（材料学专业论文）聚合物支载金鸡纳生物碱催化剂的合成研究.pdf

郑翔大学2 0 | d 6 届硕士学位毕监论文 摘要 本文通过对金鸡纳生物碱辛可尼定进行修饰，对不同条件下聚合物支载辛 可尼定衍生物的合成进行了研究；另外第一次采用可逆加成。断裂链转移( r a f t ) 活性自由基聚合方法合成了辛可尼定均聚物及其同肛异丙基丙稀酰胺的嵌段共 聚物。同时还合成了用于a 一氨基酸合成的底物萨二苯甲酮甘氨酸特丁酯。研 究工作主要分为三部分： 一、树枝状聚合物支载金鸡纳生物碱催化剂的合成研究 我僻以辛可尼定、9 一溴甲基蒽等原料通过系列反应合成了相转移催化刹 3 ，通过对化合物3 的修饰将其受载到树枝化聚合物( 或树形聚合物) 上。我们 考察了不同的“桥 、温度、溶剂对反应的影响，同时在原有实验的基础上又进 一步优化了实验方案。 ” 二、双嵌段聚合物的合成研究 利用可逆加成一断裂链转移( r a 盯) 可控自由基聚合方法合成了辛可尼定均 l - d k - - 一 ，氧。ro 。弦毒j 一、i 譬。一= 蘑、誓。囊 j - o-+ - 。| * # ， 。0 、，o“一 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 聚物及其同- 异丙基丙稀酰胺的嵌段共聚物。我们考察了不同的链转移剂、温 度、溶剂用量对反应的影响，通过对反应条件的不断摸索进一步优化实验方案， 并通过核磁共振、g p c 等手段对得到的化合物的结构和聚合物的分子量及其分子 量分布进行了表征。 三、底物n 一二苯甲酮甘氨酸特丁酯( n - ( d i p h e n y i m e t h y i e n e ) g i y c i n e f e 小b u t y ie s t e r ) 的合成 本章工作设计从便宜、易得的氯乙酸出发，经过酰化、酯化、氨解和缩合反 应，合成了舻二苯甲酮甘氨酸特丁酯，并通过核磁共振氨谱对其结构进行了鉴 定。它是一个很好的光学底物，可以通过烷基化、迈克尔加成反应等来合成n 氨基酸。 一 c 刚。c 洲竺! 虻。2 c 。竺型竺! 竺 限日嘣4 h ，8 2 c h c b ，阳n 似4 h 。5 8 ( p h ) 2 c 0 ，b f 3 0 e k p h 2 c = n c h 2 c 0 2 b u t _ = 一 t o l u e n e 。r e f l u x 1 0 c i c h 2 c 0 2 b u l n h 2 c h 2 c 0 2 b u 关键词：辛可尼啶；树枝状聚合物：r a f t 聚合；聚合物支载；a 一氨基酸 盈。 e 之：h商 25”零z工。工。o 口王ort6了b由辞 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 a b s t r a c t i nt 王l i st h e s i s ，c i n d 啪i d i n ew a sm o d i f i c db ym e a s u r e so fc h e m i s h y ，a i l dd i 胁e n t s ”t h e s i sm e m o d so f p o l y m * s u p p o r t e dc i n c h o n aa l k a l o i d sw e r es t u d i c d i na d d 主t i o n ， h o m o p 0 1 y l l l e ro fc i n c h o n i d m ea n dd i b l o c kc o p o l 舯e rw c r es y n m 船i z e db yu s i n g r e v e r s i b l ea d d i d o nf r a g m e n t a t i o nc h a i nt r a n s 衔t e c h n i q u e 俾a f t ) f i n a l l y ，_ ( d i p b e n y 王m 柏y l e n e ) 掣y c i n e 切口b u t y le s t e rw h i c hw a su s 。da s as u b s t r a t ew a s s y i l m e s i z e d t 1 l i st h e s i sc o n s i s t so f t l l r e ep a n s ： 1 t h e 咖t h e s i so fd e n d m n i z e dp o l y m 盯( o rd e n d r i m e r ) 一s u p p o r t e d c i n c h o n aa l k a l o i d s c h i r a l p h 船e - 仃a i l s f e rc a t a l y s t 3 ( n - ( 9 - a n l l l i 乜c 锄y h e l y l ) c i n c h o n i d i l l i 啪 b m m i d e ) w a ss ”t l l c s i z e d 舶mc i n c h o n i d i n e 觚d9 - h y d r o x y m e l l l y l a l lt h r a c c n e ，a l l d m o d i f i e db yu s i n gd i 蜘a n h 蛳d e n ef a c t o r st l l a ta 壤蜕甜i l l er e a 蹦o n s u c ha s 衄n p 蹦咖f e ，s o l v tw e f ei n v c s d g a t e d 一 2 t h es y n t h e s i so fd i b l o c kc o p o 母m e r h o m o p o l y i n e r so fc i n c h o n i d i n e 柚dc o p o l y l i l e r so fc i n c h o l l i d m ew i t l ln i p a m w e r cs y i l 出髓i z c d b yu s i n gr 删i b l ea d d m o nf r a g m t a t i o nc h a i nn a n s 赢 郑硼大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 t e c h n i q u e ( r a f d n e 蠡l c l o 鹅也a la 虢c 毫e dm e 豫融c 畦蛐( 鼬c ha sd i a b 哪r a f t f e a g c 啾，l 蹦l p e r 毪抛r e ，l v e 薹缱髓越) w e r cs t l l d i e da n dt h eo r i 直n a lp l a l lw a sp e r f i c c t e d 妇伽曲c o n t i n u o u ss m d y c o n f ig l l ：r a t i o no fc o m l 拎u n d sa l l dm o l e c u l a fw e i 辩a n d m o l e c u l 8 rw e i 出文s 砸姒i 傩w 雠c h a f a c 矧z e db y1 hn m r 砌g p c ( g e l p e f m e a 圭i o nc h r o m 越o g r a p h y ) c h 2 c 1 2 j 1 认正t a 3 。t h es y n t h e s i so ft h en - i p h e 魅蛆m e t h y l 铋e ) g l y c i n e 幼扣b u t y le s t e r h 1t h i sp a r t ，0 1 1 rw o r k s 南c u s e do nt h es 浊e s i go fc a 暇巾。髓d5f 沁me a s i l y a v a i l a b l ec h l o f o a c 以ca c 主dlb yt 量l e a c y l a t e ，e s t 砸f i c a t i o n ，觚妓n o n o l y s i s ，a n d n d e 薹l s 嬲o n a n da l lm ec o m p o u n d sw e r cc h 勰t 碰z e db y1 h 诬r c o 翔p 蕊m d5i s ag o o do p 虹m a ls 1 1 b s 觚e ，勰dw 勰u s e d 协s y 珏搬e s i z e 和懿妇oa c i d sb ya l k y l a t i o n ， m i 曲a e la d d i l i 鲫l 戡“ 。 s o c b c l c h 2 c o o h _ 一二- _ - - i pc 矜h ，c o c i 博竹u x4 h 8 2 l g h 3 b o h ，盹n c h 3 k _ 卜c l c h 2 c 0 2 b t l t c h c b 刚蝴嬲 呈l 翟 墨l 毒 互| 薹 囊| 秀 f p h ) 2 c o b f g d e l 2 p h 2 c = n c h 2 c 0 2 b u l 一一n 峪h 2 c 0 叠8 0 + 备嘣u 谚n e ，糟l i u x ，1 0 k e yw d r d s ：c 纽吐。姬d i 勰；d 鼢d n i z e dp o l 舯r 铷盯p o l 烨翻z a t i o 鼓；p o l 跚嚣 s u 翟墨脯退；a a m i n oa c i d s 瀵溱，羹_ 篓蕊藜鬣r 蕺j 薹 弋代 雒捐丈学2 0 黼藉琰士学控毕娃论文 郑獯声瞬 本人的学位论文鼹在导蜂指导下独立撰驾并完成酌，学位论文没 密测窃、抄袭等造反攀术道德、学术规范的侵投行为，否列，本入撼 意承拯由此产生的惦法撵赞任鞠法律爱慕，特此郑霪声鹗。 学饿论文作者( 签名b 李：叠颜辩 2 0 0 6 年5 凳2 2e 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 引言 金鸡纳生物碱在有机化学和药物化学中有着很长的历史。1 8 0 2 年，p e e t i e r 从金鸡纳树皮中分离出了奎宁。仅在过去的3 0 年中，金鸡纳生物碱被用作通用 的手性碱催化剂，配体，c h m m a t o g 旧p h i cs e l e c l o r s ，n m r 识别试剂等，所有 的这些应用都直接和不对称合成有关。实际上，许多重要的不对称合成都能够通 过采用金鸡纳生物碱作为配体、催化剂或者受体实现。近年来基于人们对催化剂 的回收和重新利用的要求，聚合物支载的金鸡纳生物碱已受到越来越多的关注。 将均相催化剂以共价键的方式键联在不溶性高分子载体上可以实现催化剂 的固载。这种方式的优点是显而易见的：由于催化剂是固载在不溶性高分子载体 上的，通过简单的过滤就可以实现催化剂与反应体系的分离，从而在某种程度上 简化了这些毒性非常高或价格非常昂贵的催化剂的回收。正因为这种方法简便易 行，在不对称催化反应的初期颇受研究者的青睐。但是这种催化剂固载的方法也 有其局限性，其中主要的是当均相催化剂固载到不溶性高分子上时，其催化活性 及立体选择性等往往都有很大程度的降低。在非均相反应中，由于传质的原因反 应速度般比均相反应慢。为克服这些不足，人们将手性配体固载到可溶性有机 高分子载体上，使得反应得以在均相条件下进行。反应结束后可采取在反应体系 中加入不良溶剂的方法将其沉淀出来，从而实现固载催化剂与反应体系的分离。 但是上述用传统聚合物支载的催化剂有一共同的缺点就是支载量低，即催化 单元在负载催化剂中所占的份额偏低，因此在反应时所需的负载催化剂的量较 多。如在催化一般醚化反应只需o 0 1m o l ，但所需的相应负载催化剂的重量却达 几十克之多。 在近些年来，随着树枝化化学( d e n dr | m e rc h e m i s ) 的发展，树枝状大分 子作为可溶性载体已经引起了人们的极大关注。因为具有极好的几何对称性的树 枝状大分子能够精确控制催化剂的结构，从而固载的催化剂的数目也能够被控 制，而这是影响体系催化性能的关键性因素。目前，结合了树枝状大分子和超枝 化聚合物的优点的树枝化聚合物，由于其纳米尺度、高刚性聚合物链的构型使得 树枝化聚合物在可溶性固载化催化中表现出更大的优势。 。 邦州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 因此正是由于树枝化聚合物的大尺寸、高刚性等特点，对这一高刚性的圆柱 状纳米尺度分子表面进行催化剂固载，将具有极其显著的优点。 ( 1 ) 纳米尺度使得催化剂经简单的纳滤即可回收。一般的树枝化聚合物可 达3 1 2 纳米，目前已成功合成了四代的树枝化聚合物； ( 2 ) 单分散的结构使得更适宜于回收和固载化( 可采用r a f t 技术合成) ； ( 3 ) 高刚性圆柱状结构可使表面固载上大量的催化剂，尤为重要的是不会 使催化活性中心由于被包裹而活性降低( 这在树枝状大分子和其它载体中较为明 显) ： ( 4 ) 这种构型还使得树枝化聚合物具有可溶性，有利于提高催化活性。 目前，树枝化聚合物由于其独特结构受到人们的广泛关注，尤其是作为可溶 性纳米固载化催化材料已经得到成功运用。 基于以上我们选用树枝化聚合物做载体，将辛可尼定通过一个“桥”与树枝化 聚台物以共价键相联，这样就可以得到一个“催化剂棒”。这个“棒”的夕 围布 满催化活性中心，而且由于树枝化聚合物本身刚性结构，使得这些活性中心不会 像传统的线型聚合物负载催化剂那样被包埋，同时负载量也有很大的提高。 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 第一章前言 1 1 手性的意义 当分子中不存在对称中心或对称面时，分子就存在对应异构体，它们的一个 重要的特点就是实体和镜像不能重叠，其关系正和左右手的关系相似，因此现在 普遍称这类分子为手性分子或不对称分子。 手性是自然界的基本属性，构成生命体系的生物大分子的基本单元例如碳水 化合物、氨基酸等大部分都是手性分子。生物体内的酶和细胞表面的受体也是手 性的，因而具有生物活性的物质例如香精，料、农药、医药等，当它们与其受体 相互作用时大多都是以手性方式进行。这种授体与受体之间的手性作用，使得很 多手性药物的对映体都以不同方式参与作用并产生不同的结果。因此，不对称有 机合成在各个领域中越来越受到人们的重视，而催化不对称合成反应的手性催化 剂的设计和合成也随之成为不对称有机合成的核心问题。 2 0 0 0 年仅手性催化剂在全球的生产总值就达12 3 0 亿美元【1 1 ，目前全球生产 药物的三分之一来自手性催化，这就表明了催化反应研究的重要地位。随着有机 化学的发展，近年来，有机催化剂的合成和应用得到了人们的关注。国际著名期 干0 如c h e m r e v 和s c i e n c e ，以及p n a s ( 美国科学院院刊) 等先后分别在2 0 0 3 年和2 0 0 4 年发表专刊对催化剂的研究进行综合报道和评述。另外，k n o w l e s ， n o y o n 和s h a 巾i e s s 因其在不对称催化合成方面的卓越成就而于2 0 们年获得诺 贝尔化学奖。 小分子有机催化剂在一些酰化、酯化和烷基化等有机反应中显示出很高的催 化效率。但是，这些催化剂仍存在从反应物中难分离以及难于从反应体系中回收 并重复使用等缺陷，为迸一步扩大该类催化剂的使用面，2 0 世纪7 0 年代人们研 究出了将小分子催化剂负载到有机聚合物上这一新技术，从而把人们带入了开发 研究聚合物支载催化剂的新时代，使这一技术不断完善并得到广泛的应用。 1 2 催化剂的固载化 一 催化剂的种类繁多，应用极其广泛，因而存在着不同的分类方法。比如，从 溶解牲方面可分为可溶性催化剂和不可溶性催化剂；从相态来分可分为均相催化 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 剂和非均相催化剂；从组成来分可分为有机催化剂和无机催化剂；从分子大小又 可分为小分子催化剂和大分子催化剂。在不断追求理想催化剂的过程中，催化剂 的固载化表现出越来越多的优势一充分发挥现有催化剂作用的同时，为催化剂 的应用开辟了更为广阔的前景。因此，我们将着重从载体的种类出发对固载后的 催化剂进行分类，并对其优缺点进行比较以指导我们进一步的研究。 目前，两种原理的载体已经被用于催化剂的固载化：无机载体( i n o 叼a n i c s u p p o r i s ) ，有机载体( o r g a n j c p o l y m e r i cs u p p o r i s ) 。 1 2 1 无机载体催化剂 这些无机载体聚合物表面一般都具有明确的多空性结构。大部分情况如下： 无定性的氧化物，像矽、铝、锆、锌的氧化物多被使用。从而就可以根据孔的尺 寸、孔得分布、微粒尺寸而合成不同形式的固载化催化剂闼。 沸石就常常被用做手性催化剂固载化的载体。沸石是一种结晶性材料嘲，并 且在微孔范围具有明确的尺寸和位置。矽作为载体的优点是在溶剂中不能溶胀， 这就允许在较低或较高的温度下或压力下进行反应，并且连续进行。另一个优点 就是在矽载体表面固载手性配体可以使催化剂具有高的活性。 近几年，比有机聚合物载体有更大的比表面和孔径( 大于2 n m ) 的中孔硅胶 越来越多被成功地用作各种均相催化剂的载体。 1 2 2 有机载体催化剂 。 采用有机载体的催化剂属于有机催化剂( o 叼a n j c t a l y s t ) 的范畴，而有机 催化剂强调的是在金属自由的条件下进行催化反应的优势。这些优势包括以下的 可能性：( 1 ) 可以在有氧或潮湿的环境下工作。( 2 ) 可以稳定或以较高浓度存 在。( 3 ) 避免金属流失进入有机产物而不易分离。同时采用有机载体的有机催化 剂更有利用催化剂的恢复和回收。因而近些年来，这种“g o j n g o n t o p o i y m e r 的 趋势越来越明显，这可以从化学家对载体药剂和催化剂的合成所做出来的大量研 究看出。 一 ， 一 _ 许多的例子表明，有机载体催化剂与不含载体的催化剂有着相同甚至更高的 效率。但是，大部分情况下，有机载体催化剂的性能往往达不到人们的期望。而 4 塑型查堂! 塑! 旦堡主堂垡望些堡奎 一 其中的原因还未阐明或者只是一些尝试性的解释，这在手性催化剂中更加明显。 根据m a u t i z i o 的报道，在有机载体催化剂的设计中注意以下观点，将有利于提 高催化性能： ( 1 ) 不含载体的催化剂的稳定性； ( 2 ) 催化剂结构调整引起的空间和电子效应； ( 3 ) 活性点的溶解性以及聚合物对催化点附近微环境极性的影响； ( 4 ) 如何恢复和回收； ( 5 ) 催化剂和聚合物空间的分离。 正是由于以上显著的优势和人们不断努力，将来具有实用价值的聚合物载体 催化剂的应用将会不断扩大。由于溶解性的不同，有机载体催化剂可分为不可溶 性载体催化剂和可溶性载体催化剂。目前，它们在工业生产和生活中都有着广泛 的应用。 1 2 _ 2 j 1 不可溶性载体催化剂 交联聚苯乙烯( p s ) 树脂是一种被广泛使用的不可溶性载体，这些载体能在 一些有机溶剂中溶胀从而增加内表面。从而，催化剂活性显著增强，并且通过简 单的过滤就可以回收和重复使用【4 】。 但同时也伴随着一些缺点，主要是反应物和底物的在聚合物母体中的扩散过 程会严重影响催化剂的活性和反应性。 1 _ 2 - 2 2 可溶性载体催化剂 。 在1 9 6 0 年，可溶性聚合物载体首先被提出可作为催化剂固载化的一种选择。 但是，仅有那些适合催化剂恢复的可溶性聚合物才真正地发展起来。目前，用于 可溶性固载的有机物除了常规线性聚合物外，还有树枝状大分子，树枝化聚合物。 它们具有显著的优点：不会有大量转移限制，最主要的是几乎与小分子同类物具 有相同的活性。 在可溶性聚合物中，聚乙二醇已经广泛地应用于相转移催化剂的固载。它的 广泛应用与其物理性质直接相关，尤其是其较宽的溶解度分布。p e g 可溶于二 氯甲烷、氯仿、甲苯、乙腈、d m f 、甲醇、乙醇和水，不溶于乙醚、叔丁基甲 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 基醚、乙烷、异丙醇和冷的乙醇。p e g 支载的试剂或催化剂在均相条件下反应 完毕后，可向体系中加入乙醚或乙烷等使之沉淀，然后过滤将其分离。p e g 的 末端羟基具有与一般醇一样的性质，并且可以进一步衍生化，易于和被支载体连 接，同时p e g 链的化学性质稳定，适于作支载体【5 。 一般选择分子量在2 0 0 0 2 0 0 0 0 的聚乙二醇做支载体，2 0 0 0 2 0 0 0 0 的聚 乙二醇在常温下为蜡状固体或固体，更低分子量的聚乙二醇常温下为粘性液体， 分子量大于2 0 0 0 0 的聚乙二醇则支载量( m m o i ，g ) 太低。聚乙二醇的衍生物， 被支载基团越大，则对支载体衍生物的物理性质影响越大，这时利用聚乙二醇性 质沉淀和回收支载体衍生物将受到干扰，导致较低分子量的支载体衍生物不能成 比例的沉淀和回收；而对试剂或催化剂而吉，聚乙二醇的支载量越高越好。因此 在液相化学中，既满足支载量要求，又满足完全沉淀和回收支载体衍生物条件的 聚乙二醇，3 0 0 0 一5 0 0 0 的分子量被认为是较好的选择。 在近些年来，随着树枝化化学( d e n d r i m e r c h e m ；s 竹) 的发展，树枝状大分 子作为可溶性载体已经引起了人们的极大关注。因为具有极好的几何对称性的树 枝状大分子能够精确控制催化剂的结构，从而固载的催化剂的数目也能够被控 制，而这是影响体系催化性能的关键性因素。目前，结合了树枝状大分子和超枝 化聚合物的优点的树枝化聚合物，由于其纳米尺度、高刚性聚合物链的构型使得 树枝化聚合物在可溶性固载化催化中表现出更大的优势。以下将详细介绍树枝状 大分子和树枝化聚合物作为可溶性载体的催化荆。 1 - 2 2 3 树枝状大分子作为载体的催化剂 一 从催化的观点出发，理想的催化剂在温和的条件下应有高的活性、选择性、 稳定性，并且通过简单的步骤就可与产物分离。以此为出发点，具有规则的单分 散结构和拓扑结构的树枝化大分子引起了化学家极大的兴趣，从而化学家们提出 了采用表面具有催化点树枝化大分子作为可溶性固戴。1 9 9 4 年，t 0 m a i i a 和 d v o m j c 讨论了表面功能化树枝化催化剂的喜人前景f 6 】。( 树枝化大分子内在的结 合均相和非均相体系的优势) 树枝状大分子作为催化剂载体，可通过控制分子内部的。空腔”大小和外部端 基的“数目”及分子之间的。尺寸“对催化剂的活性进行严格控制。又因为树枝状大 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 分子具有纳米尺寸，并能以分子形式溶解，所以催化活性很高，且在完成均相反 应后，通过简单的分离技术即可将催化剂从反应产物中分离出来，即这类大分子 作为催化剂载体容易实现催化剂的回收再利用。 理论上，树枝状大分子能够提供体系： ( 1 ) 表现出动力学行为和传统均相催化剂的活性和选择性； ( 2 ) 与产物相比具有较大的尺寸，从而通过膜或纳滤技术就可与反应混合 物分开( 非均相催化剂的优点) ； ( 3 ) 由于单分散性、催化点一致性和分子对称性，这就使得可以进行机理 研究( 均相催化剂的优点) ； ( 4 ) 通过精确的催化剂设计可以使得催化中心得到更好地调整( 均相催化 剂的优点) ； ( 5 ) 需要相当低的金属固载( 均相催化剂超过非均相催化剂的优点) 。 树枝化催化荆是否比均相催化剂具有更高的活性、选择性、稳定性，则取决 于树枝化结构，及树枝化结构中官能团的位置。因此，必须区分表面官能团化 ( p e n p h e 咿f u n c t i o 晌z e d ) ，核心官能团化( c o 陀f u n c t i o n a 趵d ) ，焦点官能团 化的体系( f o c a 卜p o i n i i f u n c t i o n a i l z e d ) 。( 图1 - 1 ) 淼瓣警伞潞搽带伞 i 刖 哪i c ) 一 i 嘶 o ；c 嘲 黼；毒：i 甚篙“。”“”1 。“9p ”1 p ”w “。- 。- 畸“s 。( d - a “ ( 1 ) 表面官能团化的树枝状大分子催化剂是在树枝状大分子表面，使得 活性点能直接与底物接触。同时表面具有极高的催化剂浓度，从而比小分子同类 体有更高的稳定性( e gh e c kr e a c l i o n ) ；另一方面高的催化剂浓度也会导致催化 剂的无效性( d e a c “v a t i o n ) 和低的活性。 一 ( 2 ) 核心官能团化树枝状大分子 由于树枝化环境所引起的催化点的隔离同 将有利于催化剂的某些性能。一方面能阻止某些d e a d j v a t i o np a t h w a y 。另一方 郑州太学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 面，由树枝化大分子创造的催化微环境能够提高对某些反应的选择性，但有可能 降低反应效率。例如：c h o w 等嘲合成了一种树枝状含二价铜离子的双噫唑啉催 化剂，用来催化1 ，3 环戊二烯和丁烯基酰亚胺的d i e l s a l d e r 反应。结果表明， 该反应的速率在支化代为1 和2 时保持恒定；支化代为3 时，由于树枝状分支 的折叠，立体位阻效应增加，导致反应速率急剧降低。 目前，p u g i n 和t o g n i 成功的将j o s i p h sd e n v a t i v e ( r ) - ( s ) - 1 二茂铁配 体固载于树枝状大分子进行手性催化唧。通过简单的纳滤或分级即可分离回收。 同时发现，树枝化催化剂的手性选择性仅比单核的j o s i p h o s 的催化剂略有降低。 作者分析这可能与树枝化配体的选择有关。 s e e b a c h 等【1o 】合成了含t a d d o l 核( t a d d o l 代表吼口：d 二四芳基 1 ，3 二氧戊环4 ，5 - 二甲醇) 的树枝状大分子，负载含苯乙烯端基的f 睹c h e t 枝 体( 图5 ) 。c 2 - 对称的t _ a d d o l 核是t i ( ) 的配体，可用于催化醛的对映选择 性亲核加成反应【1 1 l 。即使与苯乙烯共聚后，用于催化乙烯基锌与苯甲醛的加成 反应，仍具有高度的对映选择性。而且树枝状聚合物的t i ( 卜t a d d o l 位与 线性聚苯乙烯同类物的相似部位相比，转化率更高。 1 2 2 4 树枝化聚合物作为载体垂勺催化剂 树枝化聚合物是由s c h | c j t e r 于1 9 9 8 年命名并发起研究的一类新型、结构规整 的树形聚合物1 2 1 。它结合了树枝状大分子和超支化聚合物的优点，同时避免了 两类聚合物的缺陷。 这类聚合物由线形聚合物主链( 如聚苯，聚甲基丙烯酸酯或聚苯乙烯。) 和作 为侧基的树枝化基元( d e n d r o n ) 组成( 见示意图1 2 ) 。利用树枝化基元的空间位 阻效应，通过控制树枝化基元的结构、种类或代数，以及与聚合物主链之间的距 离，可以实现对这类聚合物链的构型和柔顺性的控制。另外，这一类聚合物分子 的尺寸( 指聚合物链直径) 较大，一般可达3 1 2 纳米，且可以容易地通过改变树 枝化基元的代数和组成加以控制。随着聚合物主链上连接的树枝化基元的尺寸 ( 代数) 的增大，相应聚合物的构象可以从无规线团转变成半刚性或刚性的圆柱 体。 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 图1 - 2 卡通示意图 f i g u r e1 - 2c a r t o o nn p r e s e n t a t i o n0 fad e n d r o n i z e dp o i y m e rw h o s ed e n d r i t i c i a y e ri ss od e n s e i yp a c k e da m u n dt h eb a c k b o n et h a tt h eb a c k b o n es t f 锐c h e s o u ta n dam o j e c u i a rc y n d e rw t ha “s u r f a c e ”j sg e n e r a t e d 因此正是由于树技化聚合物的大尺寸、高刚性等特点，对这一高刚性的圆柱 状纳米尺度分子表面进行催化剂固载，将具有极其显著的优点。 ( 1 ) 纳米尺度使得催化剂经简单的纳滤即可回收。一般的树枝化聚合物可 达3 1 2 纳米，目前己成功合成了四代的树枝化聚合物； ( 2 ) 单分散的结构使得更适宜于回收和固载化( 可采用r a f t 技术合成) ； ( 3 ) 高刚性圆柱状结构可使表面固载上大量的催化剂，尤为重要的是不会 使催化活性中心由于被包裹而活性降低( 这在树枝状大分子和其它载体中较为明 显) ： ( 4 ) 这种构型还使得树枝化聚合物具有可溶性，有利于提高催化活性。 目前，树枝化聚合物由于其独特结构受到人们的广泛关注，尤其是作为可溶 性纳米固载化催化材料已经得到成功运用。 p o 响n y 等最近报道了基于聚硫醚树枝化基元的聚苯乙烯固载化h e c k 催 化体系【13 1 。同时连续报道了基于f 陀c h e t 型树枝化基元的聚苯乙烯固载化环加成 ( p a u s o n - k h a n d ) 催化体系【1 4 1 。在环加成的研究中首次发现了明显的树枝化效 应( d e n d n t i ce 仟e c t ) ，即随着树枝化基元代数的增加，相应催化剂的活性和选择 性也明显提高。 f r e c h e t 掣谰最近报道了基于无规共聚环胺的树枝化聚合物应用于催他酯化 反应的研究。通过控制树枝化聚合物主链( 高极性、带有催化活性中心，与树枝 化基元表面的极性( 低极性) ，从而在树枝化聚合物径向形成较大的极性差别， 以行成一种微反应环境( 图1 - 面。这样就使得反应底物易于集中在树枝化聚合 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 物内部，而反应产物倾向于迁移到树枝化聚合物的外表，从而使得一些不易进行 的酯化反应得以进行。 图1 3 主链带有催化基圃的棒状树枝化聚合物示意图 f i g u 怕1 3 u s t r a 村o n0 f d i l k ed e n d n i z e dp o i y m e rb e a r i n gc a t a l y t l cg f o u p s a tt h eb a c k b o n e 、，a nk o t e n 和s c h i u t e r 等采用树枝化聚合物4 1 ( p g l p g 3 ) 为基材，在脱 保护的树枝化聚合物表面接枝上含p d 的催化中心( n c n p d ) 并对这一催化材 料( 如图1 4 ) 催化a l d o i 缩合反应性能进行了研究”6 】。在此实验中，合成的圆 柱状载体的单点催化剂，其中的每个d e n p 0 1 分子包含了高达3 4 0 0 个金属点， 并且发现所有的d e n p o l 催化剂几乎具有与p d 点同样的反应活性。同时，发现 这类催化材料的催化活性与树枝化基元的代数没有明显关系。这可能由于活性点 彼此不相互干扰或者是代数较少还不至于出现这种干扰。从而使得刚性树枝化聚 合物表面的每个催化活性中心具有相同或相似的环境，而且相互问的作用较小， 使得每个催化活性中心都同等地与底物作用。这一点和通常呈球形的树枝形大分 子负载的催化材料有着极大的区别。后者的形态将导致部分的催化活性中心被包 裹，从而在一定条件下会表现出“树枝化效应”。 图1 - 41 - 3 代树枝状聚苯乙烯表面负载n c n - p d 催化剂 1 0 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 f i g u r e1 4t h en c n - p dc a t a j y s lb a s e do nt h es u r f a c eo f1s tt o3 r d g e n e r a t - o nd e n d r o n i z e dp o l y s t y r e n e 范清华等【仃】发现旋光性树枝状聚引h | a p 配体可以作为不对称氢化反应的 一种新型大分子手性催化剂，并且他还很容易的通过5 ，5 一二氨基联萘型双磷配体 与树枝状二羧酸单体聚合来合成。这些树枝化聚r u - b l n a p 催化剂与其相应的母 体r u b l n a p 和以r u b i n a p 为中心的树枝状大分子相似，显示出较高的催化活 性和立体选择性，并发现它的树枝化侧基对这种聚合物配合体的溶解性和催化特 性有很大的影响。这种固载的催化剂通过溶剂沉淀的方法很容易地从反应体系中 分离回收，并且它的催化活性和立体选择性没有明显下降。 1 3 金鸡纳生物碱简介 金鸡纳生物碱在有机化学和药物化学中有着很长的历史。1 8 0 2 年，p e l i e l i e r 从金鸡纳树皮中分离出了奎宁。对于它结构的明确、总的合成方法及其化学性质 等金鸡纳生物碱的化学史在文献中都有完好的记载。人们对奎宁的早期认识是作 为抗疟药剂，而发展到现在它仍有着广泛的应用，从奎宁用作食品和饮料工业中 的苦昧剂到手性金鸡纳碱被用作手性拆分剂( 1 8 2 0 年，l p a s f e u r 第一次用奎 宁的衍生物拆分了外消旋体) 。仅在过去的三十年中，金鸡纳生物碱被用作通用 的手性碱催化剂，配体，c h 吣m a t o g 馅p h i c i e c l o r s ，n m r 识别试剂【18 】所 有的这些应用都直接和不对称合成有关。实际上，许多重要的不对称合成都能够 通过采用金鸡纳生物碱作为配体、催化剂或者受体实现。关于金鸡纳生物碱早期 在不对称合成中的应用，p f a c e j u s ，m o r n s o n ，m o s h e r w y n b e r g 等分别写过 这方面的综述。 是什么让金鸡纳生物碱作为催化剂如常有效并且有如此大的吸引力? 很明 显，它们遵从一般的可接受的需求：他们可以商业化、相对低廉、稳定、可以回 收，并且它们的结构可以进行修饰以用于不同的催化体系。 在金鸡纳( c i n c h o n a ) 生物碱中，常见的两种衍生物为辛可宁( c i n c h o n i n e ，简 称c n ) 和辛可尼定( c i n c h o n j d j n e ，简称c d ) ，两者作为修饰剂时产物的主导构 型分别为r 和s 。c d 和c n 为非对映体，各由两个杂环喹啉环和奎宁环构 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 成。它们都有4 个手性碳原子，其中c 一3 、c 4 的构型对于两者来说是相同的， 不同的在于c 名和c - 9 ，c d 为8 ( r ) 9 ( r ) ，c n 为8 ( r ) 9 ( s ) 。奎宁( q u i n i n e ，简 称q n ) 和奎尼定( q u i n ；d i n e ，简称q d ) 也可由金鸡纳树皮得到，他们也是金鸡纳 生物碱家族中的主要成分，其结构式见图1 5 。金鸡纳生物碱催化剂在众多不对 称合成反应中表现出高的立体选择性，被广泛用于活性亚胺的烷基化、m i c h a e f 加成反应、烯烃的双羟基化反应、潜手性酮的还原反应、烯烃的不对称环氧化反 应等，尤其是o 7 d o n n e 等在活性亚胺的烷基化方面为a 一氨基酸的不对称合成 开辟了新天地。 r 1 = o m e q nq u 删h 他 r 2 = v 帆y | q n - 1d h y d q u i n i n e 焉= e t 。 r _ = h c dc i n c h o n j n e 艮= 、，i n y i c d - 1d 咐d e o c i n c l l o n i n e 吒= e t 。 攀占掣h 8群黜咖怖 嚣“吣m 出”靛n c n ”础- n e ， 图1 - 5 金鸡纳生物碱及其衍生物结构 f i g u r e1 5s t 九j c t u r e so fc ；n c h o n aa i k a l o i d sa n dt h e rd e v a t j v e s 一_ 金鸡纳生物碱还可作为金属离子配体它作为配体在四价锇催化不对称 双羟基化反应中的作思是众所周知的。另外生物碱还可以作为相转移剂，例如用 啥耻啥耻塞 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 在a 酮酯的非均相不对称氢化反应中。 r 的ma 晡n l n e x 2 f c l b r f r o mq 山n i d i n e ( r 1 ：6 m e r 2 = a i l y i r 3 = h ) ( r 1 。o ，f t 2 2 a h 州- r 3 。h ) 们mc i n c h o n i d i n e ( r 1 ；h ) r 2 = v l “y i r 3 = h ：r 产e t ，r 3 _ h r 2 = v i n r 3 = 8 n ：r 2 = e l r 3 = 卧 r 2 = v i n y i r 3 = a i i y i f f d md n 曲i n e r 1 = h 】 r 2 = v i n 川r f h ：r 2 t r f h 而= v i n ，r 3 = b n ：r 2 ：e l r 3 = b ” r 2 = 吲、如哪 i n i f dg e n e 怕口o n 图1 - 6 金鸡纳生物碱相转移催化剂 f j g u r e1 - 6t h eg e n e 憎啦o n so f c i n c h o 怕a i k a j o j dp h a - t 阳n g f e rc a t a j y s t s 通过形成四价奎宁环氮盐可以使生物碱的碱性进一步提高。这些有机相可溶 的手性碱可以催化一系列的不对称相转移的反应，比如羰基化合物的迈克尔加成 反应 19 】，a - 烷基化反应例和烯酮的环氧化反应等。金鸡纳生物碱及其衍生物的 手性季铵盐作为相转移催化剂基本上可以分为三代，基本结构如图1 6 所示。 1 3 1 聚合物支载的金鸡纳生物碱衍生物的手性季铵盐相转移催化剂 相转移催化是2 0 世纪7 0 年代以后发展起莱的新型合成手段。利用相转移的 方法可以实现许多传统合成方法所不能完成的反应，例如一个固体化合物或是它 的水溶液与易溶于非极性溶剂的物质混在起，二者很难发生反应。要使它们发 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 生反应，传统的最好方法就是用能使上述两种反应物都溶解的溶剂，如d m s o 、 d m f 或h m p t ，但这些溶剂的缺点首先是价格高、不易回收，同时一旦混入水， 对反应很不利。新的解决办法是应用相转移催化剂。 相转移催化剂( p t c ) 能加速或能使互不相溶的两种溶剂( 液一液两相体系 或固一液两相体系) 中的物质发生反应。反应时，催化剂把一种实际参加反应的 实体从一相转移到另一相中，以便使它与底物相遇而发生f 2 1 】。反应其基本原理 如下： 式1 1 相转移催化原理 s c h e m e1 - 1p r i n c i p i e so fp h a s e _ t r a n s f b rc a t a l y s i s 反应时，相转移催化剂q + 可穿过两相之间的界面把反应实体丫从水相转移 到有机相中，此负离子在有机相中的溶剂化程度大为减少，因而反应活性很高， 能迅速与底物( s u b s t 陷t 争x ) 反应。随后，催化剂q + 带着负离子( x ) 返回水 相，如此连续不断地来回穿过界面转送负离子。 相转移催化反应具有以下优点： ( 1 ) 此种反应的反应物在p t c 的控制下进入含反应底物的相中，故与均相 反应相比，此种反应的选择性较好( 副反应少) ； 一 ( 2 ) 该反应适用于大量不与水混溶的有机溶剂中的反应，而且也使选择最 有利于回收的溶剂成为可能，甚至有时基体本身就可作为有机相，即不需要任何 有机溶剂； ( 3 ) 两相反应使产物和副产物的分离更为简单。 ” 基于以上优点，相转移催化剂被广泛应用于催化有机反应，如亲核取代反应、 氧化反应、卡宾反应等。尤其是手性相转移催化剂对合成有光学活性的氨基酸及 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位毕业论文 不对称加氢反应有非常重大的意义。相转移催化剂主要有锚盐类( 如季铵盐、膦 盐、锍盐等) 、冠醚类。近年来基于人们对催化剂的回收和重新利用的要求，聚 合物支载的相转移催化剂已受到越来越多的关注。 目前关于聚合物支载的手性相转移催化剂的研究主要集中在聚合物支载的 c j n c h o n a 类季铵盐催化剂上。c j n c h o n a 类季铵盐相转移催化剂可通过三种方式 键合到聚合物上：1 ) 通过季铵盐上的氮原子；2 ) 通过奎宁上的侧基；3 ) 通过c 9 上的氧( 图1 - 8 ) 。 图1 7 金鸡纳生物碱支载方式 f i g u r e1 - 7b i n d i n gs t e sf o rc i n c h o n aa l k l o i d s 1 3 1 1 不溶聚合物支载 r a f a e i 等吲通过季铵盐上的氮原子将辛可宁或奎宁负载到交联聚苯乙烯或 接枝聚苯乙烯上，所得催化剂的对应选择性最高可达9 0 ，而且这种聚合物负 载的催化剂在反应后通过简单的过滤就可以回收。 一 k o b a y a s h i 等【2 3 】通过和季铵盐上的氮原子相连的方式将c i n c h o n a 催化单元 负载在m e m f i i e d 树脂上，但所得催化剂的对映选择性不高，文献报道的最好结 果暖4 】e e 仅为5 8 。虽然t h i e r r y 等但司通过在树脂和季氮原子间引入一个间隔基 ( s p a c e r ) 使e e 提高到8 1 ，但在回收利用时其对映选择性有很大下降。t h i e n y 等【2 6 】还发现通过c 一9 上的氧原子与催化剂相连可使其对映选择性达到e e 9 4 ，与相应的小