 、环氧化【5 2 】、环丙烷化【5 3 】、氟化【5 4 1 以及硅腈化嗣等反应中已有成功 应用。 1 2 2 1离子液体在不对称加氢反应中的应用 不对称加氢反应是有机合成中的一类重要反应，是在金属有机络合物催化 的不对称合成反应中研究最早、成果最突出的领域之一，也是制备各种光学纯 化合物最有效最方便的方法之一，在医药、农药、信息素、香料、食品添加剂 等旋光活性的精细化工产品及其中间体的合成中具有重要的意义。据统计在已 工业化的不对称反应应用实例中，不对称加氢反应约占到7 0 。 有研究表明，多数不对称加氢催化剂及一些有机反应分子可以较好的溶解 在离子液体中，并且平衡条件下氢气在离子液体中有较好的溶解性，更重要的 是氢分子可以很快的由气相扩散到离子液体相【56 。因此，离子液体有机溶剂双 液相体系对不对称加氢反应有着很好的应用前景，可以应用到很多加氢反应当 中，催化剂通过简单的相分离即可进行回收和循环使用。 1 9 9 5 年，c h a u v i n 等【1 8 】首次将离子液体用于碳碳双键的不对称加氢发应： 1 1 第一章前言 在异丙醇一离子液体 e m i m s b f 6 两相体系中，以 r h ( c o d ) ( 一) - d i o p p f 6 】 ( d i o p = 4 ，5 一- - ( - - 苯基膦甲基) 一2 ，2 二甲基1 ，3 二氧戊烷4 ，5 一二醇) 为催化剂，成功 实现了a 乙酰氨基肉桂酸的氢化，得到( 研苯基丙氨酸，反应结束后，产物从异 丙醇中获得，而且含有催化剂的离子液体溶液可以循环使用。虽然获得的对映 选择性不高，但开辟了不对称催化在离子液体中有效进行的新方法。 m o n t e i r o 等【4 5 】以r u b i n a p 为催化剂，在异丙醇离子液体 b m i m b f 4 】双液 相体系中催化2 苯基丙烯酸的不对称氢化，得到的对映选择性为6 9 ，同样地， 产物从异丙醇中获得，而且催化剂可以重复使用3 次。 离子液体在不对称催化中的应用，除了催化剂可以连同离子液体一起回收 之外，离子液体也有稳定金属络合物的作用。l e e 4 6 】在r h 配合物上引入咪唑环 对其修饰( 图示1 4 ) ，增大了铑配合物在离子液体 b m i m s b f 6 】中的溶解度，同时， 经咪唑环修饰后催化剂1 克服了先前在潮湿空气中极不稳定的缺陷，可以长期 稳定存在，将其用于苯丙烯酰胺的不对称加氢反应中，得到了较高的转化率和 对映选择性，经i c p a e s 表征未检测到异丙醇相的r h 离子( 9 9 降至3 2 。 1 3 第一章前言 由瓮，： o h h o 占，o h o 楠 o h 2 o 3 图示1 5 催化剂2 、3 和离子液体d m p i i m 的结构 s c h e m e1 5t h es t r u c t u r e so f c a t a l y s t s2 ，3a n di o n i cl i q u i dd m p i i m 为了增大催化剂在离子液体中的溶解性，t i l m a n n 等f 5 0 】在手性催化剂上引入 了离子液体结构( 图示1 6 ) ，并将所得到的催化剂4 和5 应用到苯乙酮的不对称 氢转移反应中，得到了较高的反应转化率和对映选择性( 4 ：转化率9 5 ，对映 选择性2 7 ；5 ：转化率8 0 ，对映选择性9 8 ) ，但催化剂回收使用时转化率 和对映选择性均有明显下降，催化剂4 第二次使用时转化率便降至1 5 ，催化 剂5 循环使用四次后转化率仅为2 l 。 争m 矿e 昨4 c 一孑u n h 沙 c i 、 h o ”i p h 争m 矿o 紫 c i 、歹u 甲 沙 心n 丫嘶p h 图示1 6 催化剂4 、5 的结构 s c h e m e1 6t h es t r u c t u r e so fc a t a l y s t s4a n d5 w a n g 等人1 也有类似的研究报道，他们用苯磺酸钠基团修饰钉配合物，其 中膦配体为非手性单膦配体三苯基膦三间磺酸钠盐，以该配合物6 催化潜手性 芳香酮的不对称加氢反应，在离子液体 r m i m t s ( 1 圈示1 7 ，t s ：对苯磺酸基) 水 双液相体系中，得到了较高的转化率和对映选择性，同时研究表明双液相体系 1 4 第一章前言 中离子液体与水的体积比对反应的对映选择性影响较大( e e 值处于3 5 8 0 ) 。 6 融r 【 = 9 7 成都丽凯公司 三( 三苯基膦) 二二氯化钌1 0 5 ( r u )陕两开达化工有限责任公司 二( 三苯基膦) - - 溴化镍7 9 ( n i )上海速博化学科技有限公司 苯乙酮a r 9 9 o 天津市科密欧化学试剂开发中心 四氟硼酸钠 六氟磷酸钾 c p 9 9 上海精化科技研究所 上海嘉辰化工有限公司 氢氧化钾 a r ，8 2 0 天津市凯通化学试剂有限公司 硼氢化钠 a r ，9 9 5 天津市江天化工技术有限公司 第二章主要实验试剂和分析仪器简介 第二节主要分析仪器与工作条件 2 2 1 傅立叶变换红外光谱( f o u r i e r - t r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o m e t r y , f t - i r ) 本论文的红外谱图由b r u k e rv e c t o r 2 2 型傅立叶变换红外光谱仪测得，使用 k b r 填充压片，扫描范围为4 0 0 c m j 4 0 0 0 c m - 1 。吡啶吸附红外：仪器：b r u k e r v e c t o r 2 2 ，样品需在高真空下，高温预处理1 5 h 。 2 2 2 核磁共振( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ，n m r ) 文中样品的核磁共振谱图在v a r i a nm e r c u r yv x