（高分子化学与物理专业论文）新型梳形手性高分子配体金属络合物的合成及其在不对称硅氢化反应中的应用研究.pdf

o 石4 ；，弓舌 中文摘要 通过对催化不对称硅氢化反应的最新研究成果的详细深入剖析，选定了几 种新型极具研究价值的氮施主手性配体作为本论文研究手性不对称硅氢化催化 剂的重点。综述了高分子支载手性催化剂在不对称有机反应中的应用进展并总 结了高分子载体骨架的设计方略，提出了“梳形聚合物载体由于其规整的分子 结构有可能实现对高分子支载手性催化剂微观环境的有序性控制从而达到高催 化光学选择性的高分子手性催化剂的设计”的崭新学术观点。f 这是本论文主要 z e 一 、 创新点，至今未见国内外有类似工作报道。) “，l 一 ，通过毗啶甲醛与l 异亮氨酸，l 半胱氨酸、l 一半胱氨酸乙酯、l 苯丙氨 酸甲酯以及a 吡啶甲酰氯与2 一胺基。3 ( 对羟基苯基) 1 - 丙醇等的缩合反应合成 了含有不对称催化活性功能基的三类( 即手性西佛碱、毗啶噻唑烷和毗啶嗯唑 烷配体) 共5 种手性配体，并制得了相应的手性配位基单体9 种。用“c o 引发 的辐射聚合以及自由基共聚反应成功地合成了1 7 种可溶性梳形手性高分子配体 并通过对功能基化大孔聚苯乙烯的化学修饰合成了两种交联高分子支载手性配 体。以上手性配体采用f t i r ，元素分析，1 hn m r ，g p c ，旋光度，粘度测量 等现代分析技术对其结构进行了表征，并且对其合成机制进行了详细探讨。、一一，一 研究了反应时间、反应温度以及配体过量程度等对手性催化剂催化不对称 硅氢化反应的影响，确定了各类配体络合物催化剂的最佳催化不对称硅氢化反 应条件。 z ? 一 r 将均相手性配体或配体单体与【p , h ( c o d ) c i ，制备的“i n s i t u ”催化剂用于 了苯乙酮的催化不对称硅氢化反应。结果发现，手性吡啶嗯唑烷类配体与r h ( i ) 形成的配合物催化活性很高，光学产率可达9 5 ，化学产率可达1 0 0 。手性 吡啶噻唑烷配体络铑( i ) 催化剂可使光学产率达到8 2 5 。手性西佛碱配体络铑( i ) 催化剂的催化立体选择性较低，光学产率最高达7 0 。l 。一， ， f 将商分子手性配体与 r h ( c o d ) c 1 ：制备的“i n s i t u ”催化剂用于了苯乙酮 的催化不对称硅氢化反应。结果发现，所有梳形手性高分子配体催化剂催化立 体选择性都与其相应的均相催化剂相当。而通过传统化学修饰法合成的大孔交 联聚苯乙烯支载的手性配体铑( i ) 络合催化剂的立体选择性大大降低。但通过聚 合物化学修饰法制得的梳形手性高分子配体催化剂却具有与相应均相催化剂相 匹敌的立体选择性，这说明梳形聚合物骨架确有控制催化剂微观环境有序性的 功能。k 。、 研究了梳形手性高分子络合物催化剂梳齿长度对其催化不对称硅氢化性能 - 一) 的影响。f 结果发现，在一定的范围内随着梳形聚合物梳齿长度的增加，其催化 r 一 立体选择性也随之增加。研究了长链烷基取代烯烃配位基单体与其它单体形成 的梳形手性共聚物配体中第二结构单元的比例及第二结构单元侧链长度对其铑 ( i ) 络合物催化剂催化不对称硅氢化性能的影响。结果发现，梳形手性共聚物配 体中第二结构单元所占比例越小，侧链长度与配位基结构单元越接近，其键铑( i ) 络合物催化活性则越高。以上实验事实说明梳形手性高分子配体结构越规整， 则其键铑络合催化剂催化活性越高，进一步验证了前述结论的正确性、，k 一 测定了梳形手性聚合物粘度一浓度关系，发现梳形手性高分子配体的粘度 、。 随浓度的变化规律与一般高分子液晶态溶液体系大致相同，证明了梳形手性高 分子溶液体系中有序区域结构的存在。这一实验事实与我们的初步设想不谋而 e ：u 合，可以看出，梳形手性高分子络合催化剂有序区域结构的存在是导致其在催 化不对称硅氢化反应中高的立体选择性的主要原因。l l 。 研究了梳形手性高分子络合物催化剂的重复使用性能，梳形手性高分子络 。 合物催化剂在第一次、第二次重复使用时催化活性有较明显降低，但到第三次 重复使用时催化活性基本保持稳定。f 崔化剂在重复使用时活性降低主要是由于 r 一- 催化剂在空气中易被氧化以及在催化反应及后处理过程中金属铑流失所致。为 了验证这一推断，当在第一次重复使用时再加入少量的 r h ( c o d ) c 1 ，络合物， 发现催化剂催化不对称硅氢化活性与第一次相比几乎不减。) 、p 关键词：梳型手性高分子 手性金属配合物 有剐鬯姆1 不对称硅氢化 手性催化剂微观环境l 室劐 a b s t r a c t r e c e n ta d v a n c e si na s y m m e t r i ch y d r o s i l y l a t i o no fp r o c h i r a lc a r b o n y lc o m p o u n d s c a t a l y z e db yc h i r a lt r a n s i t i o nm e t a lc o m p l e x e s a r er e v i e w e da n ds e v e r a ln e wt y p e so f n i t r o g e nl i g a n d sw i t hh i g hc a t a l y t i cs t e r e o s e l e c t i v i t yw e r er e v i e w e da n dp r o p o s e dt o u s ea sf u n d a m e n t a lc h i r a ls t r u c t u r e si nt h es y n t h e s i so fp o l y m e rs u p p o r t e dc h i r a l c a t a l y s t s r e c e n t a d v a n c e si n a s y m m e t r i co r g a n i cr e a c t i o n sc a t a l y z e db yp o l y m e r s u p p o r t e dc h i r a lc a t a l y s t sa r e a l s or e v i e w e da n dt h es t r a t a g e m sa n da r t i f i c e so ft h e d e s i g n i n go ft h eb a c k b o n eo fp o l y m e r - s u p p o r t e dc a t a l y s t a r ea l s od i s c u s s e d c o m b s h a p e dp o l y m e rb a c k b o n ew a sb r o u g h tf o r w a r df o rt h ef i r s t t i m ea san e wk i n do f p o l y m e rs u p p o r tt ot h ec o n t r o l l i n go f t h em i c r o e n v i r o n m e n to ft h ec a t a l y t i ca c t i v e c e n t e r si np o l y m e rc h i r a lc a t a l y s t sf u ri t st i d ya n do r d e r i n gs t r u c t u r ei ns o l u t i o n t h r e e t y p e so f h o m o g e n e o u s c h i r a ll i g a n d s ( s c h i f f b a s e ，p y r i d i n e t h i a z o l i d i n ea n d p y r i d i n e o x a z o l i d i n el i g a n d ) m a d i t s c o r r e s p o n d i n gv i n y l m o n o m e rl i g a n d sw e r e s y n t h e s i z e d s e v e n t e e nk i n d so fc o m b s h a p e dp o l y m e r i cl i g a n d sw e r ep r e p a r e db y i r r a d i a t i o np o l y m e r i z a t i o no fm o n o m e r l i g a n d su n d e r ”c o o rr a d i c a lc o p o l y m e r i z a t i o n o fm o n o m e rl i g a n d sw i t hm e t h y la c r y l a t e a l lh o m o g e n e o u sa n dp o l y m e r i cl i g a n d s w e r ec h a r a c t e r i z e du s i n gf t - i r ，1 hn m r ，g p c ，e l e m e n t a la n a l y s i so ro p t i c a l r o t a t i o nd e t e r m i n a t i o nt e c h n i q u e s t h es y n t h e t i cm e c h a n i s m so fh o m o g e n e o u sa n d p o l y m e r i cl i g a n d sw e r e a l s oi n v e s t i g a t e d o p t i m u mc o n d i t i o n s o fc a t a l y t i c a s y m m e t r i ch y d r o s i l y l a t i o n o fa c e t o p h e n o n e u s i n gt h r e et y p e so fl i g a n d sw e r ed e t e r m i n e db y t h es y s t e m a t i c a ls t u d yo fe f f e c t so f r e a c t i o nt i m e ，t e m p e r a t u r ea n dt h er a t i oo fl i g a n d m e t a lo nt h ec a t a l y i ca c t i v i t ya n d s t e r e o s e l e c t i v i t yo fc h i r a lm e t a lc a t a l y s t s h i g hc h e m i c a ly i e l do f1 0 0 a n do p t i c a l y i e l d o f9 5 c o u l db er e a c h e di nt h e c a t a l y t i ca s y m m e t r i ch y d r o s i l y l a t i o n o f a c e t o p h e n o n eb yu s i n gp y r i d i n e o x a z o l i d i n e r hc o m p l e xa n dm o d e r a t ec h e m i c a ly i e l d o f9 2 a n d o p t i c a ly i e l do f8 2 5 w a sc o n d u c t e db yu s i n gp y r i d i n e t h i a z o l i d i n e r h c o m p l e x s c h i f f b a s e r h c a t a l y t i cs y s t e ms h o w s am o d e r a t et ol o w c a t a l y t i ca c t i v i t i e s a l ls o l u b l ec o m b s h a p e do re r o s s l i n k e dp o l y m e r i cr h o d i u m c o m p l e x e s w e r eu s e d 3 t oc a t a l y z et h ea s y m m e t r i ch y d r o s i l y l a t i o no f a c e t o p h e n o n e l o w c h e m i c a ly i e l d sa n d e n a n t i o m e r i ce x c e s s e sw e r ec o n d u c t e dw h e n u s i n gc r o s s l i n k e dp o l y s t y r e n es u p p o r t e d c h i r a lc a t a l y s t s t h i sm a yb ec a u s e db yt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ep o l y m e rs u p p o r t s i n t h e s ep o l y m e r i cc h i r a lc a t a l y s t s ，t h e i rc a t a l y t i cs i t e sa r er a n d o m l yo r i e n t e d ，a n dt h e m i c r o e n v i r o n m e n to ft h e c a t a l y t i c c e n t e r sc a nn o tb e s y s t e m a t i c a l l y m o d i f i e dt o a c h i e v et h ed e s i r e d s t e r e o s e l e c t i v i t y a l m o s t t h es a m e o p t i c a ly i e l d s h a v eb e e n a c h i e v e dw h e nc o m b s h a p e dp o l y m e r i cl i g a n d sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gm o n o m e r s w e r eu s e dt ot h ea s y m m e t r i ch y d r o s i l y l a t i o nr e a c t i o n su n d e rt h es a m ec o n d i t i o n t h e o p t i c a lr e s u l ta sh i g ha s9 3 h a sb e e na c h i e v e d t ot h eb e s to fo u rk n o w l e d g e ，t h e p r e s e n te n a n t i o s e l e c t i v i t y i st h e h i g h e s t f o rt h e a s y m m e t r i ch y d r o s i l y l a t i o n o f a c e t o p h e n o n eu s i n gac h i r a lp o l y m e rc a t a l y s t t h er e a s o nf o rh i g he n a n t i o s e l e c t i v i t y o fc o m b - s h a p e dp o l y m e rc a t a l y s t s m a yb e t h e i rw e l ld e f i n e dm i c r o s t r u c t u r ei n s o l u t i o na n dt h e p r e s e n c e o ft h e l o n gs p a c e rb e t w e e np o l y m e r b a c k b o n ea n d h o m o g e n e o u sl i g a n d s ，w h i c ha s s u r e st h ef r e e d o mo ft h ea c t i v es i t eo fc a t a l y s t t h e a b o v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tc o m b s h a p e dp o l y m e rs u p p o r t e dc h i r a l c a t a l y s t sh a v eaw e l ld e f i n e dm i c r o e n v i m n m e n ta r o u n dt h ec a t a l y t i cc e n t e r sa n di t i s t h e r e f o rp o s s i b l et os y s t e m a t i c a l l ya d j u s tt h em i c r o e n v i r o n m e n to ft h ec a t a l y t i cs i t e s i nt h e s e c o m b s h a p e dp o l y m e r s t ot u n eb o t ht h e i r c a t a l y t i c a c t i v i t i e sa n d s t e r e o s e l e c t i v i t i e s t h ee f f e c t so ft h ep o l y m e rc a r r i e r s ，t h es t a b i l i t ya n dr e u s a b l ep r o p e r t yo ft h e c o m b s h a p e dp o l y m e rc a t a l y s t sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：c o m b s h a p e dc h i r a lp o l y m e r ， a s y m m e t r i ch y d r o s i l y l a t i o n ， c h i r a lt r a n s i t i o nm e t a l c o m p l e x e s ， m i c r o e n v i r o n m e n tc o n t r o lo f c h i r a lc a t a l y s t s 4 星二塑坌堕笙 至塑塑堕楚墨 第一部分绪论 1 1 不对称合成概要 手征性是一切生命的要素之一，人体及动植物对药物具有精细的手性识别 作用。某些旋光性药物通常只有一种光学异构体具有特定的药理活性，另一种 异构体有时非但无此活性，甚至有毒副作用。6 0 年代“沙利度胺悲剧”就是 一个例予。惨痛的教训使人们认识到，对于手性药物必须对它的立体异构体进 行分别考察，慎重对待。1 9 8 4 年荷兰药理学家a r i e n s 极力提倡手性药物以单 一旋光异构体上市，并称手性药物中低效异构体为“异构体压舱物” 2 1 ，抨击 以消旋体形式进行药理研究及药物销售。他的一系列论文的发表引起药物学界 研究部门以及管理部门的广泛重视。在这一形势下，兴起了光学纯化合物合成 的世界性研究潮流。 光学纯化合物合成有多种方法 3 】： 生物控制丁主竺竺冀兰f 发酵工程 蒿鋈笼螽翟胞 生物控制ir 发酵工程弋商；赢茹鬲 。控制酶代谢t 酶工程 蓄囊囊：。 l 酶工程弋甚警冗“ 化学控制，芎养籍差亲字 鎏蓥萋誓棼 靠著篓器结晶 l 不对称合成 篷茬茎量型 手性化合物种类繁多，结构复杂，没有单一而普适的最佳合成方法。必须 综合考虑下列因素：( 1 ) 底物、试剂、催化剂等的成本及易得性；( 2 ) 合成 反应步骤的繁简性、效率及引入手性的前后； ( 3 ) 化学、光学和时空收率； 不对称舍成概要 第一部分绪论 ( 4 ) 产物分离纯化的难易及资源利用率；( 5 ) 反应条件，操作控制，设备材 质，安全与环境等。 表1 - 1 不对称催化合成在工业中的应用 反应类型生产公司金属产物参考文献 氢化 氢甲酰化 氢氰化 环氧化 环丙烷化 烯烃异构化 c = o 还原 m o n s a n t o ，v e b a n i c ，e n i c h e m 高沙 m o n s a n t o m o n s a n t o u n i o nc a r b i d e d u p o n t j t b a k e r a r c o a r c o u p j o h n e m e r c k 住友，m e r c k 高砂 高砂 m e r c ks h a r pd o h m e c u r h r h b l 多巴胺 l 苯丙氨酸 沙纳霉素 萘普生 ( s ) 一布洛芬 萘普生 萘普生 环氧十九烷 普萘洛尔 缩水甘油 c 。一环氧醇 抗高血压药 ( c r o m a k a l i m 类药) 西司它丁 l 薄荷醇 铃兰香精 m k 0 4 1 7 手性化合物的过渡金属不对称催化合成法是很有发展前景的方法。所用的 催化剂结构简单清楚，易精细调变，反应温和，可大规模处理高浓度底物，已 成为一种生产效率高、光学选择性好的合成方法。该方法在手性药物工业和香 料工业上已取得了突出的成果( 见表1 1 ) 。在催化反应研究方面，已在不对 称氢化、环氧化、环丙化、烯烃异构化、氢氰化、硅氢化、双烯加成、烯丙基 烷基化等几十种反应上取得了成功 1 2 - 1 3 】。其中不对称硅氢化反应由于反应条件 温和、对映体选择性高等特点近年来在国际上日益受到重视。以下将对该领域 的近期研究进展做一简要评述。 川网旧网嘲嘲嘲吲嘲嘲嘲吲 坦吲旧 鼬趾胁胁n胁n；=n n 蔓二堡坌堕堡 垡些至墅签壁冬丝星壁堡塞堂曼 1 2 催化不对称硅氢化反应研究进展 1 2 1 前手性羰基化合物的不对称硅氢化反应 羰基化合物的不对称硅氢化是氢硅烷对c = o 双键的光学立体选择性加成： r i r 2 c ：o + h s 熙堕毒r i r 2 c h o s i r 3 旦基r i r 2 c + h o h 加成产物经水解后得到手性醇。由于光学活性醇在手性药物合成、香料工业等 领域有非常重要的用途( i 4 1 7 】，故前手性羰基化合物的不对称硅氢化还原一直受 到关注m 】。由于不对称硅氢化条件温和、对映体选择性高等特点。近年来更是 倍受青睐。美国的o j i m a 和k a g a n ，日本的h a y a s h i 和n i s h i y a m a 等在开发新 催化剂方面做了许多突出工作，使手性醇的光学产率( e e ) 达到了9 0 p 以d 2 忡1 。 我国涉足该领域较晚，1 9 9 4 年南开大学高分子化学研究所吸附与分离功能材 料国家重点实验室李弘等在天津市自然科学基金资助下于国内首先开展此项研 究工作至今已取得了很好的结果 2 0 - - 2 3 1 。o j i m a 对该领域1 9 8 2 年以前的工作曾进 行了详尽地总结1 2 4j 。以下对该领域自1 9 8 2 年以来的研究工作做一全面评述。 1 2 1 1 手性双膦配体金属配合物催化的不对称硅氢化反应 p c h 2 p h r m e ) p h 1 ( 6 2 ee ，尸 f e 、好 渺钗 三p 阡p k h 2m e ，一l 、p p h o 3d i o p ( 6 3 e c 1 2 4 p p h 2 p p l 】2 4 ( 3 2 e e 尸5 ( 6 5 e e ) 6 ( 51 e e 尸 图1 - 1 不对称硅氢化反应研究初期使用的一些手性膦配体 催化不对称硅氢化反应研究进展 第一部分绪论 p 笮釜h o 邸髓。 h s 参p h 一飓毯巍 u l r 2 底物氢硅烷催化剂转化率 光学产率参考文献 i 塑f ! 垒! ：! ：) 壁塑型 p h c o c h 2 c i 甜n p p h s i h ， ( - ) d 1 0 p - r h - 6 3 ( s )【2 4 c h 3 c o c o o n p r廿n p p h s i 心0 ) d i o p - r h 9 0 8 5 ( r ) 2 7 1 c h 3 c o c h 2 c o o c 2 h 5 a - n p p h s i h 2 ( + ) d i o p r h - 2 6 ( s )【2 7 】 c h 3 c o ( c h 2 ) 2 c o o i b u a - n p p h s i h 2 ( + ) d i o p r h 9 6 8 4 ( s )【2 7 1 p h c o m e p h 2 s i h 2 b - d l o p - r h9 0 2 9 ( s ) 2 8 1 1 1 1 q q q 2 垦b 2 婪2曼：旦! q 旦：坠 墼2 1 f 11 2 蓟 第一部分绪论 催化不对称硅氢亿反应研究进晨 而且1 , 2 和1 , 4 一酮脂比1 ，3 酮脂更具选择性。这可能是由于1 , 4 一酮脂与铑形成 了六元环过渡态( 如图1 - 3 ( a ) ) 而1 ，2 酮脂与铑可发生强的电子效应形成如图 1 3 ( b ) 所示的过渡态结构，利于立体选择性的提高。 p ( a ) ( b ) 图l - 3 ( a ) 1 , 4 - 酮脂硅氢化过渡态 ( b ) 1 ，2 - 酮脂硅氢化过渡态 o l 一位具有羟基的酮通过分子内硅氢化可以得到很高的光学产率【2 9 】。但分子 内硅氢化只限于少数具有特定结构的羰基化合物的还原。 。s 洲一d u p h o s - i p r k 。人- - si 、0 m 器一洲 。，尸“ rim ee tp h e e i 9 39 26 7 总之从以上可以看出，由双膦配体金属配合物对简单酮( 不含脂基、羟基 等) 的催化不对称硅氢化反应的光学产率普遍较低( 小于6 5 ) 。 1 2 1 2 氮施主双齿或多齿金属配合物催化的不对称硅氢化反应 1 9 8 2 年，b r u n n e r 等利用吡啶亚胺配体7 与铑的配合物催化酮的不对称硅 氢化时得到了7 9 的光学产率。随后他们又采用吡啶噻唑烷配体8 使简单酮 的不对称硅氢化光学产率提高到了9 7 6 t 3 1 3 2 。这一巨大突破引起了一场研究 手性氮施主手性配体的热潮。b r u n n e r 3 0 - - 3 3 , 3 6 , 4 4 ，n i s h i y a m a l 3 s , 4 “3 1 和b a l a v o i n e t ”1 等 许多学者对近二百多种氮施主配体进行了研究。其中配体9 t ”】，1 0 和1 1 t ”一3 1 与铑形成的配合物可使简单酮的硅氢化还原对映体过量达9 0 以上。氮施主配 9 儿 r 催化不对称硅氢化反应研究进展 第一部分绪论 体还具有价格便宜、容易从许多前手性含氮化合物制取及对空气稳定性良好等 湃多优点，具有一定的应用前景。 f - b u 9 ( 9 1 ee r ) i ” 3 1 2 1 3 手性n p 双齿金属配合物催化的不对称硅氢化反应 大多氮施主配体配合物具有一共同特点：如想得到高的光学产率往往要加 大大过量的手性配体 3 2 , 3 3 , 3 5 , 3 6 , 4 “3 1 。这可能是由于氮与金属键合常数比磷低及配 体中- 双齿位置比较固定，与金属配位时键角可调性差等因素使金属与配 f y 肿k v c h m e n m e 2 6 ( r h 一( c o d ) c l 】2 ，9 1 e e ，r ) 4 8 ( 【ir 一( c o d ) c 1 2 ，9 6 e o s ) p k p 7 丫、s ， n m e ， 1 4 ( 6 2 ee ) 【4 5 体在反应过程中容易解离的缘故。为了使膦配体高的键合常数与氮配体高的立 体选择性两者有机的结合起来，需要合成既含氮又含磷的双齿或多齿配体娜】。 其实早在b r u n n e r 使用双齿氮配体以前，h a y a s h i l 2 4 1 ，p a y n e 2 4 1 等就已对m j d 一双 卧 k 椭 嘤一 第一部分绪论 催化不对称硅氢化反应研究进展 齿配体进行了研究，并获得了7 2 1 拘对映体过量。这也是当时对简单酮硅氢化 时所得的最好结果。最近又合成了许多新型氮膦配体。其中配体1 5 和1 6 p 4 。3 5 1 的配合物的催化硅氢化光学产率达9 0 以上，使用配体1 7 t 4 9 - 5 0 和1 8 1 5 1 l 也得到 了较高的光学产率。值得指出的是配体1 6 的配合物不仅对芳香酮具有较高的 立体选择性，而且对脂肪甲基酮硅氢化也具有很高的光学异构选择。i 生( 8 7 8 9 ee ) 。这是至今对脂肪酮硅氢化所得的最高光学产率【2 4 】。另外配体1 6 与 r h 和i r 形成的配合物催化酮的硅氢化时所得手性醇构象相反，这与其他文献 报道结果一致1 5 2 5 3 l ，所不同的是，使用该催化剂得到了出奇高的光学产率 ( 9 6 e e ) 。 1 2 1 4 前手性羰基化合物的不对称硅氢化研究新动向 1 ) 新型双膦配体的开发 19 ( 9 2 e e ) 2 0 ( 9 2 e e 一2 1 ( 8 7 e e ) 在大多膦配体的设计过程中，为创造一个手性环境往往需要在磷原子上引入 体积大的取代基如p h ，环己基等。但s a w a m u r a 等f 5 4 i 在研究配体1 9 与铑的配合 物催化酮的硅氢化时发现，如果当取代基过于庞大还会引起负效应。当他在磷 原子上引入b u ，p r 等“软基团，时得到了9 6 的对映体过量。另外b u r k 等1 ”1 用 双膦配体2 0 时也得到了9 2 的光学产率。采用配体2 l 时光学产率也非常高 ( 8 7 ) ”。这说明在不对称硅氢化反应中使用手性单膦或双膦配体并不总是获 催化不对称硅氢化反应研究进展 第一部分绪论 得低的对映体过量。关键是调控好配体的取得代基效应。这样就为在不对称硅 氢化反应中重新使用双膦配体燃起了希望之光。由于手性双膦配体在不对称氢 化工业应用中已同渐成熟，所以新的不对称硅氢化用双膦配体的设计具有广阔 的应用前景。 2 ) t i ，i r ，r u 等金属配合物催化剂的研究 j _ p r - p r 2 2 2 3 在对前手性羰基化合物不对称硅氢化研究的初期，人们对p d ，p t ，i r ，r h 等金 属配合物催化剂进行了广泛的研究】。结果发现r h 配合物是最高效的催化 剂。所以在以后的研究中几乎都使用r h 配合物催化剂。最近n i s h i b a y a s h i 【4 7 “1 发现，配体1 6 与i r 形成的配合物对苯乙酮催化硅氢化时光学产率高达9 0 ， 而且比相应的r h 配合物高。b u c h w a l d t ”1 合成的t i 配合物2 2 对苯乙酮的催化 不对称硅氢化光学产率高达9 1 。u e d a r 5 8 i 合成的硫冠醚r u 配合物2 3 在催化 反应中也获得了中等程度的光学产率。t a k e s h i t ”合成的t i 配合物2 4 对映体选 择性虽然不高( 5 3 ) ，但在催化过程中发现了有趣的6 6 自动诱导对映体选择，现 象。从以上可以看出，除r h 配合物之外，t i ，i r ，r u 等过渡金属配合物对不对称 硅氢化也具有很高的对映体选择活性。因此有必要在这方面进行更系统地研 究。 蔓二墅坌堕堡 堡垡至墅整壁墨些星壁堑塞! ! 墨 3 1 其他新型配体的开发 n i s h i y a m a l 6 0 - 6 1 等把手性有机硒化合物与i m ( i ) 形成的配合物2 5 用于酮的 不对称硅氢化反应时意外地得到了很高的光学产率( 8 5 ) 。有趣地是该催化剂 对一酮脂硅氢化还原的光学产率( 6 0 ) 低于苯乙酮，与一般催化剂结果恰恰相 反。说明该催化剂遵循一种独特的催化机理。这样催化剂2 5 的发现给手性催 化剂大家族中增添了一个新门类1 6 0 - 6 1 。 4 ) 高分子金属配合物催化的不对称硅氢化反应 在均相催化中，催化剂具有分离回收困难，操作复杂，不适合连续化操作 等缺点。因此设计合成手性高分子金属配合物催化剂势在必行。近年来在由高 0 “ o p p l 】2 p p l 】2 2 6 ( 5 8 5 e e ) 分子金属配合物催化的不对称d i e l s a l d e r 反应、烷化、氢甲酰化、氢化等方 面已取得了很大的进展【6 2 1 ，但对由手性高分子金属配合物催化的不对称硅氢化 的研究较少。 ( 催化不对称硅氢化反应研究进展 第一部分绪论 最初当把d i o p r h ( i ) 配合物固载于高分子之上时，硅氢化光学产率与相应 的均相催化剂相当【2 4 i 。但当固载于无机载体之上时光学产率大大降低】。 最近b r u n n e r 等合成了带有嗯唑啉结构的高分子手性配体2 7 ，其与r u 的 配合物用于催化苯乙酮的不对称硅氢化反应时发现这种催化剂在重复使用时仪一 苯乙醇的光学产率不断提高，到第十次使用时光学产率( e e ) 竟达9 2 5 【6 3 1 。该 研究表明，载体结构的设计是获得具有光学立体异构选择性催化剂的关键。首 先，设计的催化剂骨架与反应溶剂要有很好的相容性。其次就是高分子催化剂 中催化活性点的微环境越接近相应的均相催化剂微环境时催化效果越好。 总之，关于羰基化合物的不对称硅氢化的研究已硕果累累。所有这些都为 手性有机物工业化生产的到来提供了丰富多采的可供选择的潜在技术。不对称 合成工业化时代必将到来并且将会成为实用有机合成中重要技术之 。 1 2 2 前手性烯的不对称硅氢化反应 烯烃的不对称硅氢化是氢硅烷对c = c 双键的光学立体选择性加成： r l h c ：c h r 2 + h s 飓- 雕h c + h c h 2 r 2 坚：垦旦竺生r i h c * h c h 2 r 2 3 熙h 2 0 2o ih s 哟 加成产物中s i c 键难于裂解得到有用的产物，在研究的初期该反应并没有引 起人们的兴趣。真到1 9 8 3 年，s i c 键氧化裂解方法的发现l ，重新激发了人 们的研究热潮，但以后的几年中直未取得明显进展。低的光学产率使人们对 这一方法逐渐失去了信心。但令人欣慰的是，最近发现的m o p p d 催化剂对稀 的不对称硅氢化研究注入了新的血液。使用该催化剂对稀的不对称硅氢化可 得到9 0 以上的光学产率1 6 6 1 。以下将对该领域最新研究成果做总结。 蔓二麴坌堕鲨 堡些至墅整壁墨垡垦堕雯塞茎! 垦 1 2 2 1 端基链烯烃的不对称硅氢化 对由p t ，r h 和n e 催化的1 烯的硅氢化反应已有了许多研究脚1 。反应按反 m a r k o v n i k o f f 规则进行，得到1 硅基取代产物。当用p d 膦配合物催化苯乙烯 的硅氢化时却得到了含手性中心的2 一硅基取代产物： p h c h = c h 2 + h s 迁b p h c h 2 c h 2 s 码 $ 飓 i 。 p h c + h c h 3 这也是人们梦寐以求的结果。所以在以后的研究中主要用p d 一膦配合物催化 剂，但奇怪的是大多数工作都局限于对1 ，3 一二烯和苯乙烯的不对称硅氢化研究 1 6 7 1 ，很少用于端位脂肪烯烃的硅氢化反应。 为了寻求能够锝到2 一硅基取代烃的高区域选择性和高对映体选择性的硅 氢化催化体系，h a y a s h i 等在这方面做了特别突出的工作m l 。当他们在利用膦 p d 催化体系对端位烯进行硅氢化的研究中发现，p d 与双膦配体( d p p b ， c h a r a p h o s 和b i n a p 等) 形成的催化剂在8 0 c 时还没有催化作用，面p d 与单 瞵配体( 如p p h ，) 形成的催化剂在4 0 。c 时就能使1 己烯的硅氢化反应发生， 并且还对2 一位的硅氢化具有很高的区域选择性。这是因为单膦配体能够形成一 个四方形的中间体：p d h ( s i c i ，) l ( c h ：= c h r ) ( l 为单膦配体) ，给烯提供了活化 位点，而双膦配体却不具有这一特点。当使用具有立体性强，骨架坚硬的单膦 配体时区域选择性和立体选择性都有了很大的的提高。 h a y a s h i 在研究中发现p d ( s ) 一m o p 催化剂是独特的具有区域选择性( 形成 2 硅基烷) 和高的对映体选择性的催化体系。用它催化的脂肪烯的不对称硅氢 化结果如下所示【6 9 】。四种配体都表现了很高的催化活性和选择性。说明配体 2 位的取代基对催化选择性及活性影响不大。在机理研究中发现，催化循环 催化不对称硅氢化反应研究进展 第一部分绪论 中既有p d ( 1 一a l k y l ) l ( s i l y l ) 中间体，又有p d ( 2 一a l k y l ) l ( s i l y l ) e f t i 司体，并且形成了 一个相互转化平衡。m o p 配体能够加速2 一硅基烷从中间体p d ( 2 - a l k y l ) l ( s i l y l ) 上的还原消除【7 “。 给“。一酗墼豢 x 兰i q 坚! ( ! 墅q 生! i ! 1 2q 篁型2 1 1 q 虫坠q 1 2 p p h 2 e e j 9 59 19 59 3 ( s ) - m o p 1 2 2 2 环烯的不对称硅氢化 在环烯的对映异构位( e n a n t i o t o p i cp o s i t i o n ) 进行单功能基化是一个能够 一步构筑多个手性中心的非常诱人的方法之- - i ”1 。降冰片烷醇是一个极有价值 的手性中间体，可用于许多重要化合物的合成1 7 2 1 。由 限) 一( s ) p p f a p d c i ：作为 催化体系进行降冰片烯的不对称硅氢化时对映体过量较低( 5 3 ) m 1 。h a y a s h i 等 庞f 奄。 9 6 c c q c m e 。i 岛( 胁警9 娉5 e e 。h ) 蛉洲) 。) 如蛙h ) 如( m 企9 9 e 。3 一如( 弯) 把m o p p d 催化剂体系用于了催化硅氢化降冰片烯时高产率，高光学活性 ( 9 3 9 6 e e ) 地得到了降冰片醇1 7 4 1 o 另外用p d m o p 硅氢化双环【2 ，2 ，2 】庚烯 h 发 第一部分绪论 催化不对称硅氢化反应研究进展 1 7 4 1 ，二脂羧基降冰片烯，以及二氢呋哺衍生物【7 5 1 时也得n - f 前所未有地高光学 产率。令人欣慰的是当m o p p d 用于对降冰片二烯硅氢化时通过控制h s i c l ， 的量可得到高光学纯的3 2 和3 3 1 7 ”。而由氯铂酸【7 6 i 和p d p p h ，f 7 7 1 催化时却得到 产物3 4 。 1 2 2 3 苯乙烯的不对称硅氢化 自从选用p d 膦配合物催化体系对苯乙烯区域选择性地进行o 【位硅氢化加 成以来”】，人们对许多p d 膦体系进行了研究。但在很长一段时间内对映体选 择性并没有多大改善( 光学产率小于6 5 ) 。h a y a s h i 等开发的x m o p p d 一催 化体系( x = o m e ，o h ，c o ，m e ，c n ，e t ) 虽然在用于1 脂肪烯和环烯的不对 称硅氢化时获得了很大的成功，但当用于催化苯乙烯的硅氢化时结果并不好 1 7 8 1 ，无论x 是供电还是吸电基因，光学产率均小于3 4 。说明配体2 f _ 位取代 基的电子效应对对映体选择影响并不大。考虑到2 。位位阻因素，他们于1 9 9 4 年又开发了新的配体h - m o p f 7 ”。令人惊喜是该配体与p d 形成的配合物在催化 苯乙烯的硅氢化时得到了9 6 的光学产率( e e ) 8 0 l 。因为在联双萘骨架上，两 个萘环间二面角的大小决定于2 f - 位取代基的体积大小，所以对映体选择性可 能与两萘环间二面角的大小有关。 h o 时r 型骂一时人r x 毫艚f 警幽驾盟鼍鬻 p p b 催化不对称硅氢化反应研究进展 第一部分绪论 1 2 2 41 。3 - 二烯的不对称硅氢化 n h s 0 2 c f 3 入，p p h 3 i 3 9 ( 7 2 e e l o s i m e 2 b u p p h n h s 0 2 c h 3 队。 4 0 ( 6 8 e e ) o h p p h 2 ( r ) t b s o - m o