（有机化学专业论文）金属卟啉的催化氧化和手性n杂环卡宾的不对称催化研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 催化氧化和不对称催化反应是当今有机合成化学的重要前沿和热点领域。本 论文包括两部分工作：( 1 ) 合成了一系列卟啉及金属卟啉，并研究了它们催化 氧化性能：( 2 ) 设计、合成了一系列手性n - 杂环卡宾及其金属配合物，并研究 了它们在不对称催化反应中的应用。主要研究内容和结果如下： 1 发展了一种由金属卟啉氯胺t ，氧气体系高选择性催化氧化烷烃生成酮的新 方法。在室温以乙腈为溶剂，使用f e ( t p p ) c 1 ( 5m o l ) 和氯胺- t ( 5 0m 0 1 ) 为催化剂，在氧气或空气气氛中，苄基和烯丙基位的亚甲基可被氧化为 酮羰基，产率达到5 2 8 7 。该体系对醇也有较好的催化氧化效果。与文 献报道的方法相比较，这种新方法具有以下优点：( 1 ) 反应高选择性地得到 酮：( 2 ) 反应条件温和。 2 合成了1 0 种带有稳定氮氧自由基的卟啉和金属卟啉，考察了它们对烯烃环 氧化、氧化硫醚生成亚砜和醇氧化成醛或酮的催化活性，并比较了这些卟啉 和金属卟啉在不同氧化体系中的稳定性。发现连有稳定氮氧自由基的卟啉锰 ( i i i ) 络合物在n a o c l 中比较稳定，可以高转化率、高选择性地氧化硫醚生成 亚砜和氧化醇生成醛或酮。 3 合成了3 种基于鬼臼毒素的手性n 杂环卡宾，并分别将它们与7 烯丙基钯 络合得到卡宾一烯丙基钯络合物，通过x 射线单晶衍射分析确定了卡宾一 烯丙基钯络合物的结构。发现这些卡宾一烯丙基钯络合物对空气和水都较稳 定。考察了这些手性n 杂环卡宾及其烯丙基钯络合物催化兀烯丙基化合物取 代反应的性能，获得了较高的转化率和对映选择性，e e 值最高达到8 2 。 初步考察了这些n 杂环卡宾与r h 2 ( 0 a c ) 4 原位产生的配合物催化苯硼酸与芳 香醛加成反应的性能，得到了中等的对映选择性( 4 0 e e ) 。 4 。设计并合成了3 种基于辛可宁的手性n 杂环卡宾，并分别将它们与兀一烯丙 基钯络合得到卡宾一烯丙基钯络台物。初步探索了这些手性n 杂环卡宾催化 什烯丙基化合物取代反应的性能，得到了中等的对映选择性( 5 1 e e ) 。 关键词：卟啉，金属卟啉，氮氧自由基，催化氧化，n 杂环卡宾，鬼臼毒素，辛 可宁，烯丙基钯，不对称催化。 塑垩查堂堡主堂堡垒壅 一一 a b s 缸a c t c a t a l y t i co x i d a t i o na n da s y m m e t r j cc a t a l y s j sh a v ea t t r a c t e di n t e n s i v c j n t e r e s if 如m b o t ho r g a l l i cc h 锄i s t sa n di n d u s tr y t h i st l i e s i si n c l u d e st w op a n s ：( 1 ) as e r i e so f p o r p h y r i i l sa n dm e t a l l o p o r p h y r i n sw e r es y n t h e s i z e d 弛dc v a i u a t e df o rt h e i rc a t a l y t i c o x i d a t i o na c t i v i t y ；( 2 ) as e r i e so fc h i r a ln h e t e f o c y c l i cc a r b e n e s ( n h c ) a n dt h e i r t r a n s i t i o n a lm e t a lc o m p l e x e sw e r ed e s i g i l e da i l ds y n t h e s i z c d ，a n dt h c i ra p p l i c a t i o n si n c a t a l y z e da s y m m e t r i c r e a c t i o n sw e r e i n v e s t i g a t e d t h e r c s e a r c hr e s u l t sa r c s u n l m a f i z e da sf b l l o w s ： 1 an e wm e t h o df o rt h es e l e c t i v eo x i d a t i o no fs a t u r a t e dh v d m c a r b o n st 0k e t o n e s u s i n gt h ef e ( 卯p ) c l c h l o r 锄i n e - i y 0 2s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d i tw a sf o u n d t h a tc h l o r a m i n e t ( o 5e q u i v ) c o m b i i l i n gw i t t lo x y g e na so x i d a n t u l ds e l e c t j v e l y c o n v e r tb e n z y la n da l l y lm e t h y l e n e si n t ok e t o n e su s i n gf e ( 口p ) c l ( 5m o l ) a 8 c a t a l y s t a tr o o mt e m p e r a t u r ei nc h 3 c n n i ss y s t e mi sa l s oe f f i c i e n tt ot h e o x i d a t i o no fa l c o h 0 1 s ( b m p a r e dw i t ht h ep u b l i s h e dm e t h o d s ，o u rp r o c e d u r eh a s s o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 曲s e l e c t i v i t i e sa i l dv e r ym i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n s 2 1 c np o r p h y 血sa n dm e t a l l o p o r p h y r i n sl i i l k e dw i t hs t a b l ei l i t r o x y lr a d i a l sw e r c s y n t h e s i z e d ，a i l de v a l u a t e df o rt 1 1 ec a t a l y z e de p o x i d a t i o no f0 1 e f i n s ，t h ec a t a l y z e d 0 x i d a t i o no fs u l f i d e st os u l f o x i d e s ，a n dt h ec a t a l y z e do x i d a t i o no fa l c o h o l st 0 a l d e h y d e so r k e t o n e s nw a sf o u n dt 1 1 a tm a n g a n e s ep o r p h y r i n sl i n k c dw i t hs t a b l e n i t r o x y l r a d i a l sc o l l l ds e l e c t i v e l yo x i d i z e ds u 蜥d e sa i l da l c o h o l su s i n gn a o c l a s t h eo x i d a n tt 0g i v es u h b x i d e sa n da l d e h y d e so rk e t o n e s ，r e s p e c t i v e l y 3 n l r e ec h i r a ln h e t e r o c y c l i cc a r b e n e sd e r i v e df r c mt h en a t u r a l l yo c c u r r e d p o d o p h y l l o t o x i nw e r es y n t h e s i z e d n e yc o o r d i n a t e dw i t h 【盯- a l l y l ) p d ( b r ) 】2 t o 0 b t a i nn h c p d a l l y l m p l e x e s ，w h i c hw e r es t a b l et ow a t e ra n da i r t h es t r u c t u r e 0 fn h c p d a l l y lc o m p l e x e sw a su n 锄b i g u o u s l ye s t a b l i s h e db yx - r a ys i n 9 1 e c r y s t a la n a l y s i s t h e s ec h i r a ln h c a n d n h c p d - a l l y lc o m p l e x e s w e r ef o u n dt ob e a b l et o c a t a j y z et h es u b s t i t u t i o nr e a c t i o no fa i l y i i cc o m p o u n d s ，g i v i n gh i g h c o n v e r s i o n sa i l de n a n t i o s e l e c t i v i t i e s ( u pt o8 2 e e ) nw a sa l s of o u n dt h a tt h e c h i r a ln h cc o m b i n e dw i t h r h 2 ( o a c ) 4c o u l dc a t a l y z e t h ea d d i l i o no f p h e n y l b o r o n i ca c i d t o4 - b r o m o b e n z a l d e h y d ew i t hm o d e f a t ee n a n t i o s e l e c t i v i t y ( 4 0 e e ) 4 t h r e ec h i r a ln - h e t e r o c y c l i cc a r b e n e sd e r i v e df r o md n c b o n i n ew e r es y n t h e s i z e d t h e yc o o r d i n a t e dw i t h ( q - a l l y l ) p d ( b r ) 】2t og i v en h c p d - a n y lc o m p l e x e s t h e s e c h i r a ln h cw e r ef o u n dt ob ea b l et oc a t a l v z et h es u b s t i t u t i o nr e a c t j o no fa l l y l i c i i 浙江大学博士学位论文 c o m p o u n d s ，g j v j n gm o d e r a t ee n a i l t i o s e l e c t i v i t i e s ( 5 1 e e ) k e yw o r d s ：p o r p h y r i n ，m e t a l l 叩o r p h y 血，n i t r o x y lr a d j a l ，c a t a l y t i co x i d a t j o n ， n _ h e t e r o c y c l i c c a r b i n e ， p o d o p h y l i o t o x i n ， c i n c h o n i n e ， l y l i c p a l l a d i u m ，a s y m m e t r i cc a t a l y s i s i 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 金属卟啉对烷烃的催化氧化 卟啉( p o r p h 蜘n s ) 是卟吩( p o 印h i n e ) 外环带有取代基的同系物和衍生物的总称。 它的母体是卟吩，其结构如s c h e m e1 1 ，当其中的吡咯质子被金属离子取代后即 为金属卟啉( m 渤l l o p o r p 蛐i s ) 。 s c h e m e1 1s t r u c t u f eo f p o r p h j n e 卟啉及金属卟啉化合物广泛存在于动植物中，具有特殊生理活性，如血红素、 叶绿素、维生素b 1 2 、细胞色素p - 4 5 0 等。由于其分子具有刚柔性、电子缓冲性、 光电磁性和高度的化学稳定性，旱在2 0 世纪3 0 年代就有人从事卟啉化学的研究， 现已被广泛用作光导体、半导体、超导体、催化剂、抗癌药物、显色剂等【1 0 。 近年来，这一有重大科学意义和广泛应用前景的研究领域愈来愈引起无机化学、 有机化学、分析化学、物理化学、材料化学、医学及生物学家的兴趣，有关的交 叉学科分支正在形成【3 】0 卟啉及其金属配合物作为一类具有大共轭平面特殊结构 的物质，在新材料的开发( 例如磁性材料、液晶材料、半导体材料、光学材料、 气敏材料及分子电子材料等) 、药物化学、分析化学、分子识别以及仿生催化等 领域都有着非常广阔的应用前景。 1 1 1 卟啉的结构与性质 卟吩环是含四个吡咯环的十六元大环，四个毗咯环之间的碳( 5 ，l o ，1 5 ，2 0 ) ( 在，f - ， p 嘶自号法中称为a ，声、y 、d ) 被称作中位沏8 如) 碳，其余8 个可被取代的碳 称作外环碳。在a 、y 、d 位上分别接上r l 、r 2 、r 3 、r 4 取代基形成一系列卟啉， r 1 r 4 可以相同，也可以不同。卟吩环没有取代基时近似于平面结构【4 】，但易受 四个掰e s o 取代基的影响雨变形，如四苯基卧啉( t e t r a - p h e n y l p o 哟r i n s ，简称 t p p l ，其取代基苯基和分子平面形成一定角度。若卟啉分子中心四个氮原子质子 化，由于质子的空间位阻和静电斥力使吡咯环与分子平面产生偏离，如质子化的 四苯基卟啉( h 4 t p p ”) ，吡咯环与分子平面偏离3 3o 吼所以金属离子与卟啉发生 浙江大学博士学位论文 反应时，有的金属离子可以完全进入卟啉分子平面内，如c u 殂p 和p d t p p 【6 】，而 有的金属离子则不能进入口卜f 分子中，如在h 2 0 - m g t p p 配合物中，m 矿+ 高出分 子平面约0 0 2 7 n m 。 卟啉及金属卟啉都是高熔点、深色的固体，多数不溶于水，但能溶于矿酸而 无树酯化作用，溶液有荧光，不溶于碱，对热非常稳定。 1 1 2 卟啉及其金属卟啉化合物的合成 2 0 世纪3 0 年代r 0 也e m u n d 【6 】首先采用苯甲醛和吡咯，以毗啶为溶剂在密封管 1 5 0 下反应2 4 4 8 h 合成了t p p ，但所得产率很低。近几十年来，卟啉类化合物 的合成方法不断改进，产率也有所提高。下面对单分子型卟啉和金属卟啉的合成 方法分别进行了阐述。 1 单分子型卟啉的经典合成法 1 9 6 7 年d e r 【7 1 提出将等物质的量的砒咯和( 取代) 苯甲醛在丙酸溶液中回流， 在1 4 1 下反应3 0m 血制得( 取代1 四苯基卟啉，所得粗品中往往含有二氢卟琳， 它可用二氯二氰基对苯醌( d d q ) 或二甲基亚砜( d m s 0 ) 或亚硫酰氯进行氧化脱 氢，使其转化为卟啉，卟啉产品收率为1 0 3 0 。此方法不必将容器密封，并 且用该方法合成中位取代卟琳化合物操作简单，可制得近7 0 余种取代卟啉衍生 物。再在适当的有机溶剂中与要引入的金属盐类进行回流，得到相应的金属卟啉， 合成路线见s c h e m e1 2 。 p h m l 2 + t p p h 2 p r o p j o n j ca c j d r e f l u f p p h 2 ) m t p p + 2 h l p h + h 2 0 s c l i e m e1 2s y n t h e s i so fp o r p h 蜘na n dm e t a l l o p o r p h f i n 1 9 8 7 年l i n d s e y 等人岱j 采用苯甲醛和吡咯在氮气保护下，于二氯甲烷溶剂中用 b f 3 e 2 0 作催化剂，室温下反应生成卟啉原，然后用d d q 或四氯苯醌( t c q l 氧化 合成曰p h 2 ，其卟啉产品产率可达3 0 4 0 。但该方法反应浓度低，且最大反 应容积为1l ，放大后效果不好。舢d e r 彳口“n d s e y 合成法是合成卟啉化合物的两种 经典方法。卧嗽化合物由四分子吡咯和四分子芳醛缩合反应面成，反应历程见 2 囟 浙江大学博士学位论文 s c h e m e1 3 。 h + 留一铲l 囝里h h u hh o h s c h e m el 3m e c h a i l i s mo fp o 艰h 州n ss y n t h e s i s 卟啉化合物的合成主要有两个问题：一是产率较低，一般为1 0 3 0 ，二 是其合成受条件的影响较大。近年来，许多化学工作者提出了不少针对性强的改 进方法。1 9 9 1 年郭灿城等人1 9 】用d m f 作溶剂，无水舢c 1 3 作催化剂，反应中不需 n 2 作保护，经苯甲醛和毗咯缩合反应可直接合成口p ，产率达3 0 ，而且产物中 不含副产物四苯基二氢卟啉( t p c i 。杨彪等1 1 0 】以二甲苯为溶剂，用对硝基苯甲酸 或水杨酸催化，回流反应2 5h ，t p p 产率为5 5 4 ，在此条件下合成四( 对二甲氨 基苯基) 卟啉，产率可达3 1 6 ，且对于其它水溶性较差的卟啉有较高的产率。 2 m a c d o n a i d 合成法( 也叫【2 + 2 】合成法) 该方法可方便地合成具有两重对称轴的四苯基卟啉( 也称t r a n s 一卟啉) ，还可合 成中位是四个不同芳基取代的卟啉。如b e n i a m i n 、i j t t l e r 等人f 1 1 】研究了从二吡咯 甲烷和芳醛制备t r a n s 卟啉的条件，得出了两组较佳条件：f 1 ) 在m e c n 中，o 下用b f 3 - e t 2 0 催化缩合，再用d d q 氧化。( 2 ) 在d m s o 中，1 0 0 n h 4 c l 存在下缩 合，再用空气氧化，合成路线如s c h e m e1 4 。 3 扩 浙江大学博士学位论文 + 1t f a 5 m i n ! 巳型! ! 堂! ! 1 3r e c r y s t a m z a t i o n 9 l 却+ b 员h c o n d e n s a t i o n 2o x i d a t ；0 n 5 却 hh b a b a s c h e m e1 4s y l l m e s i so f t r a n s - m 盱d - t e t r a k i s p h e n y lp o i p h ”i n u s i n g 【2 + 2 】m e t h o d r a o 等人【12 】进一步研究单酰化二毗咯甲烷的合成和没有立体阻碍的t r a n s 一卟 啉的合成条件，提出了一条简洁、无异构产物的t r a n s 卟啉的合成路线：二吡咯 甲烷和毗啶基硫酯选择性单酰基化一还原一自缩合顺利地生成目标产物，其合成 如s c h e m e1 5 。用【2 + 2 】合成卟啉法具有很大的灵活性，还可用于低聚卟啉的合 成。 c h o1t f a 5 m t n 囟+ 审等 邺口k + 。舟旦邺口8 一s o 邺口8 一。o 昙 1m e c n t f a 一h 3 c 2 d d 0 国 鼯叫3 s c h e m el 5s y n t h e s i so fn a n s 一， e s d - t e t r a k i s p h e n y lp o r p h y r i nu s i n g 【2 + 2 】m e t h o d 4 h ho 以 。 9 一 。 浙江大学博士学位论文 3 金属卟啉化台物的合成 母体卟吩自由碱的2 个毗咯质子被金属取代后即成金属卧啉。根据中心金属 离子( m ) 和取代基团( r 1 ，r 2 ，r l ：) 的不同，金属卟啉有多种不同的具体结构形 式。虽然理论上可以有无数种不同的取代金属卟啉，迄今却只有少数几种天然金 属卟啉在自然界的动植物体内被发现。天然卟啉通常是i 8 位被取代，而人工合 成卟啉则主要是9 1 2 位取代物。 不同的分类标准可把金属卟啉分为不同种类。按金属在元素周期表的位最， 金属卟啉可分为主族金属卟啉、过渡金属卟啉和镧系、锕系金属卟啉。元素周期 表中几乎所有的金属和一些非金属元素都可以与卟啉作用形成各种卟啉配合物。 在这些化合物中，包括了大部分的主族和副族金属元素和一部分第3 、4 、5 主族 的非金属元素，以及一些镧系金属( p r 、e u 、y b 等) 。按金属原子在卟啉环上的 结构，金属卟啉又可分为平面内型金属卟啉和平面外型金属卟啉。 金属卟啉按其结构，又可以分为三类： 第一类金属卟啉：不同金属原子螯合的t p p 类金属卟啉，该类卟啉易于合成， 现广泛应用于各类催化氧化体系； 第二类金属卟啉：在第一类金属卟琳大环体系的苯基上引入各类取代基后的 衍生物，包括冠醚型卟啉、对面型卟啉等，由于取代基的引入，使金属卟啉在催 化过程中的手性对映选择、位阻大小或亲电子性有所改变，使其催化作用具有一 定的选择性，能更好的模拟生物酶： 第三类金属卟啉：在构成卟啉环的吡咯口位上引入氟，氯，溴等原子，对卟 啉环进行修饰，改变卟啉性质，提高了拟真程度。 1 1 3 金属卟啉对烷烃的仿生催化氧化 金属卟啉配合物是细胞色素p 4 5 0 单加氧酶的有效模拟物，在催化烃类氧化 反应方面具有独特的性质。因此，金属卟啉配合物作为仿生催化剂的研究早已受 到广泛关注，发展十分迅速【1 3 】。细胞色素p 一4 5 0 单充氧酶具有类卟啉的核心结构， 能催化生物体内许多有机物和分子氧之间的化学反应，例如脂肪族化合物及其侧 链的羟基化，烯烃的环氧化、氧化脱e - ) 、( 0 一) 等，是生命体中唯一能使碳氢化 合物官能l 司化的酶。但p _ 4 5 0 不稳定，且只能从动物体内提取，来源困难。利用 金属卟嗽具有优良电子转移能力的结构特征，合成高效、高选择性、高稳定性的 金属卟啉作为催化剂，建立各类仿生催化模型，模拟生物体内细胞色素p 4 5 0 酶 在新陈代谢过程中的作用，进而揭示生命活动中的奥秘。还可进一步开发适用于 工业生产的烃类仿生氧化新工艺，推动传统化学工业的技术革命。当前，金属卟 啉在仿生催化领域的研究重点在于催化烷烃羟基化和烯烃环氧化的反应，在催化 浙江大学博士学位论文 氮烯转移和卡宾转移等反应也有研究【1 。 金属卟啉仿生催化氧化研究目前已取得较大进展，下面就对金属卟啉催化烷 烃氧化的研究作一简单的归纳总结。 1 9 7 9 年，g r o v e s 等【1 5 】提出了亚碘酰苯一金属卟啉一环己烷模拟体系，首次 实现了细胞色素p 4 5 0 单充氧酶的人工模拟反应，在这一反应中，亚碘酰苯作为 氧原子供给体，氯化四苯基卟吩合铁被用作细胞色素p 4 5 0 单充氧酶的模型化合 物，起着传递氧的作用，反应式见s c h e m e1 6 。 n + p h i o u t p p f e c l 厂o h + p h ， s c h e m e1 6o x i d a t i 彻o fc y d o h e x a n ew j mp h i oc a t a l y z e d b y 。i p p f e c l 由于这一反应，首次实现了在温和条件下，高选择性和高转化率地催化烷烃 羟基化反应，因而引起人们的关注，在金属卟啉的仿生催化方面掀起了研究的热 潮。 人们通过选择不同的金属卟啉、底物及氧化剂建立了各类模拟酶体系，寻找 更多更好的金属卟啉模拟酶，并进一步探讨细胞色素p 一4 5 0 单充氧酶反应的机理。 在各种催化体系中，金属卟啉的选择由最简单的四苯基金属卟啉至各种取代基卟 啉、不对称卧琳、位阻型卧啉的使用，使金属卟啉模拟酶的专一性、仿真性不断 提高，同时也提高了金属卟啉的催化稳定性和对产物的选择性，从而扩大了金属 卟啉仿生催化的适用性，使金属卟啉的经济使用价值不断得以提高。同时，通过 改变氧化剂、温度、溶剂极性等体系环境，使金属卟啉模拟酶在催化过程中的微 观环境更加类似于生物体内环境，在提高拟真度的同时，也使金属卟啉的催化效 用达到最大。根据供氧方式不同，金属卟啉仿生催化烷烃氧化可分为以下三类。 1 金属卟啉催化活性单氧供体氧化烷烃 活性单氧供体是一类强氧化剂，如p h i o 、n a c l 0 、h 2 0 2 等。文献【1 6 报道用 p h i o 和四邻甲基苯基铁卟啉氧化环已烷，主要生成环己醇( 3 1 氧化剂为基准) 和环己酮( 6 ) 。氢的同位素氘标记反应羟基化，发现氢转移到高价氧配卟啉上。 s u s l i c k 等旧用p h i o 作氧化剂，研究了一系列立体保护配位的锰卟啉催化烷 烃氧化。用四( 2 ，4 ，6 - 苯基) 苯基锰卟啉催化，发现具有很好的立体选择性。 朱申杰等1 1 8 i 用f 肿p ( a ) 或m n t p p ( a ) 作催化剂研究了不同亚典酰芳烃及其 衍生物的结构对环己烷充氧反应的影响，发现取代基的电子及立体效应对氧化产 物环己醇的产率有良好的线性关系。 郭灿城等【1 9 2 0 】研究了不同取代基铁卟啉、双金属卟啉、乙酰糖基卟啉等对 p h i o 氧化环己烷的催化作用。发现催化反应速率常数k 与卟啉苯基对位取代基的 h a m m e t t 常数a 之间的关系为：i gk = o 4 5 8 2 a 一0 6 7 0 2 ，说明吸电子取代基使反应 浙江大学博士学位论文 加速：证明双锰及双铁卟啉具有与细胞色素p 4 5 0 类似的催化效用，可用作温和 条件下催化环己烷羟基化的模拟酶，并具有比相应单锰、单铁卟啉更好的催化稳 定性和催化产率，通过用色谱、紫外等波谱对其催化动力学过程进行监测，证明 双金属卟啉与其相对应的单金属卟啉具有相类似的催化历程。 江淑萍等f 2 l 】研究了不同氧原子供体和金属卟啉的轴向配体对环己烷氧化的 作用。发现n a c l o 和p h i o 可能分别与m l 胛p c l 形成具有转移氧原子能力的单核 或双核高氧化态氧代锰卟啉配合物，而h 2 0 2 则未发现此活性物种。 由于单氧供体的氧化能力过强，强氧化剂对金属卟啉本身也有氧化作用，容 易破坏金属卟啉，降低催化剂的转化数。尽管金属卟啉体现出优秀的催化活性， 但单充氧体系存在氧化剂价格昂贵、金属卟啉催化转化数不高以及氧化剂在后续 工艺中难于处理等缺点。因此，这一体系难于应用到工业中去。 2 金属卟啉催化氧气氧化烷烃 氧尽管其基态为三重态( 3 0 2 ) ，但经过活化之后，能够与单重态的普通烃类化 合物相结合而发生反应，可以用来氧化惰性碳氢键。而且，氧气不存在污染问题， 符合当前提倡绿色化学的时代要求。在近2 0 年里，许多学者用分子氧取代单充氧 化剂，以金属卟啉在温和条件下活化分子氧来氧化烃类化合物。特别是近1 0 年来， 采用分子氧作氧源选择性氧化烷烃的研究取得了重大的进展，许多新的催化模型 被提出，其可能的反应机理也引起了热烈的讨论1 2 ”。 由于采用的物理、化学手段不同，以氧气作为氧源的金属卟啉仿生催化工程 分以下几个体系。 、 光助催化体系：光能使金属卟啉发生分子内电子转移导致金属离子还原，有 利模拟酶催化。w e b e r 等【矧利用铁卟啉在钨灯光照下，室温催化氧气氧化环烯烃 和1 甲基环烯烃，发现产物的选择性受底物的影响较大，环张力越大，其环氧化 产物就越多。m a n s u y 等1 2 4 j 利用羟基作纵轴配位基的多卤代铁卟啉【f e ( t d c p p ) o h 】 在高压汞灯光照下，催化氧化环己烷，产物中环己酮占8 5 。该反应的可能机理 指出光致活化金属卟啉能够产生o h 自由基活泼物种，可以与f e ( 1 1 1 重新结合，生 成f e ( i i i ) o o r ，再分解为酮。由于该反应f e ( i i i ) 的还原步骤为速控步骤，决定了 光助催化的量子产率较低，催化过程短暂。 电化学催化体系：模拟单加氧酶的仿生催化反应中金属卟啉中心金属离子的 还原，除了还原剂可以提供电子使金属离子还原以外，直接利用电流传递的电子 也能使金属卟啉还原来活化分子氧氧化烷烃。 b a t t j o n i 等【2 5 j 在考察用水溶性比较好的季铵盐锰卧啉( m n t m p y p ) 固载在蒙脱 石上催化氧化烷烃时发现，在电化学还原的条件下其生成相应酮的选择性很高。 k a d i s h 等吲通过电化学和电子能谱等方法对取代铁卟啉的电催化反应进行了详 浙江大学博士学位论文 细的考察，提出了电引发金属卟啉活化的反应机理【2 7 】( s c h e m e1 7 ) 。 ff，一 p f e ( ) o h = ；= 兰p f e ( i i ) o h = ；= = = 苎ip f e ( i ) 1 +o h 一 【 j f1 一 p f e ( i i i 卜_ o f e u i i ) p ；= = 兰ip f e ( i i 卜一。一f e ( ) p p f e ( ) ；：竺f p f e ( i ) 1 ；：生fp f e ( i l l oo j s c h e m e1 7p o s s i b l em e c h a n i s mo fe l c c t r o i i i ca c c i v a t i o no fm e t a l p o r p h y r i n s 由于电催化工艺中引入了导电设施，耗能大，并且存在不安全因素。到目前 为止，采用电致引发金属卟啉进行催化循环还仅限于实验室内研究，工业应用的 前景不很乐观。 化学还原剂体系：生物体内的氧化反应是在有n a d ( p ) h ( 烟酰胺二核菅酸) 作 还原剂参与下完成的。化学还原剂体系由于加入了化学计量的还原剂( 如h ：、z n 、 v c 、r c h o 、c o 等) 来完成p 4 5 0 酶的2 个单电子还原，反应条件温和，因而也是 最接近生物体内细胞色素p 。4 5 0 氧化反应的模型。该体系是研究最早，也是研究 得最多的一个体系。t a b u s h i 等l 冽最先报道用合成卟啉来模拟还原分子氧的催化 循环，他用h 2 胶态p t 作为电子供体，锰卟啉催化金刚烷氧化为金刚醇。通过考 察1 ，3 二氘代金刚烷，得出桥头氢的动力学同位素效应为3 _ 3 ，而锰卟啉催化动 力学的同位索效应总是要小于铁卟啉络合物。 m u r a h a s h i 等【2 9 】以乙醛作还原剂，用多氟取代的不同金属卟啉催化活化分子 氧氧化环己烷，反应得到以酮为主的醇酮混合物，催化转化数高达1 。7 1 0 4 ，见 t a b i e1 1 。计亮年等【3 0 利用抗坏血酸( v c ) 作还原剂，加入含硫化合物、吡啶和咪 唑等轴向配体来模拟人体内微环境，用不同金属离子f 】f e 、m n 、c o ) 的第2 类金属 卧啉催化环己烷氧化为环己醇和环己酮，但烷烃转化率不高，醇酮摩尔产率仅有 2 8 5 。 t a b l e1 1m e t a i l o p o r p h y r i n c a t a l y z e do x i d a t i o no fc y c l o h e x a n ew i t h0 2i nt h e 里! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺壁! ! ! ! ! ! ! ! ： e n t r y c a t a l y s t y i e l d t u r n o v e rn u m b e r a l c o h 0 1k e t o n et b t a l + c o n d i o ns e er e f 【2 9 】 s e n 等【3 1 1 首次以一氧化碳作还原剂，用多氟卟啉钴配合物( c o t p p f 2 0 ) 催化0 2 羟基化了小分子烷烃如乙烷、丙烷的一级c h 键，产率达到1 5 。 8 浙江大学博士学位论文 直接催化o ：氧化烷烃：在无其它添加剂和技术手段辅助下，研究金属卟啉直 接催化氧气氧化烷烃是研究者更感兴趣的研究课题。最近研究表明，第3 类卤代 金属卟啉是用0 2 直接氧化烷基生成醇和羰基化合物有效的催化剂，而无需借助还 原剂、化学计量氧或光、电化学技术的辅助，产率可达9 0 。如l y o n s 等【32 】报道 了用叠氮基作为轴向配体的m e s d 四苯基卟啉铬、锰或铁的络合物，有效催化异 丁烷为叔丁醇，反应在8 0 、0 2 压力为0 7m p a 的苯溶液中进行，醇的选择性达 到8 8 9 2 ，唯一副产物为丙酮。而用全氟苯基卟啉催化，可以得到更好的效 果。在实验条件下，以分子氧作为氧源不需要协同还原剂，醇的选择性好，催化 循环数高，而且未发现催化剂母体被破坏。 进一步研究表明，金属卟啉分子结构中的苯基卤代后将引起催化活性增高， 卟啉的卤代程度越高，其催化活性越大；铁卟啉明显比钴、锰、铬卟啉的催化活 性要好，能够非常有效地催化空气直接氧化烷烃，并迅速分解生成的过氧化物： 中心金属所连阴离子对催化活性也有影响；升高温度和压力能提高催化剂转化 数。l a b i n e e f 【2 7 】认为反应是按自由基机理进行的，中心金属用于催化烃类过氧化 氢降解生成自由基。 3 金属卟啉直接催化空气氧化烷烃 金属卟啉仿生催化氧化烷烃时，反应体系的氧浓度对反应过程影响很大。空 气中的氧含量只有2 1 。与用纯0 2 相比，用空气直接作氧化剂需要增加仿生催化 体系的温度、压力，这样对卟啉催化剂的活性和稳定性提出了更加严格的要求， 也使体系的副反应和副产物增多，产率和选择性降低，反应体系的可控性变差。 但空气清洁易得，几乎不需要成本，因此研究用卟啉直接催化空气氧化烷烃，具 有更加重要的实际意义。 郭灿城等【3 3 一j 研究了以环己烷、乙苯、2 甲基丁烷等烷烃为底物，不同取代 基的单金属卧啉、双金属卟啉、乙酰糖基卟啉等为催化剂，空气直接作氧化剂无 其它助剂和技术辅助的仿生催化体系，考察了反应温度、压力、时间、空气流量、 不同结构的金属卟啉及添加量对各催化体系中产物产率、选择性等的影响，其中 对空气氧化环己烷仿生催化体系的研究结果已开始了工业应用的尝试。 综上所述，用金属卟啉催化氧化饱和烷烃对有机合成和工业应用有着非常重 要的现实意义，将饱和烷烃转化为醇和酮已经取得了较为可喜的结果，也已经开 始了工业化应用的探索，但反应的转化率仍不是很高，选择性也是制约实际应用 的关键。目前几乎所有的金属卧啉催化氧化体系得到的产物都是醇与酮的混合 物，很难得到单一的醇或单一的酮。 9 浙江大学博士学位论文 1 2n - 杂环卡宾及其金属络合物催化的反应 自从卡宾作为一种反应中间体被确定以后，它在有机化学中就扮演着一个重 要角色。许多早期的实验室工作是在2 0 世纪5 0 年代由s k e l l 完成的p ”。1 9 6 4 年 f i s c h e r 等口6 】将卡宾引入到无机和金属有机化学中以后，金属卡宾就在有机化学中 得到了广泛的应用口”。1 9 6 8 年o f e l e 和w a n z l i c k 等合成了n 杂环卡宾 ( n _ h e t e r o c y c l i cc a r b e n e s ，n h c ) 的金属络合物1 【3 8 】和2 【3 9 】( f i g l i r e1 1 ) ，但他们 仅限于金属络合物的研究。在1 9 9 1 年a n u e n g o 第一次分离得到了稳定的游离n 杂环卡宾3 4 叫i g u r e1 1 ) 以后，n 杂环卡宾引起了人们的极大兴趣。最近几年， 以n 一杂环卡宾为配体的金属催化反应逐渐活跃起来，这一领域成为了近年来有机 化学的研究热点之一j 。 p hp h 孓h 。1 nn 一一 、p hp 一 2 + 2c h 0 4 矿 心 3 f i g u r e1 1t h es t m c t u r eo fs e v e r a ln - h e t e r o c ”l i cc a f b e n e s 1 2 1n 杂环卡宾及其金属络合物的结构和稳定性 n 一杂环卡宾一般以单线态形式存在，卡宾碳原子采用s p 2 杂化形式，卡宾碳原 子周围只有六个电子，是一个缺电子体系，卡宾碳原子上的一对电子处在。轨道 上。从共轭效应考虑，两个氮原子p 轨道上的孤对电子和卡宾碳原予上的p 空轨 道可以发生给电子共轭效应，这样可以降低卡宾碳原子的缺电子性；从诱导效应 考虑，两个电负性较大的氮原子与卡宾碳原子相连，由于氮原子的吸电子作用能 够使卡宾碳原子上的孤对电子趋于稳定( f 逛u r e1 2 ) 。另外，c = c 双键参与共轭 也能够增加体系的稳定性。因此由咪唑形成的n 杂环卡宾是一个比较稳定的体 系。 f i g i l r e1 2t h ec a r b e n es 诅b i h z e db yt 、ona t o m s 另外，n 一杂环卡宾的稳定性与其结构有很大关系，从亚甲基到l ，3 一二取代 咪唑啉的能量逐渐降低m 2 1 ，其中一些游离的1 ，3 二取代咪唑啉可以分离得到。 l o 浙江大学博士学位论文 n 一杂环卡宾的稳定性主要与环系结构和环上的取代基有关，如果环系是共轭体系 对卡宾的稳定存在是有利的，如果在l ，3 位氮原子上连有庞大体积的取代基( 如 金刚烷基、叔丁基等) 能够把卡宾的孤电子对屏蔽起来对卡宾的稳定存在也是有 利的，如果在4 ，5 位碳原子上连有吸电子基( 如c 1 等) 同样能够增加卡宾的稳定性。 n ，杂环卡宾几乎能与所有过渡金属反应生成相应的络合物，它们可以是单卡 宾、二卡宾、三卡宾或四卡宾络合物【”朋l 。 凡，曲e r 型卡宾络合物【4 5 】中的碳金属键是由卡宾的孤对电子作为给体，金属 的空轨道作为受体形成的s 键和金属到卡宾的p _ 反馈键构成； r o c t 型卡宾络合 物中的碳金属键本质上是共价键，它由一个三重态的卡宾和一个三重态的金属 相互作用构成。鼢曲e 培! 络合物一般是由低价金属和带有至少一个p 给电子基的 卡宾形成的( 即在卡宾碳上连有p 给电子基) ，而 阳c 型络合物通常是由高氧化 态的金属和带有烷基取代基的卡宾形成的。咪唑型卡宾金属络合物在卡宾中心由 于连有两个p 一给电子基( 两个n 原予) ，因此属于曩s c 磊g r 型络合物。咪唑型卡宾和 金属的络合主要是通过s 给电子键结合的，d 一反馈键可以被忽略掉，化学计算已 证明了这一点【4 6 。 根据卡宾稳定性的不同，n 杂环卡宾金属络合物的合成方法也有所不同。对 于稳定的卡宾，可以先制成游离的卡宾然后再与金属盐进行反应合成卡宾金属络 合物；对于不稳定的卡宾，用咪唑盐与金属盐一锅法直接反应合成卡宾金属络合 物。 1 2 2n - 杂环卡宾及其金属络合物催化的反应 许多金属有机化合物均是非常重要的催化剂，尤其是有机磷配体的金属络合 物，在均相催化反应中得到了广泛的应用，它们使催化反应能够顺利进行的关键 是有机磷配体能稳定低价中心金属，并在反应的起始阶段通过配体的解离而提供 有效的配位点。但是在反应过程中磷碳键易于断裂，所以配体的用量都大大过量， 配体与中心金属之比有时在1 0 0 1 以上。这样就使催化剂成本增加，不利于工业 化生产，加之它们对水和空气敏感，给使用带来不便，尤其是不易进行负载化， 所以开发新型非膦配体就成为科学家的研究热点。 由于n 一杂环卡宾的性质类似于富电子的膦配体，因此人们推测由它们形成的 金属络合物的催化性能可能与膦配体的金属络合物有相似之处，现在这一推测已 逐渐被实验所证实。尽管n 杂环卡宾配体与膦配体具有相似性，但它在一系列 催化反应中表现出更高的催化活性，如催化剂4m ( f i g u r e1 3 ) 能高效率催化烯 烃的复分解反应，对这类反应膦配体金属络合物的催化性能却较差。由于金属卡 宾碳键特别稳定，使这类催化剂有许多独特之处如良好的热稳定性、耐水性和 耐氧化性：在催化过程中不需要用过量的配体；结构类型多样化；能负载在树脂 浙江大学博士学位论文 厂= 1 r 1 7 n v n 、r 2 紫l i u = c h p h “r 3 4 m e s n v n m e s p h c 怍蟋： p c y 主 f i g u n l 3 上如5 【4 8 】( f i g u 她1 3 ) ，使均相反应固相化；它们不破坏官能团，并且在室温就可 以反应。由于这些显著的特点使n 一杂环卡宾金属络合物近年来受到了科学家们 的广泛关注。在短短几年中，各种n 杂环卡宾及其金属络合物就已被开发用于 催化许多反应。