（有机化学专业论文）取代的金属酞菁催化氮杂环丙烷化、酰胺化反应研究.pdf

四川大学硕士学位论文 取代的金属酞菁催化氮杂环丙烷化、酰胺化 反应研究 有机化学专业 研究生鄢胜勇指导教师周向葛教授 摘要 催化氮杂环丙烷化及酰胺化反应是有机合成中的两类重要反应，是有机合成之 砌块，其合成方法是重要的研究课题。近年来，金属酞菁催化剂受到了广泛的重视。 金属酞菁催化剂结构与金属卟啉催化剂类似，具有1 8 电子的大键酞菁环。相对于 金属卟啉，金属酞菁更容易制得，更容易降解。然而，没有取代的金属酞菁在一般 有机溶剂里的低溶解度制约了它的催化应用。 本文用1 8 种金属酞菁配合物( 包括取代和非取代) ，将它们作为催化剂，以 p h i = n t s ( 对甲基苯磺酰亚胺碘苯) 为氮源，进行了烯烃的氮杂环丙烷化反应及饱和 c h 键的酰胺化反应。我们还对反应条件进行了优化，如温度、溶剂、催化剂量， 发现取代的金属酞菁( 特别是供电基取代的金属酞菁) 的反应活性优予没有取代的 金属酞菁，其中间三氟甲基苯氧基取代的酞菁铁是活性最高的催剂。在优化条件下， 用它进行烯烃的氮杂环丙烷化反应及饱和c h 键的酰胺化反应，催化底物4 甲基 苯乙烯得到最高产率为9 0 的氮杂环丙烷化产物和催化4 一甲基苯乙烷得到最高产 率为8 5 的酰胺化产物。我们还发现，富电的底物的反应结果要优于缺电的底物的 反应结果。 关键词金属酞菁催化剂氮杂环丙烷化酰胺化 四川大学硕士学位论文 a z i r i d i n a t i o na n da m i d a t i o no fc a t a l y z e db y s u b s t i t u t e dm e t a l l o p h t h a l o c y a n i n e s m a j o r ：o r g a n i cc h e m i s t r y 、p o s t g n d 岫t e ：s h e n g y o n g y a h a d v i s e r ：p m ) 【i 柚g g ez h 伽 a b s t r a c t c a t a l y t i ca z i d d i n a f i o na n da m i d a t i o nr e a c t i o n sa l et w oi m p o r t a n tr e a c t i o n si no r g a n i c s y n t h e s i sa n du s e f u lb u i l d i n gb l o c k sf o ro r g a n i cs y n t h e s i s ，w h i c hm a k et h e ma t t r a c t i v e s y n t h e t i ct a r g e t si nt h e i ro w nr i g h t r e c e n t l y ，t h ea z i r i d i n a t i o n a m i d a t i o nc a t a l y z e db y m e t a l l o p h t h a l o c y a n i n e s a t t r a c t sc o n s i d e r a b l e i n t e r e s t s p h t h a l o c y a n i n e s h a v eb e e n e x t e n s i v e l ys t u d i e dd u et ot h e i rm a c r o c y c l i c1 8 e l e c t r o nc o n j u g a t e dr i n gs y s t e m ，w h i c h a r e s t r u c t u r a l l y s i m i l a rt om e t a l l o p o r p h y r i n s m o r e o v e r , p cc o m p l e x e sa r ee a s i e r a c c e s s i b l e ，m o r es t a b l et od e g r a d a t i o nt h a np o r p h y r i na n a l o g u e s h o w e v e r l o ws o l u b i l i t y o fp cc o m p l e xi nc o m n l o no r g a n i cs o l v e n t sr e t a r d si t sa p p l i c a t i o ni nc a t a l y s i s i nt h i s p a p e r , 1 8 d i f f e r e n t p h t h a l o c y a n i n ec o m p l e x e s ( s u b s t i t u t e d a n dn o n - s u b s t i t u t e d ) w e r eu s e d t oc a t a l y z et h ea z i r i d i n a t i o no fs i m p l eo l e f m sa n dt h ea m i d a t i o n o fs a t u r a t e dc - hb o n d sw i t hp h i = n t s t h er e a c t i o nc o n d i t i o n s ，s u c h 酗t e m p e r a t u r e ， s o l v e n t s ，a m o u n to fc a t a l y s t ，w e r eo p t i m i z e d a c t u a l l y ，s u b s t i t u t e dl i g a n d s ，e s p e c i a l l y w i t he l e c t r o n d o n a t i n gg r o u pm e t a l l o p h t h a l o c y a n i n e sc o n t r i b u t e dt h eb e s tr e s u l t s i nt h e s e p h t h a l o c y a n i n ec o m p l e x e s ，3 - t r i f l u r o m e t h y l p h e n y o x y - s u b s t i t u t e dp h t h a l o c y a n i n e 。i r o n c o m p l e xw a st h eb e s t u n d e ro p t i m i z e dr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，a z i r i d i n a t i o no fa l k e n e sa n d a m i d a t i o no fc - hb o n d sw i t hp m = n t sb yu s i n g3 - t r i f l u r o m e t h y lp h e n y o x y - s u b s t i t u t e d p h t h a l o e y a n i n e - i r o nc o m p l e x l e dt ot h e h i g h e s ty i e l d s o f9 0 a n d8 5 f o r 4 - m e t h y l s t y r e n ea n d4 - e t h y l t o l u e n e ，r e s p e c t i v e l y i tw a sa l s of o u n dt h a tt h ee l e c t r o nr i c h 2 四川大学硕士学位论文 s u b s n a t e se x h i b i t e dm u c h h i g h e rc a t a l y t i cr e s u l t st h a nt h ee l e c t r o nd e f i c i e n ts u b s t r a t e s k e yw o r d s ：m e t a l l o p h t h a l o c y a n i n e ；c a t a l y s t ；a z i r i d i n a t i o n ；a m i d a t i o n 3 四川大学硕士学位论文 前言 氮杂环丙烷由于三元环的高度张力，可接受多种亲核试剂进攻而得到立体或区 域选择性的开环产物，是合成含氮官能团化合物的多用途中间体，具有很高的合成价 值。1 9 9 4 年，t a n n e r “1 综述了氮杂环丙烷作为合成子，在生物碱、氨基酸、，一内酰 胺、吡咯烷、聚合物以及手性辅助剂和手性配体合成中的应用：近年来以氮杂环丙 烷化合物作为有机合成重要中间体的基本骨架，构建了许多具有生理活性的天然产 物之砌块跚；对氮杂环丙烷的另一兴趣集中在对d n a 的化学修饰上；一些包含一个或 多个氮杂环丙烷的结构单元交叉结合到d n a 上，形成具有抗肿瘤活性的化合物0 1 ，如 丝裂毒素c ( m i t o m y c i nc ) 是一种抗肿瘤抗生素，它有很强的细胞霉素活性，是临床 上主要的抗肿瘤试剂，这种药物附着被确信为是丝裂毒素c 中c 和c 。与d n a 交叉联结的 产物“1 ，因此可以说，寻找光学活性氮杂环丙烷化合物方便、有效的合成方法是有机 合成化学领域里的一个重要课题。 氮杂环丙烷的合成途径很多，可从不同的底物如氨基醇，环氧化物，烯烃和亚 胺等合成。现在研究的最多的是以烯烃或亚胺为底物的氮杂环丙烷的催化合成。途 径a 是通过催化把氮宾中间体转移到烯烃底物上形成氮杂环丙烷；途径b 为催化转移 碳宾到亚胺形成氮杂环丙烷( 图1 ) 。 + n r ，- ! - - 4 + 图1 氮杂环丙烷的合成途径 从催化剂看，主要有金属配合物( 手性或非手性) ，无机非金属单质( 如碘单 质) ，无机金属盐( 主要是铜盐) 等。还可从不对称催化的配体考虑，如卧啉配体， 嗯唑啉配体，s a l e n 配体等形成的金属配合物催化烯烃形成氮杂环丙烷( 图2 ) 。 6 氏 四川大学硕士学位论文 一盛n 煎、r b w 日o i h o 图2 金属配合物催化烯烃的氮杂环丙烷化反应发生在反应活性较高的双键烯烃上， 、 在同一金属配合物催化下，也会在烯丙位和苄基位的饱和c - - h 键上发生直接的竞争 性氨化插入反应，因此可通过控制反应条件得到不同区域选择性产物( 图3 ) 。最近的 二十多年，金属配合物催化的竞争性的氮宾插入到饱和c - - h 键酰胺化反应吸引了许 多研究小组的关注。该类金属催化剂主要是锰、铁、钌和铑等的配合物。 r x 西旦 r n h r r 八： 图3 催化剂催化的酰胺化反应 近二十年来氮杂环丙烷化反应和酰胺化反应已经有了很快的发展，方法日 趋完善，并已经获得了许多有价值的成果。但这一领域的工作仍然存在不足，例如， 某些催化剂配体的合成困难，成本很高。反应的底物局限于简单取代的烯烃，对于 三取代的烯烃还没有找到合适的催化体系。而这些三取代的烯烃氮杂环丙烷化合物 正是农药、医药工业中合成某些药物所需的中间体。另外与烯烃的不对称环氧化，环 丙烷化的发展速度和应用前景相比，还需开发出更多的金属或金属络合物作为新 型、高效的催化剂。对于氮杂环丙烷化反应和酰胺化反应机理的研究，很多研究者 认为。仍然处于个别体系的单一研究状态，还没有一个明确统一的说法。手性配体 的空间效应，底物的电子效应是影响不对称反应效果的关键因素。因此寻找一类普 遍适用和高效的催化剂及进一步探讨反应机理是今后对氮杂环丙烷化反应和酰胺化 反应的研究重点。 7 四川大学硕士学位论文 第一章氮杂环丙烷化及酰胺化反应研究进展 1 氮杂环丙烷化反应研究进展 1 9 6 7 年k w a r t 和k a h n “等人首次报道了金属促进的氮杂环丙烷化反应。他们是 在环己烯中加热铜粉，分解苯磺酸叠氮化合物时发现的。该反应中铜有效地提高了 叠氮的分解率( 图4 ) 。此后，氦杂环丙烷化的研究得到了很快的发展。我们将简要介 绍以卟啉、酞菁：双嗯唑啉、s a l e n 、手性二胺为配体的金属配合物催化剂和多相催 化剂催化氮杂环丙烷化的研究进展。 孙s 刚，_ 蕊c u ：啪：卧+ 姗：+ 图4 金属促进的氮杂环丙烷化反应 1 1 卟啉配合物 1 9 8 3 年g r o v e s 哪等首次将金属络合物用于催化氮转移反应，用卟啉( m n n ) 络合 物将氮原子转移到烯烃上，光解叠氮化物得到锰氮化物，再与三氟乙酸酐( t f & k ) 作用， 形成锰氮中间体，最后与西，环辛烯作用得到 l 三氟乙酰基氮杂环丙烷，产率达8 2 9 4 ( 图5 ) 吝。 眵挚m 马l 簪c y 3 c 0 够”2 。l lj 一o ，。 图5通过锰氮络台物催化合成氦杂环丙烷 8 二 9 一 帅+ 肼旷 四川大学硕士学位论文 g r o v e s 小组的成功使的金属配合物催化烯烃的氮杂环丙烷化这一课题吸引了许 多研究组的关注和兴趣。近年来，以金属卟啉化合物作为仿生催化剂的研究受到广 泛关注，发展十分迅速1 。金属卟啉化合物具有共轭的大丌键体系和可变金属原子 价，以及轴向配体的配位能力等性质，因此，在催化与分子氧有关的反应方面具有 独特的性质。金属卟啉化合物能模拟单加氧酶细胞色素p - - 4 5 0 ，并在温和条件下， 高选择性和高转化率地催化烯烃的氮杂环丙烷化反应 m a n s u y “”系统地研究了金属配合物催化烯烃氮杂环丙烷化反应。他们首次以 p h i = n t s 为氮源，以四苯基卟啉( t p p ) 和四一( 2 ，6 - - - 氯) 苯基卟啉( t d c p p ) 作为 配体形成的金属锰、铁配合物催化剂催化烯烃氮杂环丙烷化反应，生成相应的n 一对 甲苯磺酰基氮杂环丙烷( 图6 ) 。m n ( t p p ) c 1 催化苯乙烯有8 0 的产率，但对其他烯 烃产率很低。他们随后又考察了f e ( t p p ) c l ，f e ( t p p ) ( e lo | ) 和f e ( t d c p p ) ( c l 仉) 等催化脂肪和芳香族烯烃氮杂环丙烷化反应，其中f e ( t d c p p ) ( c 1 0 4 ) 催化顺式1 ， 2 - - - - 苯乙烯氮杂环丙烷化反应没有立体选择性“” d t a y p h i s n t 9 。取 啦谚 白a 桫 t p p t o c p p 图6 卟啉催化烯烃的氮杂环丙烷化反应 m a n s u y 用金属卟啉催化烯烃氮杂环丙烷化反应的产率低，没有立体选择性。 c h e “卜埘在此基础上，优化了卟啉配体结构，从反应底物，产率，机理到方法学上极 大的发展了不对称催化氮杂环丙烷反应。1 9 9 7 年，c h e 研究组报道了钌卟啉配合物 r u ( p o r ) ( c o ) ( m e o h ) 的制各，获得了中间体 r u ( t p p ) ( n t s ) ： 和 r u ( o e p ) ( n t s ) 2 ( t p p = d i a n i o no f5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 一t e t r a p h e n y l p o r p h y r i n o e p = d i a n i o no f 9 四川大学硕士学位论文 2 ，3 ，7 ，8 ，1 2 ，1 3 ，1 7 ，1 8 - o c t a e t h y l p o r p h y r i n ，t s = t o s y l ) ，并利用u v - v i s 和 i r 光谱表征了前者的结构o ”。该中间体在室温下很容易与烯烃反应生成氮杂环丙烷， 产率在6 8 - 7 8 ；用手性锰卟啉 m n ( 脚) ( m e o h ) ( 0 h ) ( 图7 ) 为催讹剂，p h i = n t s 为氮源，催化苯乙烯类底物的氮杂环丙烷反应，褥到较好的选择性，e e 值4 4 6 8 9 6 ， 产率4 3 - 7 3 “”。c h e 还进一步优化了手性金属卟啉配合物催化烯烃的氮杂环丙烷化 反应“”。p h i = n t s 为氮源，使用手性锰卟啉和钌卟啉( 图7 ) 作催化剂，底物转化率和 产率都有极大提( 如萘乙烯转化率高达9 9 ，产率高达9 4 ) 。 、 图7 1 9 9 9 年，s m a u 等人合成并得到了在氮杂环丙烷化和酰胺化反应中存在 的金属i m i d o 中间体， r u v i ( p o t ) ( n t s ) 2 基于这类反应中间体的获得，他们对 这两类反应的机理也进行了研究和报道“”( 图8 ) 。 图8 1 0 四川大学硕士学位论文 2 0 0 2 年，j l l i a n g 等人使用了手性的钌卟啉和锰卟啉配合物催化了烯烃的 不对称氮杂环丙烷化和酰胺化反应。他们还得到了这类手性卟啉配合物反应中间体 的晶体结构，这对更好的了解这一类反应起n t 重要的作用“”( 图9 ) 。 m = m nl - - - o h m = r ul - - c o m = r ul ；n t s m = r ut - - c o 图9 金属卟啉络合物催化不对称氮杂环丙烷反应进展受到各方面条件的制约，如卟 啉制备困难，催化反应中必须使用大过量的烯烃等，但它开创了金属络合物和 p h i = n t s 及其衍生物作为氮原子转移试剂的先例，并为以后的金属或者金属络合物 催化氮杂环丙烷化反应提供了有力的实验基础。 1 2 酞菁配合物 酞菁类化合物是具有四氮杂四苯并卟啉结构的化合物。自本世纪初发现以来， 其发展相当迅速，在短短几十年里已有5 0 0 0 多种酞菁类化合物问世，用途也由最初的 有机颜料和染料扩展到其他许多领域“”。酞菁分子是一个平面大键共轭体系，内层 有1 8 丌电子体系的平面型大分子。其共轭体系很发达，是一类荧光物质。从酞菁分子 结构与卟啉分子结构相比较( 图l o ) ，其结构的区别仅仅是在卟啉分子结构中b 位上 的、原子取代了c 原子，由此可推测金属酞菁化合物与金属卟啉化合物有极其相似的 化学性质。作为与卟啉化合物有相类似结构的酞菁化合物，由于n 原子与c 原子相比 有较大的电负性，对合成金属酞菁化合物而言，因为n 原子的诱导效应，将比相似结 构的金属卟啉化合物更易合成，稳定性亦更好。 1 1 一曩 四j i l 大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 图1 0 金属卟啉配合物( a ) 与金属酞菁配合物( b ) 自从c a l v i n 等人于1 9 6 3 年首次采用h 2 p c 和c u p c 作为催化剂催化氢分子的活化和 氢交换反应以来，人们对酞菁类化合物的合成，结构及催化性能进行了广泛深入的 研究。人们已将酞菁类化合物用于1 0 几种类数的有机反应魄2 l 】，所涉及的反应包括氢 交换反应，加氢反应，氮氧化物及乙炔的还原反应，过氧化氢和甲酸的羟基化反应， 脱氢反应，电化学反应和氧化反应等。其中氧化反应研究得最多。下面将简单介绍 酞菁配合物的一些催化反应： 1 2 1 催化烷烃氧化成酮 。 金属酞菁具有活化分子氧的能力嘲，它对于饱和烷烃的直接催化氧化属于自由 基自动氧化反应历程，即一次氧化产物为烷基过氧化物，醇和酮均来源于烷基过氧 化物的进一步分解和氧化。但是酞菁配合物在催化烷烃氧化时因发生不可逆二聚而 降低活性，1 9 9 5 年，k e n n e t h 汹1 等发现周边卤素取代酞菁配合物能有效增强其稳定性 和活性，另外，把酞菁配合物负载到多孔性载体如沸石中也能增强其活性，延长其 寿命，但是f 。e f e p e 和f e p e 一样，对高浓度的氧化剂如过氧化氢都很敏感。于是他 们合成f , 6 r u p c 和负载于沸石的f 。6 r u p c ，在室温下，用来催化氧化环己烷成环己酮 ( 主) 和环己醇( 次) ，两者催化生成环己酮的e e 为6 7 比9 8 ，过氧化物的氧 化效率比为5 5 比9 7 。 1 2 2 催化环己烷氧化为己二酸 1 9 9 8 年，胡希明等发现盘町，以h 2 0 2 为氧源，当使用非嵌接的母体锰酞菁( k l n p c ) 催化时，m n p c 很快被破坏，特别是在h 2 0 2 过量较大时很快就被氧化失活，而采用层 四川大学硕士学位论文 状锑磷酸嵌接式锰酞菁材料时，其抗氧能力显著增强，随着h 2 如用量的增加，环己 酸不断增加。 1 3 3 催化烯烃氧化为酮 1 9 9 4 年，a c a p o b i a n c h i 啪1 等发现四氢呋喃溶液中r u p c 和氧气的互相作用。用 r u p c 作催化剂，( c 6 h 5 c n ) ：p d c l 。为助催化剂，能把l 一辛烯氧化为2 一辛酮，产率在 9 8 - - 1 0 0 。2 0 0 1 年，李明华等矧在乙氰的酸性水溶液中，考察了( p d a c ：) 醋酸钯 f e p c ( 酞菁铁) 催化氧化环戊烯合成环戊酮的催化活性，收率可达8 3 。他们认为 ( p d a g ) 醋酸钯f e p c ( 酞菁铁) 催化环戊烯合成环戊酮的作用机理类同于传统的 w a c k e r 催化剂的作用机理，其过程可用下面三个步骤来表示( 图1 1 ) 、 o + h 2 0 + p d ( i i ) = d 。删胛， f c p c + 0 2 = f 郇i i ) p c o 0 2 f e ( m ) p c 0 2 + 2 r d ( o ) + 4 h + = f e p c + p a l ( i i ) + h 2 0 2o + ? 2 = 2 p 图1 1 1 2 4 催化烯烃环氧化反应 酞菁过渡金属催化烯烃的环氧化反应，可以看作是对自然界生物体内许多酶催 化氧化反应的模拟。可用于合成特定构性的环氧化物，特别是合成药物中间体，已 经引起许多化学工作者的关注 2 0 0 3 年，梁士昌等踟在相转移催化剂的协同作用下和溶剂水两相体系中，对 在分子筛超笼中原位合成的酞菁钴催化剂( c o p c - - n a y ) 存在下的苯乙烯与次氯酸钠 的环氧化反应进行了实验研究。研究结果表明，苯乙烯环氧化的主要产物是苯基环 氧乙烷和苯甲醛。在5 5 时，苯乙烯的转化率达到5 4 ，对苯基环氧乙烷的选择性 达到6 5 ( 图1 2 ) 。 四川大学硕士学位论文 + n a o c l c o p c n a y 图1 2 酞菁配合物催化的环氧化反应 l2 5 催化烯烃环丙烷化反应 2 0 0 4 年，我们课题小组刘惠华渊等人进行了酞菁配合物催化烯烃的环丙烷化反 应的研究。尝试了多种酞菁配合物催化剂，对多种底物进行了催化，发现1 6 f 取代 的r u p c 的催化活性最高，在催化底物为苯乙烯时最高产率达到9 1 ( 图1 3 ) 。 图1 3 酞菁配合物催化的环丙烷化反应 1 2 6 催化烯烃氮杂环丙烷化 酞菁作为氮杂环丙烷化反应催化剂的报道很少。2 0 0 3 年，l j s u m a n 圳等人 报道了简单酞菁配合物催化氮杂环丙烷化反应当催化剂为无取代的金属酞菁铜， 底物为4 - - 甲基苯乙烯时，得到9 0 的产率( 图1 4 ) 。 m t c u g e m f l ，n i ，c o 1 4 四川大学硕士学位论文 星! 坚! ! ! ! 坚! 堡垒堡! z 坠! 鲤! ! ! 丝 1 舢m c t h y l s l ) c a ( i i ) p c 9 0 2 4 m e t h y l s t ) ，m 吐 i 恤( i i ) p c 3 5 3 4 - m c 也y k t y l 。 f ei i ) p c 4 0 4 4 - m e t h y l s t y r e n i ( i i ) p c 2 0 5 4 - m e t h y l s t y r c n e c o ( i f ) p c 1 0 囱1 4 酞瞢配合物催化的氮杂环丙烷化反应 1 3 双曝唑啉配体 1 9 9 1 年e v a n s 删报道了用手性双嗯唑啉配体修饰的三氟甲磺酸( c u ( o t f ) ：) 络 合物催化的不对称氮杂环丙烷化反应，以p h i = n t s 为氮转移试剂。当底物为肉桂酸甲 酯时，最好产率和e e 值分别为6 3 和9 4 ( 图1 5 ) 。 hr p h l = n r s - - - - - - - - - - - - - - - - - i c u ( o t f ) 2 ，i i g a n d r t s l “r f c h m e 2 b r = c 6 i - 1 5 c r = c m e 咯 d r = c m e _ p h e r = c m e p h ， e n t r y o l e f i nc a t y i e l d e e 1 r t = c o e m e b6 39 4 2 r e = c 0 2 p h b6 49 7 1墨! ：里q z 翌1 21鲤! 图1 5 手性双曝唑啉配体催化烯烃的氮杂环丙烷化反应 1 9 9 6 年k n i g h t 蚓从酒石酸出发合成了新型双嗯唑啉配体，中间有两个碳原 子连接，以增大两个环之间的二面角用于环丙烷化反应得到中等的产率和e e 值， 1 5 四川大学硕士学位论文 但应用于氮杂环丙烷化反应时仅得6 5 的产率和1 2 的e e 值( 图1 6 ) 。 荔 _ - 0 ， 图1 6 酒石酸衍生的新型双噫唑啉配体 为氮源。- 与p h i = n t s 相比氮杂化收率比较高，氮源和烯烃之比为1 ：i ，而且更容易 去火， 一。卜n 至銎 旦! 堕q ! 垡垫墨! ! 壁! ! ! ! 翌墅! ：! 堡 1 r 1 2 h b 9 46 6 2 r i 5 m e b9 38 0 3 r 1 2 c 0 2 m e b3 19 5 4 r 1 5 c o , m e b4 1 9 0 图”以p h i = l 心s 为氯转移试剂的氮杂环丙烷化反应 1 6 四川大学硕士学位论文 1 4s a i e n 配合物 c a r r e i r a 。- + 3 等在1 9 9 6 年首次在卟啉( m n n ) 基础上合成k b t s a l e n ( m n - n ) 络 合物，用于胺化反应( 图1 8 ) 。 、 图1 8s a i e 文m n - n ) 络合物的合成 由于s a l e n ( m n - n ) 手性部分为乙基二胺时溶解性不好，h o 呻1 等人将手性部分换成 环己二胺。反应在低温( 一7 8 ) 、c f 3 c 0 2h 或b f 。类b r s n s t e d 或l e w is 酸存在下直接 生成氮杂环丙烷，而不经过酰基中间体。这样作为中间体时可直接开环或进行其它反 应。该反应得到较好的对映选择性，但产率很低当r 为h 时结果如表中所示( 图 1 9 ) 。 即：) 2 胃 l _ r = h 2 r = t - b u 墅坚! ! ! ! 望坐 ! ! ! ! ! 墅! ：! 丝 1 s t y r e n e 3 68 1 2 ( e ) - m e t h y l s t y r e n e 2 0 9 1 3 ( z ) - m e t h y l s t y r e n e72 1 图1 9t f a ( 三氟乙酸) 存在下s a i e n 棚n ) 催化的氮杂环丙烷化反应 1 7 四川大学硕士学位论文 1 9 9 8 年k o m a t s u 用上述催化剂，以t s ：o ( 对甲基苯磺酸酐) 代替常用的t f 从，并 加) l p y r i d i n en - o x i d e 增加立体选择性。其最大特点是反应条件温和，对反式取代 的烯烃有较高的对映选择性。也同样r 为h 时效果比较好( 图2 0 ) ，一 、 墨垦2垒! ! i ! ! ! !兰! ! ! 丝! ：! 垒 m eh 6 07 3 m eh p y r i d m en - o x i d e 7 28 5 n - p r h p y r i d i n en - o x i d e 6 69 0 f d rhp v r i d i n en - o x i d e5 5 9 4 图2 0t s 2 0 和p y , v e x i d e 存在条件下苯乙烯的氮杂环丙烷化反应 2 0 0 0 v k o m a t s u “”等首次将上述催化剂成功地应用于催化共轭双烯的氮杂环丙 烷化反应，只发生( 2 + 1 ) 加成反应，没有生成( 4 + 1 ) 产物( 图2 1 ) 。 。式告、文由i 6 2 ( )3 8 ( 2 0 q 口e e ) 图2 l共轭双烯烃的氮杂环丙烷化反应 k a t s u k i e j 在c u 一二亚胺和c u 一双嗯唑啉配体的基础上将s a l e n 试剂中苯环换成萘 环，3 一取代基换成体积大的手性苯环基团，以p h i = n t s 为氮转移试剂，对苯乙烯衍生物 进行了不对称氮杂环丙烷化反应。最高产率和e e 值分别为7 6 和9 4 。这一结果表明 s a l e n 试剂中3 一取代位的位阻对催化反应的立体选择性有较大的影响( 图2 2 ) 。 四川大学硕士学位论文 e n t r y s u b s t r a t ey i e l d c c c o n f i g 图2 2联萘类s a le n _ 骱化合物催化的不对称氯杂环丙烷化反应 1 5 手性二胺类配合物 1 9 9 3 年与e v a n s 同时，j a c o b s e n 报道了手性二亚胺配体催化的不对称氮杂环 丙烷化反应当底物为6 - 氰基一2 ，2 - - - 甲基色烯时，得到7 5 的产率和9 8 的e e 值( 图 2 3 )。 。 、照，。膨 莎芯2 = 1 ：x - - 3 y - z ，h 2 ：x = b r y z = h 生x - y - a z - h 4 ：x y - z r a 毛 “= ，i e 帕- ；“ y i ；和“ 图2 3用于不对称氮杂环丙烷化反应的手性二胺类配体 2 0 0 0 年s c o t t m l 等人用另一种二胺代替上述配体中的二胺。在一4 0 条件下得 n 8 7 的产率和9 9 的e e 值，其最佳底物也是色烯( 苯并吡喃) 衍生物( 图2 4 ) 四川大学硕士学位论文 弋驭蔷砬 坠塑 q ! ! 墅望婴：兰! ! 丝! ：! 丝 1 c u ( c h 3 c n ) 4 】b f 4 n 、8 38 6 2 【c u ( 叫3 c 毗】【b f 4 】2 n 8 58 5 3 4 【c u ( c h 3 c n ) 4 1 b f , - 4 0 c u ( c h 3 c n ) 4 】【b f 41 2 加 8 7 9 4 9 9 图2 4用于不对称氮杂环丙烷化反应的新型手性二胺类配体 2 0 0 1 年，施敏“”等将j a c o b s e n 的手性二胺配体中环己二胺用联萘二胺代替，产 率可达9 5 ，但最高e e 值只有2 5 ( 图2 5 ) 。 l ，。! 型! 竺 i o h 图2 5 用于不对称氦杂环丙烷化反应的联萘类手性二胺配体 k i m 等人由二胺和二茂铁合成了新型c ：一对称的手性配体，用于不对称氮杂环 丙烷化反应氮杂化反应中有较好的结果( 图2 6 ) 。 ，也 、 四川大学硕士学位论文 + p - l - 胁j 坚堕兰+ 。 m d 一卜帅 ，亨 矿r f f i 9 s t y r e n e t r a n s s t i l b c n r a n s p - m e t h y l s t y r e a e l - h e x e n e 8 8 6 5 7 5 6 8 7 4 6 8 6 9 7 0 图2 6用于不对称氰杂环丙烷化反应的0 2 - 对称二茂铁类手性二胺配体 1 6 多相催化剂 由于多相催化剂可以回收重复利用，所以将均相催化剂多相化是个很好的发展 方向。h u t c h i n g s 田删小组发展了以铜交换的微孔材料沸石用于催化苯乙烯的不对称 氮杂环丙烷化反应。当反应以p h i = n t s 为氮转移试剂，应用手性双啄唑啉时，最好得到 了6 1 的e e 值。其反应条件为一l o 在乙腈溶剂中，烯烃和氮源的摩尔比为5 ：i 。 当使用p h i = n n s 为氮转移试剂，最好结果达至u 7 7 的产率和9 5 的e e 值，反应条件为 2 5 ，烯烃和氮源的摩尔比为1 ：1 1 4 。这个结果比相同条件下的均相催化荆的结果 好。 l 2 酰胺化反应研究进展 金属配合物催化烯烃的氮杂环丙烷化反应发生在反应活性较高的双键烯烃上， 在同一金属配合物催化下，也会在烯丙位和苄基位的饱和c - h 键上发生直接的竞争 性氨化插入反应，因此可通过控制反应条件得到不同区域选择性产物。 最近的二十多年，金属配合物催化的竞争性的氮宾插入到饱和c - - h 键酰胺化反 应吸引了许多研究小组的关注。该类金属催化剂主要是锰、铁、钉和铑等的配合物。 m u l l e r 小组致力于金属铑催化“1 侧，他们在报道铑催化烯烃与p h i = n n s 的氮杂环丙烷 四川大学硕士学位论文 化反应的基础上，尤其考察了在此条件下铑催化分解p h i = n n s 产生氛宾的分子阃插 入反应。这种直接的氮宾插入机理不同于锰催化p h i - n t s 产生的c - - h 插入自由基机 理。对于多种类型饱和c _ h 键如烯丙型烯烃和苄型、环烷烃等，该酰胺化反应得到 、 较高的产率。 6 e l l m a n 嘲1 第一次成功报道了金属锰或铁卟啉配合物( m n ( t p p ) c 1 、f e ( t p p ) c 1 ) 催化环己烷的酰胺化反应，反应以对甲苯磺酰亚胺碘苯( p h i = n t s ) 作为氮源。产物是 环己基对甲苯磺酰胺。1 9 8 3 年他们又报道了该配合物催化2 ，5 一二异丙基苯磺酰 胺分子内的酰胺化插入反应，生成对应的环状酰胺化产物。对铁卟啉配合物 f e ( t p p ) c 1 有7 7 产率，使用r h ：( o a c ) 。时产率达8 6 ( 图2 7 ) ； 、 d 刚脚告d 岛u岗舌u 鼠。 堡竺塑 q h 抽p - 4 5 0 图2 7金属卟啉催化的氮宾插入到饱和c + i 键的酰氨化反应 金属锰卟啉配合物也可催化乙酸马萘雌酮酯的酰胺化反应嘲( m 2 8 ) 。该反应具 有较好的区域选择性和立体选择性，获得4 7 的酰胺化产物及5 的羟基化产物。该反 应最重要的意义在于无论是氮杂环丙烷化反应还是氨化或酰胺化反应，都体现出从 理论研究到实际应用的转化，即从小分子有机物到天然产物的应用转变。 四l i i 大学硕士学位论文 a 1 2 c 1 2 m n r r f 即) a 、 p m - n h i o i 州j j - + 、 图2 8卟啉配合物催化乙酸马萘雌酮酯的酰胺化反应 1 9 8 8 年，j p m a h y 等人就报道了以锰和铁卟啉配合物作为催化剂，p h l = n t s 为氮源进行烯烃的酰胺化反应，并得到了2 - - 己烯、环己烯以及环庚烯的烯丙位酰胺 化产物。该作者还发现，锰卟啉配合物比铁卟啉配合物有更好的催化效果“”，( 图2 9 ) 。 图2 9 t p p 和t d c p p 的锰配合物能催化烯烃发生竞争性的烯丙位胺化反应，对顺式2 一 己烯有4 1 产率，对环己烯有7 0 产率( 图3 0 ) ：进一步研究发现锰卟啉也能以p h i = n t s 为氦源催化庚烷生成相应的n 一对甲摹苯磺酰胺，反应具有区域选择性。这种锰催化插 入反应被认为是自由基机理蟑订 四川大学硕士学位论文 0 m f m a 竹c ，o d h m i a 喝 _ n o 舢一 图3 0 卟啉配合物催化烯烃的烯丙型胺化反应 c h e 在氮杂环丙烷反应和酰胺化反应中，一直致力于金属卟啉配合物的催化，在 底物、产率、机理以及方法学上都有极大的发展”。以 r u “( m e 。t a c n ) ( n h t s ) 。( o h ) ( w e 3 t a c n = n ，n ，n t r i m e t h y l l ，4 ，7 - t r i a z a c y c l o n o n a n e ) 为催化剂，在a g ( i ) ， p h i = n t s 存在下能催化饱和c _ _ h 键的酰胺化反应。手性锰卟啉a 和钌卟啉b 可催化乙 苯和乙基萘上饱和c h 键的不对称酰胺化反应，得到相应的酰胺，产率高达8 5 ，e e 值最高达5 8 ( 图3 1 ) 。 图3 2 四j i i 大学硕士学位论文 钌卧琳配合物r u ( t p p ) ( n t s ) ：和r u ( 0 e p ) ( n t s ) ：与金刚烷、环已烯、乙苯、枯烯 等反应能生成相应烃类的苯磺酰胺。反应以p h i = n t s 或p h i ( o a c ) n h ：r 为氮源，在以前 研究的基础上，扩大了底物的范围如四氢呋喃、环辛烯等有极佳的底物转化率，产率 最高达到9 2 9 6 。对于 m n ( t p f p p ) c i 催化剂，取得高达2 6 0 0 的转化数( 图3 3 ) 。附裂赫：r ， 竺竺! 竺兰竺! 兰，厶帅 r u f i 甲f p p ) ( ) 】 “ m n o t v p p 问】 7 、 r = t s ，n s s 0 2 m e ，c o c f 3 r = r o r h 图3 3钌和锰口p 啉配合物催化的酰胺化反应 四川大学硕士学位论文 第二章课题的提出与设计 酞菁分子是一个平面大键共轭体系，内层有1 8 电子体系的平面型大分子。其 共轭体系很发达，从酞菁分子结构与卧啉分子结构相比较，其结构的区别仅仅是在卟 啉分子结构中e 位上的n 原子取代了c 原子。由此可推测金属酞菁化合物与金属卟 啉化合物有极其相似的化学性质。作为与卟啉化合物有相类似结构的酞菁化合物，由 于n 原子与c 原子相比有较大的电负性，对合成金属酞菁化合物而言，因为n 原子 的诱导效应，将比相似结构的金属卧啉化合物更易合成，稳定性亦更好。尽管简单金 属酞菁催化剂在氮杂环丙烷化反应中取得了一定的效果，但是这些研究都是是关于 无取代的金属酞菁，而且大部分的无取代金属酞菁的催化活性极低。无取代的金属 酞菁在有机溶剂中的低溶解度影响了它们在氮杂环丙烷化反应中的催化活性。因此， 合成一系列的取代金属酞菁，并用它们来催化氮杂环丙烷化及酰胺化反应，是非常 有意义的研究工作。 。根据文献：报道，大多数易溶于有机溶剂金属酞瞢是拥有4 取代，8 取代或1 6 取代的金属酞菁衍生物。其中4 个取代基为供电基团的金属酞菁衍生物的溶解性是 最好的。为此，我们用1 8 种酞菁配合物静明( 包括间三氟甲基苯氧基取代、1 6 氯和 1 6 氟取代的酞菁衍生物) 来进行氮杂环丙烷化及酰胺化反应( 图3 4 ) 。 礤：串 求辩：趟秘 ”义 l ：r 1 = h 2 ：r t = c i 3 ：r 1 = f 4 ：1 1 2 = ho r m - o - c 6 l - h c f 3 s 3 - - 胁一o - c 6 h 4 一c f 3o rh 四川大学硕士学位论文 、 竺兰曼垒望 p h i = 1 i 酞菁配合物 r 2 p h i = n r $ n h t s 圈3 4 酞菁配合物催化的氮杂环丙烷化反应和酰胺化反应 吖缸 彳 四川大学硕士学位论文 第三章催化剂和氮源的合成 酞菁配合物的合成有两种方式：( 1 ) 由邻苯二氰与金属盐反应，( 2 ) 由邻苯 二甲酸酐呻1 或邻苯二甲酰胺与金属盐在尿素( 或氨气氛围) ：钼酸铵存在下反应 ( 图3 5 ) ，合成为： 一双告 囱3 5 酞菁配合物的合成 我们合成了6 种金属酞菁配合物( 4 种无取代和2 种1 6 氯取代) ，其他金属酞菁配 合物由实验室刘惠华同学提供。 1 简单金属酞菁配合物的制备 1 i1 - f e ( i i i ) c i 的制备 由邻苯二甲酸酐，尿素，三氯化铁在邻二氯苯溶剂中，2 0 0 下反应4 小时，即 可制得金属酞菁铁配合物。 四川大学硕士学位论文 1 21 - c u ( i i ) 的制备 由邻苯二甲酸酐，尿素，二氯化铜在、邻二氯苯溶剂中，2 0 0 下反应4 小时，即 可制得金属酞菁铜配合物。 t - c , u ( 1 1 ) 1 31 - m n ( 1 1 ) 的制备 由邻苯二甲酸酐，尿素，二氯化锰在邻二氯苯溶剂中，2 0 0 c 下反应4 小时，即 可制得金属酞菁锰配合物。 、 四川大学硕士学位论文 1 41 c o ( i i ) 的制备 由邻苯二甲酸酐，尿素，二氯化钴在邻二氯苯溶剂中，2 0 0 1 2 下反应4 小时，即 可制得金属酞菁钴配合物。 216 氯取代的酞菁配合物的制备 2 1 2 f e ( i | ) 的制备 由四氯邻苯二甲酸酐，尿素和四水合氯化亚铁，钼酸铵催化下，在硝基苯溶剂 中，2 0 0 下反应四小时，制备得2 - f e ( i i ) 。 2 22 - c o ( i i ) 的制备