（物理化学专业论文）钌苯及其衍生物催化芳香酮的氢转移氢化.pdf

钌苯及其衍生物催化芳香酮的氢转移氢化摘要 摘要 尽管“金属苯”被理论推测和成功合成迄今已2 0 多年，也陆续有零散研究发 现它们具有一些独特的光、电性能，但由于采用其他合成方法的烦琐和高难度以 及所得金属苯化合物的稳定性问题，对其结构与性能关系的系统研究仍很少见报 道，而对其潜在应用研究则刚刚起步。厦门大学夏海平教授及其课题组最近成功 地合成了稳定的钌苯，该络合物为准八面体构型且含有两个单膦配体，与已发现 的通式为 r u c l 2 ( p p h 3 ) f i n - n ) 】( n _ n = 双齿氮配体) 的r u ( i i ) 催化剂在结构上具有相 似性，因此推测钉苯及其衍生物可能应用于某些催化性能研究。本论文主要考察 了钉苯体系催化氢转移氢化的性能，并从脯氨酸出发设计合成了一对新的手性三 齿氮配体，将其用于催化芳香酮的不对称转移氢化。主要研究内容和结果如下： 1 首次将钌苯体系应用于催化芳香酮氢转移氢化反应。研究了反应温度、时 间和碱添加量等对该体系催化性能的影响。发现在8 2 下，反应3 6h ，苯乙酮转 化率高达9 6 。接着考察了钌苯催化体系对不同苯基烷基酮底物p h c o r 的催化 性能，发现：随着烷基r 从乙基 丙基 异丁基 9 9 c o n v e r s i o n f i n a l l y , r u t h e n a b e n z e n e sw a sr e a c t e dw i t ha m p y 【2 - ( a m i n o m e t h y l ) p y r i d i n e t o f o r man e wc a t a l y t i cs y s t e m ，w h i c hw a sm u c hm o r er e a c t i v et h a nt h ea b o v er u t h e n a b e n z e n e ss y s t e m 2 ap a i ro fn e wc h i r a ln i t r o g e n - c o n t a i n i n gt r i d e n t a t el i g a n d sl ( ) - 1a n dl ( d ) - 2 ( 尺) a n d ( $ - n ( p y r i d i n - 2 - y l m e t h y l ) p y r r o l i d i n e 一2 - c a r b o x a m i d e 】d e r i v e d f r o ml p r o l i n eo rd p r o l i n ew e r e d e s i g n e da n ds y n t h e s i z e df r o ma ne a s yw a y , w h i c hh a v eb e e nc a r e f u l l yc h a r a c t e r i z e db yi r ，n m r , m s ，e aa n do p t i c a lr o t a t i o n a n dt h e n ，t h e yw e r er e a c t e dw i t hr u t h e n a b e n z e n er e s p e c t i v e l yt o p r e p a r eap a i ro fn o v e lc h i r a lr u t h e n a b e n z e n ec o m p l e x e s ，w h i c hw e r ec h a r a c t e r i z e db y ”pn m r ，c d s p e c t r aa n de l e c t r i cc o n d u c t i v i t y 3 t h en e wt r i d e n t a t el i g a n d sw e r er e a c t e dw i t hk i n d so fr u ，r h ，o ri rp r e c u r s o rc o m p l e x e si n s i t ut o g e n e r a t ed i f f e r e n tc a t a l y t i cs y s t e m s ，w h i c h w e r ee m p l o y e di n a s y m m e t r i ct r a n s f e r h y d r o g e n a t i o no fp r o c h i r a la r o m a t i ck e t o n e s a s ar e s u l t ，【i r h c l 2 ( c o d ) ：l ( l ) 1s y s t e mc o u l d e x h i b i tb e s ta c t i v i t y , w h i c hc o u l dr e d u c em o s ta r o m a t i ck e t o n e st oc o r r e s p o n d i n ga l c o h o l sw i t hh i 【g h y i e l d su pt oa b o u t9 0 b u to n l yl o wt om o d e r a t ep p s ( u pt 051 ) a d j u s t i n gt h ea m o u n t so ft h e b a s eo rt h ec h i r a l l i g a n d s h a dl i t t l ee f f e c to ni m p r o v i n ge n a n t i o s e l e c t i v i t y , e x c e p tt h e s u b s t r a t e t o - c a t a l y s tm o l a rr a t i ow a sl o w e r e d k e y w o r d s ：r u t h e n a b e n z e n e ；t r a n s f e rh y d r o g e n a t i o n ；t r i d e n t a t el i g a n dd e r i v e df r o mp r o l i n e 钌苯及其衍生物在芳香酮的催化氢转移氧化反应中的应用论文中有关化合物的缩写或简称 论文中有关化合物的缩写或简称 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ： 年月日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其他指定机构送交论文的纸质版和 电子版，有权将学位论文用于非营利目的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检 索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密 后适用本规定。 本学位论文属于 i 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) 作者签名： 导师签名： 日期：年月日 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 金属苯简介 1 8 2 5 年，f a r a d a y 发现了典型的芳香族化合物一苯【。1 8 6 5 年，k e k u l e 引入了 “芳香性，这一术语来描述这类化合物的结构、成键和独特性能【2 。】。其后，“芳香性 被大量运用于解释和预测芳香族化合物的分子结构、化学与物理性质等的研究， 逐渐发展成有机化学的奠基石之一。一个多世纪以来，芳香化学一直是最受关注 的研究领域之一。许多芳香族化合物，包括苯环上的一个c h 基团被等电子杂原子 ( n 、p 、a s 、o + 、s + ) 取代之后所生成苯的同系物，都被证实具有“芳香性”( 即兀电 子离域、高热力学稳定性、低化学反应性以及抗磁环电流等特性) 【4 1 。 “金属苯”( m e t a l l a b e n z e n e ) 是苯环上部分碳原子被过渡金属取代所形成的一系 列“金属杂环己三烯”化合物的总称。与传统的含杂原子芳香化合物( 例如吡啶、呋 喃、噻吩等) 不同的是，金属苯中过渡金属原子的p 轨道参与配体的。成键，过渡 金属的m ) 轨道参与配体的7 c 成键 主族元素由p ( 兀) 轨道参与兀成键】【5 8 1 。 19 7 9 年，理论化学家t h o r n 和h o f f m a n n 最先将h f i c k e l 规则运用到金属苯的 理论推测上，预言了如图1 1 中所示的三类金属杂环( 其中，l = 含孤对电子的中 性配体，x = 卤素) 应该存在着离域键并可能显示出一些芳香性。他们认为，六元 环上的4 个电子来自于五碳骨架上的p 轨道，另外2 个电子来自于金属饱和的如 轨道，因此，金属苯符合h i , i c k e l 的“芳香性定义9 1 。 t ri 广 + 上 上 m = m n ，r em = c o 。r h ，i rm = c o ，r h ，i r l = 中性配体，x = 卤素离子 图i - i 理论推测具芳香特性的三类金属苯 稳定的金属苯的合成和表征是金属苯化学研究的重要组成部分。自1 9 8 2 年， e l l i o t t 等通过硫羰基锇络合物与乙炔环化反应制得了首例稳定的“金属苯”以来，已 有o s 、i r 、r u 、f e 、m o 、n i 、p t 等多种过渡金属被用于构筑金属掣1 0 m 】。我校夏 海平教授及其课题组最近在稳定的金属( 钌、锇、铱) 苯的合成和表征方面进行了具 有国际先进水平的创新性研究，建立了一种简捷的、“一锅煮”合成金属苯的有效方 钌苯及其衍生物催化芳香酮的氢转移氢化 法【1 3 1 4 1 。其中合成钉苯的方法如图1 2 所示。 f p h 3 c l ，r u p p h 3 c i i 。 p p h 3 i p p h 3 、芦p h ， f p 黧p hp p i h 一3a r u c l 3 3 h 2 0 + 三三二j 罕三+ p p h 3 一 b m i n b f a c h 2 c 1 2i - 钌苯 r u c l 3 3 h 2 0 + 三三 o 乍h + p p h 3 一 一7 0 一1 图1 - 2 “一锅煮”法简便合成钌苯的两种途径 在固体状态下，钌苯非常稳定( 甚至在1 0 0 的空气氛中加热5 小时也不分解) ， 因此对其进行配体取代反应具有可操作性；钌苯具有准八面体构型且含有两个单 磷配体，与已发现的一系列具有通式 r u c l 2 ( p p h a ) 2 ( n - n ) ( n n = 双齿氮配体) 的r u ( i i ) 络合物的优秀催化剂非常相似【1 5 j7 1 ，可能将其应用于催化性能研究。为叙述简便， 本论文将图l 一2 所示的简单钉苯称为“钌苯”，任何以其为母体的取代产物均称为“钌 苯络合物”。 1 2 金属钌络合物在催化反应中的应用 贵金属在催化领域占有极其重要的地位，目前已有许多钯、铑催化剂都已经 得到工业化应用【1 8 】。钌催化剂由于与底物难于匹配，所以其发展滞后于钯和铑催 化剂。直到2 0 世纪8 0 年代，已经报道使用钌催化剂的合成方法仅限于氧化反应、 加氢反应、氢转移反应等少数几种。然而，由于钉的4 d 7 5 j 1 外层电子结构，具有 多变的氧化态，在每一种氧化态下又可能具有多种几何构型，这就为合成结构迥 异的钌络合物提供了基础。此外，可用于制备钉络合物的配体种类非常丰富，这 些配体大致可以分为以下五类：含氧类、羰基类、叔膦类、环戊二烯基类、芳香 烃类和二烯类【1 9 _ 2 0 1 。多样的配体与具有多种氧化态的钉配位，形成了各种键型的 金属有机钉络合物，例如，夹心型、半夹心型、卡宾、原子簇络合物等。钉络合 物一般具有高电子转移能力、高路易斯酸性、低氧化还原电位等特点。 近年来，钉催化剂由于其催化性能优异，价格便宜等优点发展很快，该领域 的研究已逐渐成为一个热点【2 。，日本的n o y o r i 教授因为在应用手性钌络合物进 行不对称催化氢化方面的杰出工作，美国加州理工学院的g r u b b s 教授由于成功地 开发了一系列钌卡宾络合催化剂并将它们应用于烯烃复分解反应中的贡献，而分 2 n 一 州一 b 一 一 l-； 寺一 第一章绪论 别与他人分享2 0 0 1 年和2 0 0 5 年诺贝尔化学奖。由此，钉催化剂的研究引起了国 内外研究者的广泛关注，其研究不仅限于一般的加氢和氧化反应，还广泛应用在 有机合成的各种反应中，并在特定的不对称加氢、环氧化、异构化、烯烃复分解 反应中都发挥着重要的作用。在合成反应中充分体现了其化学选择性、对映选择 性、高活性、高转化率、反应条件温和的特点。与此同时，实验室的成果也逐渐 转移到工业应用中，在精细化工、医药产业方面都已经有了许多成功的范例；而 且在一些药物中间体、天然产物等的合成中起着不可替代的作用。 1 2 1 催化氢化反应 许多均相和非均相的钌络合物都能催化不同反应底物的氢化，包括烯烃、醛 和酮。例如，r u h c i ( p p h 3 ) 3 是催化木端烯烃氢化活性最好的催化剂( 图1 3 ) t 2 2 1 。 心一坐坚虬一u h ，。b e n z e n e e t h n a n o l u 图1 - 3r u h c i ( p p h 3 ) 3 催化1 , 3 - 戊二烯氢化 此外，由于金属钌对杂原子化合物强烈的亲合作用，低价钌金属络合物是氢 化还原羰基化合物、羧酸、酯和硝基化合物的有效催化剂，并且具有很好的化学 选择性和对映选择性。1 9 9 5 年，n o y o r i 教授首次将r u b i n a p 络合物用于前手性 底物p 一羟基酮的不对称氢化( 图1 4 ) ，获得高达9 2 e e 的对映选择性。与手性铑 催化剂相比，r u b i n a p 催化剂在0 【，p 不饱和羧酸、酮、碳酸酯、内胺、烯丙基醇 的不对称氢化中都得到了很高的产率和e e 值，这标志这不对称氢化的重大进步。 如今，r u b i n a p 催化剂已经成功地应用于工业不对称合成消炎药萘普生、异喹啉 碱类劳单素等2 3 1 。 oo h 1 r u c l 2 ( r ) - b i n a p 三 八o h 瓦孬而石广入o h 图1 - 4r u b i n a p 催化1 3 羟基酮氢化 1 2 2 催化氢转移反应 氢转移反应是指通过一个有机氢源供氢来氢化有机底物的反应( 参见1 5 ) 。氢 源可以是伯醇、甲酸，也可以是分子本身的氢。由于低价钉络合物的低氧化还原 电势和对杂原子化合物的高的亲合性，能催化烯烃、仅，3 - 不饱和酮、醛、亚胺、 喹啉、卤素化合物的氢转移反应，转化成相应的醇。1 9 9 5 年，n o y o r i 等【2 4 1 将 钌苯及其衍生物催化芳香酮的氧转移氧化 r u t s d p e n t s d p e n = n 一( p t o l u e n e s u l f o n y l ) - 1 ，2 一d i p h e n y l e t h y l e n e - d i a m i n e 络合物 用于催化异丙醇中苯乙酮的不对称转移氢化反应，获得了高达9 7 巴最的对映选 择性，该催化体系对于其它多种底物的不对称转移氢化反应也均表现出优秀的对 映选择性。此j l - ，近期研究还表明( 表1 5 ) 【1 5 1 7 1 ，具有通式 r u c l 2 ( p ) 2 ( n n ) 】的r u ( i i ) 络合物作为苯乙酮的氢转移反应催化剂时均显示了良好的催化活性，而且该类型 络合物的催化活性还显著地受其立体结构的影响：例如，对于含有双齿氮配体 a m p y ( 邻氨甲基吡啶) 的络合物其顺式异构体2 和4 比相应的反式异构体1 和3 具有 更高的催化效率；而当双齿n - n 配体被三齿c n n 配体替代形成络合物5 和6 时， 其催化活性都有了较大幅度提高【l6 】。 表l - 5r u ( 1 1 ) 络合物催化苯乙酮的氢转移反应 1 2 3 催化氧化反应 通过氢转移氧化反应，伯醇能转变为酯，例如：钌氢络合物r u h 2 ( p p h 3 ) 4 可以 催化正丁醇氢转移得到丁酸丁酯，产率9 7 2 5 j ；也可以催化二醇类化合物的脱氢 ( 图1 6 ) ，合成内酯化合物并获得了极高的选择性一反应主要生成空i 日j 位阻小的内 酯【2 6 1 。此外，钌络合物还在催化烯烃的环氧化反应中展示了优异的催化性能。 o hh o r u h 2 ( p p h 3 ) 4 p h c h = c h c o c h 3 ，t o l u e n e ，2 0o c 0o 9 9 6 ：0 4 图1 6 钌络合物催化二醇类化合物的脱氢反应 4 第一章绪论 1 2 4 异构化反应中的应用 低价钌络合物对于d 丫- 不饱和含氧和含氮化合物的异构化反应是有效的催化 剂。r u c l 2 ( p p h 3 ) 3 催化二烯丙基醚得到烯丙基乙烯醚( 图1 7 ) ，再通过c l a i s e n 重排 z 。，1 0 y ，6 不饱和醛【2 7 1 。 1 人o a r e a r r a n g e m e n t r u c l 2 ( p p h 3 ) 3 2 0 0o c 图l - 7 钌络合物催化二烯丙基醚异构化反应 1 2 5 复分解反应 2 0 0 5 年的诺贝尔化学奖由3 位科学家分享：法国人y v e sc h a u v i n 、美国人 r o b e r th g r u b b s 与r i c h a r dr s c h r o c k 。瑞典皇家科学院称他们“发展了有机合成 中的复分解方法。烯烃复分解反应( o l e f i nm e t a t h e s i s ) 是由金属卡宾催化的不饱和 碳碳双键或者叁键之问的碳架重排反应，一般可以分为交叉复分解( c m ) 、开环复 分解聚合( r o m p ) 、非环二烯复分解聚合( a d m e p ) 、关环复分解( r c m ) 以及开环交 叉复分解( r o c m ) 5 种基本类型( 图1 8 ) 。复分解反应自从2 0 世纪5 0 年代发现以来， 在有机合成中发挥着重要的作用，一些化合物的合成通过复分解能大大化简步骤， 降低难度。 + 飞一尸2 + 一c m q j b q + 鼎2 r o m p r c m =a d m e p 图1 8 烯烃复分解反应的基本类型 5 r o c m 一 磊吐“ 钌苯及其衍生物催化芳香酮的氢转移氢化 g r u b b s 领导o o d , 组在此领域作出创造性的工作，先后合成了两代g r u b b s 催化 剂并成功将其应用在复分解反应中。这一系列的催化剂( 图1 - 9 ) 不但对空气稳定， 甚至在水、醇或酸的存在下，仍然可以保持催化活性【2 8 1 。 搿其h 搿一h c i c i ， 3 c l c i ， r o m r c m 三步复分解，合成了哌啶碱类化合物的例子【2 9 】。 9 h弋 能p _ s e 芎 图1 1 0g r u b b s 催化剂催化合成哌啶碱 g r u b b s 通过系统地对一代催化剂结构与性能关系进行研究，于1 9 9 9 年发展了 第二代g m b b s 催化剂( 如图1 9 的络合物5 所示) 【3 0 】。第二代g m b b s 催化剂不仅能催 化高应力的环烯烃，而且对于低应力的环烯烃以及空间位阻较大的多取代环烯烃 的r o m p 表现出高催化活性。在关环复分解反应中，特别适用于空间位阻较大的 6 第一章绪论 三、四取代烯烃。首次实现了通过交叉复分解反应合成三取代烯烃，并表现出很 好的选择性，这些都是第一代g r u b b s 催化剂所不能达到的。也是目前最好的c m 反应催化剂。除了具有第一代催化剂的优点以外，更重要的是其催化活性提高了 两个数量级，在r o m p 反应中，催化剂用量可以降低至百万分之一，在r c m 反应 中，催化剂用量也仅为万分之五，同时选择性更高，对底物的适应范围更广，因 此催化剂的使用成本也更低。如图1 1 1 所示，天然产物p t e r u l o n e 具有抗真菌活性， 它是由水杨醛经过多步反应制得。k a h n b e r g 等【3 l 】报道的全合成过程中，关键的关 环反应使用了第二代g r u b b s 催化剂。 亏竺篙警 1 1 1 第二代g r u b b s 催化剂在天然产物p t e r u l o n e 合成中的应用 两代g r u b b s 催化剂都成功得到工业应用。烯烃复分解反应已经成为有机合成 中合成烯烃以及通过烯烃合成其他结构的一种极为重要的手段，由于g r u b b s 催化 剂的诞生，使得过去许多合成化学家束手无策的复杂分子的合成变得轻而易举。 并且催化反应条件温和、能量消耗小、效率高、副产品少，其主要的副产品是乙 烯可以利用，又体现了节能环保的理念，堪称“绿色化学”的典范。 1 3 手性及不对称催化 在立体化学中，手i 生( c h i r a l i t y ) 是对分子与其对映体具有如同左右手的关系， 互为镜像但不能完全重合的形象描述。手性还是自然界的本质属性之一【3 2 1 ，已经 大大超越了仅仅局限于对分子的立体结构描述的范畴：构成地球上一切生物大分 子的基元材料，都具有特定的手性，例如蛋白质几乎都是由构型的0 c 氨基酸所 构成的；核酸、淀粉、纤维素等中的糖类单元则是d 构型糖，而核酸的螺旋构象 则几乎全为右旋。手性分子中的两种对映异构体俾) 和( 研异构体的物理化学性质 相似，但其生理活性存在显著差异。如l 薄荷醇有着薄荷脑独特的香味，而其对 映异构体d 薄荷醇则几乎没有香味；同样，在味精的主要成分谷氨酸钠中l 谷氨 酸钠具有鲜味而d 谷氨酸钠则没有鲜味，这是因为舌头上的受体是手性的，当与 7 钌苯及其衍生物催化芳香酮的氢转移氧化 添加剂的对映异构体发生手性识别形成相应的非对映异构体时，将导致不同的信 息传递至大脑从而产生不同的味觉。如果只用于香料和调味品方面，即使是掺有 本来不需要的对映异构体，缺点顶多是“味道淡”或“成本变高”，而远远不止于此的 则是该技术可用于关系到人类生存质量的医药领域。手性药物分子中的两种对映 异构体在人体内的药理活性、代谢过程及毒性存在显著的差异，甚至截然相反。 如2 0 世纪6 0 年代研制出的一种名为“反应停”( t h a l i d o m i d e ) 的手性药物( 图1 1 2 ) ， 其俾) 。异构体是妊娠妇女服用的镇静剂，但其( s ) 异构体却会引起胚胎的畸形发育。 在欧洲，直至一万两千例的“海豹型”婴儿出世之后，这种药物才被禁止使用。又如 手性药物q 心得安”( p r o p r a n o l 0 1 ) ，其( 回异构体是治疗心脏病的药，而似) 一异构体却 是一种避孕药。针对外消旋药物的潜在危险性，美国食品与医药管理局( f d a ) 在 1 9 9 2 年颁布新法案，严格限制外消旋药物的使用，规定新药上市要尽可能以单一 异构体形式销售，如以外消旋形式出售的必须严格研究其另一对映体的药理性质。 其他西方发达国家也陆续提出了类似的法案。因此，获得高对映纯度单一对映体 药物是非常重要的。当前，开发小剂量、高疗效、较少毒副作用、经济效益高的 手性药物已成为国际制药工业发展的必然趋势 s e d a t i v ele r a t o g e n t h a l i d o m i d e 图1 1 2 外消旋药“反应停”的一对对映体 迄今为止获得对映纯化合物的方法主要有如下几种【3 3 。5 】( 图l 一1 3 所示) ：( 1 ) 由 外消旋体出发，通过机械拆分( 自发拆分) 、非对映体拆分、化学动力学拆分和酶动 力学拆分等几种方法进行手性拆分；( 2 ) “c h i r a lp o o l ”方法，即从众多天然的手性化 合物( 如：天然的糖类、氨基酸、生物碱、萜类化合物等) 出发，通过化学方法合成 得到所需的目的对映纯化合物；( 3 ) 由潜( 前) 手性底物( p r o c h i r a ls u b s t r a t e ) 发，经 由生物催化或化学催化得到所需手性化合物；( 4 ) 用手性材料填充的手性色谱柱进 行拆分，其中制备型的h p l c 技术应用得较为成熟；( 5 ) 其他方法，如由偏振光诱 导合成手性化合物，称为绝对不对称合成。 第一章绪论 躺旋吖三 化学法 酶法 r 机械拆分、优先结晶分离( 播晶) 直接结晶l 结晶诱导外消旋体不对称转化 间接结晶 薯耋鬓棼非对映体的不对称转化 c 1 1 i r a lp o o l 化学修饰 手性源 r 化学计量型 潜手性底物不对称合成酶催化 非手性原料绝对不对称合成 l 金属络合物催化 l 催化型 非金属催化( 有机催化) 图1 1 3 获得对映纯化合物的途径 其中，不对称合成法具有明显的优越性，它开辟了从非手性物质人工合成手性 产物的新途径。原则上，不对称合成能从合适的起始原料直接合成人们所需要的 任何手性产物3 6 1 ，是一种效率高、经济而合理的合成方法。目前不对称合成作为 一种特殊的合成技术及环境友好过程倍受青睐。 实现不对称反应所必需的不对称因素有：圆偏振光( 采用圆偏振光或其他手 性物理力作为手性源的不对称合成，被称为绝对不对称合成【3 6 - 4 0 1 ) ；手性溶剂； 手性试剂；手性催化剂等。一个实用的不对称合成要求高选择性、高反应 速率、高产率、原子经济性、低成本、操作简单、环境友好以及低能柑4 1 1 。判别 一个不对称反应的优劣，一般有下列标准： ( 1 ) 以高光学选择性和高化学收率得到所需的对映体，通常认为高于5 0 e e 才具 有实用价值； ( 2 ) 手性产物应能够容易地与手性助剂( 即能起上述不对称因素作用的物质) 分离； ( 3 ) 所用手性助剂在通常情况下应在不降低其对映纯度的前提下能够容易地收回。 圆偏振光易得，也极易与反应产物分离，但迄今尚未能得到高e e 值的产物， 目前这种方法仅具理论研究价值，对于探讨生命过程中的手性起源具有某种特殊 意义。以溶剂作为手性助剂必须使用大量手性物质，在满足第二、三个条件上很 不理想，而且也仅在个别例子中可达到高e e 值。手性试剂目前在化学计量的不对 称反应中使用得最为普遍，也取得了许多很好的结果，但有些手性试剂是昂贵的， 它们以化学计量参与反应，或被消耗，或必须经过一定手续才能回收和重复使用， 因此实用性受到较大限制。 9 钌苯及其衍生物催化芳香酮的氯转移氢化 相比之下，手性催化剂是一种很吸引人的手性助剂，利用催化量的手性源就能 实现反应中的不对称催化，实现不对称增殖，一个高效率的手性催化剂分子可以 产生成百上千乃至上百万个手性产物分子，达到甚至超过酶催化的水平；这样既 避免了用一般的非手性合成所得外消旋体的繁琐拆分，不须受c h i r a lp o o l 本身的限 制来设计步骤繁多的修饰合成路线，又不必象化学计量不对称合成那样需要消耗 大量手性试剂，因此它是获得对映纯化合物最有效的合成途径之一。其特点是利 用大量相对廉价易得的潜( 前) 手性化合物，在手性催化剂所营造的手性微环境中经 过一步反应生成某一对映体相对过量的手性产物；在找到了合适的催化体系后， 底物的利用率高、光学收率高、对环境污染小、易于实现方法的工业化，其操作 步骤也较非对映异构体的结晶拆分和手性源方法简单得多。 基于不对称催化合成的诸多优点，其理论和方法已经引起世界各国科学家的关 注。传统的不对称催化采用有机溶剂，以均相催化的方式进行。均相催化剂与多 相催化剂相比有许多优点，例如，在均相催化剂中，所有中心金属原子在反应过 程中都能够参与构成活性中心，因而具有高活性、高选择性，使反应能够在温和 的条件下进行；催化剂具有确定均一的结构，制备重复性好；由于反应在液相中 进行，不存在扩散传质问题，同时传热也容易解决等。 然而，不对称催化合成也有其自身的弱点，当前不对称催化合成所面临的主要 问题是：( 1 ) 所需中心金属( 一般为第二、三过渡系稀贵金属) 和手性配体价格都比 较昂贵；( 2 ) 优秀的手性金属络合物催化剂的发现和筛选仍旧相当困难；( 3 ) 各催 化体系的催化条件摸索都需要大量人力、物力和时间。 1 4 手性配体 1 9 6 6 年，n o z a k 衍f 1 n o y o n 报道了将手性席夫碱铜络合物用于催化不对称环丙烷 化反应【4 2 】，尽管e e 值仅为6 ，但却是第一个手性金属络合物应用于催化均相不对 称反应的例子。1 9 6 8 年，k n o w l e s 和h o m e r 用手性膦铑催化剂实现了烯烃的不对称 催化氢化【4 3 删，获得了3 1 5 p 巴。1 9 7 1 年k a g a n 以手性双膦配体与r h 形成的络合 物催化脱氢氨基酸的氢化反应，使e e 值迅速提高至约8 0 ，这是不对称催化领域 的重大突破。几十年来，不对称催化发展迅猛。2 0 世纪八十年代中期，治疗帕金 森病的特效药l d o p a ( 图l 一1 4 ) 等的工业化生产取得了成功，充分说明不对称催化 反应具有广阔的应用前景。 l o 第一章绪论 c o o h c h o + 毒h 2 n h a e a 尹怍铁。一 毋 h h o 一 n h 2 一 图1 1 4m o n s a t o 公司的l d o p a 生产过程 a 尹m t 如今手性金属络合物催化剂已经可用于许多特效手性药物的不对称合成【4 5 】。 迄今为止，多巴、萘普生和薄荷醇等十几个不对称催化过程实现了工业化【4 6 】， 不对称催化在医药、农药、激素、香精、香料和食品工业等方面展现了广阔的应 用前景，它对于发展国民经济、提高人类健康水平、清洁化生产、保护生态环境 等具有重要科学意义。不对称催化合成的核心问题是如何设计与合成高对映选择 性和催化活性的手性催化剂。手性催化剂通常由手性配体和金属中心组成，与金 属配位的手性配体是手性催化剂产生不对称诱导和控制立体化学的根源。不对称 诱导效果较好的手性配体应能在催化活性中心周围构造一种特别的手性微环境， 以调整反应物分子的空间取向，形成特定的反应通道，控制反应进程，从而达到 高立体化学选择性的目的。优秀的手性配体除了与中心金属有恰当的配位作用外， 配体分子中的其它部位或官能团与反应底物分子之间的次级相互作用也很重要。 长期以来，手性配体的设计合成一直成为不对称催化研究的重要组成部分。在不 对称氢转移和氢化反应中，应用得比较多的是手性膦配体、手性氮配体和手性胺 膦配体。 1 4 1 手性膦配体 研究最早、应用最广泛的手性配体为手性单膦配体。1 9 6 4 年，w i l k i n s o n 报道 了金属络合物r h c l ( p p h 3 ) 3 是一种活性很高的催化剂。它在常温常压下可以使多种 烯烃发生催化氢化反应。然而，利用w i l k i n s o n 催化剂进行氢化反应，只能得到外 消旋的产物。1 9 6 8 年，k n o w l e s 和h o m e r 率先用手性膦配体1 代替w i l k i n s o n 催 化剂r h c i ( p p h 3 ) 3 中的三苯基膦，进行不对称催化反应，尽管其对映选择性很低( 3 1 5 ) ，但开创了手性膦配体在不对称催化中应用的先河。后来m o 耐s o n 【4 7 1 发现膦 钉苯及其衍生物催化芳香酮的氢转移氯化 配体4 中碳骨架上的手性也能有效进行手性传递，于是他以天然薄荷醇为原料合 成了第一个手性中心在碳原子上的叔膦配体n m d p p ( 4 ) 。从此，手性中心的研究 开始从磷转移到碳上。 ? 乡p 阿 h ，p r 1 ( h o m e ra n dk n o w l e s 1 9 6 8 ) x 。r p p h p h z 2 5 d i o p ( k a g a n ，1 9 7 1 ) 9 俾一r ) 一s p i r o p ( c h a n & j i a n g 19 9 7 ) 卧，竺 丁 乍h p h 2 p ， p 却 p p h 2 1 0 b i c p z h a n g ，1 9 9 7 3 c a 口 ( k n o w l e s ，19 6 8 ) d u p h o s ( b u r k ，1 9 9 1 ) o l c h 3 岫卓嗍：h 3 c o 火p p h 2 h 舯n j 印k o c h 3 l l p p h o s ( c h a r t ，2 0 0 0 ) 1 2 s d p ( z h o u , 2 0 0 3 ) 图1 1 5 典型的手性膦配体 由单膦配体制成的催化剂，在烯烃的不对称氢化反应中，大多数情况下反应 的对映选择性不高。人们认为可能是由于单膦配体与金属生成络合物的构型容易 改变而造成，因此丌始试图通过加固金属与膦的键合，增强所生成络合物的刚性。 1 9 7 1 年，k a g a n 等人以天然酒石酸为原料合成了l ，4 - - - 膦配体的d i o p ( 5 ) 4 引，以 r h d i o p 络合物为催化剂，在0 c 一乙酰胺基d 对羟基苯基丙烯酸的不对称氢化反应 中获得了8 0 e e ，在全世界引起了轰动，这也标志着手性双膦配体的诞生。从此 种类繁多的手性双膦配体相继出现。k n o w l e s 和n o y o r i 在d i o p 双膦配体获得成 功的启发下，分别设计合成了手性双膦d i p a m p 和b i n a p 配体4 9 。5 0 】，在不对称氢 化反应中获得了接近1 0 0 e e 。因此，基于其在不对称氢化领域取得的杰出成就， k n o w l e s 与n o y o r i 以及在不对称氧化领域做出卓越贡献的s h a r p l e s s 共同分享了 2 0 0 1 年度的诺贝尔化学奖。图1 1 5 为一些典型的手性膦配体【5 卜5 5 】。 1 2 ：一 m 嚣森罨 第一章绪论 1 3 3 手性含氮配体 直到上世纪7 0 8 0 年代，手性含氮配体的研究才受重视。近年来，这类配体 在不对称催化领域的研究日渐活跃。其主要原因是它们具有某些膦配体不可比拟 的优势【5 6 1 ： 1 、手性氮配体可以从天然手性池中，或作为廉价的工业生产中间体较容易地 获得对映纯原料。这是因为天然手性池中存在着许多含氮原子的手性化合物，例 如，奎宁、辛可宁、鹰爪豆碱、马钱子碱等。 2 、基于含氮配体合成上的简便性，使得配体可经过进一步化学修饰以显示独 特的物理化学性能。特别是可以改变与过渡金属的配位以制备x 型( 如胺或磺酰 胺) 、l 一型( 如胺) 或冗型( 如亚胺) 络合物。并且，含氮功能团可以作为强碱或者作为 强亲核试剂。一些以氮为配位原子的生物大分子( 例如卟啉) 的金属中心不仅可以是 钌、铑、钯等贵金属，还可以是前过渡金属例如锰、铁、钴、镍等【5 8 1 。 3 、与手性膦配体相比，手性含氮配体的原料或自身对空气稳定，并且毒性小。 由于上述独特的优越性，手性含氮配体己在不对称催化领域取得了许多有价 值的成果，因而其研究越来越受到催化工作者的重视。 1 3 3 1 手性双氮配体 1 9 9 3 年，l e m a i r e 等报道了c 2 对称性的手性二胺配体1 3 的合成【5 9 】。将其与 金属铑络合并用于催化a 酮酯的不对称转移氢化，获得了高达1 0 0 的转化率和 9 9 e e 。该配体在不对称烯丙基烷基化反应中同样表现出优异的反应性能，其转 化率和对映选择性分别高达9 0 和9 5 e e 。 n o y o r i 等【删从手性1 ，2 二苯基乙二胺出发，方便地制备了手性二胺配体1 4 。该 配体对于多种底物的不对称转移氢化反应均表现出优秀的手性催化效率。例如， 将其与简单金属钌自仃驱体络合，用于催化异丙醇中苯乙酮的不对称转移氢化反应， 获得了高达9 7 e e 的对映选择性。接下来，n o y o r i 又从手性环己二胺出发合成了 配体1 5 ，将其与金属钌络合，用于芳香酮的不对称转移氢化反应，也获得了很高 的转化率和对映选择性【6 1 1 。2 0 0 5 年，i s h i z u k a 等【6 2 峙艮道了具有刚性骨架结构的双氮 二胺配体1 6 的合成；然后将其与金属钌络合物 r u c l 2 ( p e y m e n e ) 2 组成催化体系并 用于催化芳香酮的不对称氢化反应，获得了高达9 9 的转化率和9 9 p e 。几个典 型的双氮配体如图1 1 6 ，i f i 示。 钌苯及其衍生物催化芳香酮的氢转移氢化 邺x 呲“：i ：r 咄 1 6 h 1 3 3 2 手性三氮配体 与手性双氮配体相比，关于手性三氮配体的文献报道相对较少。张绪穆等6 3 】 合成了手性三氮配体1 7 和1 8 ( 女n 图1 1 7 所示) ，在钉催化的苯乙酮不对称转移氢化 中分别获得了高达9 7 e e 和9 8 e e 的对映选择性。结构类似的三齿嗯唑啉配 体1 9 用于该类反应中，却仅仅给出中等的对映选择性( 2 2 7 3 e e ) 。 1 71 8l ， 图1 1 7 嗯唑啉类手性三氮配体 1 3 3 3 手性四氮配体 近年来，手性四氮配体的研究同渐活跃，并且在二烷基锌加成反应、烯丙基 烷基化等不对称催化反应中得到了很好的应用6 4 1 。然而关于手性四氮配体在不对 称氢转移氢化中应用的报道却不多。最近，厦门大学高景星教授课题组从手性环 己二胺出发合成了一系列手性四氮配体2 0 、2 l 和2 2 ( 图1 1 8 ) ，其中手性配体2 0 在铱催化的芳香酮不对称转移氢化中获得了9 1 e e 的对映选择性。而配体2 1 和 2 2 与x x 组成的催化体系催化活性和对映选择性均不耐6 5 击6 1 。 2 0 2 1 2 2 图1 1 8 手性四氮配体 1 3 4 手性胺膦配体 胺膦配体也可称为氨基膦配体，在目前研究的不对称催化反应中，是最重要 1 4 b ) 、，旷q疆)、，译 第一章绪论 而且被广泛应用的配体之一。这是因为在这类配体中，胺膦配体中较“软”的磷原 子能够稳定低氧化态的中心金属，而较“硬”的配位氮原子的给电子能力则赋予金 属中心一定的氧化特性，两者的有效结合可能有助于进一步稳定催化循环中形成 的中间体的氧化态及立体构型。迄今，越来越多的优秀手性胺膦配体( 图1 1 9 ) 被不 断开发出来，在h e c k 反应、d i e l s a l d e r 反应、烯烃不对称氢化及芳香酮的不对称 氢转移氢化等多种不对称催化反应中均表现出优异的不对称催化性能 6 7 - 7 8 ： 脚眠心啤回钭 的即k 的烈p p h 2 n 丫m e n 9 q 2 6 o p p h 2o p p h 2 2 9 p p h zp p h 2 3 0 q 莎毫2 h l 1 2 p - - b 一 图l - 1 9 部分优秀的胺膦配体 1 5 芳香酮的不对称催化氢化 由于本论文工作研究的催化氢化底物为芳香酮，产物为相应的芳香醇，以下 简要介绍这方面的研究概况： 手性仲醇是合成多种生理活性药物的重要中间体。通过芳香酮的不对称催化 氢化获得具有高对映纯度的仲醇，已经成为催化工作者感兴趣的研究课题【7 9 】。而 潜手性芳香酮的不对称催化氢化的反应产物手性芳香醇还是制备多种芳香胺醇类 手性药物的重要中间体。 在不对称催化氢化的研究领域，近年来，开发了一类不用氢气作氢源的不对 称催化氢化反应，称之为不对称氢转移氢化反应。不对称氢转移氢化反应是指在 催化剂作用下，活泼氢从氢给予体转移加成到氢接受体的不饱和官能团上。不对 称氢转移体系主要由底物、催化剂、氢源以及添加剂组成【8 0 】： 钌苯及其衍生物催化芳香酮的氧转移氧化 底物：酮、不饱和烯烃或不饱和羧酸等。 催化剂：包括中心金属和手性配体。前者一般为r u 、r h 、i r 等过渡金属：后 者常用的是手性胺、手性膦或手性胺膦配体等。 氢源：主要是有机物。包括不饱和烃，如环己烯；伯醇或仲醇，如异丙醇和 苯乙醇；甲酸及其盐类。其中异丙醇由于便宜易得、有适宜的沸点和溶解度而成 为经常使用的氢源。另外，甲酸的脱氢是不可逆的放热过程，提供反应中的能量， 是具有热平衡反应的较好选择。 添加剂：主要是氢氧化钾，氢氧化钠，三乙基胺等碱性物质。它的存在促使 催化活性体系的形成。 与不对称催化氢化相比，不对称氢转移催化氢化反应具有如下优点： ( 1 ) 不用氢气作氢源，因而避免了氢气的危险性。 ( 2 ) 在常压下进行，无需加压设备。 ( 3 ) 反应条件温和，操作方便。 1 5 本论文选题依据、研究目标和研究内容 前己述及，尽管金属苯被理论推测和成功合成迄今已2 0 多年，也陆续有零散 研究发现它们具有一些独特的光、电性能，但由于采用其他合成方法的烦琐和高难 度以及所得金属苯化合物的稳定性问题，对其结构与性能关系的系统研究仍很少见 报道。基于夏海平教授提供的简便方法，稳定的金属钉( 锇、铱) 苯已经可以在实验 室里进行常规量的合成，这无疑为系统地研究金属苯及其衍生物的性质以及潜在应 用奠定了基础。因此，本论文研究目标主要围绕钉苯的催化氢转移氢化性能和衍生 化钉苯络合物的配位立体化学展开。 之所以优先采用钉苯而暂时不用其它金属( 锇或铱) 苯为合成母体，主要基于以下 考虑：(