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摘要 金鸡纳碱催化剂在介孔孑l 道内的组装及催化性能研究 摘要 如何获得单一对映体产物是多相不对称催化研究中的热点问题，限域 效应是避免由于多相化造成的手性诱导作用降低、提高产物对映体选择性 的有效方法之一。 本文通过调变介孔氧化硅材料载体的孔径尺寸构建了具有不同限域 空间的多相金鸡纳碱手性催化剂。以2 9 s in m r 、1 3 cn m r 、0 【s p l o t 分析等 手段证明了金鸡纳碱活性中心在介孔载体内孔表面的固定化。并利用查耳 酮和硝基甲烷、硝基苯乙烯和丙二酸二甲酯、吲哚和n 苯亚甲基苯磺酰胺 的不对称加成反应，研究了限域空间尺寸对对映体选择性的影响。结果发 现： 1 对于分子尺寸较小的硝基甲烷和查耳酮的不对称加成反应，对映 体选择性随着多相催化剂孔道尺寸的减小而增大，对于多相9 硫脲表奎宁 催化剂，当催化剂孔径降低到4 4n m 时，获得了与均相催化产物相近的 e e 值( 9 3 ) 。 2 对于硝基苯乙烯和丙二酸二甲酯的不对称加成反应，两个反应底 物分子尺寸接近，无定形载体或孔径为8 9n m 的介孔载体固载的9 硫脲 表奎宁上产物的e e 值只有8 4 和8 7 ，当介孔载体孔径缩d , n8 2n n l 时，产物的e e 值提高到与均相催化体系相同的水平，达到9 8 。 3 对于吲哚和n 苯亚甲基苯磺酰胺的不对称加成反应，多相9 硫脲 表奎宁催化剂表现了良好的孔道限域效应，多相催化产物的e e 值均与均 相体系相同，为9 8 。 关键词：多相催化剂，介孔载体，金鸡纳碱，限域效应，对映体选择性 摘要 c i n c h o n aa l k a l o i ds u p p o r t e di nm e s o p o r o u s s i l i c a a b s t r a c t n o w a d a y s ，m u c hi n t e n s i v ei n t e r e s tw a sf o c u s e do nh o wt og e th i g h e n a n t i o - s e l e c t i v ep r o d u c ti na s y m m e t r i cc a t a l y t i c p r o c e s s e s c o n f i n e m e n t e f f e c tw a so n eo ft h em o s tu s e f u l lm e t h o d st h a te n h a n c ec h i r a li n d u c t i o na n d e n a n t i o - s e l e c t i v i t y i no u rw o r k ，w ec h a n g e dt h ep o r es i z e so ft h en a n o p o r o u ss u p p o r t sa n d i n t r o d u c ec i n c h o n aa l k a l o i di nt h en a n o p o r e s 2 9 s in m r , 1 3 cn m ra n d0 【s p l o t a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ec i n c h o n aa l k a l o i dw a ss u p p o r t e di nt h en a n o p o r e s c a t a l y t i cp e r f o r m a n c ew a se v a l u a t e db y t h e a s y m m e t r i cf r i e d e l - c r a t t s r e a c t i o no fi n d o l e st o i m i n e s ，a s y m m e t r i c1 , 4 一a d d i t i o no fn i t r o m e t h a n et o t r a n s c h a l c o n ea n dm a l o n a t e st ot r a n s - p h e n y ln i t r o a l k e n e 1 i n t h e r e a c t i o no fn i t r o m e t h a n e t o t r a n s c h a l c o n e ，t h e e n a n t i o - s e l e c t i v i t yo ft h ep r o d u c tw a si m p r o v e dw i t hd e c r e a s i n gp o r es i z e t h e h e t e r o g e n e o u sc a t a l y s tw i t hap o r es i z eo f4 4n mg a v et h eb e s te ev a l u e ，u pt o 9 3 2 i nt h er e a c t i o no fm a l o n a t e st ot r a n s - p h e n y ln i t r o a l k e n e ，w h e nt h e p o r e s i z eo ft h e h e t e r o g e n e o u sc a t a l y s t w a sl e s st h a n7 1 a m ，t h e e n a n t i o s e l e c t i v i t yo ft h ep r o d u c ti n c r e a s e dt o9 8 摘要 3 i nt h er e a c t i o no fi n d o l e st oi m i n e s ，a l lh e t e r o g e n e o u sc a t a l y s ts h o w e d g o o dc o n f i n e m e n te f f e c t t h ee n a n t i o s e l e c t i v eo ft h ep r o d u c tw a ss i m i l a rt o o b s e r v e df o rt h eh o m o g e n e o u sc a t a l y s t ，u pt o9 8 k e yw o r d s ：h e t e r o g e n e o u s c a t a l y s t , m e s o p o r o u ss i l i c a ，c i n c h o n aa l k a l o i d ， c o n f i n e m e n te f f e c t ，e n a n t i o s e l e c t i v i t y 1 1 1 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：鞋丝日期： 2 垒里罩：6 ：墨 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：垒邑丝 日期： 导师签名：互曩聋 日期： 垫q 1 ：! ：墨 巡旦妥：星 北京化工大学硕士学位论文 第一章前言 手性是自然界的基本特征。在漫长的化学演化过程中，地球上出现了无数的手性 化合物，例如组成多糖和核糖的单糖都是d 单糖、而氨基酸都是l 氨基酸；同样在 生命的产生和进化过程中，自然界往往对一种手性结构有所偏爱，造成了生物体内的 蛋白质、核酸、酶和细胞表面受体等都具有特定的手性结构，例如d n a 的螺旋构象 是右旋的，海螺的螺纹和缠绕植物也都是右旋的，因此生物体对手性分子具有精确的 手性识别能力。面对这一不对称的生物界，可以说手性是一切生命的基础，生命现象 依赖于手性的存在和手性的识别。 随着人们对手性现象认识的深入，手性化学的意义也已深入人心。特别是在药物 化学领域，手性化学具有更为重要的意义，因为药物的药理作用是通过与体内的大分 子之间的手性识别和匹配实现的。很多情况，化合物的一对对映体在生物活性、代谢 过程、代谢动力学及毒性都存在明显的差异。有些对映体之间的生理活性相差很大， 例如2 0 世纪6 0 年代欧洲曾出现过以外消旋体形式出售的药物“反应停”造成的悲剧， 因为其r 构型异构体是一种镇静剂，而s 构型异构体却会导致胎儿的畸形。为了不使 悲剧重演，1 9 9 2 年美国药品和药物管理局( f d a ) 公布了一系列准则以指导这类药物 的开发，规定外消旋药物必须进行拆分，并证明其异构体无毒副作用。欧共体也有类 似的规定。 不仅药物化学领域如此，农药、除草剂、植物生长调节剂、甜味剂和香料都表现 出不同的手性识别。如甜冬素的右旋体具有甜味，其左旋体具有苦味；柠檬烯的左旋 体为柠檬味，其右旋体为橘子味；除草剂m e t o l a c h l o r 四种异构体中只有两种异构体 有活性等等。所以，获得光学纯物质，已经成为当代化学家所面临的最具挑战性的任 务之一。长期以来，人们只能从天然产物中提取单一对映体产物，或用生物酶催化方 法合成。如用一般的化学方法合成得到的是外消旋体，还需经过繁琐的化学拆分。不 对称合成开辟了从非手性物质人工合成手性产物的新途径，而在众多的不对称合成反 应中，在手性产品工业制备中最具有发展前途的是不对称催化法。它具有手性增值， 提高高光学选择性，经济性和易于工业化等优点。 1 1 手性不对称催化 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不对称 催化剂。不对称催化剂通常包括了以下三种：金属有机催化剂、氨基酸及其衍生物以 及有机小分子催化剂。开发高效的催化反应是当今催化化学面临的具有挑战性的任务 北京化工大学硕士学位论文 之一。在过去的几十年，化学家们寻找到了许多不对称催化剂，并用在催化反应中， 使催化化学得到突飞猛进的发展。 1 1 1 不对称催化的发展 不对称催化反映体系包括均相不对称催化和多相不对称催化体系。 1 9 6 8 年，美国孟山都公司的k n o w l e s l 】和法 亘h o r n e r 2 】各自利用手性膦配体与锗的 催化剂实现了不对称均相催化氢化反应，这是第一次利用手性催化剂得到对映选择性 化合物的例子，虽然只得到3 1 5 的e e 值，但为不对称氢化奠定了基础。日本名古 屋大学n 0 y o r i 教授【3 ，4 】用金属铑、钌与手性配体b i n a p 作为催化剂成功地进行了多种不 对称氢化反应，并将其研究成果应用到工业生产大规模制备( ) 薄荷醇、萘普生、维生 素e 等。 美 s h a r p l e s s 教授使用t i ( i p r o ) 4 和酒石酸脂催化的烯丙醇环氧化反应是一种非常 好的不对称合成方法【5 l 。无论是底物的适用范围，还是产物的产率和对映选择性方面 都取得了令人满意的结果。正是基于s h a r p l e s s 、k n o w l e s 和n o y o d 在不对称催化领域做 出的杰出贡献，他们三人获得了2 0 0 1 年诺贝尔化学奖。 自从过渡金属参与的催化不对称反应发展以来，人们投入了很多精力发展新型手 性配体以提高反应的立体选择性。另一方面，人们也开始逐步采用纯粹的有机分子进 行不对称催化反应。1 9 2 8 年，德国化学家l a n g e n b e c k 就首次提出“有机催化剂”的概念 6 1 。1 9 3 1 年，文献报道了第一例氨基酸催化的a l d o l 反应1 7 。奇怪的是此后的几十年 间有机催化反应却没有得到进一步的研究和发展。直到2 0 世纪末，有机分子作为有 机催化剂进行的不对称催化反应开始飞速发展起来。作为有机催化剂的有机分子可以 有很多类型，如氨基酸及其衍生物、吡咯烷衍生物、手性咪唑啉酮及其衍生物、硫脲 衍生物、糖的衍生物、金鸡纳碱衍生物、相转移催化剂等等。 1 1 2 手性不对称催化剂 1 1 2 1 金属有机催化剂 金属有机催化剂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。现在，不对称催 化反应的机理研究还不是十分清楚，尚不能高效的设计开发新的不对称催化剂，因此， 这种催化剂可以充分利用已知性能及用途的传统多相催化剂，加入手性配体修饰剂， 2 北京化工大学硕上学位论文 从而制备出性能不同的手性固相催化剂。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问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。 ( 1 ) s a l e n 催化剂 s a l e n 手性催化剂是n ，n b i s ( s a l i c y l i d e n e ) e t h y l e n e d i a m i n e 的缩写，一种合成金属配 合物的重要配体。手性s a l e n 配体是在上世纪9 0 年代根据模拟细胞色素p 4 5 0 氧化酶 系的作用而人工合成的一种新型的仿生手性催化剂，并衍生了一系列的手性配体【引。 由s a l e n 配合物催化的手性环氧化反应获得了很高的产率和e e 值【9 】。近年来他们被广泛 用于各类有机合成反应中，例如环氧化合物的动力学水解拆分。合成三元环化合物等， 这些催化反应也有较高的产率和e e 值【1 0 】，且反应条件温和。s a l e n 手性催化剂合成相对 廉价，可大量制备，有相当好的应用前景，对它的研究也成为近年来手性合成化学的 热点之一。 s a l e n 是一种用途广泛的配体，在丙交酯开环聚合1 1 1 】、c 0 2 与环氧化合物的反应【1 2 l 、 环氧化合物开环【1 3 】、不对称催化环氧化【1 4 】等反应中显示出了非常好的催化活性。 s a l e n 配体可以由lm o l 乙二胺的衍生物与2m o l 水杨醛的衍生物得到，金属配合物 则由s a l e n 配体与相应的金属盐制得。长期以来，s a l e n 金属配合物一直备受化学家的 青睐( 图1 1 ) 。u s l 5 l2 门 6 4 图1 1s a l e n 金属配合物 f i g 1 ls a l e nm e t a lc o m p l e x 3 ( 2 ) s h a r p l e s s 催化剂 1 9 8 0 年，s h a 叩l e s s 等人使用于性钛试剂成功地实现了烯丙醇的不对称环氧化【5 1 ， 被认为是不对称催化领域的重大突破，现己成为一种通用的标准实验室方法。这类反 应通常采用叔丁基过氧化氢( t b h p ，t - b u o o h ) 作氧化剂，四异丙氧基钛( t i ( o i p r ) 4 ) 和手性酒石酸二乙酯( l 一( + ) - d e t ) 或者( d ( ) d e t ) 作催化剂，所得环氧化产物的 3 北京化工大学硕士学位论文 对映体过量值( e e 值) 一般都大于9 0 ，化学产率为7 0 9 0 。 s h a r p l e s s 钛试剂催化烯丙醇的不对称环氧化体系的代表性的反应是四异丙氧基 钛酒石酸脂参与的烯丙醇的不对称环氧化反应。在有机合成反应中，其造价低廉，适 用底物范围较广( 常见的烯丙醇类化合物皆可) ，所以具有相当广泛的应用。通过选 择具有合适手性的起始酒石酸酯以及选用烯丙醇的z 或e 几何异构体，可以构建产物 的手性及其相对构型【l6 1 。 佤枞 l 尼肛十) - 咖傩e 天然 图1 2s h a r p l e s s 钛催化环氧化体系【1 6 】 f i g 1 - 2s h a r p l e s se p o x i d a t i o ns y s t e m 1 1 2 2 非金属有机催化剂 如葛 v 佣 蝴e c 与金属有机催化剂相反，非金属有机催化剂是指具备催化剂基本特征的一类不包 含金属离子配位的低分子量有机化合物。此类非金属有机催化剂不同于通常的单纯以 质子酸中心起主导作用的有机羧酸类、苯磺酸类有机催化剂，它是通过分子中所含的 n 、p 等富电子中心与反应物通过化学键或范德华力形成活化中间体，同时利用本身的 结构因素来控制产物的立体选择性。目前非金属有机催化剂主要有如下三类【1 7 】： ( 1 ) 有机胺类：脯氨酸、咪唑啉酮类、金鸡纳碱类、n 杂环卡宾类、二酮哌嗪类、 胍类、脲及硫脲类等： ( 2 ) 有机膦类：三烷基膦类、三芳基膦类等； ( 3 ) 手性醇类质子催化剂：如t a d d o l ( a ，q ，q ，a - t e t r a a r y l 1 ，3 - d i o x o l a n - 4 ，5d i m e t h a n 0 1 ) 类催化剂。 非金属有机催化剂和金属有机催化剂以及牛物有机催化剂有着非常密切的联系， 有的非金属有机催化剂例如叔膦本身又是金属有机催化剂很好的配体，还有些非金属 4 堂 糍 北京化工大学硕士学位论文 有机催化剂显示出类似于酶的特性和催化机理。大量的研究发现大多数非金属催化剂 有较高的催化活性，尤其是应用在不对称合成中，经其催化的反应大都有很好的收率 和对映选择性，并且具有毒性低、价格低廉、容易制备、稳定性好、易于固载等一系 列优点，所以越来越受到各国化学家的重视。 ( 1 ) 简单胍类化合物在不对称合成中的应用 胍类化合物是一类强的有机碱( pk a = 1 3 1 6 ) t 博】，在一般的生理环境中处于完全质 子化状态，并能在较宽的p h 范围内保持正电性【l9 1 ，这对于键合阴离子和保持蛋白质的 三级结构具有重要的意义【2 们。胍类化合物的催化机理主要是：通过与阴离子过渡态形 成两性离子氢键，以共振的形式分散过渡态的电荷，达到稳定过渡态、降低反应活化 能的目的。此外，作为主体胍类化合物还可以通过改变客体电荷性质达到影响客体反 应活性的目的【2 1 1 。近年来，利用胍类化合物作为催化剂可以高效催化很多反应，如： s t r e c k e r 反应、硅烷化反应、h e n r y 反应、m i c h a e l 加成、b a y i s - h i l l m a n 反应、w i t t i g 和h o m e r - w a d s w o r t h e m m o n s 反应、酯的合成反应等1 2 2 。 ( 2 ) 有机膦类化合物在不对称合成中的应用 1 9 9 2 年，t r o s t 2 3 j d , 组首次报道了在三苯基膦的催化下，a ，p 炔酮异构化为口，p 吖，6 共轭双烯酮。 1 9 9 3 年，陆熙炎小组【2 4 】对此类反应进行了详细的研究并将此类催化剂范围扩展 到有机叔膦，在随后的研究中提出并逐步完善了反应中叔膦的催化机理。在反应中， 具有亲核性的叔膦和三键发生加成生成l ，3 偶极子三苯基膦，脱除后生成的联烯再次 和三苯基膦加成，经过两次质子转移后脱除三苯基膦形成共轭二烯酮。此反应具有简 单，高产率和立体选择性的优点，提供了方便而有潜在应用价值的方法来制备合成天 然产物时所需的重要中间体【2 5 】。 1 9 9 7 年，陆熙炎等【2 6 】报道了一种利用有机催化剂合成n 杂环化合物的新方法，即 在催化量的三苯基膦作用下，2 ，3 丁二烯酸甲酯和芳环或芳杂环n 甲苯磺酰基亚胺在 室温下顺利地进行反应并给出较高收率的【3 + 2 】环加成产物。 最近，m a cm i l l a n 掣2 7 】开发了一系列胺类催化剂应用在催化不对称d i e l s a l d e r 反 应中，使反应在室温及水溶液或醇等溶剂巾进行，有较高的收率和对映选择性。同时， 产物与反应物及催化剂易于分离，便于催化剂的回收及重复使用。 ( 3 ) 金鸡纳碱化合物在不对称合成中的应用 金鸡纳碱类化合物主要包括奎宁、奎宁定、辛可宁和辛可宁定四种。由于其本身 的奎宁环中叔胺的n 具有碱性、c 9 上的羟基具有弱酸性的刚性特点，作为一类特殊 的手性催化剂广泛应用于有机合成和药物合成。 1 9 8 2 年，w y n b e r g t 2 8 1 报道了首例使用金鸡纳碱类有机催化剂奎宁定催化乙烯酮和 5 北京化工大学硕士学位论文 三氯乙醛发生【2 + 2 】环加成反应，反应给出良好收率( 8 9 ) 和高对映选择性( 9 8 ) 的产物p 内酯。c a i t e r l 2 9 报道金鸡纳碱类衍生物催化甲基烯酮分子间的【2 + 2 】环加成二 聚反应具有很高的对映选择性( 9 8 ) 。最近，l e c t k a 3 0 j 报道了首例用金鸡纳碱衍生 物8 q 催化烯酮和亚胺发生不对称【2 + 2 】环加成反应，生成1 3 内酰胺。 另外，h a t a k e y a m a - 等t 3 l 】考察了一系列来源于金鸡纳生物碱的能催化不对称b a y l i s h i l l m a n 反应的叔胺基及衍生物，发现来源于奎宁定的叔胺是催化l ，l ，l ，3 ，3 ，3 六氟异丙 基丙烯酸酯和各种醛之间b a y l i sh i l l m a n 反应的优良催化剂，对映异构体的过量百分含 量最高达9 9 。w h i t e h e a d 3 2 】使用金鸡纳碱奎宁作催化剂来催化苯硫酚对烷基硅取代 烯酮的加成，反应给出了相当高的收率( 9 9 ) 和对映选择性( 7 9 9 3 ) 。反应的 机理可能首先是金鸡纳碱进攻烯酮产生两性离子烯醇化物，接着烯醇化物中间体夺取 苯硫酚的质子，同时是苯硫酚负离子对金鸡纳碱的取代。 1 1 3 金鸡纳碱催化剂的结构特点和催化反应机理 金鸡纳碱双功能催化剂因其在众多反应中能获得良好的催化活性和对映体选择 性而广受各国化学家的重视。 1 1 3 1 金鸡纳碱催化剂的结构特点 金鸡纳碱双官能团硫脲类化合物结构特点是指在同一个化合物分子中同时含有 一个l e w i sa c i d 官能团( 硫脲) 和一个b r o n s t e db a s e 官能团( 伯胺仲胺或叔胺等) 。 它们在催化反应中的机理为双官能团相互协同过程( 以硝基苯乙烯与丙二酸酯的 m i c h a e l j i 成为例) ，即：一、l e w i sa c i d 官能团通过氢键活化硝基苯乙烯，使之负电 荷更趋分散，缺电子趋势变重；二、几乎同时，b r o n s t e db a s e 官能团也通过氢键活化 丙二酸酯，形成碳负离子。具体过程见下刚3 3 】： 图1 3 金鸡纳碱催化剂的反应机理 f i g 1 3r e a c t i o nm e c h a n i s mo fc i n c h o n aa l k a l o i d 6 北京化工大学硕士学位论文 1 1 3 2 金鸡纳碱催化剂的结构对催化反应的影响 金鸡纳碱双功能催化剂之所以会对反应产生比较大的影响主要是源于其结构特 占【3 4 】 、 ( 1 ) 扩展的芳香基团： ( 2 ) 奎宁环的取代情况，c 8 位的绝对构型决定其手性诱导取向，而奎宁环上的 n 原子烷基化后将使其手性诱导能力完全丧失； ( 3 ) c 9 位的取代集团，一o h 或o m e 是最合适的取代基团，较大的取代基团将 使e e 值降低。 为了了解金鸡纳生物碱的构象( 或构型) 对其手性诱导能力的影响，b a r t o k 3 s l 小 组考察了不同构象( 或构型) 金鸡纳生物碱的手性诱导能力。a i c n ( a i s o c i n c h o n i n e ) 的手性诱导能力和母体生物碱接近。b a r t o k 等人认为主要是由于c - 1 0 位上甲基的空间 结构阻碍了手性修饰剂在金属表面的吸附造成的。而由于b i c n ( b - i s o c i n c h o n i n e ) 结构的刚性，其手性诱导能力略低于a i c n 。b - i c n ( b i s o c i n c h o n i n e ) 在甲苯溶剂中 取得了5 0 的e e 值，产物构型为s ；在乙酸溶剂中取得了6 2 的e e 值，产物构型为r 。 c 9 位上不同取代基团的金鸡纳生物碱作手性修饰剂时，溶剂的影响并不大，但也仅 获得低于2 0 的e c 值。 1 1 3 3 双官能团硫脲类化合物在不对称合成中的应用 自从1 9 8 9 年，e t t e r 和他的合作者【3 6 】首次发现二芳基能容易与质子接受体形成共晶 后，就此揭开了脲和硫脲在不对称催化反应应用的帷幕。 1 9 9 8 年，j a c o b s e n 研究小纠了7 1 在应用组合化学的方法高通量平行筛选催化剂时， 发现在一个分子中同时包含有氨基酸和硫脲部分的双官能团有机化合物，在不对称 s t r e c k e r 反应有很好的对映选择性，得到了较好的结果( 7 8 产率，9 1 e c 值) 。 2 0 0 0 年，他们1 3 8 i 又拓宽了不对称s t r e c k e r 反应的底物，较系统地研究了该催化剂在 s t r e c k e r 反应的性能，提高了反应效果，得到了9 9 的产率和9 5 的e e 值。2 0 0 2 年， 接着前面的工作，该小组【3 9 】又对该催化剂进行了催化机理分析和结构优化，他们认为 在s t r e c k e r 反应中催化剂与反应底物是通过亚胺的n 与催化剂的酸性质子间氢键作用， 从而促进了反应的发生。也是在2 0 0 2 年，该小组j 将此催化剂应用至l j m a n n i c h 反应， 合成了b 芳基p 氨基酸并在研究中发现，在3 0 时得到了9 9 的产率和9 8 的e e 值。2 0 0 4 年，他们将此催化剂应用于亚胺的h y d r o p h o s p h o n y i a t i o n 反应，合成了a 一氨 基磷酸( 9 0 e e 值) ；2 0 0 5 年，应用于n i t r o m a n n i c h 反应1 4 引，在0 * c 时，反应取得了 9 2 e c 值。期间，2 0 0 4 年，j a c o b s e n 研究小组【4 3 】在先前的催化剂基础上，合成了新的 硫脲类双官能团有机化合物，并应用于a c y l p i c t e t s p e n g l e r 反应，在3 0 时，获得了 7 北京化工大学硕士学位论文 7 0 的产率和9 3 的e e 值。 2 0 0 5 年，b e n e d e k 等研究人员即】合成了含有硫脲官能团的金鸡纳碱衍生物，将其 应用于硝基甲烷和查耳酮的m i c h a e l 力f l 成反应，得到了8 9 9 0 的e e 值。同期，s e a m u s 等研究人员【4 5 】也合成出含有硫脲官能团的金鸡纳碱衍生物，他们将该催化剂应用于丙 二酸与硝基苯乙烯的m i c h a e l h 1 成反应，也得到了很好的结果( 9 9 e e 值) 。 2 0 0 4 年9 月，o k i n o 研究小纠3 3 j 合成了一类含硫脲和氨基的手性化合物，应用于 m i c h a e l j j f l 成反应，得到了较好的实验结果。2 0 0 5 年，他们应用此催化剂- 于a z a - h e n r y 反应m j ，得到了p 硝基胺( 9 1 的产率和7 0 的e e 值) 。2 0 0 6 年，在a z a h e n r y 反 应【47 】中，他们改变反应底物为硝基烷烃和n b o c 亚胺，进一步考察了催化剂中的硫脲 部分在活化底物和诱导手性方面的机理。 2 0 0 5 年s v e t t a n a i i 开究小组1 4 8 j 设计并合成了一类新的硫脲胺类双官能团催化剂，应 用于酮与硝基烯烃的m i c h a e l j j h 成反应，其间加) k a c o h h 2 0 作为添加剂，获得了8 8 的产率和9 9 的e e 值。 2 0 0 4 年s o h t o m e 研究小组【4 9 】应用最初合成的硫脲催化剂，考察了其在b a y l i s h i l l m a n 反应中的催化活性，研究发现当底物为脂肪醇时，最高可获得9 0 的e e 值。 a l f r e d o 等研究人员【5 0 j 合成了催化剂，并第一次将其应用到吲哚的f r i e d e l c r a f t s 烷基化 反应，得到了比较好的结果( 8 6 的产率和8 9 的e e 值) 。 1 2 不对称催化剂的多相化 1 2 1 不对称催化剂的负载方式【5 i l 根据负载手性催化剂的制备方式的不同，负载手性催化剂主要分为物理吸附手性 催化剂和化学键连接负载手性催化剂。 1 2 1 1 物理吸附 物理吸附手性催化剂是指催化活性物质通过物理吸附力直接吸附在载体上，由于 该类手性催化剂稳定性差，在使用的过程中金属离子或手性配合物很容易流失，载体 骨架或其配位功能基团也会被破坏，有时金属离子还会形成微晶，因此该类催化剂回 收次数很不理想，极少在工业上得到应用。 1 2 1 2 化学键连接 化学键连接负载手性催化剂是先让载体化合物的官能团与手性化合物反应，再用 8 北京化工大学硕上学位论文 生成的物质直接做催化剂或是与金属离子进行配合形成含金属配合物的载体负载手 性催化剂。该类型的手性催化剂不仅具有较高的稳定性可回收多次，而且还具有较高 催化效率，成为载体负载手性催化剂的主要研究方向。化学键连接的载体负载手性催 化剂的合成方法主要有三种类型： 1 通过有机反应先对载体进行官能团化，形成新生的官能团，然后再与手性催化 剂催化活性中心连接。使用此类负载方法，载体骨架与手性催化中心的距离非常接近， 对负载手性催化剂的立体选择性一般影响比较明显。 2 通过具有手性催化活性的单体共聚形成载体负载手性催化剂。可以通过控制聚 合的条件，从而得到合适的孔径、粒度、强度的凝胶或粉末。例如i t s u n o 等人1 5 2 】将手 性的氨基醇化合物与4 乙烯基苯磺酰氯进行磺化反应后得到手性单体与苯乙烯及二 乙烯基苯共聚，得到一系列的负载的手性n 磺酰基氨基醇化合物，这些负载的氨基醇 化合物与三烯丙基硼烷作用得到相应的负载烯丙基硼化合物，将其应用于醛的烯丙基 化反应，产率一般都在9 0 以上，e e 值最高达到9 2 。 3 对手性配体进行衍生化，引出可与官能团化载体反应的取代基，再通过亲核取 代或亲电加成等反应使手性催化剂以共价键链接到载体上。这种连接方式是目前高分 子负载手性催化剂的主要合成方法，对于这一类型的负载手性催化剂，载体的选择有 时非常关键，有可能造成最终反应结果呈正效应或是负效应。载体主要包括不溶性的 高分子载体( 例如聚苯乙烯、聚丙烯酸乙醇) 、可溶性的载体( 例如聚乙二醇、枝状 分子) 、无机载体( 例如硅胶、分子筛、金属氧化物) 和薄膜载体等。 1 2 2 负载不对称催化剂的特点 在过去的几十年中，利用多相化制备光学纯的化合物一直是一个备受重视的研究 领域。s c h w a b 、l i p k i n 和s t e w a r t 等人最早在二十世纪三十年代就已经将多相催化剂引 入不对称反应这一领域【5 3 1 。多相不对称催化反应进行的先决条件就是固体表面必须具 备手性环境。目前获得多相催化及手性环境的途径主要有以下几个：第一，将催化剂 负载于具有手性的载体上；第二，在传统多相催化剂表面通过手性分子修饰后产生手 性环境；第三，就是均相手性催化剂的多相化，即将手性配体固定于不溶性载体( 通 常为聚合物) 上，然后和活性金属配位而成：第四，反应前在固体表面生成均相手性 络合物。另外，直接合成固体手性催化剂也是努力的一个方向。 尽管不对称催化技术在实验室越来越成功，但是目前仅有极少数手性催化剂被成 熟的应用到工业生产中【”】，大多数的手性中间体或手性的产物仍然通过天然的手性起 始物来合成或者通过对外消旋体的拆分得到。造成这种现象的原因很多，其中之一是 用于不对称催化反应的催化剂的价格比较昂贵，而目前工业生产中还缺乏有效的的方 法来实现这些贵重的催化剂的回收与再利用。 9 北京化工大学硕士学位论文 负载手性催化剂相对于均相催化剂具有以下几大特点： 1 手性催化剂可重复使用 通过简单的分离方法，如过滤、沉淀等，即可使手性催化剂从反应体系中分离出 来i 里1 收并重复使用，使昂贵的催化剂更经济合理地得到利用，降低合成的成本并减少 有毒的手性催化剂或金属进入环境和最终产物，因此符合绿色化学的要求。而对于一 些采用流动床工艺的工业生产，负载催化使规模化的连续反应成为可能，从而使得负 载手性催化更有可能应用于大规模的工业生产。 2 手性催化剂对水和空气的稳定性提高 一般情况，由于高分子隔离效应【5 5 】的影响，负载手性催化剂相对于均相催化剂， 具有更高的对空气和水的稳定性，方便操作。 3 某些情况，手性催化剂的活性和立体选择性提高 由于高分子负载手性催化剂具有隔离效应【5 5 1 、静电效应【5 6 1 、疏水作用【5 2 】、高分子 链段刚柔性【5 6 】等效应的影响，高分子负载手性催化剂有可能表现出更理想的催化活性 和立体选择性。 1 3 纳米空间限域效应 1 3 1 多相催化剂载体 1 3 1 1 介孔二氧化硅作为多相催化剂载体 纳米粒子( n a n o - s i z e dp a r t i c l e s ，或n a n o p a r t i c l e s ) 是指粒径为纳米级( 1 0 9m ) 的 超细颗粒，其范围一般介于1 1 0 0n m 。当纳米粒子的粒径介于i 1 0a m 范围时，其表 面原子所占的比例将随粒径尺寸的减小而迅速增大，导致纳米粒子中配位不饱和原子 所占比例大大增加。纳米粒子的这种独特性质，可以产生表面效应、量子尺寸效应、 小尺寸效应以及宏观量子隧道效应等，从而使其表现出不同于传统体相物质的光、电、 磁、吸附、催化等特殊性质。 有序介孔材料按照化学组成分类，一般可分为硅基( s i l i c a b a s e d ) 和非硅组成 ( n o n - s i l i c a t e dc o m p o s i t i o n ) 介孔材料两大类。有序介孔材料具有较大的比表面积， 相对大的孔径以及规整的孔道结构，可以处理较大的分子或基团，是很好的择形催化 剂。特别是在催化有大体积分子参加的反应中，有序介孔材料显示出优于沸石分子筛 的催化活性。因此，有序介孔材料的使用为重油、渣油等催化裂化开辟了新天地。有 序介孔材料直接作为酸碱催化剂使用时，能够改善同体酸催化剂上的结碳，提高产物 的扩散速度，转化率可达9 0 ，产物的选择性达1 0 0 。除了直接酸催化作用外，由 l o 北京化工大学硕士学位论文 于窄的孔道分布和组成的灵活性等特点，可在有序介孔材料骨架中掺杂具有氧化还原 能力的过渡元素、稀土元素或者负载催化剂( 可以载金属、氧化物、配合物、有机基 团等) ，是目前开发介孔分子筛催化剂最活跃的领域。 根据国际纯粹和应用化学联合会( i u p a c ) 规定，介孔材料是指孔径介于2 - - 5 0 n m 之间的一类多孔固体材料，直径小于2 n m 和大于5 0 n m 的多孔材料分别被称为微孔 和大孔材料。具体实例见下表。 表1 1 多孔材料的分类与实例 t a b l e1 lc l a s s i f i c a t i o na n de x a m p l e so f p o r o u sm a t e r i a l 自1 9 9 2 年m o b i l 公司科学家【57 】首次报道了介孔分子筛m c m - 4 1 的合成以来， 国内外研究学者对介孔材料的研究给予了高度的重视，并进行了广泛而深入的探索， 已发现了众多的介孔材料：m 4 1 s ( 六方相的m c m 4 1 ，立方相的m c m 4 8 ，层状 相的m c m 5 0 ) ，f s m 1 6 ，h m s ，s b a 1 1 ( s b a 2 ，s b a 1 5 等) ，m s u x 系列。 到目前为止，人们已经开发出了各种各样的纳米粒子制备方法，但仍然无法满足 研究其催化反应特性所需要的要求。有序介孔材料( 如s b a - 1 5 ) 具有大的比表面积， 单一的孔径分布，孔径连续可调且高的热稳定性，是一种理想的催化剂载体材料。同 时这类材料在吸附、分离、生物催化等领域也显示出一定的优势。目前，基于有序介 孔材料的组装化学特别是在介孔材料上纳米粒子的组装及其应用的研究已经成为一 个热剧5 引。 1 3 1 2 介孔二氧化硅在多相催化中的应用 ( 1 ) 介孔材料的酸催化性能 介孔分子筛酸催化剂是通过在分子筛骨架中嵌入l 酸或b 一酸中心而制备得到 的，如a 1 m c m 4 1 ，a 1 m c m 4 8 ，g a m c m - - 4 1 ，b m c m 4 1 等，也可通过担载固体 酸组分获得，如h p a m c m - 4 1 。主要用于石油加工的过程。 ( 2 ) 介孔材料的碱催化性能 除了酸催化作用外，n a m c m 4 1 ，c s m c m - 4 1 在碱作用中也具有很好的功能。 研究表明：碱金属很易被引入具有高含量a l 的介孔材料，得到碱性催化剂 北京化工大学硕士学位论文 a 1 m c m - 4 1 ，对于弱碱催化的大分子反应活性很高。 ( 3 ) 通过同晶取代制氧化还原催化剂 这是目前开发介孔分子筛催化剂最活跃的领域之一。在s i 骨架中通过同晶取代， 引入具有氧化还原能力的活性中心，嵌入介孔分子筛的骨架，即可得到相应的分子筛 氧化还原催化剂，在其孔道内表面，骨架中的杂原子附近的有限反应场所对有机分子 的转化具有特殊的作用。 ( 4 ) 作为载体负载金属、金属配合物和酸【5 9 】 除了以上介孔材料在作为催化剂方面的应用外，目前对介孔材料的研究也集中于 制备低维材料的纳米反应器。介孔分子筛具有相对大的孔径，较大的比表面积，规整 的孔道结构，骨架可掺杂以及表面易于修饰，在催化剂的设计和应用中倍受化学家们 的青睐。按照介孔材料作为载体和催化活性组分的相互关系来划分，我们把介孔催化 材料分为骨架掺杂型，表面嫁接型和孔道负载型。 骨架掺杂型 1 9 8 3 年，意大利e n i c h e m 公司【删开发了具有m f i 结构的含t i 分子筛即钛硅分子筛 t s 1 ，并且将它应用在一系列氧化反应中，展示了非常优良的催化活性，而被大规模 应用于工业催化。但是，由于受催化剂孔径的限制，它们只适用于小分子参与的反应。 由于具有相对大的孔径和规整的孔道结构，在催化较大的分子或基团时，介孔材料成 为了科学家们眼中理想的催化剂载体。1 9 9 4 年，c o r m a 等人【6 1 】率先合成出了骨架掺杂 钛的介孔分子筛t i m c m - 4 1 ，并应用于催化氧化。在t i m c m 4 1 、t i b e t a 和t i z s m 5 催化庚烯环氧化的比较研究中，当以叔丁基过氧化氢为氧化剂时，t i m c m - 4 1 显示了 更高的催化活性。 同时，其他一些杂原子如v 、z r 、f e 等也被引入m c m - 4 1 、h m s 、m s u 、s b a 1 5 等介孔材料中。r e d d y 通过水热合成制备了钒取代的m c m - 4 l 【6 2 】。v - m c m - - 4 1 在以过 氧化氢做氧化剂时部分氧化环十二烷和1 萘酚的反应中具有高活性和高选择性。在室 温下制备的v - h m s 在以叔丁基过氧化氢或过氧化氢做氧化剂催化氧化2 , 6 二丁基苯酚 的反应中显示了高于t i h m s 的活性。t u e l 等人在室温下以异丙醇锆为原料合成了含锆 i 拘z r - m c m - 4 1 ( z r - m s ) 1 6 3 】。z 卜m s 在苯胺的氧化反应中的催化活性与含钛的介孔分子筛 类似，但在庚烯环氧化反应中对醇表现出更高的选择性。铁离子交换的f e m c m 4 1 被应用于重要的配体b i o n l 的合成中。在以氧气为氧化剂的条件下，f e m c m - 4 1 的 催化活性明显高于铁离子交换的沸石分子筛催化剂旧1 。 表面嫁接型 不管通过焙烧，还是有机溶剂萃取除去介孔孔道中的模板剂，介孔材料表面均存 在着部分的硅羟基。硅烷化试剂的一端与其反应能够形成牢固的硅氧硅键，而另一端 1 2 北京化工大学硕士学位论文 带有有机功能基团使介孔表面官能化【6 5 】。若硅烷化试剂的终端带有活泼的基团如卤 素、氨基等，则它又可以与另外的化合物通过化学反应而连接。有机基团和化学反应 的多样化，使介孔材料表面被设计和修饰成各种功能化的表面。 很多金属有机化合物是很好的均相催化剂，把他们通过化学键连接到介孔的孔壁 上可以实现均相催化剂的多相化。这些被锚定的有机金属催化剂往往示出比固定前更 高的活性和不同的选择性。s u t r a 等人脚j 通过嫁接( m e o ) 3 s i ( c h 2 ) 3 c 1 ，将m n ( i